Что такое абразивный. Виды абразивных материалов

Традиция использовать абразивы уходит корнями в далекое прошлое. Индейцы майя, еще в девятом веке до нашей эры, для того, чтобы украсить зубы драгоценными вставками, просверливали в них отверстия, вращая полую трубочку с нанесенным на нее мелко истолченным в воде кварцем. Это одно из первых документальных свидетельств применения абразивных технологий. Сегодня же область использования абразивов и вовсе необъятна: от каждодневной чистки зубов до высокого искусства балета, воздушные балерины – и те не могут обойтись без абразивов, пуанты необходимо шлифовать.

Виды абразивных материалов

Абразивные материалы делятся по твердости (сверхтвердые, твердые, мягкие), химическому составу и величине шлифзерна (крупные или грубые, средние, тонкие, особо тонкие), величина зерна измеряется в микрометрах (мк) и мешах(mesh), величине более распространенной в мире.

Абразивы – это твердые мелкие частицы, используемые в свободном или связанном виде для механической обработки изделий. Принцип их действия заключается в удалении материала обрабатываемой поверхности острыми выступами абразива. При этом от абразивных частиц, имеющих, как правило, кристаллическую структуру, откалываются микроскопические крупицы, образуя новые рабочие кромки. Основные характеристики абразивных материалов – микротвердость, механическая прочность, хрупкость и размер зерна.

Материалом для изготовления абразивов могут быть как продукты природного происхождения, так и искусственно созданные. Искусственные применяются шире, отчасти из-за химического состава и физико-механических свойств. Из большого списка искусственных абразивов широкое распространение получили синтетический алмаз, карбиды бора и кремния, кубический нитрид бора (торговая марка – эльбор), электрокорундовые материалы.

Особое значение имеют сверхтвердые абразивные материалы, к которым относятся алмаз и кубический нитрид бора. Инструменты из алмаза эффективны при обработке хрупких и высокотвердых материалов, при чистовом шлифовании, заточке и доводке твердосплавных режущих инструментов, хонинговании. Однако для алмазного инструмента есть ограничение: при обработке сталей происходит диффузионный износ шлифовального зерна, так как углерод из алмаза отбирается сталью. Поэтому стали обрабатываются инертным для них эльбором. В свою очередь, эльбор вступает в химическую реакцию с твердыми сплавами, – здесь необходимы алмазные абразивы.

Производство абразивных материалов

В настоящее время абразивные материалы добываются и производятся синтетически, причем новые синтетические материалы, как правило, более эффективны, чем природные.

Абразивные материалы бывают двух видов по происхождению:

Природные абразивные материалы

Алмаз: Алмазоподобная кубическая аллотропическая форма элементарного углерода, добывается в коренных (кимберлитовые трубки) и россыпных месторождениях.
Корунд: Кристаллический оксид алюминия, то же и сапфир, добывается в россыпях и иногда в рудах.
Гранат: Природный минерал:
Наждак: Природный минерал, состоит из: корунда и магнетита - черного магнитного оксида железа Fe3O4
Кварц: Кристаллическая двуокись кремния, один из наиболее дешевых и доступных абразивных материалов.
Мел: Карбонат кальция, для тонких видов абразивной обработки(притирка, полирование).

Синтетические абразивные материалы

Искусственный алмаз: Синтез при высоком давлении, обработка твердых сплавов, камня, стекла, цветных металлов.
Нитрид бора (боразон): Синтез при высоком давлении, обработка твердых сплавов, камня, черных металлов.
Сплав бор-углерод-кремний: Сплавление бора с углеродом и кремнием в дуговой печи, обработка черных, и цветных металлов, камня, стекла и др.
Карбид бора: обработка твердых сплавов, стекла, черных металлов.
Карбид кремния: обработка твердых сплавов, цветных металлов и титана.
Нитрид кремния:
Нитрид алюминия: обработка металлов.
Электрокорунд: обработка черных металлов, изредка камня и стекла.
Оксид циркония(фианит): обработка черных и цветных металлов.
Двуокись церия: обработка стекла (полирит).
Двуокись олова: обработка стекла, полирование металлов.
Окись хрома: полирование черных и цветных металлов.
Двуокись титана: полирование цветных металлов.

Новые перспективные абразивные материалы:

Нитрид углерода
Сплав карбид титана-карбид скандия

Применение абразивных материалов и виды абразивной обработки

Абразивные материалы с успехом применяются в следующих видах абразивной обработки:

Шлифование круглое: обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий
Шлифование плоское: обработка плоскостей и сопряженных плоских поверхностей
Шлифование безцентровое кругами: обработка в крупносерийном производстве наружных и внутренних поверхностей (валы, обоймы подшипников и др)
Шлифование безцентровое лентой: наружные поверхности, в том числе сложные профили
Шлифование лентой сложных профилей: например шлифование лопаток турбин
Отрезание и разрезание заготовок: заготовительное и монтажное производство, демонтаж конструкций
Притирка: абразивное притирание поверхностей (например седло и игла дизельной форсунки)
Гидроабразивная обработка: струйная и галтование (отливки, паковки, метизы и др)
Пескоструйная обработка: сглаживание поверхностей и очистка отливок и поковок
Ультразвуковая обработка: пробивка отверстий в твердых сплавах, извлечение сломанного инструмента, штампы
Хонингование: обработка отверстий большого диаметра (цилиндры двигателей, насосов и др)
Полирование: окончательное придание зеркального блеска изделиям (чистота поверхности высокая)
Суперфиниширование: окончательное придание наружным, внутренним и сложным профилям высочайшей точности и чистоты поверхности, в том числе алмазное суперфиниширование (точные механизмы, инструмент, детали особо точных приборов, инструментов, оружия и т.д).

Абразивные инструменты принято делить на три вида : гибкие, жесткие и инструменты в виде свободных абразивов и паст.

Свободный (несвязанный) абразив и пасты вызывают меньше всего вопросов. Если вы в походе вышли к водоему, чтобы почистить песком закопченный котелок – вы воспользовались свободным абразивом. Пастами называются смеси абразивных материалов с неабразивными различной густоты, от твердых брикетов до абсолютно жидких. В качестве связки в пастах используются жиры и масла, главным образом, олеин, стеарин и вазелин. Характеристики паст следующие: используемый абразивный материал, зернистость, рецептура неабразивных материалов, концентрация, консистенция. И пасты, и свободный абразив используются для операций доводки.

Гибкие инструменты. К ним относятся шлифовальные шкурки, ленты, лепестковые круги, сетчатые и фибровые диски, щетки из абразивонаполненных волокон.

Шлифовальная шкурка (или наждачная бумага), представляет собой измельченный абразивный материал, нанесенный на основу из бумаги, ткани или синтетического материала. В зависимости от клеящего элемента, они могут быть водостойкими или нет. Из шкурки можно вырезать ленты различной длины и ширины. При склейке концов получается «бесконечная лента». Также из шкурки вырезаются лепестковые круги, хорошо обрабатывающие детали со сложным профилем.

Сетчатые диски получаются путем нанесения абразивного материала на сетчатую основу и используются для полирования и зачистки поверхностей. Жесткие сетчатые диски, изготовленные на основе стекловолокна и лавсана, пригодны для разрезки небольших деталей из дорогостоящих материалов.

Если нанести абразивный материал на фибровую основу (целлюлоза, пропитанная хлористым цинком), то получится фибровый диск для зачистки и полирования. Для подготовки поверхности к нанесению грунта и краски, например, для кузовных работ, такой диск незаменим.

И, наконец, существуют щетки различной формы с металлической или синтетической «щетиной» . Щетки применяются для удаления заусенцев, очистки поверхности от окалины, ржавчины, лака и краски, обработки сварных швов, а также для отделки поверхности: матирование, сатинирование, шлифование. Рабочий материал щеток варьируется от стальной и латунной проволоки до пластмассы с карбидом кремния. По структуре проволока может быть плетеной, не плетеной и гофрированной.

Жесткие инструменты

Инструменты фиксированной формы – это круги всех типов, кольца, сегменты, шлифовальные головки, бруски. Помимо абразивного материала определенной зернистости в состав этого вида инструмента входят органическая или керамическая связка и упрочняющие элементы. Инструменты на основе органической связки имеют тепловые ограничения, что требует осторожного использования охлаждающих жидкостей, и подвержены воздействию щелочей. Но эластичность органики делает незаменимым такой инструмент для операций по снятию больших припусков, например, при обдирке.

Плюсы керамической связки – высокая огнеупорность, химическая и водостойкость. К их недостаткам относится хрупкость и, как следствие, непригодность для работ с высокой ударной нагрузкой. При этом керамическая связка хорошо «держит» форму, что важно при высокоточном шлифовании, имеет высокую износостойкость и выдерживает высокие температуры.

К жестким абразивным инструментам относятся также и многочисленные напильники, рашпили и надфили.

Шлифовка

Шлифовальные операции делят на предварительное и чистовое шлифование.

Примером первого этапа может служить обдирка, то есть удаление больших припусков, которая производится крупнозернистыми обдирочными кругами на органической связке. Обдирка позволяет, например, зачищать дефекты отливок.

При чистовом шлифовании снимается основной припуск, придается форма и достигаются конечные размеры детали. Добиваются этого при помощи различных шлифовальных кругов, подобранных в соответствии с обрабатываемой поверхностью.

Специальные операции

Хонингование – отделочная (чистовая) обработка внутренних цилиндрических поверхностей абразивными мелкозернистыми брусками, закрепленными в специальных «держателях» брусков – «хонах». Это финишная операция, дающая высокую точность обработки: величина припусков при хонинговании не превышает 0,1 – 0,2 мм. Бруски чаще всего изготовляются из электрокорунда и карбида кремния зеленого. Качество автомобильных цилиндров зависит именно от этой операции, потому что малейшая шероховатость немедленно скажется на здоровье “железного коня”.

Суперфиниширование также характеризуется очень малым съемом материала, позволяет полностью избавиться от волнистости поверхности, удалить дефектный слой металла, возникающий при предшествующих операциях. После суперфиниша образуется поверхностный слой без структурных изменений, что крайне важно для деталей, работающих в условиях трения. Бруски для суперфиниширования изготавливаются из тех же материалов, что и инструмент для хонингования. Детали из бронзы, латуни и других цветных металлов обрабатывают в два приема, меняя мягкие бруски на более твердые. Использование инструмента из эльбора на керамической связке придает процессу обработки стабильность.

Галтовка – процесс очистки поверхности небольших заготовок и деталей от заусенцев, окалины, формовочной земли, коррозии и для полирования. Этим способом можно обрабатывать одновременно большое количество деталей, причем они могут быть разных размеров и форм. Во вращающихся барабанах детали избавляются от всевозможных дефектов, перечисленных выше. Перфорированные барабаны, помещенные в водные растворы, используются для полирования. В качестве абразивов применяется бой шлифовальных кругов или специально сделанные из различных материалов галтовочные тела (конусы, призмы, цилиндры).

Более аккуратная обработка получается в вибрационных камерах с абразивные наполнителями. В отличие от барабанов, тонкостенные и хрупкие детали обрабатываются здесь без повреждений. Вибрационное шлифование обеспечивает обработку закрытых и внутренних поверхностей.

Прорезка. Отрезка. Заточка

Прорезка и отрезка отрезными кругами экономична и дает нужный срез, часто не требующий дополнительной обработки. Отрезать кусок металла абразивным кругом, вращающимся на большой скорости, наиболее простой способ.

Заточка и доводка режущих инструментов предпочтительнее на кругах с бакелитовой связкой как более прочных, в две операции. Круги из эльбора делают наиболее качественную заточку, так как обладают высокой режущей способностью, равномерным износом и отсутствием прожогов.

Полирование

Операцию можно разделить на два этапа – предварительное и зеркальное полирование. Один из способов полирования – использование войлочных и матерчатых кругов и головок в сочетании со шлифовальными пастами. Выбор зернистости пасты зависит от требуемого качества. Для достижения максимального блеска необходимо последовательно менять пасты различной зернистости, начиная с более грубой, в процессе работы не забывая менять и сами полирующие круги.

Детали сложной формы обрабатываются жидкостным полированием, когда жидкость под определенным давлением и углом распыляется по поверхности изделия. В зависимости от обрабатываемого материала здесь применяются зерно, порошки или микропорошки из электрокорунда, карбида кремния или гранулированного кварцевого песка. В результате получается матовая поверхность без следов обработки, прожогов и микротрещин, кроме того, процесс повышает износостойкость материала.

И зачистки различных поверхностей обычно используют специальные материалы, которые называются абразивами. Это могут быть приспособления разной конструкции и формы, но их объединяет шероховатое покрытие или же полностью зернистая структура. К примеру, и напильник - классические абразивы. Это также могут быть и механические устройства, реализующие функцию обработки поверхностей в автоматическом режиме без мышечного усилия.

Абразивные материалы

В природе можно встретить немало естественных абразивов, которые отличаются зернистой или пористой структурой. К таким можно отнести минералы, среди которых гранат, кварц, некоторые разновидности железняка, пемза и т. д. Некоторые из названных пород используются цельными на производствах, а другие применяются в переработанном виде. К примеру, стойкие в износе и трении порошки - те же абразивы. Это в большинстве случаев измельченные горные породы или металлические частицы, которые могут по-разному применяться в доработке изделий. Но здесь стоит перейти и к другой группе абразивных материалов - синтетической. В нее входит минеральный шлак, стальная дробь и др. С помощью таких материалов можно выполнять наиболее сложные задачи полировки и зачистки.

Абразивные инструменты

В отличие от абразивных материалов, инструменты представляют собой готовое к выполнению шлифовальных операций приспособление. Наиболее распространенным изделием такого типа являются насадки для шлифовальных и отрезных аппаратов. К таким относят пилы, болгарки, всевозможные резчики и в качестве рабочей головки которых используется абразив. Круги, пожалуй, являются самым эффективным обрабатывающим компонентом. Причем их эффективность обуславливается конструкционно наиболее выгодным размещением в составе электроинструмента.

Также популярны в производствах используемые на станках. С их помощью реализуется поточная обработка типовых изделий - зачастую прямо на конвейере. Теперь стоит рассмотреть бытовые абразивы. Это может быть и тот же напильник с или же абразивный камень в форме бруска, которым затачиваются лезвия режущего инструмента.

Свойства абразивов

Качественный абразив характеризуется такими показателями, как износостойкость, твердость, отсутствие взаимодействий с химическими веществами и т. д. При этом твердость и стойкость к износу не всегда свидетельствуют о том, что абразив способен быстро ликвидировать ненужные слои с поверхности. Инструмент может быть прочным и устойчивым к повреждениям, что обуславливается высокой плотностью и содержанием в структуре мелкофракционного зерна. Но слишком твердые шлифовальные абразивы, как правило, дольше обрабатывают целевые заготовки. И, напротив, крупное зерно способствует ускоренному выполнению той же шлифовки, но у него есть два недостатка. Во-первых, крупная фракция подразумевает быстрый износ. Во-вторых, с помощью такого абразива можно рассчитывать только на грубую обработку, исключающую полировочный эффект.

Виды абразивной обработки

Простейшие техники обработки абразивами подразумевают использование немеханизированных ручных материалов. В основном это бруски из горных пород, которые применяются в доработке податливых поверхностей - например, древесины. Более технологичные способы предусматривают работу с ручными электрическими аппаратами. Это небольшие шлифовальные и полировочные машинки, допускающие использование различных по характеристикам насадок. В профессиональных сферах также применяется абразив для пескоструя, который подается через специальное сопло. типа работает за счет подачи воздуха под большим давлением. В процессе выполнения операций струя, нагнетаемая компрессором, буквально выдувает на высокой скорости частицы абразива, воздействуя на целевую поверхность. Несущие потоки могут также формироваться и за счет воды, но для ее хранения потребуются дополнительные емкости.

Области применения абразивов

Все абразивы рассчитываются на выполнение, по большому счету, одинаковых задач. Они заключаются в снятии определенного слоя материала с той или иной поверхности. Другое дело, что сама ликвидация ненужного покрытия может преследовать разные цели - придание нужной формы изделию, устранение неровностей, зачистка и т. д. Данные операции могут применяться и в быту, и в мастерских разного рода, а также в строительстве и на производствах. Так, в бытовом хозяйстве нередко требуется регулярное шлифование деревянных напольных покрытий. Для паркета и некоторых видов ламината используется полировочный абразив. Материал в виде песчаных и металлических частиц используют в качестве расходника для пескоструя. Данный высокоэффективный метод нашел применение в работе автомастерских. Например, пневматические аппараты используют для зачистки старых лакокрасочных покрытий. Мощные агрегаты, работающие от компрессоров, с помощью распыления металлической крошки способны удалять застоявшиеся следы коррозийного поражения и даже окалину.

Заключение

Сегодня практически не существует альтернативных по отношению к абразивам способов шлифования и зачистки поверхностей. Можно упомянуть разве что высокоточные способы резки, но их функцию можно заменить грубой обработкой тем же пескоструем. С точки зрения производственных процессов на многих крупных предприятиях абразивы - это и вовсе незаменимый технологический этап, позволяющий придавать изделиям необходимые параметры. И если в строительстве мастера могут иметь дело с трудоемкими, но грубыми по своему характеру способами зачистки и шлифования, то в промышленности реализуются операции точного формования. Причем они выполняются с твердотельными каменными и металлическими структурами, что требует применения уже специальных абразивных машин и станков.

Абразивные материалы , абразивы (лат. abrasio - соскабливание), - дробленые мелкозернистые или порошкообразные вещества высокой твёрдости. Абразивные материалы применяются в основном для обработки (шлифования, полирования, доводки, правки) поверхности металлов, минералов, стекла, горных пород, драгоценных камней, дерева, кожи, резины и других материалов. Обработка материалов заключается в одновременном резании очень большим числом случайно расположенных режущих граней зёрен. Абразивные материалы используются главным образом в виде абразивного инструмента, а также порошков, шкурок, или абразивных жидкостных либо воздушных струй, несущих абразивную пыль (см. ).

Абразивные материалы

Абразивные материалы делятся на естественные (алмаз, корунд, наждак, гранат, кварц, кремень, полевой шпат, пемза, трепел и др.) и искусственные (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора и др.).

Основные характеристики (показатели свойств) абразивных материалов: твёрдость, форма абразивного зерна, абразивная способность и зернистость.

1) Твёрдость определяется по десятибалльной шкале твёрдости (шкале Мооса), основанной на том, что вещество с большей твёрдостью оставляет при царапании черту на поверхности вещества с меньшей твёрдостью. В шкале твёрдости в качестве эталонов приняты твёрдости 10 минералов: талька - 1, гипса - 2, кальция - 3, фезоорита - 4, апатита - 5, ортоклаза - 6, кварца - 7, топаза - 8, корунда - 9, алмаза - 10.

2) Форма абразивного зерна, представляющего собой кристаллический осколок, бывает различной. Наилучшая, наиболее прочная форма зерна - изометрическая, когда зерно имеет приблизительно равные размеры по высоте, ширине и толщине; встречаются также мечевидные и пластинчатые зерна.

3) Абразивная способность определяется количеством снимаемого материала до момента затупления зерна.

4) Зернистость характеризует величину и однородность размера зёрен. Чем однороднее по форме и величине зёрен абразивные материалы, тем выше его эксплуатационные качества.

Зернистость определяется методами ситового, гидравлического и микроскопического анализа.

В зависимости от зернистости абразивные материалы по ГОСТ 3238-46, 3647-47, 3648-47 разделялись на группы:

1) шлифзерно - зернистость №№ 3, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 24, 30, 36, 40, 46, 54, 60, 70, 80, 90;

2) шлифпорошки - зернистость №№ 100, 120, 150, 180, 220, 240, 280, 320;

3) микропорошки - зернистость №№ М28, М20, М14, М10, М7, М5. Номера зернистости шлифзерна и шлифпорошков приближенно указывают число ячеек в погонном дюйме сита, через которое абразивные материалы просеивается без остатка. Для каждого номера установлены пределы допустимого содержания ближайших смежных размеров зерна и норма содержания мелкой и предельной фракции. Зернистость микропорошков обозначается буквой М с добавлением цифр, указывающих размер зерна в мк. Определение зернистости микропорошков устанавливают гидравлическим анализом по скорости падения (оседания) их в воде. Контроль времени падения зёрен отдельных размеров ведется в минутах; отсюда прежнее название микропорошков - минутники.

Абразивные зёрна и порошки контролируются также по содержанию магнитной фракции (количеству железистых включений), химическому и минеральному составу.

В СССР имелись богатые запасы естественных абразивных материалов, а также вырабатывались все виды искусственных абразивных материалов. В промышленности использовались главным образом следующие естественные абразивные материалы.

Основными характеристиками абразивного материала являются форма абразивных зерен, их крупность, твердость и механическая прочность, абразивная способность, минеральный и гранулометрический составы. Форма абразивных зерен определяется природой абразивного материала, характеризуется их длиной, высотой и шириной. Абразивные зерна можно свести к следующим видам: изометричные, пластинчатые, мечевидные. Для отделочных работ предпочтение отдается изометричной форме зерен.

Абразивные зерна характеризуются состоянием поверхности (гладкая, шероховатая), кромок и выступов (острые, закругленные, прямолинейные, зазубренные и др.). Зерно с острыми углами значительно легче проникает в обрабатываемый материал. Зерна — сростки, неплотные по структуре, выдерживают меньшие усилия резания и быстрее разрушаются.

Для определения твердости установлены шкалы, в которых определенные материалы расположены в порядке возрастающей твердости, где любое последующее тверже предыдущего и может его царапать (таблица).

Сравнительные данные о твердости по различным шкалам

Из всех видов абразивных материалов алмаз и кубический нитрид бора обладают наибольшей твердостью. Ниже приведена средняя микротвердость алмаза, кубического нитрида бора, а также инструментальных и конструкционных материалов (в МН/м2 при 20° С): алмаз — 98 000; кубический нитрид бора — 91 000; карбид бора — 39 000; карбид кремния — 29 000; электрокорунд — 19 800; твердый сплав ВК8-17500; сплав ЦМ332 — 12 000; сталь Р18-4 900; сталь ХВГ — 4500; сталь 50-1960.

С повышением температуры твердость материалов снижается. Так например, при нагреве электрокорунда от 20 до 1000 °С его микротвердость снижается от 19 800 до 5880 МН/м2

В качестве абразивов используют минералы естественного и искусственного происхождения: алмазы; кубический нитрид бора, встречающийся под названиями эльбор, кубаиит, боразон, карбид бора и карбид кремния; электрокорунды белый, нормальный и легированный хромом и титаном и др. Условно относятся к этой группе «мягкие» абразивные материалы: крокус, окись хрома, диатомит, трепел, венская известь, тальк и др. В производственной практике гидрополирования в качестве абразива используют вибротела — отходы кирпича, стекольной и керамической промышленности, косточки плодовых фруктов.

Естественный алмаз — минерал, состоящий из одного химического элемента — углерода. Встречается в виде небольших кристаллов различной формы от 0,005 до нескольких карат (карат равен 0,2 г). Алмазы бывают бесцветные или окрашенные в различные тона: желтые, темно-зеленые, серые, черные, фиолетовые, красные, голубые и др. Алмаз является наиболее твердым минералом.

Высокая твердость обеспечивает алмазному зерну весьма высокие режущие свойства, способность разрушать поверхностные слои твердых металлов и неметаллов. Прочность алмаза на изгиб невысокая. Одним из существенных недостатков алмаза является сравнительно низкая температурная устойчивость. Это значит, что при высоких температурах алмаз превращается в графит, такое превращение начинается в обычных условиях при температуре близкой к 800 °С.

Искусственный (синтетический) алмаз. Синтетические алмазы получают из графита при высоких давлениях и высокой температуре. Они имеют те же физические и химические свойства, что и природные алмазы.

Кубический нитрид бора. (КНБ) — сверхтвердый материал, впервые синтезированный в 1957г, содержит 43,6% бора и 56,4% азота. Кристаллическая решетка КНБ является алмазоподобной, т.е. она имеет такое же строение, как и решетка алмаза, но содержит атомы бора и азота. Параметры кристаллической решетки КНБ несколько большие, чем решетки алмаза; сказанным, а также меньшей валентностью атомов, образующих решетку КНБ, объясняется его несколько меньшая твердость в сравнении с алмазом.

Кристаллы кубического нитрида бора имеют теплостойкость до 1200° С, что является одним из главных достоинств по сравнению с алмазом. Эти кристаллы получают путем синтеза гексагонального нитрида бора при наличии растворителя (катализатора) в специальных контейнерах на гидравлических прессах, обеспечивающих требуемое высокое давление (порядка 300-980 МН/м2) и высокую температуру (около 2000 °С).

В отличие от алмаза, кубический нитрид бора нейтрален к железу и не вступает с ним в химическое взаимодействие. Высокая твердость, термостойкость и нейтральность к железу, сделали кубический нитрид бора весьма перспективным сверхтвердым материалом для обработки различных железосодержащих сплавов (легированных сталей и др.) обеспечивающим резкое снижение адгезионного и диффузионного износа инструмента (по сравнению с алмазным).

Из кубического нитрида бора приготавливаются шлифпорошки и микропорошки, из которых изготовляют абразивно-доводочные и полировальные пасты (пасты «Эльбора», пасты «Кубонита»).

Карбид бора представляет собой соединение бора с углеродом. Твердость и абразивная способность зерен карбида бора ниже твердости алмазов и зерен из КНБ, но выше зерен из электрокорунда и карбида кремния. Карбид бора используется в порошках и пастах для доводки изделий из твердых материалов. Практикой установлено, что карбид бора, рационально применять для притирки точных конических и фасонных поверхностей.

Электрокорунды , куда входят электрокорунд белый, электрокорунд нормальный и электрокорунд с присадкой хрома — электрокорунд хромистый, с присадкой титана — электрокорунд титанистый и др.

Благодаря высокой твердости, прочности и острым краям зерна, электрокорунд белый интенсивно снимает слой металла с поверхностей закаленных, цементированных и азотированных сталей. Электрокорунд белый используют для приготовления абразивно-доводочных абразивных материалов.

Электрокорунд хромистый имеет розовую окраску, обладает постоянством физико-механических свойств и высоким содержанием монокристаллов. Форма зерен преимущественно изометрическая. При осуществлении окончательной операции замечено, что электрокорунд хромистый заметно улучшает светоотражательную способность обработанных поверхностей.

Электрокорунд титанистый близок к электрокорунду нормальному, но отличается от последнего большим постоянством свойств. Присадки титана увеличивают вязкость абразивного материала.

Электрокорунд нормальный — искусственный абразивный материал, имеющий высокую твердость (ниже алмазов, зерен КНБ и карбида бора), применяется при приготовлении полировальных паст.

Карбид кремния представляет собой химическое соединение углерода с кремнием. В зависимости от содержания примесей, карбид кремния бывает двух марок: зеленый, содержащий не менее 97% карбида кремния, и черный, в котором карбида кремния — 95-97%.

Зеленый карбид кремния по сравнению с черным более хрупок. Возможно, что это и определяет превосходство зеленого карбида кремния над черным при обработке твердых и сверхтвердых материалов. Абразивная способность зеленого карбида кремния примерно на 20% выше, чем черного.

Естественный корунд представляет собой горную породу, состоящую в основном из кристаллической окиси алюминия. В лучших образцах корунда содержится до 95% окиси алюминия. Цвет корунда различный: розовый, бурый, синий, серый и др. Корунд более вязок и менее хрупок, чем наждак, и обладает большей твердостью. Корунд широко применяют в виде порошков и микропорошков; он входит в состав абразивных смесей, используемых при доводке и полировке, а также чистке поверхности.

Наждак представляет собой горную породу, содержащую до 60% кристаллической окиси алюминия (глинозема). Этот вид абразивного материала черного или черно-серого цвета. Вследствие значительного содержания примесей, по абразивной способности наждак уступает корунду. Наждак идет на изготовление абразивно-доводочных материалов.

Окись хрома представляет собой порошок темно-зеленого цвета. В виде порошков используется для приготовления мягких полировальных паст, применяющихся при тонкой обработке стальных деталей и деталей из цветных металлов и неметаллов (например, полировальная паста ГОИ).

Окись алюминия (глинозем) представляет собой порошок белого цвета, полученный прокаливанием окиси алюминия с примесью других веществ. Размолотый, промытый и хорошо отшлифованный порошок просушивают. Окись алюминия в виде порошков идет для приготовления тонких паст, используемых для обработки стальных, чугунных деталей, а также деталей из стекла и пластмасс.

Крокус в основном состоит из окиси железа (до 75-97%), является очень тонким полирующим технологическим материалом, используется при полировании оптических стекол и благородных металлов.

Диатомит (кизельгур, инфузорная земля) очень легкая осадочная порода, которая состоит главным образом из кремнезема в виде частично или полностью сохранившихся скелетов макроскопических водорослей — диатомей. Хорошие сорта диатомитов содержат 80% и более кремневой кислоты, имеющие различную окраску: белую, серую, желтоватую, коричневую и зеленоватую. Для получения высококачественного диатомита его размалывают, отмачивают, сушат и обжигают.

Трепел состоит в основном из кремниевой кислоты, часто встречается вместе с диатомитом и весьма схож с ним, но отличается тем, что интенсивно поглощает влагу. Трепел различают по окраске: золотистый, серебристый, белый, желтый, серый, красный и т.п. Для получения высококачественного мелкозернистого трепела его, как и диатомит, подвергают перемалыванию, обогащению и обработке.

Технический мел представляет собой порошкообразный продукт, который получают из природного известняка или мела. Он состоит в основном из мельчайших аморфных частиц углекислого кальция. При химическом способе мел получают осаждением при насыщении известкового молока углекислым газом или смешением растворов хлористого кальция с углекислым натрием. Мел бывает комовой и молотый, а в зависимости от физико-химических свойств разделяется на три марки (А, Б, В). Мел используют для приготовления полировальных материалов по обработке благородных, а также цветных металлов и их сплавов.

Венская известь состоит из окиси кальция с небольшими примесями окиси магния, окиси железа и другими, приготавливается из отборной извести и доломита, очищенных от примесей глины и песка. Количество примесей в этом виде абразивного материала не должно превышать 5,5%, а содержание влаги и углекислоты должно быть не более 2%. Для полирования берут средние слои прокаленного известняка, который измельчают и просеивают. Отдельные мягкие куски используют для нанесения глянца. Венскую известь используют также в качестве основного твердого составляющего при приготовлении полировальных паст. Венская известь, поглощающая влагу и углекислый газ, превращается в пушонку, не обладающую никакими полирующими свойствами. Чтобы избежать этого, венскую известь упаковывают в герметичную тару.

Тальк представляет собой минерал вторичного происхождения из силикатов магнезии, который встречается в виде волокнистых агрегатов или шестиугольных листочков. Тальк очень мягкий абразив, который применяется при полировании гальванических покрытий.

Определение и классификация. Абразивные материалы (от лат. abrasio - соскабливаю) - вещества, обладающие высокой твердостью и используемые в свободном (материалы) или связанном (инструменты) состоянии для механической обработки поверхности различных изделий. В современном представлении абразивные материалы (абразивы) - это, как правило, сыпучие материалы, полученные путем дробления и рассева природных кристаллических минералов или искусственных (синтетических) материалов. Их называют еще шлифовальные материалы, шлифзерно, абразивное зерно и т. п. Принцип их действия заключается в удалении части обрабатываемой поверхности острыми выступами абразива. При этом от абразивных частиц, имеющих, как правило, кристаллическую структуру, откалываются микроскопические крупицы, образуя новые рабочие кромки.

Абразивные материалы и инструменты по способу применения подразделяются на три группы:

свободные абразивы , используемые в свободном состоянии в виде зерен, порошков для пескоструйной или ручной обработки поверхности и в составе абразивных паст, суспензий и гелей;

абразивы в связке , используемые в виде зерен, скрепленных связкой в различные по форме и назначению абразивные инструменты на жесткой основе (могут быть в виде дисков, кругов, брусков и т. п.);

абразивные покрытия получают нанесением на гибкую основу (ткань, бумагу и др.) абразивных зерен, закрепленных на ее поверхности с помощью клеев и смол.

Связка должна исключать преждевременное выкрашивание отдельных зерен, их залипание и не должна захватывать частицы срезанного материала. Связки могут быть металлическими и неметаллическими.

Металлические связки применяют только для инструментов, в которых абразивом служит природный или синтетический алмаз. Рабочие элементы абразивного инструмента в этом случае получают методом порошковой металлургии или вплавляя зерна в поверхность металла.

Неметаллические связки могут быть органического (вулканическая или бакелитовая) или неорганического (керамическая) происхождения. Инструменты на основе органической связки имеют тепловые ограничения, что требует осторожного использования охлаждающих жидкостей, и подвержены воздействию щелочей. Но эластичность органики делает незаменимым такой инструмент для операций по снятию больших припусков (например, при обдирке). Бакелитовая связка обозначается на инструментах русской буквой Б или латинской В, вулканитовая связка - русской буквой В или латинской R.

Керамическую связку получают из глиняных масс, которые в процессе обжига превращаются в стекло или фарфор. Она обладает высокой огнеупорностью, химической стойкостью и водостойкостью. К недостаткам следует отнести хрупкость и, как следствие, непригодность для работ с высокой ударной нагрузкой. Однако керамическая связка хорошо «держит» форму, что важно при высокоточном шлифовании, имеет высокую износостойкость и выдерживает высокие температуры. На отечественном инструменте керамическая связка обозначается буквой К, а на импортном - буквой V.

Точность размеров и геометрической формы абразивного инструмента характеризуется тремя классами - АА, А и Б. Для менее ответственных операций абразивной обработки применяют абразивный инструмент класса Б. Более точным и качественным является абразивный инструмент класса А. Для работы в автоматических линиях, на высокопрецизионных и многокруговых станках применяют прецизионный абразивный инструмент класса АА, отличающийся наибольшей точностью геометрических параметров, однородностью зернового состава, уравновешенностью абразивной массы и изготавливающийся из лучших сортов шлифовальных материалов.

Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования, разрезания материалов и широко применяются в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов.

Разновидности абразивных материалов . Абразивные материалы могут быть природными и синтетическими. К природным абразивным материалам относятся:

алмаз природный - кристаллическая модификация углерода, т. е. состоит из одного химического элемента. В природе встречается в виде небольших кристаллов различной формы от 0,005 до нескольких карат (карат равен 0,2 г). Алмаз обладает наибольшей твердостью из всех известных в природе материалов. Твердость по минералогической шкале Мооса - 10. На мировом рынке различают два вида алмазов - ювелирные и технические. Последние применяются в виде порошков, а также отдельных кристаллов, которым путем огранки придают нужную форму (резцы, фильеры);

корунд - горная порода, состоящая из кристаллического безводного глинозема (оксида алюминия) с примесями других металлов. Он более вязкий и менее хрупкий, чем алмаз, и обладает меньшей твердостью. Твердость корунда по минералогической шкале Мооса - 9. Применяется для изготовления шлифовальных и полировальных порошков, резки металла, твердых камней и стекла;

наждак - мелко- и тонкозернистая горная порода, в которой корунд находится в тесном срастании с другими минералами (магнетитом, сульфидами металлов). По абразивной способности незначительно уступает корунду. Твердость по шкале Мооса - 7...8. Наждак, содержащий до 60% корунда, используется в качестве природного абразивного материала. Легко измельчается и используется для изготовления абразивно-доводочных материалов, отделки лестничных ступеней, полов, тротуаров и самой дешевой наждачной бумаги;

кварц - природный минерал (кристаллический диоксид кремния Si02) и один из наиболее доступных абразивных материалов. Твердость по минералогической шкале Мооса - 7. На основе кварца изготовляют так называемую стеклянную шкурку;

пемза - тонкопористый и поэтому очень легкий (не тонет в воде) природный материал вулканического происхождения. Легко измельчается при сравнительно высокой твердости (по шкале Мооса - 6).

Синтетические абразивные материалы:

алмазы синтетические получают синтезом из графита при высоких давлениях и высокой температуре. Варьирование условий синтеза позволяет получать кристаллы разных размеров (до 4 мм), степени совершенства, чистоты, а следовательно, и с заданными физико-механическими характеристиками. Практически они имеют те же физические и химические свойства, что и природные алмазы. Выпускаются обыкновенной, повышенной и высокой прочности. Используются для обработки твердых сплавов, камня, стекла и цветных металлов;

нитрид бора (в США - боразон , в СНГ - эльбор и кубонит ) получают путем синтеза при высоких значениях давления и температуры. Кристаллическая решетка нитрида бора является алмазоподобной, т. е. она имеет такое же строение, как и решетка алмаза, но содержит атомы бора (44,3%) и азота (56,4%) и имеет несколько большие параметры. Нитрид бора по сравнению с алмазом имеет меньшую твердость, но более высокую теплостойкость (до 1200 °С) и нейтрален к железу, т. е. не вступает с ним в химическое взаимодействие. Из нитрида бора получают шлифпорошки и микропорошки, из которых затем изготовляют абразивно-доводочные и полировальные пасты («Эльбора», «Кубонита» и др.);

карбид бора представляет собой соединение бора с углеродом. Твердость и абразивная способность зерен карбида бора ниже, чем алмазов и зерен из нитрида бора, но выше, чем зерен из электрокорунда и карбида кремния. Карбид бора используется в порошках и пастах для доводки изделий из твердых материалов;

карбид кремния (карборунд) представляет собой химическое соединение углерода с кремнием. Имеет исключительно высокую твердость, уступая только алмазу и карбиду бора. Устойчив в различных химических средах, в том числе при высоких температурах. Кристаллы карборунда бесцветные и имеют алмазный блеск. Но технический карборунд в зависимости от содержания примесей бывает двух марок: зеленый (содержащий не менее 97% карбида кремния) и черный (95-97% карбида кремния). Зеленый карбид кремния по сравнению с черным более хрупкий, однако абразивная способность его примерно на 20% выше. Как абразивный материал карбид кремния применяется при шлифовании, для резания твердых материалов и заточки инструментов. Из карбида кремния производятся шкурки на бумажной и тканевой основах, шлифовальные круги и бруски на керамической, синтетической и органической основах;

электрокорунды (белый, нормальный, хромистый, титанистый, монокорунд и др.) представляют собой искусственно синтезированные корунды в результате термической обработки различного высокоглиноземистого сырья (бокситов). Используют для приготовления абразивно-доводочных материалов.

нитрид углерода - соединение азота с углеродом. Считается высококачественным абразивным материалом.

Свойства. Основными качественными характеристиками абразивных материалов являются форма и крупность абразивных зерен, их прочность, твердость, вязкость, хрупкость, абразивная способность, минеральный и гранулометрический (зернистость) составы.

Абразивное зерно представляет собой кристаллический осколок (кристаллит), состоящий из множества мелких кристаллов, режущей кромкой у которого является ребро. Абразивное зерно может иметь как приблизительно равные размеры по высоте, ширине и толщине (изометрическая форма), так и обладать пластинчатой, мечевидной и другими формами. Рациональной является изометрическая или близкая к ней форма зерна, так как каждое зерно является резцом. Наименее выгодная форма - игольчатая.

Зернистость характеризует размер и однородность абразивных материалов основной (преобладающей) фракции и выражается в метрической и дюймовой системах. В зависимости от величины зерен абразивные материалы подразделяют на группы и номера зернистости. При этом в разных странах маркировка осуществляется по-разному. В метрической системе крупность зерен порошка абразива характеризуется его номером. За номер порошка принимают размер ячейки сита в десятках микрон, на котором задерживается порошок. Если порошок проходит через сито с ячейками со стороной 500 мкм и задерживается на сите с ячейками в 400 мкм, то зернистость считается равной 400 мкм, хотя на самом деле это частицы с размерами в диапазоне от 400 до 500 мкм.

Согласно ГОСТ 3647 и 9206 шлифовальные материалы в метрической системе делятся на четыре группы:

Шлифзерно от № 200 до № 16;

Шлифпорошки от № 12 до № 4;

Микрошлифпорошки от М63 до М14;

Тонкие микрошлифпорошки от М10 до М5.

Буква М в обозначении номера означает, что крупность зерен указывается в микронах (мкм), а отсутствие буквы - что крупность указывается в десятках микрон. Еще одно из отличий этих обозначений состоит в том, что номер с буквой М означает максимальный размер частиц порошка абразива, а для номеров без буквы - наоборот, наименьший размер зерна, в то время как максимальный соответствует предыдущему номеру. Условное обозначение зернистости дополняют еще буквенным индексом, соответствующим процентному содержанию основной фракции (В - высокое, П - повышенное, Н - номинальное и Д - допустимое).

В дюймовой системе размеры отверстий в сите характеризуются числом меш (от англ. mesh - клетка, ячейка) - число отверстий сетки на один линейный дюйм. Чем выше номер в мешах, тем мельче материал. Точного перевода размера зерен в микронах в дюймовую систему нет.

Твердость абразивных материалов устанавливается методом вдавливания алмазной пирамиды в поверхность испытываемого материала (МПа) либо по различным шкалам, в том числе минералогической шкале твердости Мооса. По твердости абразивные материалы подразделяются на сверхтвердые, твердые и мягкие и делятся на 10 классов, причем твердость десятого (наивысшего класса) соответствует твердости алмаза.

Твердость абразивных инструментов по смыслу не совпадает с аналогичным понятием, определяющим свойства абразивных материалов и других твердых тел. Твердость абразивного инструмента характеризует прочность связи в нем абразивных зерен между собой. Поэтому из зерен самого твердого абразивного материала можно изготовить мягкие абразивные инструменты и, наоборот, из абразивного материала малой твердости можно изготовить достаточно твердые абразивные инструменты. Мягкими абразивными инструментами (в отличие от твердых) называют такие, из которых абразивные зерна легко выкрашиваются.

Твердость абразивных инструментов оказывает влияние на режущие свойства и кромкостойкость абразивного инструмента, а также на характер его изнашивания в процессе резания. Если прочность закрепления зерен в абразивном инструменте ниже прочности самого абразивного зерна (мягкий абразивный инструмент), то изнашивание происходит вследствие выкрашивания зерен и абразивный инструмент работает в режиме самозатачивания. Если же прочность абразивного зерна окажется ниже прочности его закрепления в инструменте (твердый абразивный инструмент), то изнашивание будет протекать частично за счет хрупкого разрушения, скалывания зерен и частично за счет их стирания с образованием площадок износа на зерне.

Получение абразивных инструментов требуемой твердости достигается соответствующей технологией их изготовления, устанавливающей соотношение абразивного зерна и связки: давлением при прессовании, температурой и длительностью термической обработки (обжига).

Абразивная способность характеризуется массой снимаемого при шлифовании материала до затупления зерен. По абразивной способности абразивные материалы располагаются в следующем порядке: алмаз, нитрид бора, карбид кремния, монокорунд, электрокорунд, наждак, кремень и др.

Разновидности абразивных инструментов . Диски получаются путем нанесения абразивного материала на сетчатую основу и используются для полирования и зачистки поверхностей. Жесткие сетчатые диски, изготовленные на основе стекловолокна и лавсана, пригодны для разрезки небольших деталей из дорогостоящих материалов. Если нанести абразивный материал на фибровую основу (целлюлоза, пропитанная хлористым цинком), то получится фибровый диск для зачистки и полирования.

Отрезные и шлифовальные круги изготовляют на бакелитовых, металлических и керамических связках (рис. 13.1). В качестве основы бакелитовой связки используется порошкообразная фенолформальдегидная смола и неорганические наполнители (криолит или пирит). Высокая прочность бакелитовой связки позволяет абразивному инструменту работать при высоких нагрузках и скоростях. В качестве абразива обычно используют белый и нормальный электрокорунд, их смеси, карбид кремния черный и зеленый, реже - карбид кремния.

13.1. Шлифовальные круги

Для снижения опасности разрыва круга при резке с большой частотой вращения в его тело вводят упрочняющий элемент в виде круглого диска из тонкой стеклянной сетки, которая сохраняет также форму и гибкость отрезного круга.

Существенной характеристикой абразивных кругов (в особенности отрезных) является допустимая величина окружной скорости, для чего используется несколько обозначений: цветная полоса, указание величины максимальной окружной скорости и числа максимальных оборотов. При допустимых окружных скоростях 25...35 м/с на круге наносится, как правило, белая полоса. Если ее нет, то будет приведено значение скорости и числа оборотов. Число оборотов является более существенной характеристикой, так как учитывает наружный диаметр круга. При окружной скорости 45...50 м/с полоса будет синяя, при 60 м/с - желтая, при 80 м/с - красная, а при 100 м/с - зеленая. Зеленая полоса дополнительно указывает на недопустимость использования круга на ручном инструменте («болгарке»).

Бруски представляют собой стержни из связки (керамической или бакелитовой) с распределенным в ней абразивом. Единой мировой классификации брусков нет. В отечественной промышленности бруски делятся по твердости:

На высокомягкие (ВМ1, ВМ2, ВМЗ);

Мягкие (Ml, М2, МЗ);

Среднемягкие (СМ1, СМ2, СМЗ);

Средние (С 1, С2, СЗ);

Среднетвердые (СТ1, СТ2, СТЗ);

Твердые (Tl, Т2);

Чрезвычайно твердые (ЧТ1, ЧТ2).

Шлифовальная шкурка (шлифшкурка, наждачная бумага), представляет собой измельченный абразивный материал, нанесенный одним или несколькими слоями на гибкую основу из бумаги, ткани или синтетического материала (рис. 13.2). Выбор основы обусловлен нагрузками при шлифовании. В качестве связующего вещества используются мездровый, костный, синтетические клеи и комбинированные составы. Для закрепления шлифовальной шкурки к инструменту на нижнюю часть основы может наноситься крепление («липучка»).

Рис. 13.2. Структура шлифовальной шкурки: 1 - крепление; 2 - основа; 3 - связка;

4 - защитное покрытие; 5 - абразив; 6 - дополнительное покрытие

Шлифовальные шкурки выпускаются двух типов: рулонные (Р) и листовые (Л). В зависимости от вида подложки и связующего шкурки могут быть водостойкими (пригодными для мокрого шлифования), неводостойкими , термостойкими , а в зависимости от числа слоев шлифовального материала - однослойными (О) или двухслойными (Д). Если рабочие слои шлифовального материала расположены на обеих сторонах гибкой основы, то такую шкурку называют двухсторонней.

Маркируются шлифовальные шкурки также как шлифзер- на и шлифпорошки по размеру абразивных зерен.

Для удобства использования шлифовальные шкурки объединены в группы посредством цветовой маркировки (табл. 13.1).

Таблица 13.1. Цветовая маркировка шлифовальных шкурок

Современные шлифовальные шкурки, поставляемые на рынки нашей страны, могут быть самоклеющимися и самосцепляющимися. Они отличаются повышенной гибкостью и прочностью сцепления абразива с основой и повышенной прочностью самой основы. Кроме того, благодаря специальным (например, стеаратовому) покрытиям слоя абразива предотвращается забивка их мелкими частицами (так называемые незасоряющиеся покрытия). Использование вместо сплошной ткани в качестве основы сетки позволяет отсасывать через нее образующиеся мелкие частицы (беспыльная шлифовка). Использование поролона в основе увеличивает гибкость и позволяет впитывать грязь с последующей очисткой путем промывки и др.

Шлифовальные пасты представляют собой абразивные микропорошки (пемзы, трепела, карбида кремния, электрокорунда), растертые на легкорастирающихся связующих веществах (раствор невысыхающих масел, парафин, технический вазелин, воск). Растворителями служат скипидар, уайт-спирит, керосин, бензин, разбавителем - вода. Пасты могут быть жидкие, мазеобразные и твердые.

Качество паст зависит от используемого абразивного материала, зернистости, рецептуры неабразивных материалов, концентрации и консистенции. Пасты и свободный абразив используются для операций доводки.

Свободное зерно (шлифовальные порошки) в отличие от паст - сухие не связанные абразивные зерна (трепела, пемзы и др.). При шлифовании к порошкам, как правило, добавляют смачивающие жидкости - скипидар, керосин, масло или воду.

Щетки могут быть различной формы с металлической или синтетической «щетиной». Они применяются для удаления заусенцев, очистки поверхности от окалины, ржавчины, лака и краски, обработки сварных швов, а также для отделки поверхности: матирование, сатинирование, шлифование. Рабочий материал щеток варьируется от стальной и латунной проволоки до пластмассы с карбидом кремния. По структуре проволока может быть плетеной, не плетеной и гофрированной.

К абразивным инструментам относятся также и многочисленные напильники, рашпили и надфили.

13.2. Крепежные изделия (метизы)

Определение и классификация. Крепежные изделия служат для соединения сопрягаемых деталей. Соединения бывают разъемными и неразъемными. Разъемные соединения выполняются в основном с помощью резьбовых крепежных изделий - болтов, винтов, шпилек, гаек и др. Неразъемные соединения выполняются различными видами заклепок, сваркой, пайкой, склеиванием и т. п.

Согласно классификатору государственных стандартов крепежные изделия общемашиностроительного применения относятся к группе ГЗ, которая включает в себя следующие классы: Г31 - болты; Г32 - винты, шпильки; ГЗЗ - гайки; Г34 - заклепки; Г36 - шайбы, шплинты; Г37 - штифты; Г38 - прочие промышленные метизы. Однако на строительные рынки страны поставляется гораздо больше видов крепежных изделий, в том числе и современных, которые отсутствуют в указанном классификаторе.

Условно крепежные изделия можно подразделить на пять групп:

Массового применения;

Высокопрочные резьбовые;

Для односторонней постановки и безударной клепки;

Для высокоресурсных и герметичных соединений;

Для соединения полимерных композиционных материалов.

К традиционным наиболее применяемым крепежным изделиям массового использования (ГОСТ 27017) относятся гвозди, шурупы, болты различной конструкции, винты, шпильки, заклепки, шплинты, дюбеля, скобы, угольники, пластинки, стяжки, полкодержатели, хомуты, бобышки, фланцы и др. Однако следует учитывать, что существует разнобой в наименованиях одинаковых крепежных изделий. Например, забитый с помощью молотка шуруп, оставаясь номинально шурупом, по сути, будет являться гвоздем. Винт, закрепленный с помощью гайки, превращается в болт. Пластмассовые анкеры скорее следует отнести к дюбелям, а дюбель-гвоздь, пристреливаемый из монтажного пистолета, является не дюбелем, а гвоздем.

Различают также одноразовые крепежные изделия (гвозди, заклепки) и изделия, которые можно использовать несколько раз. Правильный выбор крепежных изделий обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию всех соединений в пространстве, а также позволяет придать этим соединениям надлежащий (с эстетической точки зрения) внешний вид.

Разновидности крепежных изделий. Гвоздь (рис. 13.3, а) - крепежное изделие, которое представляет собой цилиндр, конус, параллелепипед, пирамиду либо винт, имеющий заостренный один конец, а на втором, тупом конце имеющий плоскую рифленую либо декоративную шляпку. Гвозди изготовляют из стали, алюминиевых и медных сплавов, конструкционных пластмасс (жидкие гвозди) и других материалов.

Рис. 13.3. Гвозди (а) и шурупы (б)

Стальные гвозди изготовляют, как правило, из светлой низкоуглеродистой термически необработанной стали или из стальной проволоки (мягкие гвозди) методом холодного штампования. Они имеют плоскую гладкую или рифленую шляпку.

По назначению и техническим характеристикам гвозди подразделяются на строительные (ГОСТ 4028), толевые (ГОСТ 4029), кровельные (ГОСТ 4030), тарные (ГОСТ 4034), формовочные (ГОСТ 4035), обойные , штукатурные , отделочные , декоративные , финишные , рифленые , винтовые , ершенные (DIN 1052), дюбель -гвозди и др.

Маркируют гвозди двумя числами: первое указывает диаметр стержня, второе - длину в миллиметрах.

Шуруп (рис. 13.3, б) является разновидностью специальных винтов, имеющих резьбу большого шага и конический конец, используемый для соединения деталей из дерева, мягких пластмасс, а также металлов. Основное отличие шурупов - отсутствие необходимости нарезания резьбы, а диаметр отверстия варьируется в весьма широких пределах, в то время как под стандартную резьбу винтов или болтов нужны отверстия строго определенных диаметров.

Головки шурупов имеют различную конструкцию под разнообразный крепежный инструмент и могут быть потайными (ГОСТ 1145), полупотайными (ГОСТ 1146), полукруглыми (ГОСТ 1144), шестигранными (ГОСТ 11473), круглыми и квадратными. Для удобства завинчивания в головке шурупа имеется шлицевая канавка (шлиц) - прямая или крестообразная. Размеры шурупов: длина 6...200 мм, диаметр 1,65...20 мм. Диаметр головки примерно в 3 раза больше диаметра стержня. Резьба может нарезаться как по всей длине шурупа, так и на части его длины, но не менее чем 0,6 длины шурупа.

Изготовляют шурупы из углеродистых и нержавеющих сталей, латуни, алюминиевых сплавов. Выпускаются без покрытия и с покрытиями (фосфатирующими, пассифирующими пленками, цинком, многослойными составами: медь-никель, медь-никель-хром и др.).

Разновидностью шурупов являются саморезы , имеющие на конце острый наконечник или сверло (бур). Их заворачивают без предварительного сверления гнезда. Они могут быть с потайной, полусферической или шестигранной головкой; с частой и двухзаходной резьбой и с резьбой с крупным шагом. Диаметр их от 3,5 до 5 мм и длина - 19... 152 мм. Изготовляют, как правило, с оксидированной или оцинкованной поверхностью. Строение шлицев и головок саморезов не отличается от аналогичных элементов винтов.

Болты - представляют собой цилиндрические стержни с головкой, имеющие по всей длине или на части длины резьбу, на которую навинчивается гайка (рис. 13.4). Изготовляют болты из углеродистой стали, алюминиевых и медных сплавов, конструкционных пластмасс и других материалов.

Рис. 13.4. Конструкции болтов: а - с шестигранной головкой и полной резьбой;

б - с шестигранной головкой и с неполной резьбой; в - с полукруглой гладкой головкой;

г - с головкой со шлицом под отвертку

Как правило, болт имеет шестигранную головку (ГОСТ 7798, 7805, DIN 931, 933), реже внутренний шестигранник под ключ. Существуют болты с Т-образной, полукруглой и потайной головками, а также откидные, костыльковые и анкерные болты. Некоторые болты имеют шип или ус на опорной поверхности головки, которые служат для предотвращения проворачивания и используются для болтового соединения, т. е. при отсутствии внутренней резьбы в соединяемых деталях и необходимости неоднократной сборки и разборки. Иногда для соединения деревянных элементов используют болты с квадратной головкой.

Поверхность болтов может быть без покрытия либо оцинкованной, хромированной или с многослойным покрытием. Вид покрытия зависит от назначения болта. Для болтов установлены следующие обозначения, например: М6×50 - болт с шестигранной головкой, с метрической резьбой диаметром 6 мм, длиной 50 мм.

На сегодняшний день термин «болт» несколько утратил свою однозначность, поскольку появились болты упорные, предназначенные для распорки определенных элементов или конструкций, а также болты анкерные , являющиеся промежуточным крепежным элементом.

Для соединения массивных деревянных элементов, когда длины болтов не хватает, используют шпильки . В отличие от болтов они имеют резьбу на обоих концах (DIN 975).

Винты также имеют цилиндрическую форму с головкой на одном конце и резьбой для ввинчивания в какую-либо соединяемую деталь на другом (рис. 13.5). По назначению различают крепежные и установочные винты (ГОСТ 17475, DIN 965).

Рис. 13.5. Разновидности винтов: а - с цилиндрической головкой и внутренним шестигранником; б - с цилиндрической головкой и прямым шлицем; в - линзовидной головкой;

г - с полупотайной головкой и прямым шлицем; д - с потайной головкой и внутренним шестигранником; е - с потайной головкой и прямым шлицем; ж - винт-конфирмат; з - с потайной головкой и крестообразным шлицем; и - винт-барашек; к - винт-крюк

Крепежный винт является наиболее распространенным и представляет собой стержень с резьбой на одном конце, а также головкой на другом. Является главным элементом разъемного винтового соединения.

Установочные винты используются при необходимости зафиксировать взаимное расположение деталей относительно друг друга. По новым европейским стандартам установочные винты выпускаются в основном с приводом под внутренний шестигранник (DIN 913 и 914).

В отличие от болтов винты имеют головки с прорезанным шлицем в виде прямолинейного или крестообразного углубления для завертывания и отвертывания их отверткой. Существует также шестиконечный шлиц. Кроме того, внутренний шестигранник тоже по определению является шлицем. Головки винтов бывают цилиндрической, цилиндрической скругленной, полукруглой, потайной, полупотайной или линзообразной формы. Диметры винтов 2...16 мм, длина - 3...80 мм.

Самонарезающие винты отличаются тем, что в процессе завинчивания выполняют одновременно резьбу в соединяемом материале (ГОСТ 11650, 11651 и 11652).

На конце винта иногда делают отверстие под шплинт – проволочный стержень полукруглого сечения, согнутый почти пополам. Он предохраняет крепежное изделие от самопроизвольного отвинчивания гайки. Между гайкой и деталью ставят шайбу с внутренним отверстием, позволяющим свободно проходить стержню винта.

Винтовые соединения применяются при наличии внутренней резьбы в соединяемых материалах без использования гайки и не предполагают частой сборки и разборки.

Гайка - крепежное изделие с резьбовым отверстием и конструктивным элементом для передачи крутящего момента. Применяется в болтовых и шпилечных соединениях, часто в сочетании с шайбой. Кроме обыкновенных шестигранных (ГОСТ 5915 и 5927) существует множество других разновидностей гаек:

- колпачковая гайка - элемент со сферической и плоской торцевыми поверхностями и глухим резьбовым отверстием. Применяется чаще всего в качестве декоративной;

- гайка-барашек , имеющая плоские выступающие элементы для передачи крутящего момента и затягивается вручную;

- самоконтрящаяся гайка с нейлоновым вкладышем, который предохраняет от самопроизвольного отвинчивания. Применяется при повышенных вибронагрузках соединяемых изделий.

Кроме этого, выпускаются высокопрочные гайки с фланцем (ГОСТ 22354), корончатые, удлиненные, прорезные, приварные гайки и др.

Болты, винты, шпильки и гайки, изготовленные из углеродистых качественных и обыкновенного качества сталей, после вытачивания подвергаются закалке с отпуском.

Шайба - деталь крепежного соединения, которая подкладывается под гайку или головку болта для создания большей опорной площади и уменьшения повреждений поверхности детали. Применение шайб так же возможно и при опасности провала головки болта либо элементов механической фиксации резьбового соединения в отверстие детали.

Кроме традиционных плоских шайб общего назначения (ГОСТ 11371) применяются и другие разновидности:

- стопорная шайба, служащая для предотвращения самоотвинчивания крепежных изделий при помощи конструктивных элементов;

- пружинная шайба (ГОСТ 6402), называемая гровером, - разрезная круглая шайба, концы которой расположены в разных плоскостях и служащая для предотвращения самоотвинчивания крепежных изделий посредством ее упругой деформации под нагрузкой.

Заклепка - крепежное изделие в форме гладкого цилиндрического стержня с головкой на одном конце, служащее для получения неразъемного соединения за счет образования головки на другом конце стержня пластической деформацией (DIN 7337). Наша промышленность выпускает заклепки с плоской (ГОСТ 10303), полукруглой (ГОСТ 10299) и потайной (ГОСТ 10300) головками. В настоящее время для работ с применением гипсокартонных или металлических листов используются тяговые заклепки, которые устанавливаются с помощью специального аппарата. Как правило, ножка тяговой заклепки выполняется из стали.

Анкерное (дюбелъное) крепление состоит из двух элементов. Во-первых, это гильза, которая устанавливается в предварительно высверленное отверстие. Между гильзой и материалом основания возникает сила трения. Это происходит за счет механического расширения гильзы в отверстии, что может достигаться разными способами. Во-вторых, в гильзу вставляется крепежная деталь (болт, винт, шпилька, шуруп, специальный гвоздь), или анкеровка может происходить за счет внешнего или внутреннего упора.

Анкеры предназначены для восприятия высоких нагрузок и поэтому выполняются из металла. Дюбели рассчитаны на меньшие нагрузки и изготавливаются из пластика (нейлон, полиэтилен, полипропилен).

В конструкциях столярно-мебельных изделий используют нагели. Они могут быть деревянные и металлические, четырех- или шестигранной формы. Ставят их чаще всего на клею и перпендикулярно плоскости соединения.

Стяжки изготовляют чаще всего из стали с цинковым покрытием. Они могут быть резьбовые, эксцентриковые и клиновые .

Скобы небольших размеров, используемые для вспомогательного крепления при различных технологических операциях, готовят из плоской проволоки. Высота их, как правило, 8...10 мм. Скобы, используемые при строительстве зданий и сооружений из бревен или брусьев, изготавливают из круглой или квадратной стали толщиной 10...18 мм.

Хомуты - приспособления в виде охватывающих растянутых связей для соединения элементов деревянных конструкций сращиванием по длине и наращиванием по высоте либо зажимы для уплотнения шлангов, рукавов и патрубков. По конструкции и назначению могут быть проволочные, болтовые, червячные, шарнирные, трубные, силовые и др.

Паяльные материалы

Припои. Припой - сплав металлов, предназначенный для соединения деталей и узлов различных конструкций методом пайки. Должен обладать целым рядом специфических свойств:

Хорошо растворять основной металл;

Обладать хорошей текучестью в расплавленном состоянии;

Легко растекаться по поверхности соединяемых деталей;

Хорошо смачивать поверхности соединяемых материалов;

Иметь требуемые характеристики в твердом состоянии (механическая прочность, стойкость к воздействию внешней среды, усадочные напряжения, коэффициент теплового расширения и т. п.).

Выбор припоя зависит от вида соединяемых металлов или сплавов, от способа пайки, температурных ограничений, размеров деталей, требуемой механической прочности, коррозионной стойкости и др.

В зависимости от химического состава и температуры плавления припоев различают пайку мягкими и твердыми припоями (ГОСТ 19248). К мягким относятся припои с температурой плавления до 400 °С, к твердым - выше 400 °С.

Пайка мягкими припоями получила более широкое распространение, особенно при производстве монтажных работ. Наиболее часто применяемыми мягкими припоями являются оловянно-свинцовые (ГОСТ 21930 и 21931): ПОС-90, ПОС-60, ПОС-40, ПОС-30, ПОС-18 (ПОС - припой оловянно-свинцовый, цифры после дефиса обозначают процентное содержание олова в сплаве). Мягкие припои изготовляются в виде прутков, полос, болванок, порошковой проволоки (диаметром до 3 мм) и трубок, наполненных флюсом.

Твердые припои создают более высокую прочность шва. Наиболее распространенными из них являются медно-цинковые (ГОСТ 23137): ПМЦ-36... ПМЦ-56, Г1 МЦ-47 и др. Цифры после дефиса указывают на среднее содержание в составе припоя меди (остальное цинк). В зависимости от содержания цинка изменяется и цвет припоя. Припои применяются для пайки бронзы, латуни, стали и других металлов, имеющих высокую температуру плавления. Припой ПМЦ-42 применяется при пайке латуни с содержанием 60-68% меди. Припой ПМЦ-53 применяется при пайке меди и бронзы.

Находят применение и серебряные припои (ГОСТ 19738): ПСр-10, ПСр-12... ПСр-70. Цифры после дефиса указывают на содержание в составе припоя серебра. Серебряные припои обладают большой прочностью, спаянные ими швы хорошо изгибаются и легко обрабатываются. Припои ПСр-10 и ПСр-12 применяются для пайки латуни, содержащей не менее 58% меди, припои ПСр-25 и ПСр-45 - для пайки меди, бронзы и латуни, припой ПСр-70 с наиболее высоким содержанием серебра - для пайки волноводов, объемных контуров и т. п.

Облегчить пайку, улучшить ее качество и избежать перегрева малогабаритных деталей можно с помощью паяльных паст - это пастообразная масса, состоящая из смеси порошкообразного припоя с частицами, обычно сферической формы, и флюса-связки. Свойства паяльной пасты зависят от процентного содержания металлической составляющей, типа сплава, размеров частиц порошкообразного припоя и типа флюса.

Более качественными припоями в настоящее время являются многоканальные трубчатые , в которых может находиться до пяти каналов флюса в прутке. Увеличенное количество каналов обеспечивает равномерное распределение флюса без пропусков по длине прутка, что предотвращает возможность пайки «всухую» - без флюса, как в случае с одноканальными припоями. Производятся они с разным процентным содержанием и разными типами флюса, а также разного диаметра. Для их изготовления используются только высокочистые сплавы с минимальным количеством примесей, отвечающие требованиям всех основных национальных и международных стандартов. Такие припои разработаны для различных применений, в том числе для пайки печатных плат радиоэлектронной аппаратуры и конструкционных изделий.

К высококачественным припоям, отвечающим международным стандартам, можно отнести безсвинцовые припои для групповой пайки. Они минимизируют образование шлака, обеспечивают значительно больший срок жизни припоя и получение качественных блестящих соединений без перемычек и сосулек. Поставляются в виде слитков, шариков, гранул и проволоки на катушках.

Флюсы. Паяльный флюс - химически активное вещество, предназначенное для очистки и поддержания чистоты поверхностей паяемого металла и припоя с целью снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания жидкого припоя. Механизм действия флюса заключается в том, что окис- ные пленки металла и припоя растворяются или разрыхляются и всплывают на поверхность флюса. Вокруг очищенного металла образуется защитный слой флюса, препятствующий возникновению окисных пленок. Жидкий припой замещает флюс и взаимодействует с основным металлом. Слой припоя постепенно увеличивается и при прекращении нагрева затвердевает.

Флюс выбирают в зависимости от свойств соединяемых пайкой металлов или сплавов и применяемого припоя, а также от способа пайки. От качества флюса во многом зависит хорошее смачивание припоем мест спайки и образование прочных швов. При температуре паяния флюс должен плавиться и растекаться равномерным слоем, в момент же пайки он должен всплывать на внешнюю поверхность припоя. Температура плавления флюса должна быть несколько ниже температуры плавления применяемого припоя. В зависимости от температурного интервала (ГОСТ 19250) они подразделяются на низкотемпературные (t пл ≤ 450 °С) и высокотемпературные (t пл > 450 °С).

В зависимости от активности различают две группы флюсов:

химически активные , растворяющие пленки окиси, а часто и сам металл (соляная кислота, бура, хлористый аммоний, хлористый цинк);

химически пассивные , защищающие лишь спаиваемые поверхности от окисления (канифоль, воск, стеарин и др.).

Остатки флюса, особенно активного, т. е. продукты его разложения нужно удалять сразу после пайки, так как они загрязняют места соединений и являются очагами коррозии.

Похожая информация.