Абразивные материалы

 

Большое место в современном производстве деталей машин занимают процессы шлифования, при которых используются различные абразивные инструменты. Режущими элементами этих инструментов служат твердые и теплоустойчивые зерна абразивного материала с острыми кромками.

Абразивные материалы подразделяются на естественные и искусственные. К естественным абразивным материалам относятся такие минералы, как кварц, наждак, корунд и др. Естественные абразивные материалы отличаются большой неоднородностью, наличием посторонних примесей. Поэтому по качеству абразивных свойств они не удовлетворяют растущие потребности промышленности.

В настоящее время обработка искусственными абразивными материалами занимает ведущее место в машиностроении.

Наиболее распространенными искусственными абразивными материалами являются электрокорунды, карбиды кремния и бора.

Электрокорунд получают электрической плавкой материалов, богатых окисью алюминия, например из боксита или глинозема в смеси с восстановителем (антрацитом или коксом). Электрокорунд выпускается следующих разновидностей: нормальный — Э, белый — ЭБ, монокорунд— М, хромистый — ЭХ, титанистый — ЭТ. Электрокорунд нормальный в зависимости от содержания окиси алюминия подразделяется на несколько марок:

 

Электрокорунд Э1 32 ЭЗ Э4

Содержание Аl2О3, % 91 92 93 94

 

С увеличением содержания Аl2О3 повышается качество и возрастает абразивная способность электрокорунда. В настоящее время производство электрокорунда марок Э1, Э2, ЭЗ почти прекращено. Зерна электрокорунда наряду с высокой твердостью и механической прочностью имеют значительную вязкость, необходимую при выполнении работ с переменными нагрузками при больших давлениях.

Электрокорунд нормальный применяют для обработки различных материалов повышенной прочности, в частности, конструкционных и углеродистых сталей в незакаленном и закаленном состоянии.

Электрокорунд белый Э8 и Э9 содержит окись алюминия в количестве не менее 97%, имеет белый или светло-розовый цвет.

В настоящее время в основном выпускается электрокорунд белый марки Э9 с содержанием Аl2О3 99% и выше.

По особой технологии промышленность выпускает электрокорунд белый марки Э9А повышенного качества, который применяется для изготовления инструментов класса А.

Электрокорунд белый может быть использован для тех же материалов, что и электрокорунд нормальный. Однако из-за высокой стоимости его применяют для ответственных работ при шлифовании углеродистых и быстрорежущих сталей в закаленном состоянии и легированных сталей в незакаленном и закаленном состоянии.

Монокорунд марок М8 и М7 содержит 98% и 97% Аl2О3. Главная особенность монокорунда состоит в том, что он получается непосредственно в виде зерна, имеющего высокую механическую прочность, острые кромки и вершины с более выраженным свойством самозатачивания по сравнению с электрокорундом. Это обеспечивает ему повышенные режущие свойства. Однако с повышением размеров зерен монокорунда его структура ухудшается и прочность снижается.

Монокорунд предпочтителен для шлифования труднообрабатываемых жаропрочных, кислотоупорных, легированных сталей и сплавов.

 

Электрокорунд хромистый (технический рубин) содержит не менее 97% Аl2О3 и 0,4—1,2% Cr2О3. Зерна электрокорунда хромистого имеют розовую или темно-вишневую окраску. Они обладают большим постоянством физико-механических свойств и содержат больший процент монокристаллов по сравнению с электрокорундом белым. Рекомендуется применять электрокорунд хромистый для шлифования изделий из углеродистых и конструкционных сталей круглого сечения при интенсивных режимах. Применять этот материал для обработки вязких сталей нецелесообразно.

Электрокорунд титанистый (технический сапфир) с присадкой окиси титана близок к электрокорунду нормальному, но отличается от него большим постоянством свойств и увеличенной вязкостью. Это позволяет применять его в условиях тяжелых и неравномерных нагрузок и для прецизионных работ.

Карбид кремния получается в результате взаимодействия кремнезема и углерода в электрических печах, а затем дробления на зерна. Он состоит из карбида кремния SiC и незначительного количества примесей. Наиболее распространены две разновидности карбида кремния: зеленый (КЗ), имеющий цвет от светло-зеленого до темно-зеленого, и черный (КЧ) — обычно черного или, темно-синего цвета. Карбид кремния выпускается следующих марок: К39, К38, К37, К36, КЧ8, КЧ7. Цифры в. маркировке означают содержание SiС в. процентах. Например, К39 означает карбид кремния зеленый с содержанием 99% SiС; КЧ8 — означает карбид кремния черный с содержанием 98% SiС. Карбид кремния зеленый отличается от карбида кремния черного меньшим, количеством примесей. Карбид кремния обладает большой твердостью, превосходящей твердость электрокорунда, высокой механической прочностью и режущей способностью.

Карбид кремния является незаменимым материалом для шлифования чугуна, цветных металлов, стекла, пластмасс и других хрупких материалов. Зеленый карбид кремния обладает большей твердостью, но меньшей прочностью по сравнению с черным карбидом кремния. Это и определяет некоторое превосходство зеленого карбида кремния над черным при обработке твердых сплавов.

Карбид бора В4С обладает высокой твердостью, высокой износоустойчивостью и абразивной способностью. Вместе с тем карбид бора очень хрупок, что и определяет его применение в промышленности в виде порошков и паст для доводки твердосплавных режущих инструментов, фильер из твердых сплавов, шлифования камней из искусственного рубина, агата и т. п.

Абразивные материалы характеризуются такими основными свойствами, как форма абразивных зерен, зернистость, твердость, механическая прочность, абразивная способность зерен.

По форме абразивные зерна могут быть изометричные, пластинчатые и мечевидные. Изометричные зерна имеют округлую симметричную форму, а зерна пластинчатые и мечевидные имеют ярко выраженную несимметричную форму. Основной формой абразивных зерен является изометричная. Однако при увеличении количества изометричных зерен шлифовальный инструмент требует больших усилий при резании; он получается с более плотной упаковкой зерен, т.е. с меньшей пористостью, что ухудшает режущую способность. Поэтому изометричную форму абразивных зерен нельзя считать оптимальной во всех случаях. Изометричные зерна предпочтительны для инструментов, работающих при обдирочных режимах с тяжелой переменной нагрузкой в условиях больших давлений на инструмент.

Зерна пластинчатые и мечевидные, обладающие большей способностью скалывания, самозатачивания, более целесообразны при чистовых операциях и обработке труднообрабатываемых материалов.

Абразивные зерна имеют определенную округленность своих режущих элементов. Установлено, что при уменьшении размеров абразивных зерен соответственно уменьшаются как радиусы округлений, так и углы при вершине их режущих элементов. Уменьшение размеров зерен влияет на процесс снятия тонких стружек и способствует получению более чистой обработанной поверхности. Зерна из электрокорунда имеют радиусы округлений от 4 до 180 мкм. Зерна из карбида кремния имеют, как правило, меньшие радиусы округлений.

Абразивные материалы по величине зерна подразделяются на шлифзерно (200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32,25, 20, 16), шлифпорошки (12, 10, 8, 5, 4, 3) и микрошлифпорошки (М40, М28, М20, М14, М10, М7, М5).

Зернистость шлифзерна и шлифпорошков определяется размерами сторон ячеек контрольных сит. Например, номер зернистости 16 обозначает, что зерна этой зернистости проходят через сито с ячейками размером стороны 200 мкм и не проходят через сито с ячейками размером сторон 160 мкм.

Размеры зерен микрошлифпорошков определяются по линейным размерам зерен в микрометрах. Так, для микрошлифпорошка М40 пределы размеров зерен основной фракции равны 40—28 мкм.

Твердость абразивных материалов характеризуется сопротивлением зерен поверхностному измельчению, местному воздействию приложенных сил. Она должна быть выше твердости обрабатываемого материала. Твердость абразивных материалов определяется методом царапания острия одного тела по поверхности другого и методом вдавливания алмазной пирамиды под малой нагрузкой в абразивное зерно. При методе царапания более твердым будет тело, способное сделать царапину у менее твердого тела. Этот метод не достаточно точный, чтобы определить твердость абразивного материала. Поэтому несомненный интерес представляет испытание микротвердости абразивов на приборе ПМТ-3. На этом приборе определяют отношение силы вдавливания пирамиды к площади отпечатка. Как показывают испытания, с повышением температуры микротвердость абразивных материалов снижается.

Механическая прочность характеризуется дробимостью зерен под влиянием внешних усилий.

Абразивные зерна должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать без разрушения давления резания, когда кромки еще достаточно остры, и допускать откалывание от них кусочков лишь тогда, когда кромки в должной мере затупятся.

Оценку прочности производят раздавливанием навески абразивных зерен в стальной форме под прессом с помощью определенной статической нагрузки. Показателем прочности служит процентное весовое количество зерен, не просеивающихся через сито, с которого была взята навеска. О прочности единичных зерен судят по величине нагрузки, разрушающей зерно, взятой как среднее из 100 испытаний.

При обдирочных режимах с большим съемом металла требуются прочные абразивы, а при чистовом шлифовании и обработке труднообрабатываемых материалов предпочтительны абразивы с большей хрупкостью и способностью к самозатачиванию. Абразивная способность характеризуется количеством материала, сошлифованного испытываемыми зернами за определенный промежуток времени. Определенное количество испытываемых зерен насыпается между двумя вращающимися с небольшой скоростью дисками.

В порядке снижения абразивной способности и твердости абразивные материалы располагаются в следующей последовательности: карбид бора, карбид кремния, монокорунд, электрокорунд.

 

Алмазы

 

Алмаз как инструментальный материал получил в последние годы широкое применение в машиностроении. В Советском Союзе этому способствовало открытие месторождений алмазов в Якутии и организация промышленного производства синтетических алмазов.

В настоящее время выпускается большое количество разнообразного инструмента с использованием алмазов: шлифовальные круги, инструменты для правки шлифовальных кругов из электрокорунда и карбида кремния, пасты и порошки для доводочных и притирочных операций. Значительные по размерам кристаллы алмазов применяются для изготовления алмазных резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов. Область применения алмазного инструмента с каждым годом все более расширяется.

Алмаз представляет собой одну из модификаций углерода кристаллического строения. Алмаз — самый твердый из всех известных в природе минералов. Твердость алмаза выше твердости карбида бора в 2,3 раза, карбида кремния — в 3 раза. Высокая твердость алмаза объясняется своеобразием его кристаллического строения, прочностью связей атомов углерода в кристаллической решетке, расположенных на равных и очень малых расстояниях друг от друга. Однако прочность алмаза невелика и он легко раскалывается по плоскостям спайности. Поэтому алмаз используется для обработки при относительно малых нагрузках.

Коэффициент теплопроводности алмаза в два и более раза выше, чем у сплава ВК8, поэтому тепло от зоны резания отводится сравнительно быстро.

Алмаз имеет весьма низкий коэффициент линейного расширения и высокий модуль упругости. Следовательно, инструменты с кристаллами алмаза имеют малые деформации, В результате можно получать детали высокой точности и поддерживать эту точность в течение длительного времени. Теплостойкость алмаза характеризуется тем, что при температуре около 800* С в обычных условиях он начинает превращаться в графит. Вместе с тем алмаз обладает наиболее высокой абразивной способностью по сравнению с другими абразивными материалами. Так, при заточке и доводке твердого сплава расход алмаза в 100—400 раз меньше, чем при обработке карбидом кремния.

 

Природный алмаз условно обозначается А, а синтетические алмазы — АС.

В природе чаще всего встречаются агрегатные разновидности алмаза: борт, карбонадо и баллас. Находки крупных алмазных кристаллов редки. К борту относятся все зернистые и неправильные сростки кристаллов алмазов, часто без признаков граней и ребер.

К карбонадо относятся весьма тонкозернистые, плотные или несколько пористые агрегаты буровато-черного цвета. Черная окраска карбонадо обусловлена наличием в алмазе высокодисперсного графита. Шлифовальные порошки из природных алмазов выпускаются одной марки — А.

Возросшие потребности в алмазном инструменте не могут быть полностью удовлетворены за счет природных алмазов. В настоящее время освоено промышленное производство синтетических алмазов из графита при больших давлениях и высоких температурах.

Синтетические алмазы могут быть различных марок, которые отличаются между собой по прочности, хрупкости, удельной поверхности и форме зерен.

В порядке возрастания прочности, снижения хрупкости и удельной поверхности марки шлифовальных порошков из синтетических алмазов располагаются так: АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС. Зерна АСО с повышенной хрупкостью и развитой поверхностью хорошо удерживаются в связке и самозатачиваются в процессе работы. Они рекомендуются для изготовления инструментов на органической связке, а также для паст и порошков. Зерна АСР предназначены в основном для изготовления различного инструмента на металлической и керамической связках.

 

Зерна АСВ имеют более гладкую поверхность по сравнению с зернами АСО и АСР и рекомендуются для изготовления инструмента на металлических связках, работающего при повышенных удельных давлениях. Зерна АСК рекомендуются для изготовления инструмента на твердых металлических связках, применяемого для обработки природного камня и других твердых материалов.

Зерна АСС, имеющие наибольшую прочность, предназначены для правки абразивных кругов, резки и обработки корунда, рубина и других особо твердых материалов.

Микропорошки из природных алмазов имеют марки АМ и АН, а из синтетических АСМ и АСН.

Микропорошки марок АМ и АСМ нормальной абразивной способности предназначены для изготовления абразивного инструмента, которым обрабатывают твердые сплавы и другие твердые и хрупкие материалы, а также детали из стали, чугуна, цветных металлов при необходимости получения высокой чистоты поверхности.

Микропорошки марок АН и АСН, имеющие повышенную абразивную способность, рекомендуются для обработки сверхтвердых, хрупких труднообрабатываемых материалов.

Зернистость алмазных шлифовальных порошков, контролируемая ситовым методом, колеблется от 630 до 40 мкм, а зернистость микропорошков, определяемая под микроскопом, колеблется от 60 до 0 мкм.

Зернистость порошков обозначается дробью, числитель которой соответствует наибольшему, а знаменатель — наименьшему размеру зерен. Она определяется размерами сторон ячеек двух контрольных сит, через одно из которых зерна должны проходить, на другом — задерживаться. Поэтому фактически в обозначении зернистости порошка числитель и знаменатель указывают не на наибольший и наименьший размеры зерна, а на размеры ячеек сит.

В последние годы все более широкое развитие получают работы, связанные с синтезом крупных алмазных монокристаллов и поликристаллов. Промышленность успешно освоила производство балласов АСБ и карбонадо АСПК. Размеры выпускаемых алмазов АСБ достигают по диаметру 5—7 мм, а АСПК — до 5 мм, что позволяет использовать их для изготовления резцов, фрез и других лезвийных инструментов.

Наряду с совершенствованием способов получения синтетических алмазов ведутся исследования по разработке других искусственных сверхтвердых материалов. Одним из таких материалов является кубический нитрид бора (КНБ) — эльбор или боразон, который имеет кристаллическую решетку, аналогичную решетке алмаза, и состоит из двух элементов— бора и азота. Синтезируется боразон в виде кристаллов размером до 600 мкм. Он не имеет природного двойника.

Боразон имеет твердость, близкую к твердости алмаза, такую же прочность и большую теплостойкость и не теряет режущих свойств при нагреве до 1500— 1600* С. Он рекомендуется для изготовления абразивных инструментов, предназначенных для шлифования труднообрабатываемых сталей, особенно быстрорежущих сталей нормальной и повышенной производительности.