Основні характеристики твердих абразивно-полірувальних матеріалів
Абразивні матеріали (абразиви), речовини підвищеної твердості, застосовувані в масивному або здрібненому стані для механічної обробки (шліфування,різання, стирання, заточення, полірування і т.д.) інших матеріалів. Природні абразивні матеріали — кремінь, наждак, пемза, корунд, гранат, алмаз і ін.; штучні — електрокорунд, моно корунд, карбід кремній, боразон, ельбор, синтетичний алмаз і ін.
Абразивним може бути будь-який природний або штучний матеріал, зерна якого мають певні властивості: твердістю, міцністю й в'язкістю; формою абразивного зерна; зернистістю, абразивною здатністю, механічною й хімічною стійкістю, тобто здатністю різання й шліфування інших матеріалів. Головною особливістю абразивних матеріалів є їхня висока твердість у порівнянні з іншими матеріалами й мінералами. Саме на розходженні у твердості засновані всі процеси шліфування й різання матеріалів.
Твердість абразивних матеріалів визначають або по шкалі Мооса, або методом вдавлення алмазної піраміди в поверхню випробуваного матеріалу.
Під абразивною здатністю розуміють можливість одного матеріалу обробляти іншої або групу різних матеріалів. Абразивна здатність характеризується масою матеріалу, що знімається при шліфуванні, до затуплення зерен, або визначається кількістю шліфування за певний час матеріалу. Для визначення абразивної здатності досліджуваний матеріал поміщають між двома металевими або скляними дисками, які обертаються в протилежних напрямках. По кількості знімання металу або стекол з поверхні дисків за певний проміжок часу судять про абразивну здатність досліджуваного матеріалу.
Якщо прийняти абразивну здатність алмаза за одиницю, абразивна здатність карбіду бору - 0,6, карбіду кремнію - 0,5. По абразивній здатності абразивні матеріали розташовуються в наступному порядку: алмаз, кубічний нітрид бору (боразон), карбід кремнію, моно корунд, електрокорунд, наждак, кремінь. Абразивна здатність залежить від виду матеріалів, що шліфуються, режиму роботи, в'язкості й міцності зерен. Чим менше в абразивному матеріалі домішок, тим вище його абразивна здатність.
Під механічною стійкістю розуміють здатність абразивного матеріалу витримувати механічні навантаження й не руйнуватися при різанні, шліфуванні й поліруванні. Механічна стійкість абразивних матеріалів характеризується межею міцності при стиску, що визначають, роздавлюючи зерно абразивного матеріалу й фіксуючи навантаження в момент його руйнування. При підвищенні температури межа міцності абразивних матеріалів знижується, тому в процесі шліфування необхідно контролювати температуру.
Під хімічною стійкістю розуміють здатність абразивних матеріалів не змінювати своїх механічних властивостей у розчинах лугів, кислот, а також у воді й органічних розчинниках. Абразивні матеріали часто використовують у вигляді суспензій мікропорошків певної зернистості в різних розчинах.
Розмір зерен абразивних матеріалів впливає на глибину залягання механічно порушеного шару на поверхні матеріалу при різанні, шліфуванні й поліруванні. Абразивне зерно - кристалічний осколок (кристаліт), рідше монокристал або агрегат, що складається з безлічі дрібних кристалів (полікристал). Ріжуча крайка зерна - ребро, утворене будь-якою парою пересічних кристалографічних площин. Зерно може мати приблизно рівні розміри по висоті, ширині й товщині (ізометрична форма) або мати мечоподібну й пластинчасту форму, що визначається родом абразивного матеріалу й ступенем здрібнювання вихідного зерна. Раціональна ізометрична або близька до неї форма зерна, тому що кожне зерно є різцем. Найменш вигідна форма - голчаста. По розмірі й однорідності зерен абразивні матеріали повинні бути однорідними. Зернистість абразивних матеріалів визначається класифікацією зерен по лінійних розмірах методом ситового аналізу, осадженням у рідині або ін. Зернистість абразивного матеріалу регламентується стандартом. Номер зернистості встановлюється відповідно до лінійних розмірів зерна основної фракції. Ніж одно рідніше за формою й розміром зерен абразивний матеріал, тим вище його експлуатаційні якості. Абразивні матеріали відрізняються між собою розміром зерен і підрозділяються на чотири групи: шліфзерно, шліфпорошки, мікропорошки й тонкі мікропорошки. Кожний номер зернистості абразивних матеріалів цих груп характеризується п'ятьма фракціями: граничної, великої, основний, комплексної, і дрібної.
Залежно від номера зернистості застосовують різні методи контролю. Для абразивних матеріалів із зернистістю від номера 200 до 5, як правило, використовують ситової, а для абразивних мікропорошків із зернистістю від М40 до М5 - мікроскопічний аналіз.
Абразивні матеріали широко застосовуються при механічній обробці. Абразивні матеріали використовуються у вигляді зерен, скріплених зв'язуванням у різні за формою й призначенням абразивні інструменти, або нанесеними на гнучку основу (тканину, папір і ін.) у вигляді шліфувальної шкурки, а також у незв'язаному стані у вигляді порошків, паст і суспензій.
Основні характеристики твердих абразивно-полірувальних матеріалів
Основними характеристиками абразивного матеріалу є форма абразивних зерен, їх крупність, твердість і механічна міцність, абразивна здатність, мінеральний і гранульні склади.
Форма абразивних зерен визначається природою абразивного матеріалу, характеризується їхньою довжиною, висотою й шириною. Абразивні зерна можна звести до наступних видів: ізометричні, пластинчасті, мечоподібні. Для опоряджувальних робіт перевага віддається ізометричній формі зерен.
Абразивні зерна характеризуються станом поверхні (гладка, шорсткувата), крайок і виступів (гострі, закруглені, прямолінійні, зазубрені й ін.). Зерно з гострими кутами значно легше проникає в оброблюваний матеріал. Зерна - зростки, нещільні за структурою, витримують менші зусилля різання й швидше руйнуються.
Для визначення твердості встановлені шкали, у яких певні матеріали розташовані в порядку зростаючої твердості, де будь-яке наступне твердіше попереднього й може його дряпати (таблиця).
Порівняльні дані про твердість по різних шкалах
| Матеріал | Твердість | |
| по Моосу | по Хрущеву М. М., Берковичу Е. С. | |
| Тальк | 1 | 2,4 |
| Гіпс | 2 | 36 |
| Кальцит | 3 | 109 |
| Флюорит | 4 | 189 |
| Апатит | 5 | 536 |
| Ортоклаз | 6 | 795 |
| Кварц | 7 | 1120 |
| Топаз | 8 | 1427 |
| Корунд | 9 | 2060 |
| Алмаз | 10 | 10060 |
Алмаз і кубічний нітрид бору мають найбільшу твердість. Нижче наведена середня мікротвердість алмаза, кубічного нітриду бору, а також інструментальних і конструкційних матеріалів (у МН/м2 при 20° С): алмаз - 98 000; кубічний нітрид бору - 91 000; карбід бору - 39 000; карбід кремнію - 29 000; електрокорунд - 19 800; твердий сплав ВК8-17500; сплав ЦМ332 - 12 000; сталь Р18-4 900; сталь ХВГ - 4500; сталь 50-1960.
З підвищенням температури твердість матеріалів знижується. Так наприклад, при нагріванні електрокорунду від 20 до 1000 °С його мікротвердість знижується від 19 800 до 5880 МН/м2
Як абразиви використовують мінерали природного й штучного походження: алмази; кубічний нітрид бору, що зустрічається під назвами ельбор, кубаніт, боразон, карбід бору й карбід кремнію; електрокорунди білим, нормальний і легований хромом і титаном і ін. Умовно ставляться до цієї групи "м'які" абразивні матеріали: крокус, окис хрому, діатоміт, трепел, віденське вапно, тальк і ін. У виробничій практиці гідрополірування як абразив використовують вібротела - відходи цегли, скляної й керамічної промисловості, кісточки плодових фруктів.
Природний алмаз - мінерал, що складається з одного хімічного елемента - вуглецю. Зустрічається у вигляді невеликих кристалів різної форми від 0,005 до декількох каратів (карат дорівнює 0,2 г). Алмази бувають безбарвні або пофарбовані в різні тони: жовті, темно-зелені, сірі, чорні, фіолетові, червоні, блакитні й ін. Алмаз є найбільш твердим мінералом.
Висока твердість забезпечує алмазному зерну досить високі ріжучі властивості, здатність руйнувати поверхневі шари твердих металів і неметалів. Міцність алмаза на вигин невисока. Одним з істотних недоліків алмаза є порівняно низька температурна стійкість. Це значить, що при високих температурах алмаз перетворюється в графіт, таке перетворення починається у звичайних умовах при температурі близької до 800 °С.
Штучний (синтетичний) алмаз. Синтетичні алмази одержують із графіту при високих тисках і високій температурі. Вони мають ті ж фізичні й хімічні властивості, що й природні алмази.
Кубічний нітрид бору. (КНБ) - надтвердий матеріал, уперше синтезований в 1957г, містить 43,6% бору й 56,4% азоту. Кристалічні ґрати КНБ є алмазоподібної, тобто вона має таку ж будову, як і ґрати алмаза, але містить атоми бору й азоту. Параметри кристалічних ґрат КНБ трохи більші, ніж ґрати алмаза; сказаним, а також меншою валентністю атомів, що утворять ґрати КНБ, пояснюється його трохи менша твердість у порівнянні з алмазом.
Кристали кубічного нітриду бору мають теплостійкість до 1200° С , що є одним з головних достоїнств у порівнянні з алмазом. Ці кристали одержують шляхом синтезу гексагонального нітриду бору при наявності розчинника (каталізатора) у спеціальних контейнерах на гідравлічних пресах, що забезпечують необхідний високий тиск (порядку 300-980 МН/м2) і високу температуру (близько 2000 °С).
На відміну від алмаза, кубічний нітрид бору нейтральний до заліза й не вступає з ним у хімічну взаємодію. Висока твердість, термостійкість і нейтральність до заліза, зробили кубічний нітрид бору досить перспективним надтвердим матеріалом для обробки різних залізовмісних сплавів (легованих сталей і ін.), які роблять різке зниження адгезіоного й дифузійного зношування інструмента (у порівнянні з алмазним).