Абразивные материалы — Основные свойства, параметры и рекомендации по применению
Стандартные показатели абразивных материалов не отражают их основных свойств и не позволяют определить область их применения в составе абразивного инструмента.
Классификация абразивных материалов является понятной информацией, предусматривающей два класса: искусственные (синтетические) и естественные. К искусственным абразивам отнесены электрокорунды (нормальный, белый, легированные, монокорунд, спеченные корунды (формокорунды), SG -абразивы; карбиды кремния зеленый и черный. Карбид бора, синтетические алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора (эльбор, гексанит, кубонит и другие марки) выделяются в самостоятельную группу сверхтвердых материалов. К естественным абразивным материалам относятся природные алмазы, природный корунд, гранат, кремень и др., которые не имеют решающего промышленного значения.
На все приведенные абразивные материалы имеются стандарты, регламентирующие их свойства (хим. состав, насыпной вес, разрушаемость…) и назначение. Но стандартные показатели конкретного абразива отражают узкий спектр свойств без сравнения с другими подобными материалами.
Основным свойством абразивных материалов является их высокая твердость, по сравнению с другими материалами, так как именно это свойство дает способность одному телу обрабатывать поверхность другого, менее твердого.
Наиболее распространенным методом определения твердости материалов является метод царапания, основанный на том, что острием одного тела с определенной силой проводят по поверхности другого и более твердое тело при этом оставляет на поверхности более мягкого царапину, глубина которой зависит от свойств испытуемого тела. На основании этого принципа была составлена шкала твердости Мооса , согласно которой по нарастанию твердости материалы имеют следующие баллы:
1 — тальк; 2 — гипс; 3 — известковый шпат; 4 — плавиковый шпат; 5 — апатит; 6 — полевой шпат; 7 — кварц; 8 —топаз; 9 — корунд; 10 — алмаз.
Указанная шкала была расширена Риджвеем, Баллардом и Биллеем, предложившими 15-ти бальную шкалу для определения твердости материала:
1 —тальк; 2 —гипс, алюминий; 3—известковый шпат, медь, латунь; 4—плавиковый шпат, никель; 5 — апатит, мягкая сталь; 6 — полевой шпат, легированная сталь; 7 — стекло; 8 —кварц, кремень, стеллит; 9 — топаз, высокоуглеродистая закаленная сталь; 10 — гранат; 11 — цирконий, твердый сплав на основе карбида тантала; 12 — электрокорунд, твердый сплав на основе карбида вольфрама; 13—карбид кремния; 14 — карбид бора; 15 — алмаз.
Указанные шкалы являются относительными и дают грубое относительное сравнение твердости различных материалов.
О твёрдости абразивных материалов, определяющей их абразивные свойства, наиболее объективен показатель микротвёрдости, полученный на приборе ПМТ-3 (методом вдавливания алмазной пирамиды в поверхность испытуемого материала при постоянной нагрузке 1,96 H ). Стандартный показатель разрушаемости (хрупкости), определяемый на приборе ПХЗ, определяет способность к самозатачиванию в процессе шлифования. Разрушаемость определяют посредством измельчения шлифовального материала определённых зернистостей (3) с помощью мелющих тел (2) на приборе, работающем по принципу лабораторной шаровой мельницы (1).
Критерием разрушаемости испытуемого шлифзерна является процентное содержание в продуктах его измельчения фракций зерна, прошедших через контрольные сита номером ниже испытуемых зернистостей.
Режущие свойства инструмента, производительность процесса шлифования и качество шлифованной поверхности так же зависят от сопротивляемости абразивных зерен механическому истиранию (износостойкости). Износостойкость абразивных материалов определяется на стандартном приборе типа АСЗ-4.
Эти показатели, приведенные в таблице1, достаточно наглядно показывают основные свойства абразивных материалов в сравнении:
Таблица 1
| Абразивный материал | Микротвёрдость, Гпа | Разрушаемость ,% | Относительная износостойкость | |||
| F 60 | F 40 | F 14 | ||||
| Электрокорунд нормальный | 18,9…19,6 | 51…52 | 49…51 | 52…53 | 2,5 | |
| Электрокорунд белый | 19,6…20,9 | 46…48 | 43…45 | 50…52 | 2,7 | |
| Электрокорунд хромтитанистый и хромистый | 19,6…22,6 | 45…47 | 43…45 | 48…50 | 2,8 | |
| Электрокорунд циркониевый | 22,6…23,5 | 38…40 | 35…37 | 38…40 | 3 | |
| Монокорунд | 22,6…23,5 | 42…45 | 38…40 | - | 3 | |
| Карбид кремния чёрный зелёный | 32,4…35,3 |
46…48 42…45 |
46…48 42…45 |
70 75 |
2,5 2,6 |
|
| Твёрдый сплав Т15К6 | 25…27 | - | - | |||
| Минералокерамика | 20-22 | - | - | |||
Для оценки прочностных характеристик абразивных материалов применяется метод, предусматривающий объемное сжатие навески зерен. Пресс-форму с испытуемой массой зерна 10 г устанавливают на пресс и подвергают давлению 1,55 ГПа. Механическая прочность абразивных материалов характеризуется количеством зерен основной фракции, сохранивших исходный размер после приложения давления, и определяется как процентное отношение массы неразрушенного остатка фракции испытуемой зернистости на сите после рассева к массе основной фракции испытуемой пробы. Механическая прочность абразивных материалов отдельных марок приведена в таблице 2.
Таблица 2
| Абразивный материал | Зернистость | Механическая прочность,% |
| Электрокорунд | F60 | |
| нормальный | 84 | |
| белый | 86 | |
| хромтитанистый | 86...88 | |
| циркониевый | F16 | 93...95 |
| Карбид кремния зелёный | F60 | 82...83 |
| Синтетические алмазы | ||
| АСО | 160/125 | 30 |
| АСП | 44...65 | |
| АСВ | 73...85 | |
| Гранат | F46 | 40...50 |
| Кремень | 50...60 |
Следующий показатель - абразивная способность, отражает способность разных абразивных материалов обрабатывать тот или иной материал. Величину абразивной способности определяют на специальном приборе, типа «Шлиф». За критерий абразивной способности любого абразивного материала принимается масса сошлифованного материала определенным количеством абразивных зерен, расположенных между двумя вращающимися (1 и 3, см. рисунок) в разных направлениях дисками, с которых сошлифовывается материал. В качестве стандартного материала для дисков применяют стекло, поэтому при шлифовании металлических материалов нет сопоставимых результатов.
Характеристика абразивной способности различных абразивных материалов зернистостью F 60 приведена в табл.3.
Таблица 3
| Абразивный Материал зернистостью F60 (16) | Масса сошлифованного материала,г | Относительная абразивная способность ,% |
| Природные алмазы | 0,473 | 100 |
| Синтетические алмазы АСВ | 0,248 | 52,4 |
| АСР | 0,234 | 49,5 |
| АСО | 0,094 | 20 |
| Эльбор ЛО | 0,09...0,12 | 19,0....25,4 |
| Карбид бора | 0,099...0,1123 | 20...22,37 |
| Карбид кремния зелёный | 0,079...0,1 | 16,7...21,1 |
| Электрокорунд белый | 0,049....0,054 | 10,4...11,4 |
| Нормальный | 0,048....0,052 | 10,2...11 |
| хромтитанистый | 0,052....0,060 | 11,0...12,7 |
| монокорунд | 0,054....0,064 | 11,4...13,5 |
| Природный корунд | 0,042...0,076 | 8,9....16,1 |
| Наждак | 0,039...0,045 | 8,4...9,4 |
| Гранат | 0,033...0,040 | 7...8,5 |
| Кварцит | 0,021 | 4,4 |
Из табл. 3 видно, что относительная абразивная способность зависит от твердости минералов, однако при изменении обрабатываемого материала этот порядок может меняться: так, при обработке стали абразивная способность эльбора выше, чем алмаза, и электрокорундовых материалов выше, чем карбидокремниевых. Таким образом, показатель абразивной способности не характеризует полностью эксплуатационных свойств материала.
На приведенные показатели в значительной степени влияют макромеханические свойства абразивных материалов, приведенные в таблице 4 в сравнении с типовыми обрабатываемыми материалами.
Таблица 4
| Абразивный материал | Плотность, г/см³ | Микро твёрдость, Гпа | Модуль упругости, Гпа | Предел прочности, Гпа | Коэф фициент теплопро водности при t=0ºС | Удельная тепло ёмкость, ДЖ/кг | Коэф фициент линейного расширения, ºСˉ¹ 10-4 | Темпера турный предел устойчиво сти,ºС | |
| на сжатие | на изгиб | ||||||||
| Алмаз | 3,48...3,56 | 84,4...98,4 | 900 | 2 | 0,21..0,49 | 146,6 | 502,8 | 0,9...1,45 | 700..800 |
| Эльбор | 3,45...3,49 | 78,5...98,1 | 720 | 0,5 | 41,9 | 670,4 | 2,1...2,2 | 1300...1500 | |
| Карбид бора | 2,48...2,52 | 39,2...44,2 | 296 | 1,8 | 0,21..0,28 | 11,5 | 4,5 | 700...800 | |
| Карбид кремния | 3,15...3,25 | 32,4...35,3 | 365 | 1,5 | 0,05..0,15 | 15,5 | 586,6 | 6,5 | 1300...1400 |
| Электро корунд | 3,95...4,1 | 18,9...23,5 | 358...390 | 0,76 | 0,08..0,09 | 19,7 | 754,2 | 7,5 | 1700...1900 |
| Карбиды титана | 4,93 | 31,4 | 322 | 3,85 | 0,56..0,60 | 24,3 | 7,42 | 3140 | |
| вольфрама | 15,6 | 17 | 722 | 3 | 0,52..0,56 | 29,3 | 5,2...7,3 | 2600 | |
| Твёрдый сплав | |||||||||
| Т15К6 | 11...11,6 | 27,4 | 520 | 3,9 | 1,15 | 27,2 | 209,5 | 6 | 800 |
| ВК8 | 14,4...14,8 | 15,2 | 540 | 4...5 | 1,6 | 58,7 | 167,6 | 5 | 900 |
| Минерало керамика | 3,93 | 19,6...22,5 | 4 | 0,9...1,5 | 0,3...0,5 | 4,2 | 838 | 7,9...8,2 | 1200 |
| СтальР18 (закалённая) | 8,5...8,7 | 12,7...13,7 | 220 | 3,6 | 3,7 | 24,3 | 367,1 | 11 | |
В дополнение к приведенным характеристикам очень важно иметь понимание о термостойкости абразивных материалов. Наибольшей термостойкостью обладают материалы электрокорунда (1700—1900 0 C ), наименьшей (700—800 0 C ) алмаз и карбид бора. Термостойкость абразивного материала влияет на технологию изготовления абразивного инструмента, на выбор режимов шлифования и необходимость использования охлаждающей жидкости, т.к. с повышением температуры твердость материалов снижается. Например, при нагреве электрокорунда от 20 до 1000° С его микротвердость снижается более чем в 3 раза, у карбида кремния до 4-х раз.
Важнейшим показателем, определяющим выбор абразивного материала, является степень химического взаимодействия. Она определяет область применения абразивных материалов для обработки тех или иных материалов и зависит от химической устойчивости материалов и взаимодействия их с обрабатываемым материалом (табл.5):
Таблица 5
| Абразивный материал | Сталь, железо- углеродистый сплав | Титан и сплавы | Чугун | Керамика, стекло |
| Электрокорунд | Нет | Высокая | Нет | Нет |
| Карбид кремния | Высокая | Средняя | Низкая | Низкая |
| Эльбор (для сравнения) | Низкая | Низкая | Нет | Нет |
| Алмаз (для сравнения) | Высокая | Низкая | Низкая | Низкая |
Основываясь на вышеприведенных данных, сложно ошибиться с выбором типа абразивного материала. Во всех случаях без исключения, электрокорундовые материалы предназначены для шлифования стальных заготовок, а твёрдый сплав, минералокерамику электрокорунд просто не шлифует, т.к. микротвёрдость у него ниже. Карбид кремния (чёрный, зелёный) подходит для шлифования твёрдых сплавов, неметаллических заготовок, но для стальных заготовок не приемлем.
Если при выборе конкретных марок абразивных материалов учесть такой показатель, как обрабатываемость материала шлифованием, то результат будет гарантирован. В каждую группу входят материалы, которые создают при обработке один тип нагрузки на режущее зерно и тем самым определяют один и тот же тип износа абразивного зерна (табл.6).
Таблица 6
| Группы обрабатываемости | Обрабатываемый материал |
| I | Стали конструкционные и легированные хромом, никелем в сочетании с марганцем, кремнием, вольфрамом, титаном, молибденом, ванадием, а также инструментальные углеродистые и высоколегированные чугуны |
| II | Стали конструкционные и легированные хромом и никелем |
| III | Стали нержавеющие, коррозионностойкие. жаропрочные |
| IV | Жаропрочные никелевые сплавы и титановые сплавы |
| V | Быстрорежущие стали |
| VI | Чугуны и бронзы |
Такая градация принята не случайно. Химический состав металла, существенно влияет на качество резания, степень окисления стружки и качество разрезаемой поверхности. Например, алюминий, кремний, никель и др. способны образовывать химически устойчивую пленку, увеличивая стойкость сплавов к окислению. Наоборот, повышение содержания углерода снижает устойчивость сплавов против окисления и тем самым способствует процессу образования стружки и облегчает ее удаление с поверхности круга. Таким образом, повышение степени окисления облегчает процесс резания, а понижение затрудняет. Поэтому углеродные стали, например, лучше режутся, чем легированные конструкционные и инструментальные. Легирующие присадки способствуют образованию в сталях карбидных соединений, повышают их твердость и температуру плавления. Это увеличивает степень «затупления» абразивных зерен, понижает стойкость шлифовальных кругов.
Немаловажное значение для процесса шлифования имеют и физико-механические свойства шлифуемого материала - теплопроводность и теплостойкость, прочность и вязкость. Так, обработка сплавов с низкой теплопроводностью происходит при высоких температурах, что делает их труднообрабатываемыми. Высокая прочность в сочетании с большой вязкостью так же затрудняет процессы шлифования. Например, серый чугун шлифуется и режется кругами значительно легче, чем отбеленный или легированный.
Все это можно обобщить конкретными рекомендациями, которые позволят точно подобрать тип абразивного материала под определённые материалы и операции шлифования (табл.7):
Табл.7
| Тип абразивного материала | Рекомендации по применению |
| Электрокорунд нормальный 14А (А) | Наиболее распространённая марка электрокорунда для высоконагруженных операций: Шлифование материалов с высоким сопротивлением разрыву, обдирка стальных отливок, проката, высокопрочных чугунов, предварительное шлифование углеродистых и легированных сталей, бронзы, никелевых и алюминиевых сплавов кругами на керамической и бакелитовой связке |
| Электрокорунд белый 25А (WA ) | Наиболее универсальный абразив для шлифования закаленных деталей из углеродистых, быстрорежущих и нержавеющих сталей, для высокоточной шлифовки деталей. и заточки металлорежущих инструментов. На операциях круглого, плоского и внутреннего шлифования и заточки металлорежущих инструментов |
| Электрокорунд хромистый и хромтитанистый 94А (35А) | Специальные абразивы для высокопроизводительного шлифования с большими подачами, шлифования деталей со сложным профилем, врезного шлифования, бесцентрового шлифование всех видов мягких и твердых углеродистых сталей и сталей чувствительных к перегреву. Незаменимы при зубошлифовании. |
| Электрокорунд циркониевый 37A (ZA) | Наиболее эффективный абразивный материал для силового обдирочного шлифования всех типов стали серого чугуна, включая вязкую сталь, нержавейку, закаленную сталь и мягкую сталь на стационарных и маятниковых шлифовальных станках. Используется с нормальным электрокорундом или черным карбидом кремния с различным процентным сочетанием. |
| Карбид кремния чёрный 54С (С) | Оптимальный материал для шлифования твердых материалов с низким сопротивлением разрыву (серый чугун, бронза, латунь, стекло, драгоценные камни, мрамор, гранит, фарфор). Широко используется для изготовления шлифовальной шкурки. |
| Карбид кремния зелёный 64 С (39С) | Исключительно эффективный и незаменимый абразив для обработки твёрдых сплавов, заточки тёрдосплавного металлорежущего инструмента, серого чугуна, композитных материалов и аустенитной нержавеющей стали. |
Использование приведенных рекомендаций позволит эффективно подбирать характеристику шлифовальных кругов, естественно с учётом других общепринятых параметров, таких как твёрдость, структура, тип связки, класс точности и т.д.
