Отрезные круги. Применение адаптивных наполнителей

Эсмантович С.Н.

директор департамента технологий и инноваций,

ООО «Торговый дом «Александр»

esmantovych@mail.ru

Отрезные круги на бакелитовой связке из традиционных абразивных материалов для выполнения операций отрезки заготовок безоговорочно являются одним из наиболее востребованных типов абразивного инструмента, ввиду своей доступности и эффективности. Соответственно, этот вид инструмента всегда будет предметом повышенного спроса и объектом непримиримой конкуренции. А общее, объединяющее для всех пользователей желание получить дешевый, универсальный на все случаи жизни отрезной круг всегда будет предметом изысканий и спекуляций.

Как правило, все производители отрезных кругов используют типовые технологии, оборудование и типовой перечень основных используемых материалов, но это отнюдь не означает, что качество у них будет равнозначным. Большинство поставщиков наиболее востребованных отрезных кругов низкого и среднего ценового сегмента декларируют универсальные свойства этой продукции, в расчёте на несовершенство нормативной базы и ограниченные возможности потребителей объективно проверить их качество. Критерием оценки, как правило, является цена, износостойкость или производительность. На типовых операциях, в условиях предприятий, ориентируются на достигнутые показатели отрезных кругов определённых производителей. В быту ориентируются на субъективные ощущения, опыт эксплуатации или навязанные стереотипы.

Нормативная база, а именно действующий ДСТУ ГОСТ 21963:2003, не оставляет сомнения в универсальности продукта под названием «Отрезные круги на бакелитовой связке». Вышеприведенным стандартом в пункте 1. («Область применения») оговорено, что отрезные круги на бакелитовой связке предназначены для резки и прорезки металлических материалов и неметаллических материалов, а в маркировке достаточно указать: металл (М) или неметалл (НМ).

Стандартами других стран производители ограничены такими же рамками. Это вводит в заблуждение даже специалистов, которые хотят разобраться в вопросе выбора качественных отрезных кругов, используя стандарты и маркировку кругов, но при подборе, подпадающих под определение металл, понимают относительность термина универсальный отрезной круг.

Для любого специалиста-машиностроителя, станочника, строителя или металлурга понятно, что под определение «металл» попадает трудно воспроизводимое количество материалов. Учитывая значительное разнообразие свойств материалов и различную обрабатываемость, у станочников приняты 6 групп обрабатываемости шлифованием различных марок материалов (табл. 1).

В каждую группу входят материалы, которые создают при обработке один тип нагрузки на режущее зерно и тем самым определяют один и тот же тип износа абразивного зерна. Такая градация принята не случайно. Химический состав металла, существенно влияет на качество резания, степень окисления стружки и качество разрезаемой поверхности. Например, алюминий, кремний, никель и др. способны образовывать химически устойчивую пленку, увеличивая стойкость сплавов к окислению. Наоборот, повышение содержания углерода снижает устойчивость сплавов против окисления и тем самым способствует процессу образования стружки и облегчает ее удаление с поверхности круга. Таким образом, повышение степени окисления облегчает процесс резания, а понижение затрудняет. Поэтому углеродные стали, например, лучше режутся, чем легированные конструкционные и инструментальные. Легирующие присадки способствуют образованию в сталях карбидных соединений, повышают их твердость и температуру плавления. Это увеличивает степень затупления абразивных зерен, понижает стойкость отрезных кругов.

Немаловажное значение для процесса резания имеют и физико-механические свойства разрезаемого материала — теплопроводность и теплостойкость, прочность и вязкость. Так, обработка сплавов с низкой теплопроводностью происходит при высоких температурах, что делает их труднообрабатываемыми. Высокая прочность в сочетании с большой вязкостью так же затрудняет процессы отрезки. Например, серый чугун шлифуется и режется кругами значительно легче, чем отбеленный или легированный.

Кроме того,  эксплуатационные свойства применяемых в отрезных кругах абразивных материалов в значительной степени зависят от степени химического взаимодействия абразивного материала с обрабатываемым материалом. Она определяет область применения абразивных материалов для резки тех или иных материалов и зависит от химической устойчивости материалов и взаимодействия их с обрабатываемым материалом (табл. 2).  

Термостойкость абразивных материалов также влияет на эксплуатационные показатели кругов. Наибольшей термостойкостью обладают электрокорундовые материалы (1700–1900 °C), наименьшей (700–800 °C) алмаз и карбид бора. Второй момент, с которого понятие универсальности кругов ставится под сомнение — марка абразивного материала.

Основываясь на вышеприведенных данных, сложно ошибиться с выбором материала. Понятно, что резать стальную заготовку кругами из алмаза или карбида кремния нельзя. Во всех случаях, без исключения, электрокорунд (нормальный, белый, циркониевый) предназначен для резки металлов, а карбид кремния для резки неметаллов. Второй вопрос, что видов электрокорунда достаточно много и на кругах, выпускаемых по ДСТУ ГОСТ 21963:2003 замаркирована конкретная марка (например 14 А, 13 А, 25 А, 38 А, 54 С), которая обязывает к чему-то производителей. На кругах некоторых западных и, особенно, большинства восточных производителей ограничиваются маркировкой А, Z С, что предполагает широкую гамму материалов, не всегда пригодных для отрезных кругов.

Марка абразивного материала является ключевым параметром, но без номера зернистости не говорит ни о чём. Зернистость абразивного материала с большой долей вероятности отразит режущую способность кругов, при условии, что производитель указал реальную зернистость. Не секрет, что чем крупнее зерно, тем лучше режущая способность и необходимость применение различных зернистостей шлифматериала на кругах разной толщины вызвана не заботой о качестве круга.

На самом деле, если в тонкий круг, толщиной 1 мм положить шлифзерно размером 1 мм, то это шлифзерно разрушится при формовании заготовок, в круге не будет крупного абразива, а разрушенные зёрна не будут закреплены в связующем.

Существует прямая зависимость между толщиной круга и зернистостью и какие-либо отклонения от технически обоснованной зернистости должны насторожить потребителя кругов. Как правило, более мелкий номер зернистости производители используют для повышения стойкости круга, в ущерб его режущей способности. А иногда с целью экономии «козырных» номеров зернистости, которыми являются F24, F30, F36, используют смежные номера, которые на 15–20 процентов дешевле.

В качестве иллюстрации типового применения абразивных материалов и их зернистости для отрезных кругов можно предложить данные нижеследующей таблицы 3:

Эксплуатационные параметры отрезных кругов являются производными множества показателей, которые предусмотрены стандартом. Проверить не представляет труда наружный диаметр, высоту круга и её неравномерность. Сложнее проверить радиальное и торцевое биение, неуравновешенность круга (дисбаланс). Эти показатели, как минимум, покажут уровень производителя и соответствие стандарту. У большинства кругов дешевого ценового сегмента с этими показателями будут несоответствия. Уважаемые производители отрезных кругов себе не позволят отклонения от стандартов. Но другие важные параметры отрезного круга проверить пользователю сложно.

Так, твердость отрезного круга для большей части производителей больше показатель расчётный или декларируемый. Для предприятий выпускающих продукцию по ДСТУ ГОСТ 21963:2003 предусмотрена проверка твёрдости приборами «Звук». Но выборка кругов для проверки незначительная и реальная твёрдость больше зависит от рецепта и технологии. Более того, на маркировке производители указывают разбег твёрдости, который предусмотрит все издержки технологии (ЗИ 37–43 или от С до ЧТ). Европейские производители вообще не проверяют круги по твёрдости и маркируют рецептурную, но этой твёрдости можно доверять, в отличии от азиатских  производителей. Таким образом на маркировку твёрдости можно ориентироваться только на кругах солидных производителей.

Такой важнейший показатель как структура круга в ДСТУ ГОСТ 21963:2003 вообще упразднён. Ведущие зарубежные производители тоже не балуют пользователя маркировкой этого параметра.

Тема связующих компонентов для производства отрезных кругов достаточно многогранна. Все производители, без исключения, используют бакелитовую связку, состоящую их сухого фенольного связующего (пульвербакелита) и жидкого фенольного связующего.

Марок фенольных связующих только абразивного применения сотни, но какие связующие применять решает производитель. При этом производители смол подробно описывают свою продукцию и дают конкретные рекомендации производителям отрезки. Но для одних производителей решающим фактором принимается прочность, качество круга, для других — стоимость. Потребитель это никак не проверит. В отрезных кругах с качественными смолами запас прочности будет тройной, а на дешевых смолах риск разрыва круга 50×50.

Срок годности кругов напрямую зависит от смолы, Поэтому разница в стоимости качественных и некачественных смол достигает 3-х раз.

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.

Наполнители классифицируются по четырем группам:

  • эндотермические наполнители, химически активные при шлифовании;
  • наполнители, химически активные при отверждении связующего;
  • неактивные (инертные) наполнители, увеличивающие прочность и износостойкость кругов;
  • наполнители, повышающие температурный предел термической деструкции связующего и повышающих эффективную твёрдость.

Влияние и активность наполнителей вопрос достаточно полемический, по количеству наполнителей мнений и трактовок предостаточно. Материал активного эндотермического наполнителя выбирается из группы, состоящей из криолитов, пирита, сульфидов, хлоридов, оксидов с низкой температурой плавления и их сочетаний. Наиболее часто используются: криолит синтетический

(АlF3·nNaF), пирит (железный колчедан FeS2), фтороборат калия (КВF4), сульфид цинка (ZnS), сульфид сурьмы (Sb2S5), хлорид свинца (РbCl2), хлориды и сульфаты калия и натрия.

Химически активные наполнители и пары серы и/или галогенов попадают в зону резания и облегчают резание нержавеющих и легированных сталей. Содержание серы и галогенов в перечисленных материалах способствует улучшению шлифуемости металлов, особенно легированных сталей. Менее важны они при резании углеродистых сталей и бесполезны при шлифовании цветных металлов и неметаллических материалов.

К наполнителям, способствующим отверждению связующего, относятся оксиды щелочных металлов, таких как оксид кальция СаО (известь) и оксид магния МgО, используют для ускорения отверждения фенольных смол и абсорбции воды, образующейся при реакции отверждения. Эти материалы используются в отрезных кругах высокой структуры и плотности, особенно с  использованием водосодержащих фенольных смол.

Гашеная известь Са(ОН)2 способствует упрочнению связки и повышению ее теплостойкости, но делает ее хрупкой. В качестве инертных наполнителей используются тонкодисперсные неорганические

материалы, повышающие эксплуатационные характеристики отрезных кругов, обеспечивающие «каркасность» полимерной композиции, улучшающих технологичность формовочных смесей. Это тонкоизмельченные шлифпорошки различных марок абразивных материалов (в основном SiC), молотый шамот, полевой шпат, известняк, мел, каменная (бутовая) мука и т.д.

Повышают температурный предел термической деструкции связующего целый ряд наполнителей из вышеперечисленных групп, например Са (ОН)2 и микропорошки SiC.

В дешевых кругах используют наиболее дешевые наполнители, в том числе отходы производств, в лучшем случае не канцерогенные.

Ещё один важный показатель, обеспечивающий безопасность отрезных кругов, это механическая прочность, которая в кругах с рабочей скоростью более 50 м/с обеспечивается армированием круга специальной стеклосеткой. О наличии армирующей стеклосетки в маркировке любого производителя сообщит буквенный символ F, который совмещён с маркировкой связующего (ВF). Этот символ также не несёт информации о количестве дисков из стеклосетки, их плотности и т. д.

Один из главных элементов безопасности отрезного круга отдан на откуп порядочности производителя. Можно для круга диаметром 230 мм толщиной в 2,5 мм использовать стеклосетку плотностью 290 г/см3, а можно 180 г/см3, что не запрещено действующими стандартами. Для производства отрезных кругов используется стеклосетка не в чистом виде, а покрытая смолами, аналогичными тем, что используют для изготовления кругов.

Это делается для получения максимальной адгезии между сеткой и связующим. Состав пропитки для стеклосетки имеет тоже многовариантность и по качеству и по стоимости. Разница в стоимости упомянутых дисков из стеклосетки до 4-х раз. Применение плотной и качественной стеклосетки практически исключает риск для работника, если все остальные опасные факторы не присутствуют. Если на крупных предприятиях, на которых ещё «не забыли» требования стандартов,

отрезные круги перед работой проверяются на мех. прочность на испытательных станках и исключают разрыв круга во время резания, то для бытовых пользователей такая возможность исключена.

Таким образом, получается, что покупая отрезные круги даже выпущенные по действующему государственному стандарту невозможно установить ни твёрдость, ни структуру, ни зернистость. Качество связующих компонентов, наполнителей и армирующих элементов не регламентируется. Пользователю предлагается обезличенный отрезной круг с назначением металл-не-металл и названием бренда или марки, которые не всегда идентифицируют производителя. Универсальный потому, что альтернативы большинство производителей не предоставляют.

В сложившейся ситуации ведущие мировые производители предлагают, кроме «универсальной линейки» отрезных кругов дешевого ценового сегмента, круги профессиональной серии, дорогостоящие отрезные круги под конкретные операции и материалы, причём актуализированные под группы обрабатываемости, приведенные в таблице 1.

И всё же идея получить отрезной круг «по металлу» с действительно универсальными  свойствами прорабатывалась практически всеми исследовательскими центрами в области абразивов. На примере отрезных кругов универсальной серии очень уважаемых производителей можно констатировать, что исследования дают результаты, но стоимость отрезных кругов находится в дорогом ценовом сегменте. Основной эффект получен за счёт использования абразивных материалов нового поколения и эффективных смол.

Но есть и альтернатива. Как об одном из последних достижений в области производства отрезных кругов «для металла» можно проинформировать о новой 3S технологии, разработанной для абразивных предприятий Европейского Союза, которая основана на применении системы адаптивных наполнителей и фенольных смол нового поколения. В основу принята идея создания механизма управления свойствами отрезного круга, учитывая следующие факторы:

1. Химический состав и, соответственно, марка металла, существенно влияет на качество резания, степень окисления стружки и качество разрезаемой поверхности.

2. С повышением температуры в зоне резания твердость абразивных материалов снижается. Например, при нагреве электрокорунда нормального марки 14 А от 20 до 1000 °C его микротвердость снижается от 19 800 до 5880 МН /м2. Поэтому при температуре более 1000 °C эффективность резания падает и теряется смысл «в удерживании режущего зерна». Управляемая эрозия (деструкция) связующего позволит управлять процессом обновления зёрен.

3. Реакция между фторалюминатом натрия (криолитом), с одной стороны, и гидратированным оксидом и карбонатом кальция, с другой, резко ускоряется в интервале температур 600 …800 °C и  обеспечивает повышение эффективности шлифования за счет ослабления связки в граничном слое и обнажения режущих кромок зерен, образования химически активной газо-жидкостной охлаждающей среды, защиты органического связующего от термоокислительной деструкции. Кроме того, криолит в зоне резания образует плавиковую кислоту (НF), которая при определённом количестве и концентрации активно взаимодействует с углеродистой сталью и корродирует поверхность резания.

Чугун, например, разъедается плавиковой кислотой любой концентрации. За счёт этого практически предотвращается эффект «кэппирования» абразивных зерен.

4. Ключевая роль в управлении свойствами связующего основана на реакции разложения пирита, которая сопровождается реакциями обмена с кальцийсодержащими наполнителями при участии кислорода воздуха и совпадает по температурному интервалу с термоокислительной деструкцией связующего. Кроме того, при температуре более 400 С, пирит превращается в оксид железа и двуокись серы (FeS2+ О2 = Fe2O3 + SO2) · SО2, как «защитный газ», предотвращает термическое окисление фенольного связующего.

5. В комплексе наполнители регулируют процесс резания за счет высоко эндотермической реакции, помогающей при резании рассеивать тепло с поверхности сопряжения между абразивными зернами и разрезаемым металлом.

6. Свойствами активных наполнителей можно управлять только при их оптимальном количестве в составе связующего, не снижающих его прочности. В отрезных кругах «низких» структур действие наполнителей малоэффективно, ввиду их недостаточного количества.

Таким образом, выбор рецептов отрезных кругов по технологии 3S базируется на понимании физико-химических процессов взаимодействия всех компонентов связки, последовательности и кинетики фазообразования и их влияния на свойства отрезных кругов как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации в условиях знакопеременного термического воздействия.

Описанный механизм реализуется за счёт применения отрезных кругов структуры 10 и выше с объёмным содержанием связующего более 40 %.

Наполнители составляют до 45 % объёма связки. Это позволяет в процессе резания в диапазоне контактных температур от 400 °C до 1000 °C сохранять режущие свойства отрезного круга. Каждый наполнитель активен в своём диапазоне температур и его количество оптимально. В качестве иллюстрации эффективности отрезных кругов по технологии 3S можно принять результаты сравнительных эксплуатационных испытаний, приведенные в табл. 4.

Для сравнения испытывались круги ведущего европейского производителя структуры 7 и твёрдости R и опытные отрезные круги структуры 10 и твёрдости Т с адаптивными наполнителями. Результаты сравнительных испытаний показывают, что хорошие отрезные круги структуры 7 со стандартным наполнением, при изменении марки стали на более труднообрабатываемую, имеют тенденцию к снижению основных эксплуатационных показателей. Круги с адаптивными наполнителями обеспечивают стабильные показатели и, соответственно, универсальность.

В ближайшее время отрезные круги по технологии 3S появятся на рынке Украины.

ТД «Александр» – комплексные поставки абразивного и металлорежущего инструмента, технологической оснастки

 

                           www.alexander-td.com

 

Главный офис:

г. Запорожье, пр. Ленина, 63

+38 (061) 220-58-33, 220-58-23

office@alexander-td.com  

Филиал:

г. Киев, ул. Маршала Гречко, 3

+38 (044) 377-79-82, 531-19-80

s4.kv.tdalex@gmail.com