Свойства электрокорундовых шлифовальных материалов и рекомендации по их применению

Куркин Анатолий Иванович, начальник департамента развития ООО "Компания "Александр"

Эффективность шлифования в значительной степени зависит от правильного выбора  абразивного инструмента.  При  этом необходимо  не только использовать современное шлифовальное оборудование, назначать оптимальные параметры и  производительность процесса, обеспечивающие высокую стойкость абразивного инструмента,  но и учитывать характеристики обрабатываемого материала, геометрические параметры и исходное состояние шлифуемой поверхности и  не только. 

Одним из ключевых параметров абразивного инструмента  является сам абразивный материал, с помощью которого осуществляется процесс шлифования.  Самый большой сегмент в общем количестве  выпускаемой продукции для операций шлифования занимает абразивный  инструмент на керамической связке с использованием электрокорунда различных типов.

1. Свойства и назначение электрокорундовых абразивных материалов.

В изготовлении абразивного  инструмента столетиями использовались такие  виды природных абразивов как алмаз, гранат, кремень, корунд или наждак.

Корунд всегда являлся самым распространенным абразивным материалом, который широко использовался в обработке металлов (происходит от англ. - corundum, заимствованным из тамильского языка - kuruntam, произошедшим в свою очередь из санскрита - curuvinda - рубин). Шлифовальные (наждачные) круги из корунда получали с помощью обтесывания (материал хорошо скалывается) и обтачивания еще более твердым абразивом, таким как алмаз, кремень. Природный корунд сослужил добрую службу промышленности до  внедрения искусственных материалов высокого качества, появившихся благодаря развитию металлургии. В настоящее время природные корунды  имеют  очень ограниченное применение.

Искусственные корунды отличаются большим разнообразием видов, имеющих различные свойства и области применения.

СПРАВКА.

Химически чистый корунд представляет собой кристаллическую окись алюминия, получаемую в результате плавки химически чистой окиси алюминия (глинозема) при температуре около 2500º С. Электрокорунд выпускается обычно с содержанием 91 — 99% Аl203; плотность 3,93 — 4,01 г/см3; микротвердость 1800 — 2600 кгс/мм2; твердость по шкале Мооса 8,9 - 9,1. По твердости корунд уступает только алмазу, кубическому нитриду бора, карбиду бора и карбиду кремния. Существуют четыре основных разновидности элeктрокорунда, которые в зависимости от содержания двуокиси алюминия и примесей имеют различный цвет, структуру и свойства: электрокорунд нормальный, содержащий в зерне 92 — 96% Аl203 и имеющий цвет от розового до темно-коричневого (синий, коричневый, малиновый и др.); электрокорунд белый, содержащий 97 — 99% Аl203; легированные электрокорунды, содержащие элементы, существенно изменяющие их свойства, например, титан, хром и др.; монокорунды, содержащие 97 — 98% Аl203.

Нормальный электрокорунд получают из бокситов методом восстановительной плавки в электропечах. По сравнению с другими электрокорундовыми материалами его наиболее часто применяют в промышленности. Плотность нормального электрокорунда составляет 3,9 г/см3. Микротвердость, колеблется в пределах 2000 — 2300 кгс/мм2. Высокая твердость и прочность зерен позволяют использовать электрокорунд для шлифования металлов. Наиболее широкое применение в мировой практике нормальный электрокорунд находит при изготовлении обдирочного и шлифовального инструмента на органических связках и очень ограничено на керамических, в основном для ручных операций.  Большую часть шлифовальной шкурки и изделий из неё производят с использованием нормального электрокорунда.

Белый электрокорунд отличается высоким содержанием окиси алюминия (более 99%) при незначительном наличии других окислов. Микротвердость белого электрокорунда 2200 — 2600 кгс/мм2, плотность 3,95 г/см3. Сырьем для выплавки белого электрокорунда является глинозем, представляющий собой окись алюминия с незначительным количеством примесей. Его получают из бокситов, нефелинов, каолинов и других продуктов. Абразивные инструменты и материалы из белого электрокорунда однородны и обладают хорошей самозатачиваемостью, а обработанные ими поверхности деталей отличаются низкой шероховатостью.

Легированные электрокорунды обладают регулируемыми свойствами вследствие того, что в корунде содержатся различные элементы, образующие с ним твердые растворы. Свойства легированных корундов отличаются от обычных. Материал, выплавленный из глинозема с полуторной окисью титана, называется титанистым электрокорундом. Абразивная способность титанистого электрокорунда выше, чем нормального и белого электрокорунда при меньшей прочности и микротвердости. Хромистый электрокорунд марок получают из глинозема при выплавке с добавкой окиси хрома. По показателям абразивной способности, прочности и микротвердости хромистый и белый электрокорунды примерно одинаковы. Круги из легированных электрокорундов  применяются для шлифования заготовок из конструкционных и инструментальных (закаленных) сталей.

Монокорунд отличается от других электрокорундов большой чистотой, причем почти вся окись алюминия в монокорунде представлена корундом с зернами-монокристаллами. Монокорунд содержит не менее 97% Аl2O3 остальное примеси; плотность 3,97 г/см3. Монокорунд получают из бокситов методом оксисульфидной плавки, сущность которой заключается в сплавлении боксита с сернистым железом (пиритом) в присутствии восстановителя. По сравнению с нормальным и белым электрокорундами монокорунд обладает более высокими показателями: твердостью, механической прочностью и абразивной способностью. Изометричная форма зерен монокорунда и прочные острые кромки обеспечивают инструментам высокую режущую способность и хорошую самозатачиваемость. Высокие эксплуатационные свойства абразивных инструментов из монокорунда проявляются в большей степени на операциях получистового и чистового шлифования, заточки режущих инструментов, шлифования тонких и длинных резьб, зубо- и шлицешлифования, шлифования колец подшипников. Однако, монокорунд в мире сейчас  выпускается очень ограничено.

Формокорунд, SG-абразивы, кубитрон и др. абразивные материалы, состоящие из микрочастиц корунда (менее 5мкм), получаемые методами золь-гель технологии или корундовой спеченной керамики. Отличаются высокой режущей способностью и самозатачиваемостью. Однако, «спечённые абразивы» чрезвычайно дороги и абразивный инструмент с их использованием  , как правило, применяется на прецизионных операциях.

Из общемировой практики известно, что основное количество абразивного инструмента  производится с использованием белого и нормального электрокорунда. Абразивные инструменты из электрокорунда нормального используются при  обработке материалов с высоким сопротивлением разрыву (обдирка стальных отливок, поковок, проката, сталистых высокопрочных и отбеленных чугунов, ковкого чугуна, получистовая обработка различных деталей машин из углеродистых и легированных сталей в незакаленном и закаленном виде и т.п.)  в основном  на органических связках. На керамической связке круги из нормального электрокорунда имеют низкие эксплуатационные показатели и склонность к прижогам.

Абразивный инструмент из белого электрокорунда изготавливается практически весь на керамической связке и применяется на получистовых и чистовых операциях шлифования  , при профильном шлифовании и заточке инструментов из сталей. Причем наиболее эффективно  на следующих операциях:

  • при обработке закаленных деталей из углеродистых, быстрорежущих и нержавеющих сталей, хромированных и нитрированных поверхностей;
  • при обработке тонких деталей и инструментов, когда отвод тепла, образующегося при шлифовании, затруднен (штампы, зубья шестерен, резьбовой инструмент, тонкие ножи и лезвия, стальные резцы, сверла, деревообрабатывающие ножи т.п.);
  • при обработке деталей (плоское, внутреннее и профильное шлифование) с большой площадью контакта между кругом и обрабатываемой поверхностью, сопровождающейся обильным теплообразованием;
  • при отделочном шлифовании (хонингование, суперфиниширование и т.п.).

Кроме вида электрокорунда , одним  из ключевых параметров  является его зернистость, которая также  определяет вид обработки. Основными критериями при выборе зернистости являются :

  • количество снимаемого при обработке материала;
  • требуемый класс шероховатости и точности обработки поверхности;
  • физические свойства обрабатываемого материала;
  • требуемая стойкость кругов между правками в автоматическом режиме шлифования.

Как видно из таблицы, абразивный инструмент зернистостью F36 – F10 применяется при обдирочных операциях для удаления больших припусков; при обработке материалов, которые забивают  пространство между зернами абразивного материала круга, например при обработке латуни, меди, алюминия; при большой площади контакта круга с обрабатываемой деталью (торцевое, внутреннее  шлифование).

Абразивный инструмент зернистостью F40 – F100 применяется для получения шероховатости в пределах Ra 0,32-0,03; при чистовой обработке стальных заготовок, при окончательном шлифовании, заточке и доводке инструмента; при высоких требованиях к точности обрабатываемого профиля детали. Зернистость F180 – F500 используется при доводке и полировании.

2.Рекомендации по выбору марки электрокорунда в шлифовальных кругах.

В предыдущем разделе подробно описаны свойства и использование в абразивном инструменте электрокорундовых материалов. Не вызывает сомнения, что вследствие высокой твердости, прочности и наличия острых кромок, зерна белого электрокорунда обладают высокой абразивной способностью и легко внедряются в заготовки из высокопрочных сплавов. Острые кромки зерен не вызывают значительный нагрев обрабатываемых заготовок. Поэтому при получистовой, чистовой обработке закаленных деталей из углеродистых, быстрорежущих и нержавеющих сталей, хромированных и нитрированных поверхностей оптимальным является абразивный инструмент из белого электрокорунда на керамической связке.

Электрокорунд нормальный имеет меньшую твёрдость, но повышенную прочность и значительную вязкость, поэтому его применяют при обработке с переменными нагрузками и при повышенных давлениях. Абсолютно понятно, что оптимальным материалом для обдирки стального проката и заготовок целесообразно применять круги из электрокорунда нормального на органической связке.

В условиях социалистической экономики, жесткого дефицита и централизованного распределения абразивного инструмента предприятиям навязывалось использование шлифовальных кругов из электрокорунда нормального на керамической связке. Хотя даже нормативной документацией предусматривались более низкие эксплуатационные показатели кругов из электрокорунда и повышенные затраты на операциях шлифования.

Так, в ГОСТ 2424-83, действующем на территории Украины, дана прямая ссылка на пониженные эксплуатационные характеристики шлифовальных кругов с использованием электрокорунда нормального. Например, в п. 2.14 они приведены только для электрокорунда белого марки 25А. В примечании к таблице 25 написано, что для кругов из нормального электрокорунда минимальное значение коэффициента шлифования должно быть умножено на 0,8.

В приложении А нового российского стандарта на шлифовальные круги ГОСТР 52781-2007 показатели кругов на керамической связке из электрокорунда нормального вообще не предусмотрены, а применение таких кругов не рекомендуется.

Учитывая то, что коэффициент шлифования - это характеристика шлифовального круга, выраженная отношением объема отшлифованного металла к единице объема износа шлифовального круга (с учётом правки) - он отражает многие аспекты абразивной обработки.

В первую очередь, коэффициент шлифования характеризует абразивную способность и производительность кругов. При определении этого коэффициента для конкретной операции обработки подразумевается, что при обработке выдержаны геометрические размеры, обеспечены заданные параметры шероховатости и получена бездефектная поверхность (без прижогов) за счёт правильного подбора абразивного инструмента, СОЖ и режимов правки. Понятно, что указанная в ГОСТ2424-83 разница в 20% в величине коэффициента шлифования между кругами из белого и нормального электрокорунда  отражает разницу во всех перечисленных показателях.

Во вторую очередь, коэффициент шлифования - это экономический показатель работы абразивного инструмента. Не вызывает сомнения, что одним из основных элементов затрат в оценке себестоимости шлифовальной операции являются затраты, связанные с расходом шлифовальных кругов. В общем случае эти затраты складываются из стоимости объёма износа шлифовального круга, стоимости объёма снятого абразивного материала во время правки, стоимости самой правки и стоимости правящего (в основном алмазного) инструмента. При этом нужно принимать во внимание затраты на замену шлифовальных кругов, цеховые и заводские расходы.

Из опыта большинства машиностроительных предприятий известно, что удельный износ шлифовальных кругов из белого или нормального электрокорунда (без расхода на правку) при предварительной и получистовой обработке наиболее распространенных конструкционных сталей обычно невелик и доля расходов на абразивы в себестоимости обработки незначительна (1,5-4%). При чистовой обработке высоколегированных сталей расход на абразивные инструменты значительно выше (8,5%) и является основной составной частью себестоимости обработки. А если используется абразивный инструмент из нормального электрокорунда доля расхода увеличивается в разы.

В каталогах ведущих европейских и американских производителей рекомендуется на получистовых и чистовых операциях применять шлифовальные круги из электрокорунда белого на керамической связке для обработки закаленных деталей из углеродистых, быстрорежущих и нержавеющих сталей, деталей с хромированной или азотированной поверхностью, а также при профильном шлифовании и заточке инструмента из стали. Электрокорунд нормальный большинство ведущих производителей применяет в абразивном инструменте на органических связках (бакелитовая, вулканитовая).

Таким образом, специалистами отрасли не рекомендуется использовать шлифовальные круги из нормального электрокорунда на керамической связке, вместо кругов из белого электрокорунда.