Абразивные материалы

Содержание.

Абразивные материалы………………………………………………………...3

Природные абразивы……………………………………………………….…..4

Синтетические абразивы………………………………………………….……8

Приложение. Таблица 1…………………………………………………….....15

Список литературы……………………………………………………………16

 

Абразивные материалы (фр. abrasif — шлифовальный, от лат. abradere — соскабливать) — это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов. Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования, разрезания материалов и широко применяются в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов.

 

Абразивные материалы

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

Абразивные материалы делятся по твердости на сверхтвёрдые, твёрдые, мягкие, по химическому составу и по величине шлифовального зерна на 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 - способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала. Твёрдость абразивных материалов характеризуется по минерологической шкале твёрдости Мооса 10 классами, включающей 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 пределом прочности при сжатии, который определяют, раздавливая зерно абразивного материала, фиксируя нагрузку в момент его разрушения. Предел прочности абразивных материалов при повышении температуры снижается.

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

Абразивные материалы, применяемые для механической шлифовки и полировки полупроводниковых материалов, отличаются между собой размером (крупностью) зёрен.

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.

 

Природные абразивы

Алмаз - минерал, кубическая аллотропная форма углерода. При нормальных условиях метастабилен и может существовать неограниченно долго, превращаясь в стабильный в этих условиях графит только при нагревании.  Наиболее ценный по своим абразионным свойствам материал. Лучшим считается его чёрная разновидность — карбонадо (карбонат).

Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел 900 - 2300 Вт/(м·К). У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1. Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C.

Сингония кубическая, кристаллическая решетка — кубическая гранецентрированная, а = 0,357 нм, z = 4, пространственная группа Fd3m (по Герману — Могену). Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp³-гибридизации. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твёрдость алмаза.

Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счёт кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных плёнок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т. д.

Второе место занимает борт — радиально-лучистая разновидность алмаза. На рынке под именем борта продаётся всякий непригодный для огранки алмаз. Из общего количества 20% карбонадо, 20% настоящий борт, остальное — алмазный порошок и осколки. Применяется при обработке твердого камня, а также для шлифовки и полировки самого алмаза.

Гранат - природный минерал, состоящий из R2+3 R3+2 [SiO4]3, где R2+ — Mg, Fe, Mn, Ca; R3+ — Al, Fe, Cr.

Гранаты применяются в абразивной (гранатовые шкурки, порошки и точильные круги) и строительной промышленности (добавки в цемент и керамические массы), иногда как заменитель сапфира и рубина в приборостроении, в электронике (как ферромагнетик). Для абразивной промышленности пригодны преимущественно железистые гранаты (главным образом альмандин), реже спессартин и андрадит. Большое значение для выяснения пригодности гранатов в промышленности имеют высокая твердость, способность при измельчении раскалываться на частицы с остроугольными режущими краями, приклеиваемость к бумажной и полотняной основам.

Инфузорная земля - осадочная горная порода, состоящая преимущественно из останков диатомовых водорослей. Химически кизельгур на 96 % состоит из водного кремнезёма (опала). Применяется в виде тонкого порошка для полировки камня и металла.

Кварц - кристаллическая двуокись кремния, один из наиболее дешевых и доступных абразивных материалов. В сухом виде вызывает силикоз. Использование только совместно с подачей воды. Кварц и кремень с раковистым изломом при раскалывании дают остроугольные частицы. Температура плавления 1713—1728 °C. Применяются в порошке для обработки мягких камней (мрамор), в пескоструйных аппаратах для обработки металла, для очистки камней в строительном деле и для изготовления шлифовальных шкурок. Из кремневых конкреций изготавливали шары для шаровых мельниц.

Относится к тригональной кристаллической системе, но гексагональной сингонии, точечная группа D3 (в обозначении Шёнфлиса) или 32 (в международном обозначении). Кристаллы — шестигранные призмы, с одного конца (реже с обоих) увенчанные шести- или трёхгранной пирамидальной головкой, сочетающей грани двух ромбоэдров. Часто по направлению к головке кристалл постепенно сужается. На гранях призмы характерна поперечная штриховка. Монокристаллы кварца могут иметь правую и левую формы.

Корунд -  кристаллический оксид алюминия, то же и сапфир, добывается в россыпях и иногда в рудах. Добытая корундовая руда измельчается, обогащается и сортируется по величине зерна. Применяется в порошке и для изготовления из него искусственных кругов, брусков и шкурок. Плотность 3,9 - 4 г/см3. Температура плавления - 2050 °C. Из корунда изготавливаются режущие диски для болгарок. Искусственный корунд ранее применялся при изготовлении корундовых игл (вместо дорогих алмазных)- для воспроизведения записи граммпластинок в электропроигрывающих устройствах, радиолах.

Красный железняк - широко распространённый минерал железа Fe2O3. В особо чистых разновидностях применяется для полирования железа и стекла.

Цвет гематита чёрный до тёмно-стального в кристаллах и вишнёво-красный у скрытокисталлических и порошковатых разностей. Сингония тригональная, дитригонально-скаленоэдрический вид симметрии. Формы кристаллов — ломтеобразные или плоские, а также пластинчатые, расположенные подобно лепесткам розы («железная роза»). Блеск полуметаллический до металлического у кристаллов. Непрозрачен. Цвет черты характерный вишнёво-красный, от синевато-красного до красно-коричневого оттенков. Твёрдость 5,5 — 6,5. Хрупкий. Плотность 4,9 — 5,3. 

Мел - белая горная порода, мягкая и рассыпчатая. Карбонат кальция используется для тонких видов абразивной обработки (притирка, полирование).

Наждак - природный минерал, состоит из: корунда и магнетита — черного магнитного оксида железа Fe3O4.

Пемза - пузыристое вулканическое стекло. Для шлифовки пригодна пемза с тонкими пластинками стекла, образующими перегородки между ячейками. Пористость достигает 60 %. Твердость по шкале Мооса около 6, плотность 2-2,5 г/см³, объемная масса 0,3-0,9 г/см³. Большая пористость пемзы обуславливает хорошие теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор — хорошую морозостойкость. Огнестойка. Химически инертна. Применяется для шлифовки дерева, мягких камней и металлов.

Полевой шпат - группа породообразующих минералов из класса силикатов. Большинство полевых шпатов — представители твёрдых растворов тройной системы изоморфного ряда К[АlSi3O8] — Na[АlSi3O8] — Са[Аl2Si2O8], конечные члены которой соответственно — альбит (Ab), ортоклаз (Or), анортит (An). В размолотом виде, наклеенный на полотно или бумагу, применяется в тех случаях, когда требуется мягкий шлифовальный материал.

Трепел - рыхлая или слабо сцементированная, тонкопористая опаловая осадочная порода. Применяется в виде тонкого порошка для полировки камня и металла.

 

Синтетические абразивы

Минеральный шлак (купрошлак или никельшлак) - применяются для наружной очистки металлических, каменных, бетонных, кирпичных, деревянных поверхностей.

Колотая стальная дробь - применяется для удаления плотной окалины и обработки мягкого камня.

Искусственный алмаз - синтез при высоком давлении, обработка твердых сплавов, камня, стекла, цветных металлов. Свойства синтетического алмаза аналогичны свойствам природного, по абразивной способности синтетические алмазы не уступают природным при меньшей стоимости обработки.

Синтетические алмазы широко применяются для изготовления алмазно-абразивного инструмента на различных связках (органических, керамических, металлических). Порошки и микрошлифпорошки синтетических алмазов идут на производство паст для доводочных и притирочных операций. Инструменты из синтетических алмазов с размером зерен до 400 мкм применяют для тех же операций обработки, что и инструменты из природных алмазов.

Кубический нитрид бора боразон (В России кубический нитрид бора знают как эльбор) - синтез при высоком давлении, применяют при шлифовании деталей из различных сталей и сплавов.

По твёрдости почти не уступает алмазу. Его высокая твердость, в 3-4 раза превосходящая твердость традиционных абразивов, является важным преимуществом, так как значительно уменьшает износ зерен эльбора при шлифовании и длительное время сохраняет их остроту. Другим важным свойством и преимуществом эльбора является температурная устойчивость: заметное окисление поверхности зерен эльбора начинается с 1000—1200°C. Такие температуры при шлифовании являются мгновенными и возникают только при очень жёстких режимах шлифования. Очевидно, что зерна эльбора очень мало изнашиваются от термических нагрузок.

Важным свойством и преимуществом эльбора является его высокая химическая стойкость. Эльбор не реагирует с кислотами и щелочами, инертен практически ко всем химическим элементам, входящим в состав сталей и сплавов. Особенно следует отметить инертность эльбора к железу, являющемуся основой всех сталей, тогда как алмаз активно взаимодействует с железом, что является причиной интенсивного износа алмазных кругов при шлифовании сталей.

Применяется в промышленности в шлифовальном инструменте при обработке различных сталей и сплавов. Эльбор - символ необычайной прочности и стойкости.

Эльбор как абразивный материал обладает следующим преимуществами при шлифовании:

- длительно сохраняет остроту зёрен (свойство самозатачивания зерен), что обуславливает высокую режущую способность и стойкость кругов;

- выдерживает высокие термические нагрузки, что позволяет интенсифицировать режимы шлифования;

- позволяет шлифовать сложнолегированные стали и сплавы без адгезионного и диффузного износа зерен эльбора.

Все это делает эльбор уникальным абразивным материалом; использование шлифовальных кругов из эльбора по сравнению с алмазными способствует значительному повышению производительности, точности и качества обработанных поверхностей деталей на разных операциях шлифования.

Сплав бор-углерод-кремний - семейство сплавов на основе системы бор-углерод-кремний — сверхтвёрдый материал с микротвёрдостью, превышающей 70 ГПа. Чрезвычайно устойчив к химическим воздействиям и высокой температуре. Считается одним из лучших абразивных материалов по соотношению цена-производительность. Получают, сплавляя кокс, кварц и борный ангидрид в электродуговой печи, с последующим дроблением и классификацией по крупности зёрен. Цвет чёрно-коричневый с металлическим блеском.

Карбид бора (B4C) - тугоплавкое соединение, по твёрдости уступает лишь алмазу. Применяется для обработки твердых сплавов, стекла, черных металлов. Плотность 2.52 г/см³. Температура плавления 2350 °C, температура кипения 3500 °C. Температура разложения >2450 °C; плотность 2,52 г/см³; теплопроводность 121 Вт/(мК) при 300 °К; микротвёрдость 49,1 ГПа; модуль упругости 450 ГПа; полупроводник p-типа. Карбид бора — одно из самых устойчивых веществ. На воздухе не окисляется до 600 °C. Не растворяется в воде, концентрированных кислотах, разлагается в кипящих растворах щелочей. До 1250 °C не взаимодействует с азотом, фосфором и серой. Реагирует с хлором при 1000 °C с образованием треххлористого бора и углерода. Применяется для обработки твердых сплавов, стекла, черных металлов.

Карбид кремния (SiC) или Карборунд - химическое соединение кремния с углеродом. Впервые получен в электрической печи в 1891 году. Лучшим считается американский — Carborundum С°, Norton; немецкий из-за примесей хуже. Чем меньше размеры его зёрен, тем больше их прочность. Применяется в порошке для изготовления искусственных кругов и шкурок для обработки твёрдых сплавов, цветных металлов и титана. Является твердым, тугоплавким веществом. Кристаллическая решетка аналогична решетке алмаза. Является полупроводником. Характер кристаллической решётки: атомный. В современной гранильной мастерской карбид кремния является популярным абразивом из-за его прочности и низкой стоимости. В обрабатывающей промышленности из-за его высокой твердости он используется в абразивной обработке в таких процессах как шлифование, хонингование, водоструйная резка и пескоструйная обработка. Частицы карбида кремния ламинируются на бумагу для создания шлифовальной шкурки.