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.

Распространенные искусственные абразивные материалы

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.

Характеристики абразивных материалов

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 поверхнос¬ти 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.