Influence of the recycled abrasive grain on the quality of grinding wheels on a ceramic bond

Full Text

Работоспособность любого абразивного инструмента (АИ) в решающей степени определяется зернами абразивного материала, являющимися его основой. Наиболее широкое применение в промышленности получили АИ из электрокорундовых материалов  электрокорунда белого, нормального, хромистого, хромтитанистого, циркониевого и монокорунда, используемые для абразивной обработки заготовок из сталей почти всех марок и многих сплавов. При шлифовании, как правило, предпочтительны АИ из электрокорунда белого 25А, зерна которого имеют бóльшую абразивную способность по сравнению с зернами других электрокорундов. Большое влияние на качество зерен абразивного материала оказывают содержащиеся в нем примеси. Массовая доля магнитного материала должна быть не более 0,01 % для абразивного зерна (АЗ) зернистости F36...F180 (обозначение по стандарту – ISO 8486-1, 50...8 по ГОСТ 3647-80). Примеси электрокорунда могут заключаться в его зернах или механически загрязнять его. В последнем случае они могут быть тем или иным способом удалены без разрушения зерна. Весьма вредным может быть влияние примесей, находящихся на поверхности зерна. Эти примеси, даже если они особенно не ухудшают свойств самого зерна, могут при взаимодействии с керамической связкой изменять ее свойства и этим косвенно ухудшать свойства электрокорунда как абразивного материала. Достоверно известно, что содержание окислов типа R2O2 повышает твердость и уменьшает вязкость АЗ. Примеси железа в виде ферросплава вредны, так как они, реагируя с керамической связкой, образуют так называемую «мушку» в виде темных пятен, что значительно ухудшает свойства АИ. Содержание SiO2 значительно снижает абразивную способность электрокорунда [1]. Последними исследованиями установлено, что в процессе кристаллизации окись натрия образует с окисью алюминия соединение Na2О12Al2O3, которое имеет вдвое меньшую абразивную способность, чем электрокорунд [2]. Химический состав белого электрокорунда, производимого на разных заводах, отличается содержанием примесей и зависит от качества исходного сырья, устройства электропечей и других факторов. Поскольку абразивное зерно 25А является самым дорогостоящим компонентом формовочной смеси для изготовления АИ, стоимость АИ можно существенно снизить путем введения в эту смесь регенерированного зерна (РЗ). ЗАО ППК «Южуралинструмент» (ЗАО НПК «ЮУИ») (г. Челябинск) изготавливает РЗ электрокорунда белого 25А зернистостью от 40 до 4 по ГОСТ 3647 (или F46...F220 по стандарту ISO 8486-1). Химический состав РЗ по нормам технических условий представлен в табл. 1. Таблица 1 Нормативный химический состав РЗ 25А (ТУ 3989-002-42494022-2008) Массовая доля, % Магнитные материалы, %, не более Fe2O3, не более SiO2, не более Na2O, не более Al2O3 0,2 2,3 0,3 97,0 0,01 Получают регенерированное зерно 25А из боя шлифовальных кругов (ШК) на керамической связке в несколько этапов. Сначала крупные куски боя и целые бракованные ШК нагревают в щелевой печи до 500...800 °С. Затем быстро охлаждают, например погружая бой кругов в воду, при этом куски боя разрушаются на мелкие части. Процесс нагрева боя кругов можно заменить разрушением их на копре и дальнейшим разрушением на щековой дробилке. Заключительное измельчение проводят на шаровой мельнице с помощью металлических шаров. Время вращения мельницы, размер и состав шаров подбирают в зависимости от требуемого гранулометрического состава регенерированного зерна 25А. После обеспыливания рассев РЗ на фракции выполняют на многоуровневых ситах. Возможно получение РЗ путем обжига отработанных ШК на бакелитовой связке. Как правило, РЗ загрязнено примесями связки и железа, что значительно ухудшает его качество и снижает работоспособность. Цвет зерен изменяется до темно-желтого. Допускается присутствие до 6 % конгломератов, состоящих из темных кристаллов белого электрокорунда, скрепленных керамической связкой. В целом содержание связки в РЗ допускается до 6,5 %. В лабораториях Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск) проведены комплексные физико-химические исследования образцов регенерированного белого электрокорунда производства ЗАО НПК «ЮУИ». Макроскопические исследования показали, что РЗ имеет светло-желтый цвет благодаря налету тонкой железосодержащей пыли и «примазок» буро-красного цвета (остатки от разложения пирита и криолита  спека пирита с криолитом). Содержание примесей (пиритных огарков), растворимых в смеси кислот (HCl + HNO3), составило 0,56 %. В пробе, состоящей из отдельных зерен, присутствуют конгломераты из мелких кристаллов белого электрокорунда, скрепленных керамической связкой, которые, по сути, являются агрегатированным зерном. Прослойка керамической связки очень тонкая ( 5  10 мкм). Свободные осколки стекла (остатки керамической связки) под бинокулярным микроскопом не обнаружены. Под микроскопом NU-2 в иммерсионных препаратах установлено присутствие единичных осколков стекла размером 10...30 мкм. Кристаллы корунда имеют показатель светопреломления, не отличающийся от стандартного (Ng = 1,768 ± 0,03). Результаты химического анализа представлены в табл. 2 (анализ проведен по ОСТ 2 МТ 71-6-85). Как следует из сравнения табл. 2 и 1, химический состав РЗ 25А удовлетворяет требованиям ТУ. Таблица 2 Химический состав РЗ 25А, % масс. Al2О3 СаО MgО ТiO2 Fe2О3 Na2О SiО2 Прочие посторонние примеси 97,0 Меньше 0,1 Меньше 0,1 0,05 0,18 0,27 2,20 0,01 Содержание зерна 25А в пробе составило 94,04 %, содержание керамической связки  5,96 %. Присутствие тонких железосодержащих примесей портит товарный вид продукции по цвету. Наличие агрегатированных зерен электрокорунда белого не должно служить браковочным показателем, так как по размерности эти агрегаты соответствуют марке зерна и по режущей способности не только не уступают зерну, а превышают его из-за наличия дополнительных кромок. Содержание их в общей массе пробы достигает 15...20 %. Таким образом, зерно для потребителей можно представить как «зерно электрокорунда белого + агрегатированное зерно этого электрокорунда». Иностранные фирмы («Трейбахер» и др.) рекомендуют применять подобные зерна для изготовления шлифовальных шкурок и других АП. Фазовая индивидуальность белого электрокорунда исследуемой пробы подтверждена данными рентгенографического анализа на приборе ADVANSE D8. Межплоскостные расстояния (по данным рентгеноструктурного анализа) присущи корунду, других кристаллических соединений в пробе не обнаружено. Количественный и качественный спектральный анализ пробы проводили на электронном микроскопе JEOL JSM 648 CLV системы INCA. Оборудование позволяет проводить визуальную оценку материала, определять вариации химического состава. Рентгеновское излучение генерируется в образце под воздействием пучка электронов и представляется в рентгеновском спектре, по которому программа автоматически идентифицирует элементы, определяет качественный и количественный состав образца. Прибор обладает управляемым электронным зондом с привязкой к изображению (выделяется квадратом (рис. 1)). При исследовании использовали программу построения карты распределения элементов. Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что 94 % материала РЗ представлено белым электрокорундом, химический состав которого приведен в табл. 3. Р и с. 1. Внешний вид зерна белого электрокорунда Таблица 3 Химический состав белого электрокорунда по данным микрорентгеноспектрального анализа Компонент Аl О Fе Содержание компонента, атом. % 41,39 58,61 0 Содержание компонента, масс. % 53,85 46,15 0 При пробоподготовке использовали специальный органический клей, проводили очистку от железа, напыляли платиновое проводящее покрытие. Содержание углерода в клее на пробе составляет 5,33 атом. %, или 8,97 масс. %. В составе исследуемой пробы обнаружено 6 % материала, состоящего из зерен белого электрокорунда со структурно связанными алюмосиликатными комплексами. Внешний вид зерен белого электрокорунда с такими комплексами показан на рис. 2, химический состав представлен в табл. 4. Р и с. 2. Внешний вид зерна белого электрокорунда со структурно связанными алюмосиликатными комплексами Таблица 4 Химический состав зерна белого электрокорунда со структурно связанными алюмосиликатными комплексами по данным микрорентгеноспектрального анализа Компонент О Аl Si Fe Na Mg K Содержание компонента, атом. % 54,09 26,89 14,67 0 2,39 1,00 0,96 Содержание компонента, масс. % 40,82 34,23 19,44 0 2,59 1,15 1,77 Совместное расположение рентгеновских спектров алюминия и кремния свидетельствует о том, что алюмосиликатные комплексы представляют собой рентгеноаморфную фазовую составляющую (муллитовое стекло). Сравнение материала исследуемой пробы РЗ после воздействия высокотемпературного нагрева до 1600 °С с белым электрокорундом производства ООО «Челябинский абразивный завод» показало, что материал РЗ после нагрева до 1600 °С спекается, образуя плотную структуру с низкой пористостью, что повышает механическую прочность изготовленных из данного материала изделий (на рис. 3 отчетливо видны области спекания, уплотняющие структуру АЗ). Проведенный комплекс физико-химических исследований показал, что представленная проба РЗ по данным химического, рентгенофазового, электронно-микроскопического, микрорентгеноспектрального анализов представляет собой белый электрокорунд, в состав которого входит 6 % зерен белого электрокорунда со структурно связанными алюмосиликатными комплексами. Другие кристаллические соединения в исследуемой пробе отсутствуют. Р и с. 3. Внешний вид зерен белого электрокорунда после нагрева до 1600 °С Исследованная проба РЗ из электрокорунда белого по структуре и свойствам является высокотемпературным, высокопрочным материалом, обладающим по сравнению с чистым электрокорундом известных производителей (ООО «Русал» и др.) повышенной активностью к спеканию при высоких температурах. При спекании происходит уплотнение и упрочнение материала без изменения геометрических размеров АЗ. Результаты проведенных исследований позволили предположить, что применение регенерированного зерна 25А в рецептуре для изготовления АИ не приведет к браку и значительному ухудшению их работоспособности. Однако вопросы оптимизации содержания регенерированного зерна в АИ и выявления технологической эффективности обработки заготовок такими инструментами подлежат всестороннему исследованию (методики таких исследований см., например, в монографиях [3, 4]). Для исследования влияния и определения предельно допустимого содержания РЗ на эксплуатационные свойства ШК были изготовлены круги 1-300×40×76 25А25НСМК 35 м/с из нового АЗ 25А25Н производства ООО «РУСАЛ» (табл. 5) и из четырех рецептур формовочной смеси с содержанием обеспыленного и промытого РЗ производства ЗАО НГТК «ЮУИ» от 10 до 75 % (табл. 6). Формовочную смесь (см. табл. 5) готовили в смесителе СГИ. Загружали АЗ и перемешивали в течение 0,5 мин, после чего заливали воду в смеси с жидким натриевым стеклом через загрузочное отверстие в течение 1 мин. Затем смеситель останавливали для загрузки связки с декстрином, люк закрывали и включали смеситель для дальнейшего смешивания. Через 2 мин люк выгрузки открывали и формовочную смесь просеивали через сито вибрационное с ячейкой 2 мм в свету. На следующем этапе из полученной таким образом смеси формовали полуфабрикаты ШК на керамической связке 1-300×40×76 25А25НСМ7К 35 м/с А2 по ГОСТ 2424 навеской 6060 г. После естественной сушки в условиях цеха полуфабрикаты сушили при температуре 90 °С, а затем обжигали в конвективной печи при температуре 1250 °С. Механическую обработку проводили в три этапа: в первую очередь обрабатывали торцовые плоскости алмазами на плоскошлифовальном станке, затем  посадочное отверстие. На последнем этапе обрабатывали наружную цилиндрическую поверхность полуфабрикатов. Результаты измерения геометрических параметров изготовленных кругов сведены в табл. 7. Таблица 5 Рецептура формовочной смеси для изготовления ШК 25А 25Н на керамической связке структуры Компонент Марка Содержание, г/круг Абразивное зерно 25А 25Н 5017 Связка К20 489 Стекло жидкое натриевое  229 Декстрин сухой  82 Вода  14 Таблица 6 Рецептуры формовочных смесей для изготовления ШК 25А 2511 с различным содержанием РЗ Рецепт Доля РЗ, % Доля чистого зерна, % Масса в замесе, кг РЗ чистого зерна К1 0 100 0 17 К2 10 90 17 15,3 К3 30 70 5,1 15,3 К4 50 32 8,5 8,5 К5 75 25 1275 7,25 Анализируя полученные результаты (см. табл. 7), можно сделать вывод, что с увеличением содержания РЗ в формовочной смеси от 0 до 75 % увеличивается усадка полуфабрикатов ШК как по высоте, так и в диаметральном направлении. Отмечено увеличение твердости ШК при ее измерении на приборе «ЗВУК» с 4821 м/с до 5260 м/с при изменении содержания РЗ от 0 до 75 %. Аналогичная закономерность выявлена также при измерении твердости шлифовальных кругов на приборе «ИМПУЛЬС». Кроме того, установлено, что с увеличением содержания РЗ растет с 2 до 3 мм толщина слоя, который необходимо удалить при механической обработке с наружной периферийной поверхности ШК. Показано, что введение до 10 % РЗ в формовочную смесь не влияет на геометрию и твердость ШК, тогда как существенное влияние на контролируемые параметры кругов отмечено при введении 30 % РЗ и более в формовочную смесь. При увеличении размеров круга и содержании РЗ в формовочной смеси более 30 % возникает необходимость увеличения припусков на механическую обработку ШК. Таблица 7 Геометрические параметры ШК 1-300×40×76 25А25НСМ 7К с различным содержанием РЗ белого электрокорунда (масса навески 6060 г, начальная высота полуфабриката 41,0…41,5 мм) № ШК (см. табл. 6) Содержание РЗ, % Высота круга после обжига, мм Геометрические параметры и твердость ШК После механической обработки Наружный диаметр, мм Прибор «Звук» Наружный диаметр, мм Высота, мм Прибор «Звук» Прибор «Импульс» Средняя для ШК Средняя для двух ШК Скорость звука, м/с Звуковой импульс (ЗИ) Скорость звука, м/с ЗИ Время, с Скорость звука, м/с Средняя скорость звука, м/с К1/1 0 40,75 40,73 299,5 4881 49 297,5 38,8 4886 49 7,7 5047 5051 К1/2 0 40,7 299,5 4878 297 38,8 4877 49 7,7 5087 К2/1 10 40,65 40,62 299,5 4896 49 297,5 39,2 4896 49 7,8 4996 5035 К2/3 10 40,63 299,5 4944 297,5 38,9 4942 49 7,6 5061 К3/1 30 40,4 40,36 298,5 5033 51 297 39 5021 51 7,5 5200 5136 К3/3 30 40,4 298,5 5045 297 39,4 5030 51 7,7 5090 К4/1 50 40,33 40,32 297/ 296,7 5156 51 293,5 39 5171 51 7,2 5358 5293 К4/2 50 40,38 298 5100 297,8 38,9 5095 51 7,4 5280 К5/1 75 39,65 39,78 295 5363 53 293,5 38,8 5355 53 7,2 5415 5386 К5/3 75 39,93 297 5260 294 38,9 5262 53 7,3 5357 Выводы На основании результатов выполненных комплексных физико-химических и технологических исследований установлено следующее:  РЗ электрокорунда белого 25А по структуре и свойствам является высокотемпературным материалом, обладающим по сравнению с чистым электрокорундом повышенной активностью к спеканию при высоких температурах;  при спекании полуфабрикатов ШК на керамической связке, содержащих РЗ, происходит уплотнение и упрочнение материала без изменения размеров АЗ;  применение РЗ 25А в рецептурах формовочных смесей для изготовления ШК на керамической связке не приведет к браку и значительному ухудшению их работоспособности. Однако вопросы оптимизации содержания регенерированного абразивного зерна в ТИК и технологической эффективности шлифования такими кругами подлежат дальнейшему исследованию при натурных экспериментах;  введение до 10 % РЗ электрокорунда белого в формовочную смесь не влияет на геометрические параметры и твердость ШК на керамической связке. Значимое влияние РЗ на эти показатели ШК отмечено при введении в формовочную смесь 30 и более процентов РЗ.

About the authors

Nikolay I Vetkasov

Ulyanovsk State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 32, Severny Venets st., Ulyanovsk, 432027

Leonid V Khudobin

Ulyanovsk State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 32, Severny Venets st., Ulyanovsk, 432027

Sergey M Mikliailin

Open Society «Dimitrovgradhimmash»

(Ph.D. (Techn.)), general director 256, Kyeibysheva st., Dimitrovgrad, 433511

Alla G Morozova

South-Ural State University

(Ph.D. (Chem.)), senior lahoratori 76, Lenina pr., Cheliabinsk, 454080

Sergey V Zhdanov

Open Society «Dimitrovgradhimmash»

chief of bureau 256, Kyeibysheva st., Dimitrovgrad, 433511

References

Supplementary files