Продолжение. Начало в № 2–2021
Эсмантович С. Н., независимый эксперт
в области производства абразивов.
esmantovych59@gmail.com
www.abrasive.pro
Обдирочное шлифование является одним из наиболее производительных и экономически эффективных способов черновой обработки слитков, блюмов, слябов, заготовок, проката и разнообразных металлоконструкций. Но его эффективность полностью зависит от грамотности выбора абразивного круга и используемых для его изготовления материалов.
Судя по реакции на первую публикацию, интерес к теме статьи со стороны специалистов превзошел ожидания, но однозначных мнений не сформировалось. С одной стороны, информация по абразивам интересна для многих предприятий: подобных информационных материалов в открытом доступе давно не было. Классификация обдирочных операций принята специалистами в области абразивной обработки как эксклюзивная. Приведенные рекомендации актуальны, так как немногочисленные публикации и рекламные материалы ведущих производителей скудно освещают тему обдирочного шлифования.
С другой стороны, у большинства отечественных специалистов по абразивной обработке уже сформировались устаревшие стереотипы выполнения операций с использованием примитивного оборудования и обдирочных кругов, изготовленных по устаревшей технологии. Во многих случаях для сокращения расходов на операцию игнорируются элементарные требования безопасности. Исключение составляют только несколько крупных металлургических заводов.
Очевидно одно: пользователям не хватает информации для организации производства и оснащения при выполнении обдирочных операций, а также выбора обдирочных кругов с характеристиками, соответствующими конкретным операциям. Ведущим европейским производителям выгодно подсадить нашего пользователя на дорогие высокопроизводительные круги, но без эффекта на примитивных операциях. При этом отечественные производители морально устаревшей продукции чувствуют себя пока комфортно.
Прежде чем дать рекомендации по выбору характеристик обдирочных кругов, целесообразно определить влияющие на их качество параметры.
Основным компонентом любого абразивного инструмента является абразивный материал. Для обдирочного шлифования используется, в основном, абразивное зерно из группы электрокорундов и крайне редко — карбида кремния.
Для того, чтобы разобраться в эксплуатационных свойствах данных материалов целесообразно сравнить характеристики нормального и циркониевого электрокорунда, а также формокорунда, обычно применяемых при обдирочном шлифовании.
Химически чистый электрокорунд представляет собой кристаллическую окись алюминия, получаемую в результате плавки химически чистой окиси алюминия при температуре около 2050 °C.
Содержит:
По твердости корунд уступает только алмазу, кубическому нитриду бора, карбиду бора и карбиду кремния. Выпускается более десяти основных разновидностей элeктрокорунда, которые в зависимости от содержания двуокиси алюминия и примесей имеют различный цвет, структуру и свойства.
Электрокорунд нормальный (А) является наиболее часто используемым материалом в абразивной обработке. Его получают путем плавки боксита в электродуговой печи. Высокая твердостьи прочность зерен позволяют использовать его для абразивной обработки. Наиболее широкое применение в мировой практике нормальный электрокорунд находит при изготовлении обдирочного, отрезного и шлифовального инструмента на органических связках. Характеристики электрокорунда нормального представлены в табл. 1 и табл. 2.
Таблица 1. Химический состав электрокорунда нормального
Типовой анализ нормального электрокорунда компании«Вашингтон Милс»:
Al2O3 — 96,0 %, TiO2 — 2,7 %,
Fe2O3 — 0,15, SiO2 — 0,7 %,
CaO — 0,15 %,
другое — менее 0,8 %.
Таблица 2. Насыпная плотностьэлектрокорунда нормального, г/см3
Ведущие производители абразивных материалов выпускают достаточно много нормального электрокорунда разных марок, которы еотличаются по химическому составу, насыпному весу, разрушаемости. Есть электрокорунд, предназначенный для гибкого инструмента (по ряду Р), для огнеупоров, для струйной обработкии даже для дорожных покрытий. Практикуется выпуск глубоко прокалённого электрокорунда и с керамическим покрытием. Выпускается электрокорунд повышенной чистоты, который изготавливается из кальцинированных бокситов, и содержит порядка 98 мас. % Al2O3.
Электрокорунд циркониевый (ZA) является наиболее эффективным абразивным материалом для обдирочных операций и характеризуется очень высокой прочностью. Получается методом плавкив электродуговой печи. Двуокись циркония ZrO2 не образует с корундом химических соединений и твердых растворов, а расплав, состоящийиз 40 % ZrO2 и 60% Al2O3, кристаллизуется в виде эвтектики.
Характерной чертой системы А12О3–ZrO2, содержащей 20–25% ZrO2, является присущая корунду высокая твердость в сочетании с повышенной вязкостью разрушения.
Круги из циркониевого электрокорунда на обдирочных операциях заготовок из нержавеющей стали более чем в 10 раз эффективнее кругов из нормального электрокорунда.
Циркониевый электрокорунд для операций обдирочного шлифования содержит до 25% ZrO2. Для производства шлифовальной шкурки применяется циркониевый корунд с содержанием ZrO2 до 40%. Основные требования к электрокорунду циркониевому у ведущих мировых производителей следующие (табл. 3, табл. 4).
Таблица 3. Химический состав электрокорунда циркониевого
Типовой анализ циркониевого электрокорунда компании NORTON:
Al2O3 — 75,0 %, ZrO2 — 24,1 %,
TiO2 — 0,1 %, SiO2 — менее 0,2 %,
MgO — 0,05 %, CaO — 0,07 %,
другое — менее 0,8 %.
Таблица 4. Насыпной вес электрокорунда циркониевого, г/см3, не менее
Формокорунд (SO 200 или 801 А) — результат спекания бокситаи технического глинозема. Выпускается в виде заготовок диаметром 1…2 мм и длиной 1…8 мм. Получают методом экструдирования специально подготовленной шихты с последующим спеканием притемпературе 1700 °C.
Для обдирочного шлифования используются исключительно зерна цилиндрической формы. Мелкая кристаллизация формокорунда, высокие прочностные свойства, хорошая самозатачиваемость обусловливают преимущественное использование его в производстве абразивного инструмента для тяжелых обдирочных работ.
Прочность:
при сжатии 1,7…1,8 Гпа;
при изгибе 0,6–0,7 Гпа;
пористость 4–6 %;
содержание Al2O3 — в пределах
80–87 %, Fe2O3 — не более 1,5 %
Формокорунд, как абразивный материал, применяется исключительно в смеси с циркониевым или нормальным электрокорундом.
Карбид кремния черный (C) является искусственным высокоэффективным абразивным материалом. Производство карбида кремния основано на эндотермической реакции кремнезёма с углеродом. Основным сырьем является кварцевый песок и нефтекокс
Твердость по шкале Мооса составляет 9,0…9,5 единиц.
Черный карбид кремния используется для обработки твердых сплавов, чугуна, цветных металлов, резины, кожи, пластика, дерева, минеральных пород и т. д.
В обдирочном шлифовании используется исключительно для обработки чугуна в смеси с электрокорундами. Характеристики карбида кремния черного представлены в табл. 5 и табл. 6.
Таблица 5. Химический состав карбида кремния черного
Таблица 6. Насыпная плотность карбида кремния черного, г/см3, не менее
Для полной картины целесообразно привести сравнительные физико-механические характеристики, влияющие на эксплуатационные показатели перечисленных абразивов (табл. 7).
Таблица 7. Сравнительные физико-механические характеристикиэлектрокорундов
Зернистость обдирочных кругов — сопутствующая характеристика абразивов, которая является важным свойством при определении способности круга удалять материал. Показателю зернистостис оответствует число, увеличивающееся по мере уменьшения размера зерна. Например, при зернистости F10 максимальный размер зерна в средней части — около 2,0 мм, а при зернистости F20 —1,0 мм. Для обдирочных кругов используются зерна по стандарту FEPA (табл. 8).
Таблица 8. Соотношение зернистости FEPA и размера основнойфракции электрокорундов
Учитывая то, что в обдирочном шлифовании шероховатость обработанной поверхности не является критичным фактором, целесообразно применять крупное зерно. Чем крупнее зерно, тем эффективнее абразивная обработка. При выполнении обдирочных операций толщина слоя материала, снимаемого за проход, находитсяв прямой зависимости от размеров зерен. Однако есть различияв абразивной способности разных материалов.
Зерна циркониевого корунда в круге работают в режиме устойчивого самозатачивания и имеют период стойкости единичного зерна значительно выше, чем у электрокорунда нормального. Это объясняется его микрокристаллической структурой. Такими же свойствами самозатачивания отличается формокорунд. Зерна нормального корунда затупляются в процессе шлифования и теряют свои абразивные свойства.
Поскольку при шлифовании зерна электрокорунда затупляются, оператор должен компенсировать ухудшение результативности процесса за счет значительного увеличения прилагаемого усилия, чтобы обеспечить производительность. При этом в результате трения повышается температура в зоне обработки, и происходит разрушение связующего. Это в большей степени касается нормального электрокорунда, в меньшей — циркониевого корунда. Поэтому в составе круга должно быть всё сбалансировано: зернистость абразива, термоустойчивость ,адгезионная прочность и количество связующего, прочность удержания абразива. Нарушение этого баланса приводит к потере стойкости или к снижению абразивной способности круга. Одним из важных показателей здесь является твердость круга.
ДЛЯ СПРАВКИ
Процесс обдирочного шлифования осуществляет шлифзерно, которое при износе должно замещаться следующим, то есть постоянно должен происходить процесс «самозатачивания» круга. Механизм удаления затупившихся зерен предусматривает несколько вариантов:
• локальное выгорание органического связующего под действием сил трения и повышенной температуры в зоне резания, с выкрашиванием абразива;
• механическое ударное удаление зерна с усилием, превышающим силы сцепления их со связкой.
Твердость обдирочных кругов — это показатель, характеризующий прочность удержания зерна в круге (табл. 9). Твердость меняется в зависимости от количества связующего вещества, наполнителей и абразивного материала, из которых состоит круг. Твердость круга является не мерой твердости абразивного материала, а мерой способности связующего удерживать абразивные зерна в круге.
Таблица 9. Твердость обдирочных кругов
Твёрдость обдирочных кругов назначается, как правило, с учетом условий их эксплуатации, зернистости и марки абразивного материала. От этого показателя зависит и технология изготовления. При формообразовании более мягких кругов (Q…T) применяется холодное прессование. Чрезвычайно твёрдые круги (V…Z) из циркониевого электрокорунда изготавливаются исключительно методом горячего прессования.
Для кругов из нормального электрокорунда, в которых шлифзерно интенсивно затупляется, высокая твёрдость V…Z не позволит обновлять зерно, круг не будет шлифовать, будет засаливаться и гореть.
Обдирочный круг из циркониевого корунда зернистостью F10будет неэффективным на твердостях О…P…Q зерно будет просто выкрашиваться.
Немаловажным моментом является то, что высокотвердые круги достаточно прочные и могут использоваться на скоростях 80 м/с. В любом случае твердость, прочность и работоспособность обдирочных кругов определяются свойствами бакелитовой связки. Без хорошего связующего все превосходные свойства абразивных материалов нивелируются.
Все производители обдирочных кругов, без исключения, используют бакелитовую связку. Главным компонентом связки является сухое фенольное связующее (пульвербакелит). Учитывая высокую твердость кругов и необходимую прочность, сухое связующее используется с высоким содержанием отвердителя — уротропина (более 9 %) и низкой текучестью (10…20 мм). В качестве клеящего увлажнителя используется жидкое фенольное связующее с высоким содержанием твердого остатка или фурфурол (для горячепрессованных кругов). Марок фенольных связующих для обдирки десятки, но только производитель решает, какие именно связующие применять.
Для регулирования свойств связующего применяются тонкодисперсные наполнители, как правило, неорганические, которые используются в смоляной матрице для увеличения уровня прочности, теплостойкости, ударопрочности и технологичности при изготовлении кругов. Это эндотермические наполнители, химически активные при шлифовании и повышающие температурный предел термической деструкции связующего (криолит, пирит, фторобораткалия и т. д.), а также химически активные при отверждении связующего и инертные наполнители (известь, мел и т. д.).
Влияние смол и наполнителей на качество обдирочных кругов существенно, и каждый производитель держит информацию закрытой. В заключение целесообразно уточнить рекомендации по характеристикам кругов для разных групп операций (табл. 10).
Таблица 10. Рекомендации по выбору кругов для различных операций
