Електрокорундові абразивні матеріали, ДК Олександр
Найбільш численною та найбільш використовуваною групою абразивних матеріалів є електрокорундові абразивні матеріали та спечені корунди, які за хімічним складом складаються в основному з окису алюмінію та супутніх домішок. До складу легованих корундів входять легуючі добавки, що спеціально вводяться в процесі виробництва для підвищення або надання їм спеціальних фізико-механічних властивостей.
За основними видами електрокорундові матеріали класифікуються таким чином:
Електрокорунд нормальний містить 92-96% Al2O3, що не повністю відновлені в процесі плавки з вихідної сировини бокситу Fe3O3, SiO2 і TiO2, які не видаляються в процесі плавки і практично повністю переходять до складу матеріалу з вихідної сировини CaO і MgO.
Електрокорунд білий містить 98,5-99,5% Al2O3, незначну кількість оксидів Fe2O3 і TiO2, а також Na2O і K2O, що вносяться вихідною сировиною - глиноземом;
Монокорунд містить 98,5-99,5% Al2O3 і SiO2, Fe2O3, TiO2, CaO, не повністю віддалених у процесі плавки.
Цирконієвий корунд містить 70-75% Al2O3, до 25% ZrO2 і невелику кількість оксидів Fe2O3, SiO2, TiO2, CaO та інших, що вносяться з вихідними матеріалами.
Формокорунд (спечений корунд) містить 85-90% Al2O3 та домішки SiO2, Fe2O3, TiO2, Cr2O3 та інші, що вносяться зі зв'язкою та легуючими добавками.
Хімічний склад електрокорундових абразивних матеріалів наведено нижче у таблиці:
Основним мінералом, що становить електрокорундові матеріали, є корунд, що є одним з кристалічних різновидів окису алюмінію (глинозему), що позначається альфа-модифікацією. Корунд кристалізується в тригональнійсингонії. Елементарним осередком корунду є гострий ромбоедр.
Взаємощільна упаковка іонів кисню та алюмінію забезпечує значну міцність структури корунду та пов'язані з цим високі значення твердості, механічної міцності та температури плавлення (2050°С). Зміст а-глинозему (корунду) у нормальному, білому та легованому електрокорундах становить 93-97%.
Супутні домішки можуть утворити в нормальному електрокорунд наступні мінерали: анортит CaO-Al2O3-2Si02 і скла анортитового складу, муліт ЗА1203 -2Si02, шпінелі (Mg, Fe, Мп)0-А1203, гексоалюмінат кальцію Са0-2, титану TiN, TiC та інших. Усі перелічені вище мінерали, крім карбіду і нітриду титану, мають нижчу проти корундом твердість і абразивну здатність і тому погіршують властивості электрокорунда.
Аналіз проводиться із застосуванням імерсійних рідин для визначення кількості р-глинозему, гексалюмінату кальцію та інших прозорих мінералів у сумі (анортит, скло) та непрозорих мінералів.
Для детальнішого мінералогічного аналізу шліфзерна нормального електрокорунду, а також інших електрокорундових матеріалів проводиться аналіз полірованих шліфів шліфзерна.
Мінеральний склад електрокорундових матеріалів наведено нижче в таблиці:
Карбіди та нітриди титану можуть розкладатися зі збільшенням обсягу при нагріванні в процесі термообробки абразивного інструменту (аномальне розширення), що призводить до підвищеного браку інструменту.
Поряд із цими в білому електрокорунді є включення інших мінералів: карієгіту Na2O3-Al2O3-SiO2, моноалюмінату натрію і нефеліну, а також вуглецевих сполук карбіду алюмінію Al4C, монооксикарбіду Al2OC, тетраоксикарбідуAl4O4C, вуглецю та металевого алюмінію. Вуглецеві домішки та металевий алюміній погіршують товарний вигляд шліфувальних матеріалів і відповідно інструменту з білого електрокорунду (з білизни та наявності включень типу «мушка»),
Електрокорунди, в яких містяться різні елементи, що утворюють тверді розчини з корундами, що призводять до помітної зміни їх властивостей, називаються легованими. Для отримання твердого розчину оксидів в корунді необхідна хімічна і кристалічна відповідність оксидів, що вводяться, і корунду. При цьому важливо, щоб оксиди, що вводяться, і корунд мали однакову валентність і близькі розміри катіонів, кристалічну структуру корундового типу. Таким умовам задовольняють полуторний окис хрому та титану CraO3 та Ti2O3.
При виробництві монокорунду в результаті плавки та збагачення корунду виходить продукт, що в основному складається з монокристалів корунду, допускається певний ступінь ураження кристалів включеннями феросплаву, вуглецю та сульфідів титану. Супутніми домішками в монокорунд є невидалені в процесі збагачення сульфіди, феросплав і відновник - вуглець.
Найбільш агресивний абразивний матеріал для обдирних та зачисних робіт - цирконієвий електрокорунд - містить 20-25% ZrO2 і має дрібнокристалічний будову за рахунок спеціальних методів обробки розплаву. Основу мікроструктури такого корунду становить тонка (менше 10 мкм) корунд-баддеілітова евтектика, в якій знаходяться первинні кристали корунду розміром 30-50 мкм. Форма їх переважно ромбоедрическая. Вони ніби плавають у ділянках корунд-баддеілітової евтектики.
Баддеіліт - це моноклінна кристалічна форма ZrO2. Двоокис цирконію ZrO2 не утворює з корундом Al2O3 хімічних сполук та твердихрозчинів, а розплав, що складається з 40% ZrO2 і 60% Al2O3, кристалізується у вигляді евтектики, тобто механічної суміші вихідних кристалічних складових, що одночасно кристалізуються і взаємно пронизують один одного.
Існують ще дві кристалічні модифікації ZrO2 – тетрагональна та кубічна, область стабільності яких – область високих температур. Фазові переходи баддеіліту в тетрагональну та кубічну форму при нагріванні супроводжуються великою зміною об'єму (порядку 17%), що утруднює використання цирконієвого корунду в абразивному інструменті на керамічному зв'язуванні.
Якість абразивних матеріалів великою мірою пов'язана з правильністю форми кристалів, їх ізометричністю та розмірами, що зумовлено умовами кристалізації. Електрокорундові матеріали з точки зору кристалічної будови можна розділити на чотири якісно різні структурні типи.
Тип I-матеріали, що є дрібнозернистими і щільними кристалами, з розташуванням домішок (продуктів кристалізації залишкового розплаву) між кристалами на їх стиках. До цього типу відносяться практично всі марки нормального електрокорунду, що виплавляється з рядових бокситів методами плавки "на блок" і "на випуск".
Тип III - матеріал, що представляє собою в основному правильні кристали а-корунду, з невеликою кількістю домішок і включень (монокорунд).
Тип IV - корунди полікристалічної будови типу цирконієвого та спеченого корундів.
Будова зерна білого електрокорунду та легованих корундів на його основі, а також нормального електрокорунду визначається на стереоскопічному мікроскопі шляхом прорахунку 400 зерен проби та віднесення їх до однієї з наступних груп: монокристалів, щільних агрегатів, агрегатів, дендритів та дефектних(мечоподібним, пластинчастим) зернам; для нормального електрокорунду додатково проглядаються зерна шлаку та феросплаву.
До монокристалів відносять окремі кристали корунду та їх уламки, іноді містять газові або мінеральні включення, до щільних агрегатів -зерна, що складаються з декількох (двох-трьох) кристалів корунду, щільно примикають один до одного без прошарків між ними будь-яких мінеральних фаз; до агрегатів-зерна, що складаються з кількох кристалів корунду, зцементованих прошарками мінеральних фаз.
При аналізі нормального електрокорунду до агрегатів відносять також зростки з кристалів корунду у проростанні з гексалюмінатом кальцію, анортитом та іншими мінералами; до дендритів - ізометричні зерна корунду з помітними площинами ромбоедра всередині або на зовнішній поверхні; до дефектних зерен корунду - зерна, що мають неправильну подовжену (мечоподібну) або пластинчасту форму; до шлаку та феросплаву — зерна, що складаються з 75 % скла та інших мінералів та феросплавів. Зміст зерен різної будови виражається у відсотках по відношенню до загальної кількості зерен.
Кристалічна будова основних електрокорундових матеріалів представлена нижче в таблиці: