Абразивні матеріали та абразивна обробка

Абразивні матеріали (фр. abrasif — шліфувальний, від лат. abradere — зіскоблювати) — це матеріали, що володіють високою твердістю, і використовувані для обробки поверхні різних матеріалів. Абразивні матеріали використовуються в процесах шліфування, полірування, хонінгування, суперфінішірованія, розрізання матеріалів і широко застосовуються в заготівельному виробництві та остаточної обробки різних металевих і неметалевих матеріалів.
Види абразивної обробки
Існують наступні види абразивної обробки:
· шліфування кругле — обробка циліндричних і конічних поверхонь валів і отворів;
· плоске шліфування — обробка площин і сполучених плоских поверхонь;
· безцентрове шліфування — обробка у великосерійному виробництві зовнішніх і внутрішніх поверхонь (вали, обойми підшипників та ін);
· безцентрове шліфування стрічкою — зовнішні поверхні, в тому числі, складні профілі;
· шліфування стрічкою складних профілів — наприклад шліфування лопаток турбін;
· відрізання і розрізання заготовок — заготівельне і монтажне виробництво, демонтаж конструкцій;
· притирання — абразивне притирання поверхонь (наприклад сідло і голка дизельної форсунки);
· гідроабразивна обробка — струменевий і галтовка (виливки, поковки, метизи та ін);
· піскоструминна обробка — очищення субстратів від старої фарби, іржі, окалини та інших забруднень, а також згладжування поверхонь і очищення виливків і поковок;
· ультразвукова обробка — пробивання отворів у твердих сплавах, витяг зламаного інструменту, виготовлення штампів;
· магнітно-абразивна обробка — обробка магнітно-абразивним порошком у магнітному полі;
· хонінгування — обробка отворів (циліндри двигунів, насосів та ін);
· полірування — надання поверхні малої шорсткості і дзеркального блиску;
· суперфиниширование — остаточне надання зовнішнім, внутрішнім і складних профілів високої точності і чистоти поверхні, в тому числі алмазне суперфиниширование (точні механізми, інструмент, деталі особливо точних приладів, інструментів, зброї тощо).
Інструменти абразивної обробки
Абразивні матеріали для застосування в промисловості повинні бути закріплені або конструктивно виконані у вигляді різних інструментів і складів.
Основні види абразивних інструментів і складів:
· Відрізні круги: Різних діаметрів (до 3500 мм), ширини, висоти і форм(профілів) робочого(абразивної) шару і способів закріплення його на корпусі кола.
· Шліфувальні круги: Різні абразивні матеріали у вигляді кіл, дисків, конусів різних профілів і діаметрів.
· Бруски: Абразивні і металлоабразивные різних розмірів і профілів для хонінгування, притирання, суперфінішірованія.
· Стрічка: Синтетична або растительнотканная стрічка різної ширини з приклеєними на її одній або двох сторонах зернами абразивних матеріалів.
· Наждачний папір: Абразивний матеріал нанесений на тканинну або паперову основу.
· Пасти: Абразивні притиральні та полірувальні абразиви рівномірно розподілені в сполучному (парафін, церезин, олеїнова кислота, стеарин, мастила, гас і ін).
· Вільне зерно: Сухі абразивні зерна для гідроабразивного, ультразвукової і піскоструминної обробки.
· Галтувальні тіла: абразивний інструмент у вигляді виробів геометричної форми (циліндр, призма, конус, куб і т. п.), призначений для галтовки.
Абразивні матеріали
Абразивні матеріали діляться по твердості (надтверді, тверді, м'які), і хімічним складом, і за величиною шліфувального зерна (великі або грубі, середні, тонкі, особливо тонкі), величина зерна вимірюється в мікрометрівабо мешах.
Зерном абразиву називають окремий кристал, зростки кристалів або їх осколки при відношенні їх найбільшого розміру найменшого не більш 3:1.
Придатність абразивних матеріалів залежить від фізичних і кристалографічних властивостей; особливо важливе значення має їх здатність при стиранні розламуватися на гострокутні частинки. У алмазу це властивість максимальне. Вибір абразивного матеріалу залежить від фізичних властивостей оброблюваного та оброблюючого матеріалу, а також від стадії обробки (груба обдирання, шліфовка і поліровка), причому твердість абразивного матеріалу повинна бути вище твердості оброблюваного (за винятком алмазу, який обробляється алмазом).
Абразивні матеріали характеризуються твердістю, крихкістю, абразивною здатністю, механічною іхімічною стійкістю.
Твердість — здатність матеріалу чинити опір втискування в нього іншого матеріалу. Твердість абразивних матеріалів характеризується за минерологической шкалою твердості Мооса 10 класами, що включає в якості еталонів: 1 — тальк, 2 — гіпс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — польовий шпат, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 —корунд, 10 — алмаз.
Абразивна здатність характеризується кількістю матеріалу, сошлифованного за одиницю часу.
Механічна стійкість — здатність абразивного матеріалу витримувати механічні навантаження, не руйнуючись при різанні, шліфуванні й поліруванні. Вона характеризується межею міцності при стисненні, який визначають, розчавлюючи зерно абразивного матеріалу, фіксуючи навантаження в момент його руйнування. Межа міцності абразивних матеріалів при підвищенні температури знижується.
Хімічна стійкість — здатність абразивних матеріалів не змінювати своїх механічних властивостей, будучи у взаємодії з розчинами лугів, кислот, а також у воді і органічних розчинниках.
Абразивні матеріали, що застосовуються для механічного шліфування та полірування напівпровідникових матеріалів, відрізняються між собою розміром (крупністю) зерен, мають номери 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25,20, 16, 10, 8, 6, 5, 4, 3, М40, М28, М20, М14, М10, М7 і М5 і поділяються на чотири групи:
· шліфзерна (від № 200 до 15),
· шліфпорошків (від № 12 до 3),
· мікропорошки (від М63 до М14) і
· тонкі мікропорошки (від М10 до М5).
Класифікацію абразивних матеріалів за номерами зернистості проводять розсіюванням на спеціальних ситах, номер якого характеризує розмір зерна. Номер зернистості абразивних матеріалів характеризується фракцією: граничної, великої, основний, комплексної і дрібної. Процентний вміст основної фракції позначають індексами В, П, Н і Д.
В даний час абразивні матеріали видобуваються та виробляються синтетично, причому нові синтетичні матеріали, як правило, більш ефективні, ніж природні. Нижче наведені списки відомих абразивних матеріалів.
Природні абразиви
· Алмаз: Алмазоподобная кубічна алотропічних форма елементарного вуглецю, що видобувається в корінних (кімберлітові трубки) і розсипних родовищах. Найбільш цінним за своїм абразионным властивостями матеріал. Кращим вважається його чорна різновид — карбонадо (карбонат), що видобувається в Бразилії і на острові Борнео. Друге місце займає борт — радіально-промениста різновид алмазу. На ринку під ім'ям борту продається всякий непридатний для огранювання алмаз. Із загальної кількості 20 % карбонадо, 20 % справжній борт, решта — алмазний порошок та уламки. Застосовується при обробці твердого каменю, а також для шліфування і полірування самого алмазу.
· Гранат: Природний мінерал, що складається з: R2+3 R3+2 [SiO4]3, де R2+ — Mg, Fe, Mn, Ca; R3+ — Al, Fe, Cr.
· Муть земля: осадова гірська порода, що складається переважно з решток діатомових водоростей. Хімічно кізельгур на 96 % складається з водного кремнезему(опала). Застосовується у вигляді тонкого порошку для полірування каменю і металу.
· Кварц: Кристалічна двоокис кремнію, один з найбільш дешевих і доступних абразивних матеріалів. У сухому вигляді викликає силікоз. Використання тільки спільно з подачею води. Кварц і кремінь з раковистым зламом при розколюванні дають гострокутні частинки. Застосовуються в порошку для обробки м'яких каменів (мармур), в піскоструминних апаратів для обробки металу, для очищення каменів в будівельній справі і для виготовлення шліфувальних шкурок. З крем'яних конкрецій виготовляли кулі для кульових млинів.
· Корунд: Кристалічний оксид алюмінію, то ж і сапфір, видобувається в розсипах і іноді в рудах. Видобута корундова руда подрібнюється, збагачується і сортується за величиною зерна. Застосовується в порошку і для виготовлення з нього штучних кругів, брусків і шкурок.
· Червоний залізняк: широко поширений мінерал заліза Fe2O3. В особливо чистих різновидах застосовується для полірування заліза і скла.
· Крейда: Карбонат кальцію, для тонких видів абразивної обробки (притирання, полірування).
· Наждак: Природний мінерал, що складається з: корунду і магнетиту — чорного магнітного оксиду заліза Fe3O4
· Пемза: пузыристое вулканічне скло. Для шліфування придатна пемза з тонкими пластинками скла, утворюють перегородки між комірками. Найкраща пемза — з острова Ліпарі, поблизу Сицилії. Застосовується для шліфування дерева, м'яких каменів і металів.
· Польовий шпат: група породоутворюючих мінералів класу силікатів. Більшість польових шпатів — представники твердих розчинів потрійної системи изоморфного ряду До[АlSi3O8] — Na[АlSi3O8] — Са[Al2Si2O8], кінцеві члени якої відповідно — альбіт (Ab), ортоклаз (Or), анортит (An). В розмеленому вигляді, наклеєний на полотно чи папір, застосовується в тих випадках, коли потрібно м'який шліфувальний матеріал.
· Трепел: пухка або слабо зцементована, тонкопористая темний опал осадова порода. Застосовується у вигляді тонкого порошку для полірування каменю і металу.
Синтетичні абразиви
· Мінеральний шлак (купрошлак або никельшлак): застосовуються для зовнішньої очищення металевих, кам'яних, бетонних, цегляних, дерев'яних поверхонь.
· Колота сталевий дріб: Застосовується для видалення щільною окалини і обробки м'якого каменю.
· Штучний алмаз: Синтез при високому тиску, обробка твердих сплавів, каменю, скла, кольорових металів.
· Кубічний нітрид бору боразон (В Росії кубічний нітрид бору знають як ельбор): Синтез при високому тиску, застосовують при шліфуванні деталей з різних сталей і сплавів.
· Сплав бор-вуглець-кремній: Сплавлення бору з вуглецем і кремнієм в дугового печі, обробка чорних і кольорових металів, каменю, скла та ін
· Карбід бору (B4C): тугоплавке з'єднання, по твердості поступається лише алмазу. Застосовується для обробки твердих сплавів, скла, чорних металів.
· Карбід кремнію (SiC) або Карборунд: Хімічна сполука кремнію з вуглецем. Вперше отриманий в електричній печі в 1891 році. Кращим вважається американський — Carborundum С°, Norton; німецький з-за домішок гірше. Чим менше розміри його зерен, тим більше їх міцність. Застосовується в порошку для виготовлення штучних кіл і шкурок для обробки твердих сплавів, кольорових металів, титану.
· Нітрид кремнію: обробка чорних і кольорових металів.
· Нітрид алюмінію: обробка металів.
· Електрокорунд (Al2O3): кристалічна окис алюмінію. Застосовується при обробці чорних металів, зрідка каменю і скла.
· Оксид цирконію (фіаніт): обробка чорних і кольорових металів.
· Двоокис церію: обробка скла (полірит).
· Двоокис олова: обробка скла, полірування металів.
· Двоокис титану: полірування кольорових металів.
· Крокус червоний (залізний) виходить прожарюванням щавлевокислого заліза; полірувальний порошок для металу і скла.
·         Крокус зеленый (окись хрома): для полировки твёрдых камней (кварц, агат, нефрит), черных и цветных металлов.
Разрабатываются новые перспективные абразивные материалы:
·         Нитрид углерода C3N4
·         Сплав карбида титана (TiC) и карбида скандия (Sc4C3)
Отдельно следует выделить метод магнитоабразивной обработки и материалов для её осуществления. Суть метода заключается в использовании материалов с высокими абразивными и магнитными свойствами, что позволяет производить так называемую мягкую обработку и выполнять полирование на более высоком уровне.
Таблиця порівняння абразивних матеріалів, використовуваних при абразивоструйной очищення
Матеріал Розмір сита Форма Щільність, г/см3 Твердість по Моосу Крихкість Походження Застосування
Пісок 6-270 * 6,24 5.0-6.0 висока природний матеріал Зовнішня очистка
Мінеральний шлак купершлак/никельшлак 8-80 * 5,304-6,9888 7.0-7.5 висока відходи Зовнішня очистка
Колота дріб 10-325 * 14,352 8.0 низька производство Удаление плотной окалины
Стальная дробь 8-200 ° 17,472 8.0 низкая производство Очистка, упрочнение
Оксид алюминия 12-325 * 7,8 8.0-9.0+ средняя производство Очистка, отделка, удаление заусенцев, гравировка
Стеклянные шарики 10-400 ° 5,304 — 5,616 5.5 средняя производство Очистка, отделка
Пластик 12-80 * 2,808-3,744 3.0-4.0 низкая/ средняя производство Удаление краски, снятие заусенцев, очистка
Пшеничний крохмаль 12-50 * 5,616 2.8-3.0 висока відходи Видалення фарби, очищення
Кукурудзяні качани 8-40 * 2,184-2,208 2.0-4.5 середня відходи Видалення фарби з делікатних поверхонь
° — кругла; * — гострокутний