Властивості електрокорундових шліфувальних матеріалів

Ефективність шліфування при забезпеченні необхідної якості обробки є одним із головних завдань у галузі абразивної обробки. На більшості промислових підприємств основними шляхами її вирішення вважається застосування найсучаснішого шліфувального обладнання, призначення оптимальних параметрів та продуктивності процесу шліфування, що забезпечують якість обробки, високу стійкість абразивного інструменту, економічність процесу тощо. Крім того, цілком обґрунтовано враховується характеристика оброблюваного матеріалу, геометричні параметри і форма поверхні, що шліфується, припуск на обробку, вихідний стан шліфованої поверхні і т.д.

Перелічені чинники важливі, але за неправильному доборі характеристики абразивного інструменту їх значення нівелюється. Ефективність шліфувальних операцій значною мірою залежить від правильного вибору характеристики абразивного інструменту.

Одним із ключових параметрів абразивного інструменту є сам абразивний матеріал, за допомогою якого здійснюється процес шліфування.

Властивості абразивних матеріалів
Абразивні матеріали - це переважно матеріали високої твердості, природні та штучні, здатні здійснювати абразивну обробку.
 У виготовленні абразивного інструменту століттями використовувалися такі види природних абразивів, як алмаз, гранат, кремінь, корунд або наждак.
Корунд був найпоширенішим абразивним матеріалом, який широко використовувався в обробці металів (походить від англ. – corundum, запозиченим з мови тамільської – kuruntam, що стався у свою чергу з санскриту – curuvinda – рубін). Шліфувальні (наждакові) круги з корунду отримували за допомогою обтісування (матеріал добре сколюється) та обточування ще більш твердим абразивом, таким як алмаз, кремінь. Природний корунд співслужив добру службу промисловості до впровадження штучних матеріалів високої якості, що виникли завдяки розвитку металургії.
 До природних (природних) абразивних матеріалів, що мають і в даний час промислове значення, і дуже обмежене застосування, відносяться алмаз, гранат, корунд, кремінь та ін.
Штучні абразивні матеріали відрізняються більшою стабільністю фізико-механічних властивостей у порівнянні з природними. Нині штучні абразивні матеріали майже повністю витіснили у промисловості природні. До штучних абразивних матеріалів відносяться алмаз синтетичний, карбід бору, карбід кремнію, технічне скло, ельбор, електрокорунд та ін.
Найбільш поширеним абразивним матеріалом є електрокорунд, про застосування якого зупинимося докладніше.

ДОВІДКА
Хімічно чистий корунд є кристалічним окисом алюмінію, що отримується в результаті плавки хімічно чистого окису алюмінію (глинозему) при температурі близько 20500 С. Електрокорунд випускається зазвичай з вмістом 91 - 99% Аl203; щільність 3,93 - 4,01 г/см3; мікротвердість 1800 - 2600 кгс/мм2; твердість за шкалою Моосу 8,9 – 9,1. За твердістю корунд поступається лише алмазу, кубічному нітриду бору, карбіду бору та карбіду кремнію. Промисловість випускає наступні чотири різновиди електрокорунду, які в залежності від вмісту двоокису алюмінію та домішок мають різний колір, структуру та властивості: * електрокорунд нормальний, що містить у зерні 92 - 96% Аl203 і має колір від рожевого до темно-коричневого (синій, коричневий, малиновий та ін); * електрокорунд білий, що містить 97 - 99% Аl203; * леговані електрокорунди, що містять елементи, що істотно змінюють їх властивості, наприклад, титан, хром та ін; * монокорунди, що містять 97 - 98% Аl203.

Нормальний електрокорунд одержують із бокситів методом відновлювальної плавки в електропечах. У порівнянні з іншими електрокорундовими матеріалами його найчастіше застосовують у промисловості. Щільність нормального електрокорунд становить 3,9 г/см3. Мікротвердість коливається в межах 2000 - 2300 кгс/мм2. Висока твердість та міцність зерен дозволяють використовувати електрокорунд для шліфування металів. Крім того, корунд має значну в'язкість, тому його застосовують при виконанні робіт зі змінними навантаженнями та при підвищених тисках. Найбільш широке застосування у світовій практиці нормальний електрокорунд знаходить при виготовленні обдирного та шліфувального інструменту на органічних зв'язках і дуже обмежене на керамічних, в основному для ручних операцій. Більшу частину шліфувальної шкурки та виробів з неї виробляють із використанням нормального електрокорунду.

Білий електрокорунд відрізняється високим вмістом окису алюмінію (близько 99%) за незначної наявності інших оксидів. Мікротвердість білого електрокорунду 2200 – 2600 кгс/мм2, щільність 3,95 г/см3. Внаслідок високої твердості, міцності та наявності гострих кромок, зерна білого електрокорунду легко впроваджуються у заготовки із високоміцних сплавів. Гострі кромки зерен сприяють також менше нагрівання оброблюваних заготовок. Сировиною для виплавки білого електрокорунду є глинозем, що є окисом алюмінію з незначною кількістю домішок. Його одержують із бокситів, нефелінів, каолінів та інших продуктів. Абразивні інструменти і матеріали з білого електрокорунду однорідні і мають хорошу самозаточність, а оброблені ними поверхні деталей відрізняються низькою шорсткістю. Завдяки цим якостям з білого електрокорунду виготовляють абразивні інструменти, що застосовуються при прецизійному та швидкісному шліфуванні, для обробки заготовок з вуглецевих, легованих та швидкорізальних сталей.

Леговані електрокорунди мають регульовані властивості внаслідок того, що в корунді містяться різні елементи, що утворюють з ним тверді розчини. Властивості легованих корундів від звичайних. Матеріал, виплавлений з глинозему з полуторним окисом титану, називається титанистим електрокорундом. Абразивна здатність титанистого електрокорунду вища, ніж нормального та білого електрокорунду при меншій міцності та мікротвердості. Хромистий електрокорунд марок одержують із глинозему при виплавці з добавкою окису хрому. За показниками абразивної здатності, міцності та мікротвердості хромистий та білий електрокорунди приблизно однакові. Кола з легованих електрокорундів рекомендується застосовувати для шліфування заготовок із конструкційних та інструментальних (загартованих) сталей. Використовувати інструменти з легованих електрокорундів для обробки заготовок із в'язких сталей недоцільно.

Монокорунд відрізняється від інших електрокорундів великою чистотою, причому майже весь окис алюмінію в монокорунд представлена ​​корундом з зернами-монокристалами. Монокорунд містить щонайменше 97% Аl2O3 інше домішки; густина 3,97 г/см3. Монокорунд отримують з бокситів методом окенсульфідної плавки, сутність якої полягає в сплавленні бокситу із сірчистим залізом (піритом) у присутності відновника. У порівнянні з нормальним і білим електрокорундами монокорунд має більш високі показники: твердість, механічну міцність і абразивну здатність. Ізометрична форма зерен монокорунду та міцні гострі кромки забезпечують інструментам високу ріжучу здатність та хорошу самозаточність. Монокорунд застосовується для виготовлення інструментів на керамічній зв'язці та шліфувальної шкірки, призначених для обробки заготовок із загартованих легованих, жароміцних та кислототривких сталей та сплавів.
Формокорунд, SG-абразиви, кубитрон та ін – абразивні матеріали, що складаються з мікрочастинок корунду (менше 5мкм), одержувані методами золь-гель технології або корундової спеченої кераміки. Відрізняються високою ріжучою здатністю та самозагострюваністю.

З загальносвітової практики відомо, що абразивні інструменти з електрокорунду використовуються при обробці матеріалів з високим опір розриву (сталі, ковкого чавуну, заліза, латуні, бронзи). При обробці матеріалів з високим опором розриву (обдирка сталевих виливків, поковок, прокату, стійких високоміцних і вибілених чавунів, ковкого чавуну, напівчистова обробка різних деталей машин з вуглецевих та легованих сталей у незагартованому та загартованому вигляді, марганцовистої бронзи, нік .п.) рекомендується застосовувати абразивні інструменти з нормального та цирконевого електрокорундів, причому на органічних зв'язках. На керамічній зв'язці кола з нормального електрокорунду мають схильність до припаків.
Для обробки вищевказаних матеріалів переважно на напівчистових і чистових операціях, при профільному шліфуванні та заточуванні інструментів зі сталей слід застосовувати шліфувальні круги із електрокорунду білого на керамічному зв'язуванні.

Абразивні інструменти з електрокорунду білого застосовуються:

Для шліфування деталей з цементованих, загартованих, азотованих та високолегованих сталей з низькою теплопровідністю та теплоємністю переважно застосовувати абразивні інструменти з монокорунду та спечених абразивних матеріалів. Ці інструменти завдяки сколюванню дрібних частинок зерен у процесі різання мають високу ріжучу здатність. За рахунок збереження гостроти ріжучих кромок знижуються споживана на різання потужність і відповідно нагрівання деталі, що обробляється. Переваги абразивних інструментів з монокорунду та спечених абразивів виявляються переважно на операціях напівчистового та чистового шліфування, заточування різальних інструментів, шліфування тонких та довгих різьблень, зубо- та шліцешліфування, шліфування кілець підшипників. Однак монокорунд у світі зараз практично не випускається для абразивного інструменту. Спечені абразиви надзвичайно дорогі і використовуються, як правило, на прецезійних операціях.
Довідка. Для обробки твердих матеріалів з низьким опором розриву (чавуну, бронзового та латунного лиття, твердих сплавів, дорогоцінного каміння, скла, мармуру, граніту, порцеляни, твердого каучуку, кістки тощо), а також м'яких та в'язких матеріалів (латуні, міді і т.д.), застосовується абразивний інструмент з карбіду кремнію, який характеризується більш високою твердістю та меншими кутами загострення зерен, ніж інструмент із електрокорунду.
Одним з ключових параметрів абразивного матеріалу, у нашому випадку електрокорунд є його зернистість, яка головним чином визначає вид обробки.

Зернистість вибирається залежно від наступних факторів:

Зі зменшенням розміру абразивних зерен підвищується їхня ріжуча здатність за рахунок зростання числа зерен на одиниці робочої поверхні, зменшення радіусів округлення зерен, меншого зносу окремих зерен. Однак зменшення розміру зерен призводить до значного зменшення пор кола, що викликає необхідність зниження глибини шліфування і величини припуску, що знімається на операції. Чим дрібніше абразивні зерна в інструменті, тим менше в одиницю часу знімається матеріалу з деталі, що обробляється. Нині дедалі ширше застосування знаходять абразивні інструменти про проміжних (F70, F54) зернистостей. Застосування шліфколів зернистістю F54 замість шліфкругів зернистістю F46 дозволяє підвищити стійкість кола до 60% і знизити шорсткість поверхні. Таким чином, раціональне поєднання режиму обробки, правки інструменту та його зернистості дозволяє отримувати високі точність та якість обробки поверхні, різну стійкість кіл між правками.

Рекомендації щодо вибору марки електрокорунду в шліфувальних кругах.

     У попередньому розділі докладно описано властивості та використання в абразивному інструменті електрокорундових матеріалів. Абсолютно зрозуміло, що оптимальним матеріалом для обдирних та попередніх операцій сталевого прокату та заготовок доцільно застосовувати круги з електрокорунду нормального. Однозначно застосування нормального електрокорунду при виготовленні абразивного інструменту на органічній зв'язці.
    Все, що стосується напівчистової, чистової обробки шліфуванням, оптимальним є абразивний інструмент з використанням білого електрокорунду на керамічній зв'язці.
    Практика працюючих підприємств показує, що в умовах соціалістичної економіки, жорсткого дефіциту та централізованого розподілу абразивного інструменту для підприємств допускалося використання шліфувальних кіл на керамічній зв'язці з використанням електрокорунду нормального. При цьому нормативною документацією передбачалися нижчі експлуатаційні показники кіл та підвищені витрати на операціях шліфування.
Так, у ГОСТі 2424-83, що діє на території України, надано пряме посилання на знижені експлуатаційні показники шліфувальних кіл зв'язці з використанням електрокорунду нормального. Відповідно до п. 2.14 експлуатаційні показники якості кіл на керамічній зв'язці наведено лише для електрокорунду білого марки 25А. У примітці до таблиці 25 написано, що для кіл із нормального електрокорунду мінімальне значення коефіцієнта шліфування повинні бути помножені на 0,8.
У додатку А нового російського стандарту на шліфувальні круги ГОСТР 52781-2007 показники кіл на керамічній зв'язці з нормального електрокорунду взагалі не передбачені.
Враховуючи те, що коефіцієнт шліфування - це характеристика продуктивності абразивного кола, виражена величиною відношення обсягу відшліфованого металу до одиниці обсягу зносу шліфувального кола (з урахуванням виправлення), він відображає багато аспектів абразивної обробки.
Насамперед коефіцієнт шліфування характеризує абразивну здатність кіл і параметр продуктивності. При визначенні цього коефіцієнта на конкретну операцію обробки мається на увазі, що при обробці витримані геометричні розміри, забезпечені задані параметри шорсткості та отримана бездефектна поверхня (без пропалів) за рахунок правильного підбору абразивного інструменту, СОЖ та режимів редагування. Зрозуміло, що різниця у 20% у величині коефіцієнта шліфування між колами з білого та нормального електрокорунду відображає різницю у всіх перерахованих показниках.
По-друге, коефіцієнт шліфування - це економічний показник роботи абразивного інструменту. Не викликає сумніву, що одним із основних елементів витрат в оцінці собівартості шліфувальної операції є витрати, пов'язані з витратою шліфувальних кіл. У загальному випадку ці витрати складаються з вартості обсягу зносу шліфувального кола, вартості обсягу кола, знятого під час редагування, вартості самої редагування та вартості правлячого (в основному алмазного) інструменту. При цьому потрібно брати до уваги витрати на заміну шліфувальних кіл, цехові та заводські витрати.
    Досвід провідних світових виробників підтверджує наведені вище тези. У каталогах провідних європейських і американських виробників абразивного інструменту на керамічній зв'язці для обробки загартованих деталей з вуглецевих, швидкорізальних і нержавіючих сталей, хромованих і нітрованих поверхонь на напівчистових і чистових операціях, при профільному шліфуванні та заточуванні інструментів зі сталей рекомендується застосовувати шліф. керамічній зв'язці.
Застосування електрокорунду нормального у більшості провідних виробників обмежується абразивним інструментом на органічних зв'язках (бакелітове, вулканітове).
Таким чином, заміна кіл із електрокорунду нормального на кола з білого корунду не практикується в абразивній галузі. Використання таких кіл знизить експлуатаційні показники абразивного інструменту, знизить якість обробленої поверхні та підвищить витрати на обробку як мінімум на 20%.
При розробці технологічних процесів на операції шліфування слід керуватися вимогами чинного стандарту ГОСТ 2424-83.

Автор: Сергій Есмантович