Абразивные материалы

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.

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 :

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 - carborundum. Black silicon carbide и green silicon carbide - соответственно черный и зеленый карбид кремния.

         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.