CC BY
80
УДК 621.922.025-405.8
Ю.С. Багайсков, В.М. Шумячер
ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
Показано, что размер пор в абразивном инструменте достигает размера зерен при низкой твердости и открытых структурах. С введением порообразователя фактический номер структуры возрастает, например, с № 10 до № 13-18. Чем больше зернистость порообразователя, тем меньше его количество в объеме, тем больше зерен абразива на частицу порообразователя. При введении порообразователя в 2-6 раз возрастает газопроницаемость структуры материала.
ABRASIVE TOOLS PORE STRUCTURE FORMATION
Pores sizes reach the size of abrasive grains under the low hardness and open structures. With the introduction of the blowing agent, the actual number of the structure grows, for example from 10 up to 13-18. The more grain of the pore-formation, the less its quantity in volume, the more grains of the abrasive per a fraction of the blowing agent. Introducing a steam generator material structure’s gas-permeability increases 2-6 times.
Структура абразивного инструмента представляет собой совокупность абразивных зерен, связки и пор. Равномерность их распределения определяет качество структуры, а вместе с величиной поры в конечном итоге и работоспособность инструмента. Одним из условий равномерности структуры можно считать соответствие количества зерен абразива и числа пор. При этом обеспечивается максимальное и примерно равное количество контактов зерен между собой с образованием мостиков связки.
Представляет интерес анализ соотношения диаметров абразивных зерен и пор при различных рецептурных характеристиках инструмента. Основные характеристики - номер структуры и степень твердости. По номеру структуры определяется объемное содержание абразива, а степень твердости при заданном номере структуры показывает соотношение объемов связки и пор. Конечно, понятие диаметров зерен абразива и пор достаточно условно, особенно для поры. Однако, принимая геометрическую форму этих элементов в виде шаров (сфер) и, соответственно, вычисляя их диаметры через объемы, мы поддерживаем соотношение размеров близким к реальному.
Объем V абразивного зерна или поры, принимаемых в виде шаров, вычисляется по формуле:
Yu.S. Bagaiskov, V.M. Shumatcher
Ї d3
V = = 0,523 d3,
6
(1)
откуда диаметр шара d равен:
d = ^1,912V .
(2)
Соотношение К1 диаметров поры ё2 и абразивного зерна ё1 составляет при условии равенства числа абразивных зерен п1 и пор п2, т.е. п1 = п2.
К
где Уц и У^2 - общие объемы содержания абразивных зерен и пор в структуре инструмента, соответственно, (У^1=У1-п1; У^2=У2-п2); Уі и У2 - объемы единичных зерна и поры.
На рис. 1 приведен график зависимости соотношения диаметров поры и
абразивного зерна в абразивном инструменте от номера структуры при различных степенях твердости.
К1
1,1
1,05 1,0 0,95 0,9
0,85 0,8
6 9 12
Номер структуры
Рис. 1. Зависимости соотношения К1 диаметров пор и абразивных зерен от номера структуры при твердости ВМ2 (1), СМ1 (2), СТ1 (3) и Т2 (4)
Исходные данные по объемам зерна и пор взяты из табл. 28 [1], рекомендованной для структур абразивных инструментов из электрокорундов средних зернистостей (.№ 1663) на керамической связке. Из рис. 1 видно, что с увеличением номера структуры, т.е. с уменьшением объемного содержания абразива, при сохранении условия равенства количества абразивных зерен и пор, размер (диаметр) пор возрастает, приближаясь к диаметру зерна, причем наиболее близко, даже превышает, при невысокой твердости (СМ-ВМ).
Для инструмента из карбида кремния в связи с существенно большим содержанием связки (в 1,5-2,5 раза) при одинаковых номерах структуры, а значит и объемах абразива, соответственно меньше объем и размер пор - соотношение К1 уменьшается в 1,1^1,15 раза.
На величину К1 влияет и зернистость абразива, с уменьшением зернистости К1 уменьшается, с увеличением - возрастает, но в меньшей мере, чем от изменения других факторов.
Абразивный инструмент на керамической связке изготавливается прессованием с заранее определенной степенью пористости за счет имеющихся неплотностей в объемах абразивного зерна и связующего. Существенно увеличивается степень пористости за счет
У
У
Е1
введения в состав формовочной массы порообразователей, из которых наиболее практичными являются стеклянные или керамические пустотелые шарики [2], расплавляющиеся во время обжига заготовок инструмента, и дробленая скорлупа фруктовых косточек [3], соответственно, выгорающая при обжиге. Рассеянная по фракциям зернистостей скорлупа экономичнее и технологичнее в производстве.
В связи с тем, что порообразователь вводится дополнительно к расчетной рецептуре, при заданных номере структуры и степени твердости, фактически за счет увеличения степени пористости изменяется содержание абразивного зерна по отношению к остальным компонентам, а значит и номер структуры.
Рецептура абразивной массы рассчитывается по отношению к 100 весовым частям (в.ч.) абразивного материала. Объемное содержание абразивного материала, отнесенное к 100% (А100), можно определить по следующей формуле:
А100 = 100 А / (А + В + С + D) , (4)
где А, В, С и D - объемные содержания абразива, связки, клеящего увлажнителя и порообразователя, соответственно, определенные как отношения их массового содержания в в. ч. к насыпным весам.
На рис. 2 приведены результаты расчета величины А100 для абразивного инструмента с исходным номером структуры № 10 для степени твердости ВМ-СТ при различном содержании порообразователя (до 30 в.ч.).
Анализ показывает, что с увеличением содержания порообразователя объем абразива уменьшается, при этом фактический номер структуры возрастает в сторону открытости. Результат зависит и от степени твердости - для большей твердости изменение меньше, однако незначительно, в пределах 1-2 номеров структуры. Для инструмента из карбида кремния при равных условиях изменения по сравнению с электрокорундом меньше, примерно на 1 номер структуры.
Важным параметром является размер частиц порообразователя, т. е. его зернистости, по отношению к зернистости абразива. Производным отсюда, в зависимости от содержания порообразователя, будет отношение количества зерен абразива n1 к количеству частиц порообразователя n'2. Это отношение можно определить по формуле:
n K3 y'
n = — ^100, (5)
n2 X Y1
где К - соотношение диаметров порообразователя d'2 и абразивного зерна d1: K = d'2/ d1;
Y1 и y2 - удельные веса абразива и порообразователя, соответственно; Х - содержание порообразователя в в.ч.
На рис. 3 приведены зависимости величины n1 / n'2 от содержания порообразователя при различных значениях соотношения К для инструмента из электрокорунда.
Содержание порообразователя, в.ч.
Рис. 2. Фактическое объемное содержание абразивного зерна А100 и номер структуры в зависимости от содержания порообразователя при степенях твердости ВМ (1), СМ(2), СТ
(З)
Содержание порообразователя, в.ч.
Рис. З. Зависимости отношения количества зерен абразива n1 к количеству частиц порообразователя n'2 от содержания порообразователя при отношении К диаметров порообразователя d'2 и абразивного зерна d1 (K = d’2/d1), равном 1 (1), 2 (2), З (З) и 4 (4)
Видно, что соотношение n1 / n'2, определяющее количество зерен абразива на одну частицу порообразователя, с увеличением содержания порообразователя существенно уменьшается, достигая при 30 в.ч. и К = 1 уровня примерно одного зерна на одну частицу.
Это соотношение характерно для равномерной структуры обычного абразивного инструмента. Практичным для образования крупных пор является соотношение размеров порообразователя и зерна К = 3-4 при содержании порообразователя 10-20 в.ч. Тогда на частицу порообразователя приходится 40-180 зерен абразива. Получается высокопористый и высокоструктурный (№ структуры 13-16) инструмент, работающий по принципу прерывистого шлифования, обеспечивающий бесприжоговую обработку с повышенными подачами и глубинами резания.
Номер зернистости порообразователя
а)
Содержание порообразователя, % масс.
б)
Рис. 4. Зависимости газопроницаемости (1, 2) и прочности при сжатии (З, 4) высокопористого материала от зернистости (а) и содержания (б) порообразователя: 1, З - электрокорунд 25А; 2, 4 - карбид кремния 64 С (номер структуры 10)
Представляет интерес исследование влияния введения порообразователей на параметр газопроницаемости, характеризующий степень открытости структуры и связанность пор между собою.
Одновременно необходимо оценить масштаб влияния введения порообразователей и соответствующего увеличения пористости материала абразивного инструмента на его прочность.
На рис. 4 приведены зависимости газопроницаемости и прочности при сжатии материала инструмента из электрокорунда и из карбида кремния от зернистости и от массового содержания порообразователя.
Из рисунков видно, что изменение газопроницаемости материала инструмента с выгорающим порообразователем довольно существенно. Уже введение порообразователя с зернистостью № 25, т.е. такой же, как и абразива, приводит к ее увеличению для электрокорунда почти в 3 раза, а с возрастанием зернистости до № 80 - в 5-6 раз. Такой же эффект дает и влияние содержания порообразователя в количестве 7-15% от массы абразива. Однако для карбида кремния уровень повышения газопроницаемости и при максимальных параметрах порообразователя не превышает 2 раза. Это объясняется повышенным содержанием и природой свойств спекающейся связки при карбиде кремния по сравнению с плавящейся при электрокорунде, не позволяющей резко повысить степень развитости поровой структуры материала инструмента.
Прочностные показатели обожженного материала инструмента с введением порообразователя снижаются на 27-40%, но почти не зависят от зернистости и количественного его содержания (колебание результатов 10-15%).
Введение порообразователя в формовочную массу в большой степени решает важную технологическую проблему повышения «сырой» прочности заформованных заготовок и снижения усадки обожженного черепка инструмента с расчетными высокими структурами (более № 10). Однако одновременно возникла другая проблема -
неравномерность распределения частиц порообразователя в смеси, что в конечном итоге приводит к разбросу значений твердости инструмента по радиусу и по высоте, отражается на степени неуравновешенности инструмента. Причина - различие насыпного веса абразива, связки и порообразователя. В результате исследований выявлено, что для компенсации такого различия необходимо порообразователь предварительно перед использованием пропитать любой жидкой составляющей смеси: водой, лучше раствором лигносульфаната натрия (ЛСН) или раствором декстрина. В этом случае повышается равномерность распределения пор и твердости на 20-25%.
Таким образом, показано, что пористая структура абразивного инструмента определяется соотношением параметров структура - твердость. С увеличением номера структуры в сторону открытости размер пор возрастает, при малых твердостях достигая и превышая размер абразивных зерен. Существенно увеличивается степень пористости при введении порообразователей, при этом фактический номер структуры с увеличением содержания порообразователя до 20-30 в.ч. возрастает, например, с № 10 до № 13-18. Существенна роль зернистости порообразователя по отношению к зернистости абразива, от нее зависит соотношение количества зерен абразива и частиц порообразователя в объеме инструмента, чем зернистость порообразователя больше, тем это соотношение выше. Введение порообразователя приводит к существенному (в 2-6 раз) возрастанию параметра газопроницаемости, характеризующего степень открытости, развитости структуры инструмента, и некоторому снижению прочности материала (на 27-40%). Равномерность распределения порообразователя и, соответственно, твердости инструмента по радиусам и высоте обеспечивается при предварительной пропитке порообразователя в технологическом увлажнителе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Любомудров В. Н. Абразивные инструменты и их изготовление /
В.Н. Любомудров, Н.Н. Васильев, Б.И. Фальковский. М.-Л.: Машгиз, 1953. 376 с.
2. Курдюков В.И. Методы получения высокопористых структур шлифовальных инструментов из СТМ на органических связках / В.И. Курдюков, В.К. Коротовских // Сверхтвердые материалы. 1993. № 4. С. 30-35.
3. А.с.1812087 СССР № 4852328/08. Масса для изготовления пористого
абразивного инструмента / В.П. Манунин, Ю.С. Багайсков, А.В. Лежнева, Т.Н. Дуличенко. Заявл. 18.07.90 // Открытия. Изобретения. 1993. № 16.
Багайсков Юрий Сергеевич -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Технология обработки и производства материалов»
Волжского института строительства и технологий (филиала)
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Шумячер Вячеслав Михайлович -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Технология обработки и производства материалов»
Волжского института строительства и технологий (филиала)
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Статья поступила в редакцию 19.10.06, принята к опубликованию 21.11.06
