Абразивы, абразивные материалы

Абразивы, абразивные материалы — мелкозернистые вещества высокой твердости. Применяются для изготовления режущего инструмента, шлифовальных кругов, заточных брусков, входят в состав абразивных паст для ручной шлифовки и полировки. Пыль и песок также являются природными абразивами и при попадании в трущиеся части двигателя и других агрегатов мотоцикла вызывают их быстрый износ.

Любой достаточно твердый материал обладает по отношению к менее твердому абразивными свойствами (abrado, abrasi (лат.) — скоблить). Твердость определяется сопротивлением материала, чья поверхность подвергается скоблению. Степени твердости, представленные в относительной шкале Мооса выведены на основании наблюдения за тем, насколько легко или трудно один материал может оскоблить другой.

Абразивные свойства камня используются человечеством с незапамятных времен. Позднее, добывание и обработка абразивных минералов стали предметом горных промыслов. Ни одна из отраслей промышленности не обходится без шлифования. В изготовлении шлифовального инструмента столетиями использовались, используются и сейчас такие известные виды природных абразивов как гранат, кремень, корунд или наждак.

Корунд является самым распространенным абразивным материалом, широко используемым в обработке металлов (происходит от англ. — corundum, заимствованным из тамильского языка — kuruntam, произошедшим в свою очередь из санскрита — curuvinda — рубин). Корунд — очень твердый кристаллический материал с большим содержанием оксида алюминия, белого цвета с розовыми или красными прожилками, означающими включения сапфира или рубина. Шлифовальные (наждачные) круги из корунда получают с помощью обтесывания (материал хорошо скалывается) и обтачивания еще более твердым абразивом, например из кремния. Природный корунд сослужил добрую службу промышленности до и несколько после внедрения искусственных материалов высокого качества, появившихся благодаря развитию электрометаллургии. О его важной роли и традиционности в народном хозяйстве можно судить по тому, что сведения о залежах корунда упоминаются в геологических отчетах 60-х годов 20-го столетия, а в товарной номенклатуре ВЭД существует графа 6804 : «Жернова и камни точильные… из природных или искусственных абразивов…

Абразивный материал, далее абразив в современном представлении — это сыпучий материал, полученный путем дробления и рассева природных кристаллических минералов или искусственных (синтетических) материалов, подразделяющийся по способу применения на три основные группы :

  • свободные абразивы (free abrasives)
  • абразивы в связке (bonded abrasives)
  • абразивные покрытия (coated abrasives)
Абразив(ы) и абразивный материал(ы) именуются так же : шлифовальные материалы, шлифовальное зерно, абразивное зерно, шлифзерно и т.п.Свободные абразивы — абразивы используемые в свободном виде, например, для пескоструйной обработки поверхностей, ручной обработки путем нанесения на салфетку или на обрабатываемую поверхность, а так же используемые в составе абразивных паст, гелей.Абразивы в связке — формованные изделия из смесей абразивного, связующего материалов и наполнителей, с последующим отверждением или спеканием. Различают следующие виды связок : керамическая или стекловидная, смолянистая, вулканитовая и др.Абразивные покрытия — абразивные зерна, нанесенные на поверхность полотняной основы, например, бумажной, тканевой, фибровой и др., и закрепленные на ее поверхности с помощью клеев и смол.

Природные абразивы

Корунд

Корунд получают из природных корундовых и наждачных руд. Прежде, посредством обточки из корундовых камней формировали точильные и шлифовальные круги. С появлением искусственных материалов, природный корунд используется, в основном, в свободном виде. Шлифзерно добывают методом дробления и обогащения руд от примесей. Корундовые руды содержат Al2O3 не менее 40%, Fe2O3 — не более 3%. В состав руд помимо оксида железа входят различные оксиды и гидроксиды : андалузит, пианит, диаспор, кварц, слюды.

Наждаки это мелкозернистые горные породы с содержанием Al2O3 — 10-30%, ассоциируемые с большим количеством магнетита, гематита и шпинели.
Плотность природных корундовых абразивов — 3.90-4.12г/см3. Микротвердость — 17.7-23.5ГПа.

Гранат

Гранат имеет минералогическую структуру — (RII)3,(RIII)2[(RIV)O4], где :
(RII) — Mg, Fe2+, Mn2+, Ca ;
(RIII) — Al, Fe3+, Gr, Ti ;
(RIV) — Si, Ti.
В природе встречается в большом разнообразии, может быть бесцветным или наоборот — ярко окрашенным в цвета от красно-малинового до зеленого и черного. В исходных рудах содержание граната составляет 9-20% ; обогащенный концентрат содержит до 90% граната.
Плотность — 3.53-4.32г/см3. Микротвердость — 13.7-16.7ГПа.
Гранат используется в шлифовальной шкурке и в качестве свободных абразивов для обработки стекла, камня, керамики. Именно этот материал используется для полирования кинескопов цветных телевизоров.

Кремень

Кремень встречается в разновидностях : халцедоно-кварцевой, кварцевой, халцедоновой, опало-халцедоновой в виде желваков, конкреций, реже, в в виде линз в карбонатных породах. Имеет цвета от желто-серого до черного.
Содержит SiC более 92%, CaO — менее 2%, глинистых — менее 4%.
Плотность — 2.57-2.64г/см3. Микротвердость — 9.8-14.7ГПа.
Используется в шлифшкурке и в качестве свободных абразивов для обработки дерева.

Искусственные абразивы

Искусственные (синтетические) абразивные материалы производят из природных минералов, руд обогащенных и необогащенных, измельченных смесей (шихты) методом плавления в печах, охлаждения, дробления кусков расплава и рассева оброзовавшихся зерен по фракциям. Сырьем для производства искусственных абразивов служат руды и минералы, содержащие большое количество твердых кристаллов, таких как оксид алюминия (Al2O3) и кварц (SiO2).

Природным поставщиком оксида алюминия для производства абразивов являются бокситовые глины, содержащие не менее 60% Al2O3 (корунда). Температура плавления бокситов превышает 1400гр.С. Процесс требует энергии больше, чем способен выделить угольный кокс в обычных металлургических печах, поэтому плавка производится в электродуговых печах с использованием энергии электрической дуги. Эффект плавления может быть усилен магнитным полем в специализированных индукционных печах.
Т.к. получение искусственного корунда связано с использованием электрической энергии, материал получил название «электрокорунд».
Поставщиком кремния для синтезированных материалов является природный кварцевый песок. Получение абразивов производится путем плавления кварцевого песка в электропечах и взаимодействия с углеродом за счет добавления в расплав нефтяного кокса, в результате чего синтезируется материал — карбид кремния (SiC), синоним — карборунд.
Искусственные абразивы обладают большей твердостью по сравнению с природными, а применение добавок позволяет получить широкий спектр метериалов с необходимыми свойствами для различных видов абразивной обработки.

Электрокорунд нормальный

Электрокорунд нормальный получают в электродуговых печах восстановительной плавкой шихты, состоящей из бокситов, углеродистого материала и чугунной стружки. Минералогическая основа бокситов — корунд Al2O3 (не менее 60%) и гексаалюминат кальция CaO*6Al2O3. В процессе восстановительных реакций примеси Fe2O3, SiO2, TiO2 переходят в ферросплавы, кроме CaO.
Плотность — 3.85-3.95г/см3. Микротвердость — 18.9-19.6ГПа.
Электрокорунд нормальный — широко рапространенный материал, используемый для изготовления инструмента и шлифшкурки с различными типами связки. Используется и в свободном виде, для струйной обработки. Наиболее эффективен при обработке углеродистых сталей, в опреациях шлифования, резки и обдирки.

Электрокорунд белый
Электрокорунд белый получают плавлением глинозема в электродуговых печах. Глинозем является продуктом обогащения бокситовых глин. Содержание корунда в глиноземе 98-99% и 1-2% — алюмината натрия Na2O*11Al2O3.
Плотность — 3.90-3.95г/см3. Микротвердость — 19.6-20.9ГПа.
Как более твердый материал, используется в инструменте с твердой связкой (керамика). Наиболее эффективен при обработке чугуна, нержавеющей стали. Используется так-же, в шлифшкурке и свободном виде.

Электрокорунд хром-титанистый

Хром-титанистый электрокорунд получают в электродуговых печах плавлением шихты, состоящей из глинозема или бокситов и легирующих компонентов — оксида хрома и оксида титана. Материал из глинозема содержит Cr2O3 не более 0.4%, TiO2 — не более 0.7% ; из бокситов : Cr2O3 — 0.1-0.5%, TiO2 — 1.7-3.5%. Легирование 2-мя компонентами улучшает абразивные свойства материала. Используется в шлифшкурках и свободном виде, и в инструменете для интенсивных режимов обработки конструкционных и углеродистых сталей.

Электрокорунд циркониевый
Циркониевый электрокорунд получают из шихты глинозема и оксида циркония в специальных наклоняющихся электродуговых печах, методом «на слив» с последующим интенсивным охлаждением расплава, что позволяет получить микрокристаллический материал с размерами первичных кристаллов до 50мкм.
Плотность — 4.05-4.15г/см3. Микротвердость — 22.6-23.5ГПа.
Циркониевый электрокорунд обладает высоким коэффициентом шлифования и является самым эффективным материалом в обдирочных операциях с высокими нагрузками и большим съемом металла,- производительность бакелитовых обдирочных кругов из циркониевого электрокорунда более чем в 10 раз превышает производительность кругов их электрокорунда нормального.

Карбид кремния черный

Карбид кремния SiC получают в электропечах при взаимодействии кремния и углерода. Сырьем для карбида кремния служат кварцевый песок Si — не менее 99% и нефтяной кокс с массовой долей золы — не более 1%.
Плотность — 3.21г/см3. Микротвердость — 33ГПа.
Как очень твердый материал используется при обработке стекла, керамики, железобетона, чугуна. Применяется при изготовлении инструмента с различными типами связки и в шлифшкурке. Структура материала («незасаливаемая») позволяет обрабатывать мягкие материалы — цветные металлы, дерево, кирпич.

Карбид кремния зеленый

По своему химическому составу и физико-механическим свойствам карбид кремния зеленый незначительно отличается от карбида кремния черного.

Сферокорунд

Сферокорунд получают методом раздува расплава глинозема и образования полых корундовых сфер. Содержание Al2O3 в материале — не менее 99%.
Плотность — 3.90-3.95г/см3. Микротвердость — 19.6-20.9ГПа.
Сферокорунд используется для труднообрабатываемых материалов, таких как жаропрочная сталь, мягких и вязких материалов, как кожа или резина. Поддержание абразивных свойств материала происходит за счет разрушения сфер в процессе шлифования и обнажения новых режущих кромок при малом тепловыделении.

Формокорунд
Формокорунд получают методом экструзии высоковязкой водной суспензии глинозема, последующей сушки и спекания при температуре 1700гр.С. Содержание Al2O3 — 80-87%, Fe2O3 — не более 1.5%. Частицы имеют цилиндрическую (С) или призматическую (Р) формы с размерами сечения — 1.2-1.8мм. и длиной — 3.8-8.0мм.
Формокрунд используется в тяжелых обдирочных операциях.

Монокорунд
Шлифзерно представлено монокристаллами, в отличии от нормального электрокорунда, имеющего поликристаллическую структуру, что обеспечивает высокую режущую способность, но и высокую стоимость этого материала.

Агрегат
Шлифовальный материал, полученный благодаря спеканию нескольких абразивных зерен между собой.

Физико-механические свойства материалов.

Марка
материала
Плотность
г/см3
Микротвердость
ГПа
Мех.прочность
Н
Абразивная
способность
г
Режущая
способность
г/мин
Насыпная
плотность
г/см3
25 8 M40 40
Карбид кремния
зеленый
3.15-3.25 32.4-35.3 11.0-14.7 0.09 0.057 1.49
Карбид кремния
черный
3.15-3.25 32.4-35.3 11.0-14.7 0.08 0.060 1.43
Электрокорунд
нормальный
3.85-3.95 18.9-19.6 8.6-19.9 0.06 0.036 1.78
Электрокорунд
белый
3.90-3.95 19.6-20.9 8.3-10.8 0.05 0.035 1.83
Электрокорунд
хром-титанистый
3.95-4.00 19.6-22.6 9.3-10.4 0.05 1.85
Электрокорунд
циркониевый
4.05-4.15 22.6-23.5 589 2.12

Зернистость абразивных материалов

Зернистость абразивов определяется размером зерен материала и зерновым составом. Зерна добывают дроблением кусков охлажденного расплава электрокорунда или карбида кремния и с помощью последующего разделения по фракциям. Разделение зерен большого размера производится путем рассева через сита, а микро зерен — при помощи гидравлической или воздушной классификации .

В зависимости от размеров зерен, абразивы делятся на следующие виды :

Шлифзерно — 2000-160 мкм. ;
Шлифпорошки — 125-40 мкм.;
Микропорошки — 63-14 мкм.;
Тонкие шлифпорошки — 10-3 мкм..

Способы классификации, размеры и обозначение зернистости шлифматериалов регулируются стандартом ГОСТ 3647-80.

Согласно ГОСТу зернистость микропорошков до 63 мкм. обозначается буквой «М» плюс размер шлифзерна в микронах — «М63», зернистость шлифпорошков и шлифзерна больших 63 мкм. обозначается номером, равным 1/10 размера зерна в микронах, например : № 16 = 160 мкм.

Зерновой состав означает количество частиц основной фракциии, по размеру которых определяют марку шлифзерна.
Определение качества по зерновому составу :

Содержание основной фракции в материале (%)
200-8 6-4 M63-M28 M28-M14 M10-M5
В Высшее 60 60 55
П Повышенное 55 55 50 50 45
Н Нормальное 45 40 45 40 40
Д Допустимое 41 43 39 39

Маркировка абразивного зерна

Маркировка шлифматериалов — это комбинация цифр и букв. Согласно ГОСТу 28818-90 электрокорунд нормальный имеет следующие обозначения : 12А, 13А, 14А, 15А. Чем выше число в префиксе маркировки, тем выше качество материала, т.е. выше твердость за счет меньшего количества ненужных примесей и выше режущая способность материала.

Электрокорунд белый обозначается : 22А, 23А, 24А, 25А.
Качество материала во многом зависит как от чистоты исходного сырья, так и от способа производства.
Источником электрокорунда белого является глинозем — высокоалюминистое сырье, продукт обогащения бокситовых глин (98-99% оксида алюминия). Т.н. альфа-глинозем — почти стопроцентное сырье высшей степени очистки. Получение из глинозема абразива высшего сорта (25А), обладающего высокой твердостью и высокой режущей способностью, достигается за счет более высокой температуры плавления и более быстрого охлаждения расплава, благодаря чему кристаллы абразива становятся более «лучистыми» и при этом более твердыми. Вспомним, что режущая способность абразивного зерна определяется количеством режущих вершин. Более твердое зерно является и более хрупким, поэтому высокосортный абразив лучше подходит для шлифшкурки и прочих изделий с абразивным покрытием, в то время как материал низшего сорта более пригоден в качестве свободного абразива для пескоструйного шлифования.
Можно вывести шкалу, связав сортность абразивов и область применения по принципу :
от 12А до 25А — от СВОБОДНЫХ АБРАЗИВОВ до ИЗДЕЛИЙ С АБРАЗИВНЫМ ПОКРЫТИЕМ (ШЛИФШКУРКИ).

Зерно марок 13А-15А эффективнее использовать в кругах при высоких ударных нагрузках, например в отрезных и обдирочных кругах на бакелитовой связке, и в другом инструменте и операциях, подразумевающих высокое давление на обрабатываемую поверхность и/или объемное снятие материала. Более хрупкие марки 22А-24А эффективнее используются в кругах на керамической связке. В шлифшкурке и прочих изделиях с абразивным покрытием, работа которых не связана с высоким давлением и направлена на прецизионную обработку поверхностей, используют хрупкий материал с высокой режущей способностью марок 24А-25А.

Хром-титанистый электрокорунд обозначается 95А.

Циркониевый электрокорунд обозначается 38А. Шлифзерно обладает уникальным сочетанием прочности и высокой режущей способности, поэтому используется в кругах для обдирочных операций с высокими ударными нагрузками и объемным съемом материала. Режущая способность в 10 раз выше чем у электрокорунда нормального в аналогичных операциях.

Сферокорунд — ЭС.

Монокорунд — 43А-45А.

Карбид кремния черный — 52С-55С.

Карбид кремния зеленый — 62С-65С. Получение высокосортного материала из карбида кремния, как в случае с электрокорундом, достигается за счет повышенной температуры плавления и быстрого охлаждения. Высокосортный абразив из карбида кремния используется в основном в шлифшкурке.

Особенности классификации абразивных материалов в зарубежных стандартах

Электрокорунд имеет общее название — fused aluminium oxide, дословно — плавленый оксид алюминия. Электрокорунд нормальный и белый — brown fused aluminium oxide и white fused aluminium oxide соответственно. Видно, что названия ассоциируются с цветом материалов. Можно встретить такие названия, как например : white corundum, white alumina (alumina — глинозем).

Pink alumina — розовый оксид алюминия, хром-титанистый электрокорунд, имеющий розовую окраску.
Ruby alumina или electroruby — рубиновый электрокорунд из оксида циркония.
Общее название карбида кремния — silicon carbide, он-же — carborundumBlack silicon carbide и green silicon carbide — соответственно черный и зеленый карбид кремния.

Наименование
и марки материала
Примеры зарубежного
обозначения материала
Электрокорунд нормальный
12A, 13A, 14A, 15A
Brown fused aluminium oxide
(corundum)
10A, 11A, A, ONA, TA
Электрокорунд белый
22A, 23A, 24A, 25A
White fused aluminium oxide
(corundum)
33A, 38A, WA, OBA, EK
Электрокорунд хром-титанистый
95A
Chromium-titanium corundum
(pink corundum)
66A, 88A
Циркониевый электрокорунд
38A
Zirconium corundum
(electroruby)
77A, ZC
Карбид кремния черный
52C, 53C, 54C, 55C
Black silicon carbide (carborundum)
21C, 37C, 55C, BC, SIC, SC21, 1C
Карбид кремния зеленый
62C, 63C, 64C, 65C
Green silicon carbide (carborundum)
22C, 39C, 66C, C, SICg, SCg, 4C

         Сортность абразивных материалов имеет строгую привязку к области применения. В классификации FEPA (Federation of european producers of abrasives) шлифзерно разделяется на классы :

F (First grade, bonded abrasives)- первый сорт, абразивы в связке (шлиф.круги и др.), и
P (Premium grade, coated abrasives) — высший сорт, абразивные покрытия (шлифшкурка и др.).

В американской классификации приняты следующие обозначения :

B — (blasting) шлифзерно для пескоструйной обработки ;
R — (rigid) шлифзерно низкой плотности для шлифовальных кругов и др. абразивов в связке ;
L — шлифзерно высокой плотности для шлифшкурки и проч. абразивных покрытий.

Зернистость абразивных материалов обозначается буквой и числом ; буква указывает на сорт материала, число — это количество зерен на одном линейном дюйме сита. Например — F120, соответствует №10 по российской классификации. Очень приблизительно номер по FEPA можно рассчитать по формуле :

Размер по FEPA = 2,54 * 1000 / 2N,
где N — размер шлифзерна по российской классификации.

В силу того, что российские стандарты позволяют большие допуски при рассеве и не учитывают сорта материала, четкого соответствия между отечественной и зарубежной классификацией нет. Кроме этого существуют небольшие различия в зернистости сортов F и P. К рассеву материала сорта P предъявляются более строгие требования, подразумевающие более четкую селекцию по зерновому составу с минимальными допусками. Так же есть различия в определении размеров зерен. Сорт P отличается от F «лучистостью», наличием большего числа режущих вершин, т.е. занимая одинаковый объем зерно P весит несколько легче зерна F. Поэтому шкала зернистости по сорту P более условна — номера зерен несколько занижены по отношению к реально занимаемому объему для приведения в соответствие с весом, основным параметром, учитываемом в производстве изделий из абразивов.

Стандарты и ТУ для шлифматериалов

 

 

1. Материалы шлифовальные из корундовых и наждачных руд. Технические условия. ТУ 2-036-972-85
2. Материалы шлифовальные из карбида кремния. Технические условия. ГОСТ 26327-84
3. Материалы шлифовальные из карбида кремния черного марки 51С. Технические условия. ТУ 2-036-972-85
4. Материалы шлифовальные из электрокорунда. Технические условия. ГОСТ 28818-90
5. Материалы шлифовальные из электрокорунда белого. Технические условия. ТУ 2-036-350-74
6. Материалы шлифовальные из электрокорунда белого. Технические условия. ТУ 2-036-288-86
7. Материалы шлифовальные из электрокорунда белого ТУ 2-036-314-88
8. Материалы шлифовальные из хром-титанистого электрокорунда. Технические условия. ТУ 2-036-0221066-007-90
9. Материалы шлифовальные из хром-титанистого электрокорунда ТУ 2-036-849-85
10. Материалы шлифовальные из циркониевого электрокорунда. Технические условия. ТУ 2-036-0221841-006-90
11. Материалы шлифовальные из сферокорунда. Технические условия. ТУ 2-036-0221841-006-90

12.Материалы шлифовальные. Классификация.

Зернисость и зерновой состав. Методы контроля                                       ГОСТ 3647-80


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *