Електрокорундові абразивні матеріали
Найбільш численною та найбільш використовуваною групою абразивних матеріалів є електрокорундові абразивні матеріали та спечені корунди, які за хімічним складом складаються в основному з окису алюмінію та супутніх домішок. До складу легованих корундів входять легуючі добавки, що спеціально вводяться в процесі виробництва для підвищення або надання їм спеціальних фізико-механічних властивостей.
За основними видами електрокорундові матеріали класифікуються таким чином:
Електрокорунд нормальний містить 92-96% Al2O3, що не повністю відновлені в процесі плавки з вихідної сировини бокситу Fe3O3, SiO2 і TiO2, які не видаляються в процесі плавки і практично повністю переходять до складу матеріалу з вихідної сировини CaO і MgO.
Електрокорунд білий містить 98,5-99,5% Al2O3, незначну кількість оксидів Fe2O3 і TiO2, а також Na2O і K2O, що вносяться вихідною сировиною - глиноземом;
У легованих корундах (хромістом, титаністом і хромтитаністом) вміст Al2O3 знижується на 1,0-2,5% за рахунок введених легуючих добавок Cr2O3, TiO2 та ін.
Монокорунд містить 98,5-99,5% Al2O3 і SiO2, Fe2O3, TiO2, CaO, не повністю віддалених у процесі плавки.
Цирконієвий корунд містить 70-75% Al2O3, до 25% ZrO2 і невелику кількість оксидів Fe2O3, SiO2, TiO2, CaO та інших, що вносяться з вихідними матеріалами.
Формокорунд (спечений корунд) містить 85-90% Al2O3 та домішки SiO2, Fe2O3, TiO2, Cr2O3 та інші, що вносяться зі зв'язкою та легуючими добавками.
Хімічний склад електрокорундових абразивних матеріалів наведено нижче у таблиці:
Хімічний склад електрокорундових абразивних матеріалів визначають методом хімічного та спектрального аналізу за різними методиками. Хімічний склад не може повністю характеризувати абразивні матеріали, оскільки залежно від виду та кількості домішок вміст основного мінералу (сполуки), що несе абразивні властивості, може значно змінюватися.
Основним мінералом, що становить електрокорундові матеріали, є корунд, що є одним з кристалічних різновидів окису алюмінію (глинозему), що позначається альфа-модифікацією. Корунд кристалізується у тригональній сингонії. Елементарним осередком корунду є гострий ромбоедр.
Взаємощільна упаковка іонів кисню та алюмінію забезпечує значну міцність структури корунду та пов'язані з цим високі значення твердості, механічної міцності та температури плавлення (2050°С). Зміст а-глинозему (корунду) у нормальному, білому та легованому електрокорундах становить 93-97%.
Супутні домішки можуть утворити в нормальному електрокорунд наступні мінерали: анортит CaO-Al2O3-2Si02 і скла анортитового складу, муліт ЗА1203 -2Si02, шпінелі (Mg, Fe, Мп)0-А1203, гексоалюмінат кальцію Са0-2, титану TiN, TiC та інших. Усі перелічені вище мінерали, крім карбіду і нітриду титану, мають нижчу проти корундом твердість і абразивну здатність і тому погіршують властивості электрокорунда.
Визначення мінерального складу шліфувального зерна здійснюється стереоскопічним мікроскопом (МСБ) шляхом підрахунку всіх зерен проби та зерен кожного мінералу та інших складових окремо. При аналізах шліфзерна нормального електрокорунду визначається вміст корунду, феросплаву та шлаку (скла, анортиту, гексалюмінату кальцію та титанистих мінералів); у шліфзерні монокорунду-корунду, сульфіду титану, феросплаву, графіту та антрациту; у шліфзерні карбіду кремнію — карбід кремнію чорного та зеленого, графіту, антрациту, кварцу, кристабаліту, аморфу та силоксикону.
Аналіз проводиться із застосуванням імерсійних рідин для визначення кількості р-глинозему, гексалюмінату кальцію та інших прозорих мінералів у сумі (анортит, скло) та непрозорих мінералів.
Для детальнішого мінералогічного аналізу шліфзерна нормального електрокорунду, а також інших електрокорундових матеріалів проводиться аналіз полірованих шліфів шліфзерна.
Мінеральний склад електрокорундових матеріалів наведено нижче в таблиці:
Карбіди та нітриди титану можуть розкладатися зі збільшенням обсягу при нагріванні в процесі термообробки абразивного інструменту (аномальне розширення), що призводить до підвищеного браку інструменту.
Виходячи з можливого утворення супутніх мінералів, найбільш ясним стає негативна роль окису кальцію як домішки в електрокорундах, так як при утворенні гексоалюманату кальцію одна вагова частина окису кальцію з'єднується з 10,9 основними частинами окису алюмінію. Враховуючи, що в процесі плавки нормального електрокорунду окис кальцію не відновлюється і не видаляється, для отримання якісного електрокорунду треба використовувати сировину зі зниженим вмістом CaO і вести процес так, щоб не допускати утворення гексоалюмінату кальцію, а забезпечити зв'язування окису кальцію в анортит або скло анортитового .
До складу електрокорунду входять також включення феросплавів, що по фазовому складу являють собою твердий розчин кремнію в а-залізі і силіциди Fe2Si2H FeSi, підвищений вміст яких призводить до шлюбу інструменту по «мушці» (зміст металевих включень), що погіршує експлуатаційні властивості інструменту, зокрема, що призводить до припаків на поверхні, що обробляється.
Раніше вважалося, що при плавці білого електрокорунду здійснюється тільки фазовий перехід у-глинозему а-глинозем з кристалізацією корунду. Згідно з останніми дослідженнями встановлено, що в процесі кристалізації оксид натрію та калію утворюють з оксидом алюмінію сполуку Na20-12A1203. Високоглиноземні алюмінати натрію мають абразивну здатність приблизно вдвічі менше, ніж корунд. У свій час алюмінати цього типу, а також гексоалюмінати кальцію помилково вважалися модифікацією глинозему, що позначається 3-глинозем, незважаючи на помилковість, це найменування застосовується і в даний час. Для зниження їх вмісту при плавці білого електрокорунду поряд із застосуванням глинозему зі зниженим вмістом окису натрію і калію (не більше 0,3 %) виробляють добавку кварцового піску, що зв'язує оксиди натрію і калію в анортитові та нефелінові скла, що частково видаляються подрібнення та збагачення.
Поряд з цими в білому електрокорунді є включення інших мінералів: карієгіту Na2O3-Al2O3-SiO2, моноалюмінату натрію і нефеліну, а також вуглецевих сполук карбіду алюмінію Al4C, монооксикарбіду Al2OC, тетраоксикарбіду Al4O4C, вуглецю. Вуглецеві домішки та металевий алюміній погіршують товарний вигляд шліфувальних матеріалів і відповідно інструменту з білого електрокорунду (з білизни та наявності включень типу «мушка»),
Електрокорунди, в яких містяться різні елементи, що утворюють тверді розчини з корундами, що призводять до помітної зміни їх властивостей, називаються легованими. Для отримання твердого розчину оксидів в корунді необхідна хімічна і кристалічна відповідність оксидів, що вводяться, і корунду. При цьому важливо, щоб оксиди, що вводяться, і корунд мали однакову валентність і близькі розміри катіонів, кристалічну структуру корундового типу. Таким умовам задовольняють полуторний окис хрому та титану CraO3 та Ti2O3.
На основі легування білого корунду зазначеними матеріалами здійснюється плавка двох різновидів легованого корунду: хромистого, хромтитаністого (складнолегованого) корунду з вмістом Cr2O3 та TiO2 до 2,0% (раніше випускався титанистий корунд 37 А з вмістом TiO2 до 3,0%).
При плавленні легованих корундів основна частина легуючих добавок входить у кристалічні ґрати корунду. Однак наявність у розплаві корунду вуглецю, що вноситься електродами, призводить до відновлення легуючих добавок і виділення металевих Cr і Ti або утворення карбідів, що знижують якість абразивних матеріалів. Цей розподіл регламентується та забезпечується технологічним процесом плавки за рахунок підбору електричних параметрів та методів введення легуючих добавок у плавку. При проведенні хімічного та мінералогічного аналізу легованих корундів визначають як загальний вміст легуючих добавок, так і розподіл їх між твердими розчинами та вільним (відновленим) станом.
При виробництві монокорунду в результаті плавки та збагачення корунду виходить продукт, що в основному складається з монокристалів корунду, допускається певний ступінь ураження кристалів включеннями феросплаву, вуглецю та сульфідів титану. Супутніми домішками в монокорунд є невидалені в процесі збагачення сульфіди, феросплав і відновник - вуглець.
Найбільш агресивний абразивний матеріал для обдирних та зачистних робіт — цирконієвий електрокорунд — містить 20—25 % ZrO2 і має дрібнокристалічний будову за рахунок спеціальних методів обробки розплаву. Основу мікроструктури такого корунду становить тонка (менше 10 мкм) корунд-баддеілітова евтектика, в якій знаходяться первинні кристали корунду розміром 30-50 мкм. Форма їх переважно ромбоедрическая. Вони ніби плавають у ділянках корунд-баддеілітової евтектики.
Бадеіліт - це моноклінна кристалічна форма ZrO2. Двоокис цирконію ZrO2 не утворює з корундом Al2O3 хімічних сполук і твердих розчинів, а розплав, що складається з 40% ZrO2 і 60 % Al2O3, кристалізується у вигляді евтектики, тобто механічної суміші вихідних кристалічних складових, - одночасно кристалізуються і .
Існують ще дві кристалічні модифікації ZrO2 – тетрагональна та кубічна, область стабільності яких – область високих температур. Фазові переходи бадеіліту в тетрагональну і кубічну форму при нагріванні супроводжуються великою зміною об'єму (порядку 17%), що ускладнює використання цирконієвого корунду в абразивному інструменті на керамічному зв'язуванні.
Підвищений вміст карбідів і нітридів титану в електрокорундових матеріалах (в основному в нормальному електрокорунді) викликає внаслідок їх окислення при випаленні інструменту на керамічній зв'язці в інтервалі температур 400-550 ° С різке незворотне збільшення обсягу виробів, назване аномальним розширенням, що призводить - "сітці тріщин" - і відповідно до зниження міцності інструменту і розривам його при випробуваннях. При відпрацюванні технологічного процесу плавки електрокорундових матеріалів роблять визначення аномального розширення зерна. З випробуваного зерна виготовляють зразок (брусок 120 X IOx 10 мм) на керамічному зв'язуванні, виробляють його термообробку і визначають зміну розмірів за допомогою дилатометра або вимірювання обпаленого зразка. З експериментальних даних теплове розширення зразка в інтервалі 400—500 0C приймається постійним і рівним 0,15 %. Аномальне розширення визначається як різницю між фактичним подовженням виробу та його тепловим подовженням та виражається у відсотках.
Для виміру змісту магнітних включень використовується електромагнітний метод. Залежно від вмісту магнітних включень застосовуються прилади «Магніт-6» та «Магніт-703», за допомогою яких можна визначати вміст магнітних включень у двох межах вимірів: 0—0,1 та 0—0,03 %.
Якість абразивних матеріалів великою мірою пов'язана з правильністю форми кристалів, їх ізометричністю та розмірами, що зумовлено умовами кристалізації. Електрокорундові матеріали з точки зору кристалічної будови можна розділити на чотири якісно різні структурні типи.
Тип I-матеріали, що є дрібнозернистими і щільними кристалами, з розташуванням домішок (продуктів кристалізації залишкового розплаву) між кристалами на їх стиках. До цього типу відносяться практично всі марки нормального електрокорунду, що виплавляється з рядових бокситів методами плавки на блок і на випуск.
Тип II - матеріал великокристалічної будови з розміром кристалів більше 2 мм, з розташуванням домішок усередині полів корунду. До цього типу відносяться білий та леговані електро-корунди, виплавлені з глинозему плавкою «на блок» і «на злив», а також окремі марки нормального електрокорунду, виплавлені з високоякісних бокситів із вмістом окису алюмінію 75-85%.
Тип III - матеріал, що являє собою в основному правильні кристали а-корунду, з невеликою кількістю домішок і включень (монокорунд).
Тип IV - корунди полікристалічної будови типу цирконієвого та спеченого корундів.
Будова зерна білого електрокорунду та легованих корундів на його основі, а також нормального електрокорунду визначається на стереоскопічному мікроскопі шляхом прорахунку 400 зерен проби та віднесення їх до однієї з наступних груп: монокристалів, щільних агрегатів, агрегатів, дендритів та дефектних (мечоподібних, пластинок; для нормального електрокорунду додатково проглядаються зерна шлаку та феросплаву.
До монокристалів відносять окремі кристали корунду та їх уламки, іноді містять газові або мінеральні включення, до щільних агрегатів -зерна, що складаються з декількох (двох-трьох) кристалів корунду, щільно примикають один до одного без прошарків між ними будь-яких мінеральних фаз; до агрегатів-зерна, що складаються з кількох кристалів корунду, зцементованих прошарками мінеральних фаз.
При аналізі нормального електрокорунду до агрегатів відносять також зростки з кристалів корунду у проростанні з гексалюмінатом кальцію, анортитом та іншими мінералами; до дендритів - ізометричні зерна корунду з помітними площинами ромбоедра всередині або на зовнішній поверхні; до дефектних зерен корунду - зерна, що мають неправильну подовжену (мечоподібну) або пластинчасту форму; до шлаку та феросплаву — зерна, що складаються з 75 % скла та інших мінералів та феросплавів. Зміст зерен різної будови виражається у відсотках по відношенню до загальної кількості зерен.
Кристалічна будова основних електрокорундових матеріалів представлена нижче в таблиці:
