АБРАЗИВНО-АЛМАЗНАЯ ОБРАБОТКА

ПРОИЗВОДСТВО АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Абразивным материалом может быть любой природный или искусственный материал, зерна которого обладают достаточной твердостью и способностью резания (скобления, царапания) при определенной скорости движения другого материала. Изго­товленные из этого материала абразивные инструменты должны обрабатывать детали машин с заданной точностью и классом чи­стоты поверхности.

В металлообрабатывающей промышленности применяют сле­дующие природные материалы: кварц, наждак, корунд и алмаз.

Кварц представляет собой безводную кристаллическую крем­ниевую кислоту Si0₂. Содержание кремнезема в кварце 1-го сорта— 99,5% и 2-го сорта не менее 98,5%; твердость кварца 7 по шкале Мооса, его микротвердость 1100—ИЗО кГ/мм²; плотность 2,4— 2,7 г/см³; в зависимости от содержащихся примесей кварц имеет различные окраску (от бесцветного до черного) и названия.

Для изготовления абразивного инструмента кварц почти не применяется вследствие недостаточной твердости, а также в связи с тем, что у шлифовальных кругов, изготовленных из него, быстро изменяются размеры. Разновидность кварца — кремний, содер­жащий не менее 97% Si0₂, применяется для изготовления шлифо­вальной шкурки на тканевой и на бумажной основах, предназна­ченной для обработки дерева и кожи.

Наждак содержит до 60% окиси алюминия и имеет кристалли­ческое строение. Твердость наждака 7—8 по шкале Мооса.

Корунд представляет собой кристаллический глинозем и в за­висимости от содержащихся в нем примесей имеет различный цвет, свойства и названия. Применяемый в промышленности корунд содержит до 95% А1₂0₃; плотность корунда 3,9—4,1 г/см³; он более вязок и менее хрупок по сравнению с наждаком; его твердость около 9 по шкале Мооса. Корунд применяют в виде порошков и микропорошков для шлифования, доводки и полирования.

Алмаз представляет собой кристаллический углерод. Алмазы содержат небольшие (0,02—4,8%) примеси окислов алюминия, же­леза, кальция, кремния, марганца, титана и т. п., которые придают им различный цвет. В зависимости от происхождения алмазы делятся на природные и синтетические. Высокая твердость алмаза по сравнению с твердостью любых других минералов и материалов объясняется особенностями его кристаллической решетки и чрез­вычайной плотностью структуры. Наиболее распространенные кристаллические формы его — куб, восьмигранник, двенадцати­гранник и т. п. Твердость алмазов по шкале Мооса — 10; микро­твердость, по данным М. М. Хрущева, 10 060 кГ/мм² при нагрузке 200 г. Алмазы оптически изотропны, а по твердости и прочности являются анизотропными телами, т. е. эти их физико-механические свойства различны в разных направлениях их осей; грани алма­зов, как правило, гладкие; содержание углерода в алмазе 96— 99,8%; плотность алмазов в зависимости от их разновидности 2,8—3,56: бортов и балласов 3,47—3,56 и карбонадо 2,8—3,45.

Технические алмазы часто имеют трещины, пятна и включения некоторых минералов (ильменита, рутила и др.). Борты обладают высокой спайностью, т. е. раскалываются по плоскостям, парал­лельным их фактическим граням. Балласы, состоящие из мельчай­ших кристаллов, обладают высоким пределом прочности при раз­рыве и большой твердостью. Карбонадо не имеют свойства спай­ности, несколько пористы и потому обладают меньшей плотностью и твердостью.

Наиболее часто встречаются алмазы: плоскогранные (октаэдр, ромбододекаэдр, гексаэдр), кривогранные (декаэдронд, окта- эдронд, гексаэдроид) и комбинации плоскогранных и кривогран­ных кристаллов; наибольшей износостойкостью, как правило, обладают кристаллы алмазов, имеющие форму октаэдра, затем ромбододекаэдра и гексаэдра; карбонадо имеют обычно овальную форму; модуль упругости алмазов 90 000 кГ/мм² (у карбида бора 29 000 кГ/мм²); предел прочности при разрыве 790 000 кГ/см²; предел прочности при сжатии 200 кГ/мм², а при изгибе 30 кГ/мм²; коэффициент трения у алмазов: 0,05 по стали; 0,1 по латуни; 0,45 по алюминию; испытание проводилось под нагрузкой 350 Г при скорости шпинделя 14,5 м/мин; коэффициент трения твердого сплава по стали в 6 раз, по латуни в 5 раз и по алюминию в 2 раза больше, чем алмаза; стойкость алмаза при истирании в десятки раз выше стойкости других абразивных материалов. Термостой­кость алмазов зависит от их размеров, продолжительности нагрева и среды, в которой они подвергаются воздействию температуры. Так, в присутствии вольфрама, кобальта, графита алмазы подвер­гаются меньшему окислению. При температуре около 800° С ал­мазы размером 2—3 мм начинают окисляться. Частицы размерами в сотые и тысячные доли миллиметра окисляются уже при темпе­ратуре 500° С, а при продолжительном воздействии температуры около 900° С полностью сгорают, превращаясь в углекислоту. При большом перегреве и резком охлаждении алмазы трескаются. Теплопроводность алмазов выше, чем твердых сплавов, например выше, чем сплава Т15К6 в 5 раз и сплава ВК8 в 3 раза, а также выше, чем теплопроводность карбида кремния в 10 раз и электро­корунда в 7 раз; число сжимаемости алмаза 0,16-10^_6 см²!кг\ коэффициент преломления 2,419. Удельная теплоемкость алмаза при 18° С равна 0,12 каліг град, т. е. тепло хорошо отводится и по­глощается; тепловое расширение алмаза в несколько раз меньше, чем твердого сплава; температура горения алмаза на воздухе 850—1000° С, при нагреве без доступа воздуха алмаз переходит в графит.

Алмазы, как правило, диэлектрики, однако некоторые из них являются полупроводниками, имеющими малое удельное сопро­тивление. Износостойкость алмаза в разных направлениях его осей вследствие анизотропии различна, что необходимо учитывать соответствующей ориентацией алмаза при изготовлении таких ал­мазных инструментов, как правящие алмазы, буровые коронки, долота, резцы и т. п. Алмазы обладают также различной способ­ностью смачивания, т. е. разным химическим сродством. Так, сплавы с высоким содержанием кобальта хорошо смачиваются и в силу этого алмазы в таких сплавах держатся прочно. Адге­зионная способность алмазов по отношению к твердым сплавам весьма слабая, а по отношению к стали значительная. Кислоты и щелочи, даже нагретые до высоких температур, на алмаз не дей­ствуют. Указанные свойства алмазов предопределили широкое применение и высокую эффективность изготовляемого из них раз­личного алмазного инструмента.

Особенно широко применяются борты и балласы и меньше кар­бонадо. В соответствии с МРТУ 2—037—1—65 алмазы сортируются по эталонам на семь категорий и 22 группы, из которых первая и вторая категории идут на производство бриллиантов, а осталь­ные — на производство алмазных инструментов. Для изготовле­ния алмазных наконечников к приборам, резцов, сверл, каранда­шей для правки, долот, волок применяются в основном 12 групп алмазов третьей и четвертой категорий, а для производства алмаз­ных абразивных инструментов — алмазы шестой и седьмой кате­горий. Наибольшее применение алмазные инструменты имеют в машиностроении, где эффективность от применения алмазных резцов достигает 200 руб. на 1 карат, алмазного инструмента для правки — 25 руб., алмазных выглаживателей — до 50 руб., алмазных кругов и паст — от 2 до 20 руб. и т. п.

Синтетические алмазы имеют химический состав, твердость, структуру и плотность такие же, как и природные, но содержат несколько больше примесей.

Из прочих природных абразивных материалов применяют пемзу для обработки стекла и гранат — минерал из группы алюмосили­катов.

К искусственным абразивным материалам относятся также электрокорунд, карбид кремния (карборунд), карбид бора и куби­ческий нитрид бора.

Кубический нитрид бора ((3—BN) представляет собой новый абразивный материал, твердость которого близка к алмазу (микро­твердость по Виккерсу 7300—10 000 кГ/мм²), а абразивная спо­собность при шлифовании стали выше, чем у алмазов; коэффициент трения выше, чем у алмаза, вследствие чего адгезия со сталью значительно меньше или совсем не наблюдается; цвет от светлоли­лового до черного, в зависимости от условий синтеза; плотность 3,45; теплопроводность кубического нитрида бора ниже, чем у ал­маза, вследствие чего он быстрее нагревается до высокой темпера­туры; теплостойкость кубического нитрида бора в зависимости от зернистости 1300—1500° С, т. е. значительно выше, чем у алмаза; чем крупнее зерно, тем выше теплостойкость.

Кубический нитрид бора применяется для обработки трудно­обрабатываемых сталей и сплавов и особенно в тех случаях, когда должна быть обеспечена высокая размерная точность, например в производстве подшипников для приборов.

Электрокорунд представляет собой продукт плавки, основной составляющей частью которого является кристаллическая окись алюминия; электрокорунд широко применяется в промышлен­ности.

Карбид кремния является продуктом химического взаимодей­ствия углерода с кремниевой кислотой; технический карбид крем­ния состоит из химического соединения кремния с углеродом.

Карбид бора является продуктом плавки и представляет собой тугоплавкое соединение бора с углеродом. Все эти материалы по твердости уступают только алмазу.

В промышленности используют 80—85% электрокорунда, 15—20% карбида кремния и сотые доли процента карбида бора. Основное различие между свойствами электрокорунда и карбида кремния заключается в большей вязкости электрокорунда, мень­шей его хрупкости и несколько меньшей твердости. Большая вяз­кость электрокорунда при высокой его твердости и меньшая стои­мость по сравнению с карбидом кремния и является причиной его более широкого применения в промышленности. Чем выше вяз­кость абразивных материалов, тем больший допускается удельный съем металла.

Абразивные инструменты из электрокорунда применяются главным образом для обработки металлов, обладающих высоким сопротивлением разрыву, а так как процессам шлифования подвер­гаются в большинстве случаев детали именно из таких металлов (различных сталей и сплавов), то инструменты из электрокорунда применяются чаще инструментов из других абразивных мате­риалов.

Абразивные инструменты из зерен карбида кремния приме­няются главным образом для обработки металлов с низким преде­лом прочности при разрыве (алюминий, чугун, твердые сплавы, медь и др.) и для большинства неметаллических материалов (мра- 8

мор, кость, уголь, керамические изделия и т. и.). Карбид бора при­меняется только в виде порошков для шлифования и доводки де­талей и инструмента из различных твердых материалов и сплавов.