Полые корундовые микросферы в абразивном инструменте

В абразивном инструменте важным параметром является наличие поры (пустого пространства между соседними

абразивными частицами) заданного размера. Благодаря заданному размеру поры, формируется структура абразивного

инструмента и его режущие свойства. Формирование открытой пористости в абразивном инструменте можно получить

несколькими способами – все открытые поры в абразивах создаются за счет взаимного расположения частиц зерен

абразива относительно друг друга и за счет выгорающих добавок – дробленых фруктовых косточек (скорлупа абрикоса,

грецкого ореха и т.д.), нафталина и подобных материалов. Закрытые поры формируются за счет невыгорающих

добавок – стеклянных и алюмосиликатных микросфер.

Использование полых корундовых микросфер (англ. Hollow Corundum Microspheres, далее – HCM) заданного размера в абразивном инструменте позволяет решить сразу несколько задач:

снизить усилие прессования при формовке состава, содержащего корундовые микросферы;
снизить объемную деформацию изделия после обжига в 2-3 раза (по сравнению с традиционными материалами);
снизить время перемешивания керамических компонентов в смесительных машинах за счет сферической формы микросфер;
корундовые полые микросферы не выгорают при обжиге и не загрязняют окружающую среду (по сравнению с нафталином или стеарином);
при обжиге за счет высокой химической чистоты, полые корундовые микросферы не вступают в химическую реакцию с керамической связкой и не разрушаются;
низкая теплопроводность корундовых микросфер снижает риск образования прижогов;
обеспечить заданные свойства шлифовального круга по степени твердости (по сравнению с алюмосиликатной и стеклянной микросферой);
сократить время шлифования детали в 1,3 раза за счет эффекта самозатачивания (по сравнению со стеклянной микросферой);
снизить расход абразива на деталь в 1,25 раза за счет снижения засаленности и соответственно меньшего перетачивания абразивного инструмента;
снижение дефектов (прижегов) при шлифовании за счет лучшего охлаждения и снижения засаливаемости поверхности абразивного инструмента.

Рассмотрим более подробно основные эффекты при использования полой корундовой микросферы.

Механическая прочность и сферичность HCM

Сферическая форма и относительно высокая прочность корундовой микросферы (40-120 МПа) обеспечивает прекрасную

текучесть сырой керамической массы при виброформовке, а при формовке в гидравлическом прессе снижается усилие

прессования в 1,5-2 раза. Снижение усилия прессования связано с уменьшением внутреннего трения компонентов

керамической массы при их перераспределении и уплотнении в пресс-форме. Снижение энергоемкости данной операции

позволяет сэкономить достаточно большое количество электроэнергии на стадии производства абразивного инструмента.

Объемная деформация и коэффициент температурного расширения НСМ

При обжиге абразивного инструмента с добавлением НСМ в 2-3 раза снижается объемная деформация. Это происходит

за счет низкого коэффициента температурного расширения корундовой микросферы при нагреве и охлаждении. Снижение

объемной деформации конечного абразивного изделия позволяет снизить количество сырой керамической массы, которая берется с определенным запасом для

последующей механической обработки обожженного абразивного инструмента до требуемого по чертежу размера. Количество сэкономленной сырой массы при

массовом производстве абразивного инструмента составляет десятки тонн в год.

Эффект самозатачивания НСМ

Полая корундовая микросфера имеет внутреннюю закрытую полость определенного размера, размер полости зависит от

размера микросферы и толщины стенки. При добавлении в керамическую массу НСМ размещается между острыми

ограненными частицами абразива и создает пору вокруг себя самой. Прочность частицы абразивного зерна (плавленый

электрокорунд, карбид кремния) намного выше, чем прочность микросферы НСМ, поэтому режет металл в основном зерно

абразива, а вскрывшаяся микросфера "мягко" подрезает образовавшиеся мелкие заусенцы и разрушается, образуя новые

острые кромки. Таким образом вскрывшаяся микросфера самозатачивается, за счет такого эффекта получается, что

поверхность обрабатываемой детали имеет:

Размер и химическая инертность микросферы НСМ

За счет того, что НСМ изготовлены из оксида алюминия, соответственно они однородны по химическому составу основным зернам абразива (как правило, это

плавленый оксид алюминия) и инертны химически агрессивным добавкам (связке) в абразивном инструменте, в отличие от других наполнителей – стеклянной

или алюмосиликатной микросфере, которые растворяются в химически активной связке и тем самым повышают твердость абразивного инструмента.

Развитая поверхность полых корундовых микросфер, а также возможность смешивания микросфер различного диаметра (5-125 микрон) и зерен стандартных

абразивных материалов (электрокорунд, карбид кремния SiC или кубический нитрид бора (CBN)) позволяет получить уникальные свойства для производства

высокопористого абразивного инструмента.

Сочетание зерна F180, например, хромистого электрокорунда и полых корундовых микросфер в объёмном соотношении 70/30% или зерна хромистого

электрокорунда F80 и полых корундовых микросфер в объёмном соотношении 85/15% позволяет получить заданную пористость и высокие механические

свойства в высокопористых шлифовальных кругах.


Распределение частиц хромистого электрокорунда и полых корундовых микросфер: слева – электрокорунд F80 (85%) микросферы HCM-180 (15%), справа – электрокорунд F180 (70%) микросферы HCM-180 (30%).

Высокая температура обжига и экологическая чистота использования НСМ

При высокотемпературной обработке абразивного инструмента с добавкой НСМ – обжиге и

спекании – в окружающую среду не выделяется вредные вещества, а микросфера не

разрушается из-за своей сферической формы и высокой температуры размягчения –

1600-1800 °С.