СОСТАВ ДЛЯ ПРОПИТКИ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА
COMPOSITION FOR IMPREGNATION OF ABRASIVE TOOL

Изобретение относится к области абразивной обработки, в частности к составам для пропитки абразивного инструмента, и может быть использовано в процессе изготовления и эксплуатации абразивных изделий, применяемых для шлифования различных сталей и сплавов.
Известен состав для пропитки абразивного инструмента, содержащий растворитель - воду и соли аммония (см. описание изобретения к авт.св. СССР №1349983, кл. B24D 3/34, 1986, бюл. №41).
Общими признаками с предлагаемым составом является использование соли аммония и воды в качестве растворителя. Известный состав в качестве соли аммония содержит роданид аммония и дополнительно буру и фторид щелочного металла. Использование роданида аммония приводит в результате термической деструкции к образованию в зоне резания соединений серы и аммиака. Использование известного состава приводит к засаливанию рабочей поверхности инструмента. Неэффективно применение известного состава при шлифовании со смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ) на водной основе вследствие вымывания импрегнатора из пор инструмента. Ограничено применение известного состава, т.к. у значительного количества сталей и сплавов при шлифовании образуются прижоги без использования СОЖ.
Известен состав для пропитки абразивного инструмента, принятый в качестве прототипа, содержащий водный раствор сульфата аммония (см. описание изобретения к авт.св. СССР №511197, кл. B24D 3/34, 1973, бюл. №15).
К недостаткам прототипа относятся несущественное повышение стойкости абразивного инструмента и качества обрабатываемой поверхности. При использовании известного состава образуются недостаточное количество химически активных элементов в зоне резания. Так же происходит засаливание рабочей поверхности инструмента при обработке абразивным инструментом, пропитанным известным составом. Не эффективно применение известного состава при шлифовании с СОЖ на водной основе вследствие высокой степени растворимости сульфата аммония в воде. Ограничено применение известного состава для обрабатываемых сталей и сплавов из-за возникновения на обрабатываемой поверхности шлифовальных прижогов и высокой концентрации вредных веществ в рабочей зоне.
Технической задачей предлагаемого решения является увеличение стойкости абразивного инструмента и повышение качества обрабатываемой поверхности, применение абразивного инструмента при шлифовании с СОЖ на водной основе, снижение засаливания рабочей поверхности, расширение области возможного применения и снижение концентрации вредных веществ в рабочей зоне.
Техническая задача решается тем, что состав для пропитки абразивного инструмента, содержащий водный раствор сульфата аммония, дополнительно содержит бромид аммония и поливиниловый спирт при следующем соотношении компонентов, масс.%:
сульфат аммония
6-9
бромид аммония
3-4
поливиниловый спирт
3-5
вода
остальное
Сульфат аммония (СА) при температуре выше 235°C разлагается с образованием аммиака, при дальнейшем увеличении температуры образуются оксиды серы. Бромид аммония (БА) начинает разлагается на аммиак и бромоводород при нагревании до температуры выше 390°C. Оба вещества малоопасны и хорошо растворяются в воде.
2
Поливиниловый спирт (ПВС) является распространенным водорастворимым полимером, используемым в химической промышленности для производства волокон и пленок. При температуре выше 150°C ПВС дегидрируется, вследствие чего теряет свою растворимость в воде. На воздухе при 220°C ПВС необратимо разлагается с выделением CO, CO и уксусной кислоты. Водные растворы ПВС нетоксичны.
В процессе шлифования в зоне контакта развиваются высокие температуры. В результате воздействия этих температур (выше 220°C) вещества, входящие в состав импрегнатора, распадаются с энергичным выделением газовой фазы. Как известно газовая среда имеет высокую проникающую способность и химическую активность. В зоне контакта в большом количестве создается активная газовая среда из различных элементов (аммиак, углекислый газ, оксид углерода, оксиды серы, бромоводород), которые интенсивно взаимодействуют со свежеобразованными ювенильными поверхностями с образованием сульфидов, нитридов, бромидов и карбидов металла, тем самым экранируя адгезионное взаимодействие между абразивным зерном и металлом.
Сульфиды образуют пленки с малым сопротивлением сдвигу. Нитриды являются эффективными высокотемпературными смазками, а при низких температурах обладают высокой хрупкостью и твердостью и совместно с карбидами металлов облегчают переход от вязкого течения металла к его хрупкому разрушению, снижая тем самым работу диспергирования металла.
Неоднозначное влияние на процесс резания оказывает находящийся в зоне контакта абразивного зерна с металлом атмосферный кислород. Оказывая экранирующее действие при контакте абразивного зерна с металлом, ввиду своей высокой химической активности блокирует образование других соединений. При этом окислы обладают высокими коэффициентами трения в отличие от сульфидов металла, поэтому целесообразнее уменьшить концентрацию кислорода и степень его влияния.
Использование БА позволяет снизить воздействие кислорода. Так, при шлифовании БА разлагается с выделением бромоводорода, который взаимодействует с кислородом с образованием воды и брома. Так же бромоводород раскисляет окислы металлов, в результате чего образуются бромиды металлов. Связывание кислорода происходит и при разложении ПВС, в результате чего образуются оксиды углерода. В совокупности данные процессы позволяют снизить влияние атмосферного кислорода. Пленки из бромида железа имеют более низкую температуру плавления, чем оксидные, и менее прочны.
Важнейшую роль образовавшиеся бромиды металлов играют при шлифовании с СОЖ на водной основе. Большинство бромидов металлов (Fe, Ni, Cr) растворимы водой, таким образом, при шлифовании СОЖ будет вымывать из пор абразивного инструмента образовавшиеся бромиды, снижая тем самым засаливание рабочей поверхности, что в свою очередь обеспечивает лучшие условия размещения стружки, увеличивая стойкость абразивного инструмента и повышая качество обработанной поверхности. Карбиды, нитриды, сульфиды и оксиды металлов в воде нерастворимы, соответственно только наличие бромидов обеспечит вымывание шлама вместе с нерастворимыми соединениями из пор абразивного инструмента.
В предлагаемом составе в результате взаимодействия аммиака и бромоводорода с металлами образуется побочный продукт - водород, который находится в зоне контакта в условиях высоких давлений и температур. Металл поглощает водород внутрь объемной фазы, следствием этого является его приповерхностная неоднородность, образуются микроучастки металла с растворенной газовой составляющей, т.е. возникает водородная хрупкость. Это приводит к уменьшению силы диспергирования металла и снижению нагрузки на зерно, тем самым увеличивая стойкость абразивного инструмента. Ввиду быстродействия процесса шлифования и использования СОЖ данный механизм протекает только на поверхностных пленках, не затрагивая основной металл.
Применение водорастворимого полимера обеспечивает легкость введения в поры абразивного инструмента импрегнатора. В процессе высыхания и дегидрации образуется пленка ПВС с равномерно распределенными по поверхности зерен веществами. Пленки ПВС обладают высокой адгезией к материалам, что обеспечивает крепкое удержание веществ на зернах в процессе эксплуатации инструмента. Температура начала термического разложения ПВС (220°C) немного меньше температуры разложения применяемых солей аммония (выше 235°C), что является несомненным преимуществом. С одной стороны сохраняются защитные свойства пленки ПВС вплоть до критической температуры начала процесса разложения солей аммония, с другой стороны начавшийся процесс термической деструкции ПВС освобождает частицы СА и БА, не мешая их разложению.
Многие металлы и сплавы склонны при шлифовании к образованию трещин и прижогов на обрабатываемой поверхности. Шлифование таких материалов без охлаждения крайне затруднено. Введение в состав ПВС позволяет применять пропитанный абразивный инструмент при шлифовании с СОЖ на водной основе, что значительно расширит область возможного применения импрегнированного инструмента. Кроме того применение при шлифовании СОЖ увеличивает стойкость абразивного инструмента и качество обрабатываемой поверхности.
При шлифовании известным составом в рабочей зоне в результате термической деструкции сульфата аммония накапливаются вредные вещества - аммиак и оксиды серы. Важным преимуществом предложенного состава является снижение концентрации вредных веществ в рабочей зоне посредством применения при шлифовании СОЖ на водной основе, т.к. выделяющиеся основные вредные вещества (аммиак, оксиды серы, бромоводород), не вступившие в реакции взаимодействия, растворяются в воде, не причиняя вред обслуживающему персоналу.
Техническое решение позволяет за счет синергетического эффекта использования предложенных веществ в составе увеличить стойкость абразивного инструмента, повысить качество обрабатываемой поверхности, снизить засаливание рабочей поверхности инструмента, расширить область возможного применения и уменьшить концентрацию вредных веществ в рабочей зоне.
Импрегнирование абразивного инструмента реализуется следующим образом.
Поливиниловый спирт с молекулярной массой 77000-100000 растворяют в воде в диапазоне 3-5% от массы растворителя, при температуре растворителя 40-50°С. В полученный раствор вносят навеску сульфата аммония (6-9%) и бромистого аммония (3-4%), тщательно перемешивают в течение пяти минут. Процесс импрегнирования производится методом свободного капиллярного поднятия, для чего абразивный инструмент медленно опускают в раствор на половину высоты абразивного инструмента и оставляют в растворе не менее трех минут. Далее импрегнированный абразивный инструмент высушивают в печи при температуре 80-90°C в течении 4-5 часов и для дегидрации поливинилового спирта 45 - 60 минут выдерживают при температуре 160-170°С. После сушки инструмент готов к применению.
Количество импрегнатора в круге характеристики 200×20×76 25AF60I7V (25А25М27К5) в результате пропитки и сушки составляет 2-3,5% от массы круга при концентрации состава 12-18 масс.%.
Испытания пропитанных кругов проведены на станке 3Г71. Режимы шлифования: скорость круга 25 м/с, скорость стола 10 м/мин, глубина шлифования 0,02 мм/дв.ход. Шлифуемый материал - нержавеющая сталь 10Х18Н9. Шлифование выполняли без охлаждения и с охлаждением содовым раствором (0,2% кальцинированной соды). В аналогичных условиях были проведены испытания кругов, пропитанных известным составов.
Эффективность работы абразивного инструмента оценивают коэффициентом шлифования и шероховатостью обработанной поверхности. Экспериментальные данные представлены в таблице.
Лучшие результаты получены при концентрации СА в растворе 6-9 масс.% и БА 3-4 масс.% (образец №1, 2, 3). При концентрации в растворе солей аммония менее 9 масс.% эффект от применения незначителен (образец №8). Повышение концентрации солей аммония в растворе более 13 масс.% отрицательно влияет на процесс шлифования, т.к. ухудшает условия размещения стружки в порах круга (образец №7).
При содержании в растворе БА менее 3 масс.% его влияние не существенно (образец №4), увеличение же концентрации в растворе более 4 масс.% приводит к ухудшению качества обрабатываемой поверхности (образец №5). Содержание в растворе ПВС ограничено диапазоном 3-5 масс.%, ввиду того что при концентрации более 5%, повышается вязкость раствора, ухудшая тем самым проникающую способность состава при импрегнировании кругов. При концентрации ПВС в растворе менее 3 масс.% образуются слишком тонкие пленки, не способствующие повышению эксплуатационных свойств абразивного инструмента (образец №6).
Данные таблицы подтверждают эффективность использования разработанного состава в качестве импрегнатора абразивного инструмента. Использование импрегнирующего состава, содержащего неорганические соли аммония с ПВС, позволило повысить качество обработанной поверхности на 20-30% по сравнению с кругами, пропитанными известным составом. Также шлифование инструментом, пропитанным разработанным составом, приводит к повышению коэффициента шлифования в 1,5 раза по сравнению с известным составом.
Однако более значимые результаты показывает сравнение прототипа и предлагаемого импрегнатора с применением в процессе шлифования охлаждения водным раствором соды. Вследствие вымывания известного состава потоком СОЖ на водной основе его эффективность значимо снижается. Так, качество обработанной поверхности с использованием в качестве импрегнатора смесь неорганических солей аммония с ПВС при прочих равных условиях увеличилась на 60%, коэффициент шлифования - более чем в 2 раза.
Таблица
Скорость стола, м/мин
Образец №
Содер-
10
10 (с охлаждением)
Импрегнатор
жание, масс.
Шерохова-
Коэффициент
Шерохова-
Коэффициент
%
тость
шлифо-
тость
шлифо-
Ra, мкм
вания
Ra, мкм
вания
СА
9
БА
4
1
ПВС
5
2,8
4,3
2,7
5,1
Вода
82
СА
7
БА
4
2
ПВС
5
2,7
4,5
2,5
5,2
Вода
82
СА
6
БА
3
3
ПВС
3
2,9
4,2
2,6
4,8
Вода
88
СА
9
БА
2
4
ПВС
5
3,2
3,0
2,6
4,8
Вода
86
СА
9
БА
5
5
ПВС
5
3,4
4,4
2,7
5,0
Вода
81
СА
9
6
БА
4
ПВС
2
2,7
4,5
2,7
4,6
Вода
85
СА
10
7
БА
5
ПВС
5
3,1
4,4
2,8
4,5
Вода
80
СА
5
о
БА
3
8
ПВС
5
3,2
3,8
3,0
3,6
Вода
87
прото-
СА
13
тип
Вода
87
3,4
3,2
4,0
2,2
прото-
СА
9
тип
Вода
95
3,6
3,0
4,2
2,1