Абразивні матеріали: класифікація, властивості та галузі використання

К одному из видов резания относится абразивная обработка материалов, которая подразделяется на несколько видов:

- разрезка очень твердых материалов;

- отрезание и разрезание заготовок — заготовительное и монтажное производство, демонтаж конструкций;

- зачистка сварных швов;

- заточка лезвийных режущих инструментов;

- шлифование круглое — обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий;

- шлифование плоское — обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей;

- шлифование бесцентровое — обработка в крупносерийном производстве наружных и внутренних поверхностей (валы, обоймы подшипников и др);

- шлифование бесцентровое лентой — наружные поверхности, в том числе, сложные профили;

- шлифование лентой сложных профилей — например шлифование лопаток турбин;

- притирка — абразивное притирание поверхностей (например седло и игла дизельной форсунки);

- пескоструйная обработка — очистка субстратов от старой краски, ржавчины, окалины и других за­грязнений, а также сглаживание поверхностей и очистка отливок и поковок;

- магнитно-абразивная обработка — обработка магнитно-абразивным порошком в магнитном поле;

- хонингование — обработка отверстий (цилиндры двигателей, насосов и др);

- полирование — придание поверхности малой шероховатости и зеркального блеска;

- суперфиниширование — окончательное придание наружным, внутренним и сложным профилям высочайшей точности и чистоты поверхности, в том числе алмазное суперфиниширование (точные механизмы, инструмент, детали особо точных приборов, инструментов, оружия и т. д.).

Для перечисленных способов абразивной обработки используют различный абразивный инструмент, в котором абразивные материалы должны быть закреплены или конструктивно выполнены в виде различных инструментов или составов.

Абразивные материалы (фр. abrasif — шлифовальный, от лат. abradere — соскабливать) — это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов.

Для изготовления абразивных инструментов используются частицы материалов различной зернистости, обладающие высокой твердостью и способностью резания. Абразивные инструменты бывают со связанными зернами (шлифовальные круги, головки, бруски, ленты) и в виде несвязанных – свободных зерен (пасты,суспензии, порошки).

Для изготовления абразивных инструментов используют главным образом искусственные абразивные материалы:

- электрокорунд;

- карбид кремния;

- карбид бора;

- синтетические алмазы;

- кубический нитрид бора.

Основная составляющая электрокорунда – кристаллический оксид алюминия Al₂O₃ (микротвердость 18,6…23 ГПа, плотность 3,93…4,01 г/см³). Существует несколько разновидностей электрокорунда, отличающихся режущими свойствами, прочностью и размером зерен.

Карбид кремния SiC обладает более высокой твердостью (до32…35 ГПа), но имеет высокую хрупкость и малую прочность, поэтому применяется для обработки хрупких материалов – чугунов, бронзы, титановых и тугоплавких сплавов, заточки твердосплавных инструментов.

Карбид бора В₄С имеет высокую твердость (39…44 ГПа), большую хрупкость и применяется в виде порошков для доводочных процессов и при ультразвуковой обработке хрупких материалов.

Для изготовления абразивных инструментов также используются синтетические алмазы и кубический нитрид бора.

Все абразивные материалы по зернистости подразделяются на четыре группы, отличаясь между собой размером (крупностью) зёрен, имея номера 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25,20, 16, 10, 8, 6, 5, 4, 3, М40, М28, М20, М14, М10, М7 и М5 и подразделяются на четыре группы:

• шлифзерно (от №200 до 15),
• шлифпорошки (от №12 до 3),
• микропорошки (от М63 до М14) и
• тонкие микропорошки (от М10 до М5).

Последние в свою очередь тщательно подразделяются по номерам зернистости в зависимости от назначения абразивного материала.

Классификацию абразивных материалов по номерам зернистости проводят рассеиванием на специальных ситах, номер которого характеризует размер зерна. Номер зернистости абразивных материалов характеризуется фракцией: предельной, крупной, основной, комплексной и мелкой. Процентное содержание основной фракции обозначают индексами В, П, Н и Д.

Эффективность работы абразивных зерен очень сильно зависит от связующего вещества: неорганические (керамическое, магнезиальное, силикатное), органические (бакелитовое, глифталевое, вулканитовое), металлические (порошки олова, меди, алюминия + наполнители).

Инструменты абразивной обработки подразделяются на следующие основные виды:

• Отрезные круги: Различных диаметров (до 3500 мм), ширины, высоты и форм(профилей) рабочего(абразивного) слоя и способов закрепления его на корпусе круга.

• Шлифовальные круги: Различные абразивные материалы в виде кругов, дисков, конусов разных профилей и диаметров.

• Бруски: Абразивные и металлоабразивные разных размеров и профилей для хонингования, притирки, суперфиниширования.

• Лента: Синтетическая или растительнотканная лента разной ширины с приклеенными на ее одной или двух сторонах зернами абразивных материалов.

• Наждачная бумага: Абразивный материал нанесенный на тканевую или бумажную основу.

• Пасты: Абразивные притирочные и полировальные абразивы равномерно распределенные в связующем (парафин, церезин, олеиновая кислота, стеарин, масла, керосин и др).

• Свободное зерно: Сухие абразивные зерна для гидроабразивной, ультразвуковой и пескоструйной обработки.
• Галтовочные тела: абразивный инструмент в виде изделий геометрической формы (цилиндр, призма, конус, куб и т. п.), предназначенный для галтовки.

Наждачная бумага с шлифзерном размера FEPA Р80.

Размер частицы абразива колеблется в пределах 2 мм (крупная фракция) — 40 мкм.

Абразивные материалы делятся по твердости (сверхтвёрдые, твёрдые, мягкие), и химическому составу, и по величине шлифовального зерна (крупные или грубые, средние, тонкие, особо тонкие), величина зерна измеряется в микрометрах или мешах.

Зерном абразива называют отдельный кристалл, сростки кристаллов или их осколки при отношении их наибольшего размера к наименьшему не более 3:1.

Пригодность абразивных материалов зависит от физических и кристаллографических свойств; особенно важное значение имеет их способность при истирании разламываться на остроугольные частицы. У алмаза это свойство максимальное. Выбор абразивного материала зависит от физических свойств обрабатываемого и обрабатывающего материала, а также от стадии обработки (грубая обдирка, шлифовка и полировка), при чём твёрдость абразивного материала должна быть выше твёрдости обрабатываемого (за исключением алмаза, который обрабатывается алмазом).

Абразивные материалы характеризуются твёрдостью, хрупкостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью.

Твёрдость абразивных материалов характеризуется по минерологической шкале твёрдости Мооса 10 классами, вклющающей в качестве эталонов: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — полевой шпат, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз.

Абразивная способность характеризуется количеством материала, сошлифованного за единицу времени.

Механическая стойкость — способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки, не разрушаясь при резке, шлифовке и полировке. Она характеризуется пределлом прочности при сжатии, который определяяют, раздавливая зерно абразивного материала, фиксируя нагрузку в момент его разрушения. Предел прочности абразивных материалов при повышении температцры снижается.

Химическая стойкость — способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств, будучи во взаимодействии с растворами щелочей, кислои, а также в воде и органических растворителях.

В настоящее время абразивные материалы добываются и производятся синтетически, причём новые синтетические материалы, как правило, более эффективны, чем природные. Ниже приведены списки известных абразивных материалов.