Материалы абразивных инструментов

Абразивные материалы делятся на естественные и искусственные. К первым относятся кварц, наждак, корунд и алмаз, а ко вторым – электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, кубический нитрид бора и синтетические алмазы.

Кварц (П) – это материал, состоящий в основном из кристаллического кремнезема (98,5…99,5 % SiO2). Применяется для изготовления шлифовальных шкурок на бумажной и тканевой основе в виде шлифовальных зерен в свободном состоянии.

Наждак (Н) – мелкокристаллическая окись алюминия (25…60 % A_l2 O₃) темно—серого и черного цветов с примесью окиси железа и силикатов. Предназначен для изготовления наждачного полотна и брусков.

Корунд (Е и ЕСБ) – минерал, состоящий в основном из кристаллической окиси алюминия (80.95 % A_l2 O₃) и незначительного количества других минералов, в том числе химически связанных с A_l2 O₃. Зерна корунда тверды и при разрушении образуют раковистый излом с острыми гранями. Естественный корунд имеет ограниченное применение и используется главным образом в виде порошков и паст для доводочных операций (полирования).

Алмаз (А) – минерал, представляющий собой чистый углерод. Он имеет наиболее высокую твердость из всех известных в природе веществ. Из кристаллов и их осколков изготовляют однолезвийные режущие инструменты и алмазно—металлические карандаши для правки шлифовальных кругов.

Электрокорунды бывают четырех видов:

1) нормальный электрокорунд 1А, выплавляемый из бокситов, его разновидности – 12А, 13А, 14А, 15А, 16А;

2) белый, выплавляемый из глинозема, его разновидности – 22А, 23А, 24А, 25А;

3) легированные электрокорунды, выплавляемые из глинозема с различными добавками: хромистый 3А с разновидностями 32А, 33А, 34А и титанистый 3А с разновидностью 37А;

4) монокорунд А4, выплавляемый из боксита с сернистым железом и восстановителем с последующим выделением монокристаллов корунда.

Электрокорунды состоят из окиси алюминия Al ₂ O ₃ и некоторого количества примесей.

Карбид кремния – химическое соединение кремния с углеродом (SiC). Обладает большей твердостью и хрупкостью. чем электрокорунды. В зависимости от процентного содержания карбида кремния этот материал бывает зеленого (6С) и черного (5С) цветов. Первый содержит не менее 97 % кремния. Второй вид (черный) выпускают следующие разновидности: 52С, 53С, 54С и 55С. Из зерен зеленого карбида кремния изготавливают различные абразивные инструменты (например, шлифовальные круги) для обработки твердых сплавов и неметаллических материалов, а из зерен черного карбида кремния – инструменты (шлифовальные круги) для обработки изделий из чугуна, цветных металлов и для заточки режущих инструментов (резцов, сверл и т. д.).

Кубический нитрид бора (КНБ) – соединение бора, кремния и углерода. КНБ обладает твердостью и абразивной способностью, близкими к алмазу.

Синтетический алмаз (АС) имеет то же строение, что и природный. Физико—механические свойства синтетических алмазов хороших сортов аналогичны свойствам природных алмазов. Синтетические алмазы выпускают пяти марок АСО, АСР, АСК, АСВ, АСС.

Тема №55

Пластмассы -материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять заданную форму после охлаждения или отвердения. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное (твёрдое) состояние.

• пресспорошки —пластмассы с порошкообразными наполнителями;
• волокниты — пластмассы с волокнистыми наполнителями (хлопчатобумажные волокна, стекловолокна, асбестовые волокна);
• слоистые пластики —пластмассы с наполнителями в виде ткани или бумаги (текстолит, стеклотекстолит, гетинакс);
• литьевые массы — пластики, обычно состоящие только из одного компонента — смолы; эти массы классифицируют по типу смолы;
• листовые термопластмассы, - состоящие из смолы и небольшого количества пластификатора и стабилизатора (органическое стекло, винипласт).

Пластмассы состоят из смолы, наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и других добавок, улучшающих технологические и эксплуатационные свойства пластмассы.

Тема №56

Вулканизация — это физико-химический процесс взаимодействия каучука с вулканизующим веществом, в результате которого происходит изменение свойств каучука: он теряет пластичность, становится эластичным, увеличивается прочность, стойкость к действию химических веществ.

В состав которых входят следующие компоненты: каучук, вулканизующие, вещества, ускорители вулканизации, наполнители, противостарители, мягчители, регенерат и красители.

Тема №57

Стекло неорганическое - твердый аморфный материал, получающийся в результате переохлаждения жидкости (напр., расплава неорг. оксидов, водного р-ра солей, жидкого металлич. сплава).

Оргстекло синтетический полимер метилметакрилата, термопластичный прозрачный пластик

Ситаллы — стеклокристаллические материалы, полученные объёмной кристаллизацией стекол, и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределённых в стекловидной фазе.

Металлические стёкла — класс металлических твердых тел с аморфной структурой, характеризующейся отсутствием дальнего порядка и наличием ближнего порядка в расположении атомов. В отличие от металлов с кристаллической структурой, аморфные металлы характеризуются фазовой однородностью, их атомная структура аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов.

Тема №58

Способность некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических фазах, отличающихся друг от друга по симметрии структуры и по свойствам, называется полиморфизмом. Каждая из таких фаз - полиморфная модификация - стабильна в определенной области температур и давлений, за пределами которых наблюдается фазовый переход - процесс превращения одной модификации в другую. Скорость протекания фазового перехода определяется целым рядом факторов: температурой, давлением и т. д.

Наибольшее число полиморфных модификаций образуют из простых веществ − углерод, из сложных − оксид кремния

Некоторые полиморфные модификации углерода [83].

Алмаз (рис. 1.23) имеет неплотно упакованную структуру, где каждый атом углерода окружен четырьмя такими же атомами, располагающимися по вершинам тетраэдра, поэтому координационное число . Атомы углерода занимают все узлы ГЦК-ячейки, а также центры половины октантов, на которые можно разбить куб, причем заполненные и незаполненные октанты чередуются в шахматном порядке: рядом с заполненным октантом − незаполненный, под незаполненным − заполненный. В структурном типе алмаза тенденция атомов углерода образовывать направленные связи столь высока, что алмазная структура оказывается более энергетически выгодной, нежели плотно упакованная.

 

Рис. 1.23. Структура алмаза (кружками обозначены атомы углерода)

 

Графит (рис. 1.24) существует в двух модификациях − гексагональной и ромбоэдрической. Гексагональная модификация термодинамически устойчива при температурах ниже . Структура графита слоистая, причем каждый их чередующихся слоев построен по одному и тому же закону из гексагональных ячеек. Каждый слой смещен по отношению к двум другим соседним слоям на половину большой диагонали гексагона. Поэтому структура двухслойная с чередованием слоев АВАВАВ… В элементарной ячейке содержится 4 атома. Кратчайшее межатомное расстояние в слое 1,42 Å и на этом расстоянии каждый атом углерода соседствует с тремя другими. Кратчайшее расстояние между слоями 3,347 Å и у некоторых атомов на этом расстоянии находится 2 соседа, а у других имеется 12 соседей на расстоянии 4,151 Å. Структура графита является примеров слоистой структуры: периоды решетки по оси с и по осям, лежащим в плоскости слоев, различаются очень сильно. Внутри слоя действуют прочные ковалентные связи, между слоями − слабые ван-дер-ваальсовы связи. В кристаллах со слоистой структурой очень сильно различие физических свойств вдоль и поперек плоскостей слоев. Так, в графите электропроводность вдоль слоев в 10⁵ раз больше, чем в поперечном направлении. Вследствие слоистости структуры кристаллы графита легко деформируются смещением одного слоя относительно другого, что позволяет применять графит в качестве смазки, грифелей карандашей и др.

Рис. 1.24. Кристаллическая решетка графита [52]

 

Способность атомов углерода образовывать структуры в виде сеток ярко проявляется в таких интересных объектах, как фуллерены. Как уже было сказано выше, фуллерены представляют собой семейство шарообразных молекул, содержащих различное число атомов углерода. Их поверхность состоит из соприкасающихся шестиугольников (гексаэдров) и пятиугольников (пентагонов), в вершинах которых располагаются атомы углерода (1.25, а).

Наиболее изучены структура, свойства и технология получения фуллерена , который состоит из 20 гексаэдров и 12 пентагонов [28, 98]. Атомы углерода в вершинах многоугольников соединены ковалентными связями, причем каждый атом в молекуле связан с тремя соседними атомами одной короткой (1,39 Å) и двумя длинными (1,493 Å) связями.

Центр молекулы фуллерена представляет собой свободную сферу (пору), в которой могут размещаться атомы других элементов. Они играют роль легирующих примесей. В фуллеренах больших размеров могут размещаться, в частности, даже молекулы других фуллеренов меньших размеров. Кроме того, атомы примесей могут замещать атомы углерода на поверхности молекул.

 

Рис. 1.25. Кристаллческие модификации углерода: а − молекулы фуллерена ; б − однослойная нанотрубка [52]

 

Практический интерес представляют фуллерены в кристаллическом состоянии, которые представляют собой еще одну полиморфную модификацию углерода. В этом случае они носят название фуллериты. Например, фуллерит при температуре 300 К обладает гранецентрированной кубической решеткой, в узлах которой размещены молекулы фуллерена. Между этими молекулами в решетке действуют слабые ван-дер-ваальсовы связи. С понижением температуры до 255 К происходит превращение ГЦК решетки в простую кубическую. Фуллерит проявляет полупроводниковые свойства, причем атомы примеси могут играть в нем роль доноров или акцепторов.

Важнейшее значение в настоящее время приобретают наноразмерные углеродные трубки (сокращенно − нанотрубки). По механизму своего образования они близки к фуллеренам. В простейшем случае нанотрубку можно представить как свернутый в цилиндр лист графита толщиной в один атомный слой (рис. 1.25, б). В отличие от фуллерена, атомы углерода в нанотрубке расположены только в виде соприкасающихся шестиугольников. На концах нанотрубок образуются «шапочки» конической или сферической формы. Нанотрубки могут быть как однослойными, так и многослойными, иметь различный диаметр и отличаться размещением шестиугольников по длине трубки. Многослойные трубки обычно имеют внешний диаметр 40−50 Å и состоят из вставленных одна в другую трубок все меньшего диаметра.

Области эффективного применения фуллеритов и нанотрубок находятся сейчас в стадии активного изучения. Имеются прогнозы, по которым эти материалы будут иметь большое значение в области электроники, машино- и приборостроения, медицины и в других областях. Особое значение здесь может иметь использование фуллеренов для повышения быстродействия электронных приборов, предназначенных для работы в условиях высоких температур, а также для существенного повышения теплопроводности, которое необходимо для дальнейшей миниатюризации элементов интегральных схем. Широкое использование в медицине связано с хорошей совместимостью фуллеренов с тканями человеческого организма. Нанотрубки обладают хорошими механическими свойствами и перспективны для создания материалов, обладающих высокой прочностью.

Нитрид бора (белый графит) с гексагональной структурой графита используется в качестве диэлектрика и как огнестойкая смазка. При высоком давлении и температуре 136О°С нитрид бора превращается в эльбор (кубическая модификация р — BN) с плотностью 3,45 г/см3, обладающий высо-

кой твердостью и выдерживающий нагревание до 2000°С. Эльбор является

заменителем алмаза.

Тема №59

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью.

Композиционными называют искусственные материалы, получаемые сочетанием химически разнородных компонентов. Одним из компонентов является матрица (для полимеров - связующее), другим - упрочнители.

Родоначальником композиционных материалов являются армированные стеклопластики. Их физическая природа, схемы армирования и расчетные особенности переносятся на композиционные полимерные материалы.

В качестве матриц используют полимерные, углеродные, керамические

и металлические материалы.

В качестве упрочнителей применяют волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (окислов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Углеродные волокна на воздухе могут работать до температуры 450°С, в нейтральной и восстановительной среде они сохраняют прочность до 2200°С. Борные и керамические волокна обладают вы-

сокой твердостью и мало разупрочняются с повышением температуры.

Органические волокна могут работать до температуры 200 — 300°С.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие упрочняющие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60—80% об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) — 20 — 30% об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного ма-

териала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

Повышение адгезии матрицы к волокнам достигается поверхностной обработкой последних. С этой целью применяют вискеризацию – введение нитевидных кристаллов в межволоконное пространство. Вискеризация осуществляется путем осаждения нитевидных кристаллов на поверхность во-

локон (≪мохнатые≫ волокна с выращенными на них перпендикулярно длине монокристаллами — ≪усами≫). Этим достигается повышение прочности.

материала при сдвиге в 1,5 — 2 раза, модуля упругости при сдвиге и проч-

ности при сжатии на 40 - 50%. По характеру матрицы композиционные ма-

териалы подразделяют на полимерные, углеродные и металлические. ГО

упрочнителю их можно классифицировать на карбоволокниты (угле-

пласты), содержащие з качестве упрочняющего материала углеродные во-

локна; бороволокниты с упрочнителями в виде борных волокон; органово-

локииты с синтетическими волокнами; металлы, армированные волокнами.__