Электрокорундовые абразивные материалы

Feb/04/2016 - 15:02

Наиболее многочисленной и наиболее используемой группой абразивных материалов являются электрокорундовые абразивные материалы и спеченные корунды, которые по химическому составу состоят в основном из окиси алюминия и сопутствующих примесей. В состав легированных корундов входят легирующие добавки, специально вводимые в процессе производства для повышения или придания им специальных физико-механических свойств.

По основным видам электрокорундовые материалы имеют классифицируются следующим образом:

Электрокорунд нормальный содержит 92—96 % Al2O3, не полностью восстановленные в процессе плавки из исходного сырья боксита Fe3O3, SiO2 и TiO2, не удаляемые в процессе плавки и практически полностью переходящие в состав материала из исходного сырья CaO и MgO.

Электрокорунд белый содержит 98,5—99,5% Al2O3, незначительное количество окислов Fe2O3 и TiO2, а также Na2O и K2O, вносимых исходным сырьем — глиноземом; 

В легированных корундах (хромистом, титанистом и хромтитанистом) содержание Al2O3 снижается на 1,0—2,5% за счет вводимых легирующих добавок Cr2O3, TiO2 и др.

Монокорунд содержит 98,5—99,5 % Al2O3 и SiO2, Fe2O3, TiO2, CaO, не полностью удаленных в процессе плавки.

Циркониевый корунд содержит 70—75 % Al2O3, до 25 % ZrO2 и небольшое количество окислов Fe2O3, SiO2, TiO2, CaO и других, вносимых с исходными материалами.

Формокорунд (спеченный корунд) содержит 85—90 % Al2O3 и примеси SiO2, Fe2O3, TiO2, Cr2O3 и другие, вносимые со связкой и легирующими добавками.

            Химический состав электрокорундовых абразивных материалов приведен ниже в таблице:

             Химический состав электрокорундовых абразивных материалов определяют методом химического и спектрального анализа по различным методикам. Химический состав не может полностью характеризовать абразивные материалы, так как в зависимости от вида и количества примесей содержание основного минерала (соединения), несущего абразивные свойства, может в нем значительно меняться.

            Основным минералом, составляющим электрокорундовые материалы, является корунд, представляющий собой одну из кристаллических разновидностей окиси алюминия (глинозема), обозначаемую альфа-модификацией. Корунд кристаллизуется в тригональной сингонии. Элементарной ячейкой корунда является острый ромбоэдр.

            Взаимоплотная упаковка ионов кислорода и алюминия обеспечивает значительную прочность структуры корунда и связанные с этим высокие значения твердости, механической прочности и температуры плавления (2050°С). Содержание а-глинозема (корунда) в нормальном, белом и легированном электрокорундах составляет 93—97 %.

Сопутствующие примеси могут образовать в нормальном электрокорунде следующие минералы: анортит CaO-Al2O3-2Si02 и стекла анортитового состава, муллит ЗА1203 -2Si02, шпинели (Mg, Fe, Мп)0-А1203, гексоалюминат кальция Са0-6А1203, рутил TiO2, нитриды и карбиды титана TiN, TiC и др. Все перечисленные выше минералы, за исключением карбида и нитрида титана, имеют более низкую по сравнению с корундом твердость и абразивную способность и поэтому ухудшают свойства электрокорунда.

            Определение минерального состава шлифовального зерна осуществляется стереоскопическим микроскопом (МСБ) путем подсчета всех зерен пробы и зерен каждого минерала и других составляющих в отдельности. При анализах шлифзерна нормального электрокорунда определяется содержание корунда, ферросплава и шлака (стекла, анортита, гексалюмината кальция и титанистых минералов); в шлифзерне монокорунда—корунда, сульфида титана, ферросплава, графита и антрацита; в шлифзерне карбида кремния — карбид кремния черного и зеленого, графита, антрацита, кварца, кристабалита, аморфа и силоксикона.

Анализ проводится с применением иммерсионных жидкостей для определения количества р-глинозема, гексалюмината кальция и других прозрачных минералов в сумме (анортит, стекла) и непрозрачных минералов.

            Для более детального минералогического анализа шлифзерна нормального электрокорунда, а также других электрокорундовых материалов проводится анализ полированных шлифов шлифзерна.

Минеральный состав электрокорундовых материалов приведен ниже в таблице:


Карбиды и нитриды титана могут разлагаться с увеличением объема при нагреве в процессе термообработки абразивного инструмента (аномальное расширение), что приводит к повышенному браку инструмента.

            Исходя из возможного образования сопутствующих минералов наиболее ясным становится отрицательная роль окиси кальция как примеси в электрокорундах, так как при образовании гексоалюманата кальция одна весовая часть окиси кальция соединяется с 10,9 основными частями окиси алюминия. Учитывая, что в процессе плавки нормального электрокорунда окись кальция не восстанавливается и не удаляется, для получения качественного электрокорунда надо использовать сырье с пониженным содержанием CaO и вести процесс так, чтобы не допускать образования гексоалюмината кальция, а обеспечить связывание окиси кальция в анортит или стекла анортитового состава.

            В состав электрокорунда входят также включения ферросплавов, по фазовому составу представляющие собой твердый раствор кремния в а-железе и силициды Fe2Si2H FeSi, повышенное содержание которых приводит к браку инструмента по «мушке» (содержание металлических включений), ухудшающему эксплуатационные свойства инструмента, в частности приводящему к прижогам на обрабатываемой поверхности.

           Ранее считалось, что при плавке белого электрокорунда осуществляется только фазовый переход   у-глинозема в а-глинозем с кристаллизацией корунда. Согласно последним исследованиям установлено, что в процессе кристаллизации окись натрия и калия образуют с окисью алюминия соединение Na20-12A1203. Высокоглиноземистые алюминаты натрия имеют абразивную способность примерно вдвое меньше, чем корунд. Одно время алюминаты этого типа, а также гексоалюминаты кальция ошибочно считались модификацией глинозема, обозначаемой 3-глинозем, несмотря на ошибочность, это наименование применяется и в настоящее время. Для снижения их содержания при плавке белого электрокорунда наряду с применением глинозема с пониженным содержанием окиси натрия и калия (не более 0,3 %) производят добавку кварцевого песка, связывающего окислы натрия и калия в анортитовые и нефелиновые стекла, частично удаляющиеся из шлифовального материала за счет измельчения и обогащения.

            Наряду с этими в белом электрокорунде имеются включения других минералов: кариегита Na2O3-Al2O3-SiO2, моноалюмината натрия и нефелина, а также углеродистых соединений карбида алюминия Al4C, монооксикарбида Al2OC, тетраоксикарбида Al4O4C, углерода и металлического алюминия. Углеродистые примеси и металлический алюминий ухудшают товарный вид шлифовальных материалов и соответственно инструмента из белого электрокорунда (по белизне и наличию включений типа «мушка»),

            Электрокорунды, в которых содержатся различные элементы, образующие твердые растворы с корундами, приводящие к заметному изменению их свойств, называются легированными. Для получения твердого раствора окислов в корунде необходимо химическое и кристаллическое соответствие вводимых окислов и корунда. При этом важно, чтобы вводимые окислы и корунд имели одинаковую валентность и близкие размеры катионов, кристаллическую структуру корундового типа. Таким условиям удовлетворяют полуторная окись хрома и титана CraO3 и Ti2O3.

            На основе легирования белого корунда указанными материалами осуществляется плавка двух разновидностей легированного корунда: хромистого, хромтитанистого (сложнолегированного) корунда с содержанием Cr2O3 и TiO2 до 2,0 % (ранее выпускался титанистый корунд 37 А с содержанием TiO2 до 3,0 %).

            При плавке легированных корундов основная часть легирующих добавок входит в кристаллическую решетку корунда. Однако наличие в расплаве корунда углерода, вносимого электродами, приводит к восстановлению легирующих добавок и выделению металлических Cr и Ti или образованию их карбидов, снижающих качество абразивных материалов. Это распределение регламентируется и обеспечивается технологическим процессом плавки за счет подбора электрических параметров и методов введения легирующих добавок в плавку. При проведении химического и минералогического анализа легированных корундов определяют как общее содержание легирующих добавок, так и распределение их между твердыми растворами и свободным (восстановленным) состоянием.

При производстве монокорунда в результате плавки и обогащения корунда получается продукт, в основном состоящий из монокристаллов корунда, допускается определенная степень поражения кристаллов включениями ферросплава, углерода и сульфидов титана. Сопутствующими примесями в монокорунде являются неудаленные в процессе обогащения сульфиды, ферросплав и восстановитель — углерод.

            Наиболее агрессивный абразивный материал для обдирочных и зачистных работ — циркониевый электрокорунд — содержит 20—25 % ZrO2 и имеет мелкокристаллическое строение за счет специальных методов обработки расплава. Основу микроструктуры такого корунда составляет тонкая (менее 10 мкм) корунд- баддеилитовая эвтектика, в которой находятся первичные кристаллы корунда размером 30—50 мкм. Форма их в основном ромбоэдрическая. Они как бы плавают в участках корунд-баддеилитовой эвтектики.

            Баддеилит —это моноклинная кристаллическая форма ZrO2. Двуокись циркония ZrO2 не образует с корундом Al2O3 химических соединений и твердых растворов, а расплав, состоящий из 40% ZrO2 и 60 % Al2O3, кристаллизуется в виде эвтектики, т. е. механической смеси исходных кристаллических составляющих,- одновременно кристаллизующихся и взаимно пронизывающих друг друга.

            Существуют еще две кристаллические модификации ZrO2 — тетрагональная и кубическая, область стабильности которых —область высоких температур. Фазовые переходы баддеилита в тетрагональную и кубическую форму при нагреве сопровождаются большим изменением объема (порядка 17%), что затрудняет использование циркониевого корунда в абразивном инструменте на керамической связке.

 

            Повышенное содержание карбидов и нитридов титана в электрокорундовых материалах (в основном в нормальном электрокорунде) вызывает вследствие их окисления при обжиге инструмента на керамической связке в интервале температур 400—550 °С резкое необратимое увеличение объема изделий, названное аномальным расширением, приводящее к повышенному браку абразивного инструмента —• «сетке трещин» —и соответственно к снижению прочности инструмента и разрывам его при испытаниях. При отработке технологического процесса плавки электрокорундовых материалов производят определение аномального расширения зерна. Из испытуемого зерна изготовляют образец (брусок 120 X IOx 10 мм) на керамической связке, производят его термообработку и определяют изменение размеров с помощью дилатометра или измерения размеров обожженного образца. На основании экспериментальных данных тепловое расширение образца в интервале 400—500 0C принимается постоянным и равным 0,15 %. Аномальное расширение определяется как разность между фактическим удлинением изделия и его тепловым удлинением и выражается в процентах.

            Для измерения содержания магнитных включений используется электромагнитный метод. В зависимости от содержания магнитных включений применяются приборы «Магнит-6» и «Магнит-703», с помощью которых можно определять содержание магнитных включений в двух пределах измерений: 0—0,1 и 0—0,03 %.

            Качество абразивных материалов в большой мере связано с правильностью формы кристаллов, их изометричностью и размерами, что обусловлено условиями кристаллизации. Электрокорундовые материалы с точки зрения кристаллического строения можно разделить на четыре качественно различных структурных типа.

Тип I —материалы, представляющие собой мелкозернистые и плотные кристаллы, с расположением примесей (продуктов кристаллизации остаточного расплава) между кристаллами на их стыках. К этому типу относятся практически все марки нормального электрокорунда, выплавляемого из рядовых бокситов методами плавки «на блок» и «на выпуск».

Тип II —материал крупнокристаллического строения с размером кристаллов более 2 мм, с расположением примесей внутри полей корунда. К этому типу относятся белый и легированные электро-корунды, выплавленные из глинозема плавкой «на блок» и «на слив», а также отдельные марки нормального электрокорунда, выплавленные из высококачественных бокситов с содержанием окиси алюминия 75—85 %.

Тип III —материал, представляющий собой в основном правильные кристаллы а-корунда, с небольшим количеством примесей и включений (монокорунд).

Тип IV — корунды поликристаллического строения типа циркониевого и спеченного корундов.

            Строение зерна белого электрокорунда и легированных корундов на его основе, а также нормального электрокорунда определяется на стереоскопическом микроскопе путем просчета 400 зерен пробы и отнесения их к одной из следующих групп: монокристаллам, плотным агрегатам, агрегатам, дендритам и дефектным (мечевидным, пластинчатым) зернам; для нормального электрокорунда дополнительно просматриваются зерна шлака и ферросплава.

            К монокристаллам относят отдельные кристаллы корунда и их осколки, иногда содержащие газовые или минеральные включения, к плотным агрегатам —зерна, состоящие из нескольких (двух-трех) кристаллов корунда, плотно примыкающих друг к другу без прослоек между ними каких-либо минеральных фаз; к агрегатам—зерна, состоящие из нескольких кристаллов корунда, сцементированных прослойками минеральных фаз.

            При анализе нормального электрокорунда к агрегатам относят также сростки из кристаллов корунда в прорастании с гексалюмина- том кальция, анортитом и другими минералами; к дендритам — изометричные зерна корунда с заметными плоскостями ромбоэдра внутри или на наружной поверхности; к дефектным зернам корунда — зерна, имеющие неправильную удлиненную (мечевидную) или пластинчатую форму; к шлаку и ферросплаву —зерна, состоящие из 75 % стекла и прочих минералов и ферросплавов. Содержание зерен различного строения выражается в процентах по отношению к общему количеству зерен.

Кристалическое строение основных электрокорундовых материалов представлено   ниже в таблице:

Мы всегда рады Вам помочь!
CAPTCHA на основе изображений
Введите символы, которые показаны на картинке.
Отправить запрос
CAPTCHA на основе изображений
Введите символы, которые показаны на картинке.