انواع ذرات ساینده در صفحه سنگ های فیبری

Admin
16:23
2023/07/31
مقالات

ترکیب صفحه سنگ فیبری ساب و برش

ذرات ساینده در صفحه سنگ های فیبری، افزودنی‌ها و عامل اتصال ترکیبات اصلی صفحه سنگ فیبری هستند. ذرات ساینده از مواد فوق سخت تشکیل شده‌اند. عملیات ساب و برش بر روی سطوح مواد از جمله فلزات، آلیاژها و انواع سنگ‌ها، به عنوان قطعه‌کار انجام می‌شود. بنابراین مواد ساینده باید بسیار سخت و مقاوم‌تر از قطعه متقابل باشند. این موضوع نشان می‌دهد که نیروی اصطکاک ایجاد شده، تاثیر کمی بر روی آنها می‌گذارد.

ذرات ساینده را می‌توان از مواد طبیعی یا سنتزی تهیه کرد. سخت‌ترین ماده ساینده‌ای که بشر تاکنون کشف کرده، الماس است. ذرات ساینده در انواع مختلفی از ابزار آلات ساب و برش، همانند صفحات ساب، صفحات برش، سنباده‌ها، پولیش کننده‌ها، سنگ‌های تراش (Honing Ston)، گلوله‌های آسیاب و … به کار می‌روند. همچنین این ذرات در صنایع دیگری همچون صنعت نسوزها، دیرگدازها و الکترونیک نیز کاربرد دارند.

ذرات ساینده را می‌توان به دو دسته کلی ذرات ساینده‌های متداول و سوپر ساینده‌ها تقسیم‌بندی کرد. از مهم‌ترین ذرات ساینده با کاربرد عمومی و متداول، می‌توان به آلومینا و سیلیکون کارباید اشاره کرد، در حالی که الماس و کربونیترید بور(CBN) خاصیت سوپرسایندگی دارند. سوپرساینده‌ها به وسیله سختی و مقاومت به سایش بسیار بالای آنها شناخته می‌شوند.

انواع ذرات ساینده در صفحه سنگ های فیبری

آلومینا

اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) یا کوراندوم دارای ساختار کریستالی است و عموما با نام آلومینا شناخته می‌شود. آلومینا در بین مواد ساینده طبیعی، یک عنصر فعال است و در سنگ‌های قیمتی همانند یاقوت کبود و لعل وجود دارد. آلومینا دارای پنج ساختار α، β، γ، δ و ε است. از لحاظ کاربرد، آلومینای آلفا (α-Al₂O₃) با ساختار کریستالی رومبوهیدرال مهمترین و پرکاربردترین نوع آلومینا است. خواص فیزیکی و مکانیکی ذرات ساینده آلومینای آلفا در جدول زیر قابل مشاهده است.

دانسیته	3.97 g/cm³
سختی نوپ	21-24 GPa
تافنس شکست	2.2 MPa.m^1/2
نقطه ذوب	2027 C
پایداری حرارتی	تا 1750
رسانش حرارتی	35 W/m.K

در صنعت، انواع مختلفی از آلومینای آلفا با ترکیبات شیمیایی مختلف تولید و مصرف می‌شود، که در زیر انواع آن آمده است.

آلومینای ذوبی شامل:
- آلومینای قهوه‌ای Brown Fused Alumina – (که با عناوین آلومینای ذوبی قهوه‌ای، BFA، آلومینای نیمه‌شکننده و آلومینیای عادی نیز شناخته می‌شود)
- آلومینای سفید White Fused Alumina – (که به عنوان آلومینای ذوبی سفید خالص شناخته می‌شود)
- آلومینای صورتی Pink Fused Alumina
- آلومینای یاقوتی
- آلومینا-زیرکونیا Alumina – Zirconia
- آلومینای مونو کریستال (که به عنوان آلومینای تک کریستال نیز شناخته می‌شود)
- آلومینای میکرو کریستال
آلومینیای زینتر شده
آلومینای سل-ژل

مورفولوژی و اندازه ذرات آلومینا به نوع آن بستگی دارد. مثلا آلومینای صورتی، ظاهری با موروفولوژی بلوکی، لبه‌های تیز و عموما با اندازه دانه 750 میکرون دارد. همچنین آلومینا-زیرکونیا اندازه دانه‌های کوچکتری دارد، در حالی که اندازه ذرات برای آلومینای سل-ژل به 500 نانومتر می‌رسد. انوع دیگر آلومینای ذوبی با مورفولوژی‌های بلوکی، کروی، تیز، کشیده شده و بدون شکل در اندازه‌های مختلف قابل تهیه است.

انواع مختلف آلومینای ذوبی خواص متنوعی از سختی و شکنندگی دارند. تیتانیا و اکسید کروم، تافنس (چقرمگی شکست) را افزایش می‌دهند در حالیکه اکسید سدیم اثری منفی بر تافنس دارد چون پایدارکننده آلومینای بتا است. آلومینای پلی کریستال، به دلیل اندازه ذرات کوچک‌تر (مرز دانه بیشتر) تافنس و سختی بالایی دارد (در اینجا منظور از مرزدانه، مرزِ دانه‌های کریستال است، نه مرز بین ذرات). مرزدانه بیشتر، از رشد میکرو ترک‌ها جلوگیری کرده و به وسیله همین مکانیزم تافنس افزایش پیدا می‌کند. به طور کلی آلومینا چهارمین ساینده از نظر سختی نوپ در بین همه مواد است (الماس، کربونیترید بور، سیلیکون کارباید در رده اول تا سوم قرار دارند). سختی آلومینا از Kgf/mm²2100-2400 برای آلومینا ذوبی خالص ( آلومینای سفید)، تا 1600 Kgf/mm² برای آلومینا-زیرکونیا متغییر است. استحکام فشاری آلومینای ذوبی در حدود 570 N/mm²است.

در جدول زیر ترکیب شیمیایی انواع آلومینا و سختی آنها آمده است.

	Al₂O₃ (%)	Na₂O (%)	Cr₂O₃(%)	TiO₂(%)	SiO₂(%)	Fe₂O₃(%)	عناصر دیگر	سختی (HK)
آلومینای قهوه ای	96.1	–	–	2.70	0.67	0.11	–	2100
آلومینای سفید	99.8	0.2	–	–	–	–	–	2000-2160
آلومنیای صورتی	99.5	0.2	0.25-0.3	–	0.05	0.03	–	2160
آلومینیا یاقوتی	97.4	0.2-0.26	2-2.1	–	0.01	0.08	–	2150
آلومینیای مونو کریستالی	99.3	0.09	–	0.3-0.6	–	–	–	–
آلومینیا- زیرکونیا (40 درصد وزنی)	59-60	0.09	–	0.15-0.3	0.35	0.15	40 درصد زیرکونیا و 0.8 درصد ایتریا	1600-1700
آلومینا زیرکونیا (25 درصد وزنی)	75	0.08	–	0.1	0.3	0.3	23-25 درصد زیرکونیا	1450

در شکل زیر تصاویر ذرات آلومینای ذوبی سفید، آلومینای ذوبی قهوه‌ای، آلومینای ذوبی صورتی و زیرکونیا-آلومینای ذوبی قابل مشاهده است.

سیلیکون کارباید (SiC)

کربوراندوم یا سیلیکون کارباید، به صورت هگزاگونال (α-SiC) در مواد ساینده استفاده می‌شود. این ماده ساینده دارای 70 درصد وزنی سیلسیم و 30 درصد وزنی کربن است. در واقع هر اتم کربن توسط چهار اتم سیلسیم احاطه شده است. به طور کلی سیلیکون کارباید به صورت دو ساختار هگزاگونال (α-SiC) و مکعبی (β-SiC) وجود دارد. خواص فیزیکی و مکانیکی سیلیکون کارباید آلفا در جدول زیر قابل مشاهده است.

دانسیته	3.21 g/cm³
سختی نوپ	24-26 GPa
تافنس شکست	3.1 MPa.m^1/2
نقطه ذوب	2027 C
پایداری حرارتی	تا 1500
رسانش حرارتی	W/m.K 100

سیلیکون کارباید به عنوان اولین ماده ساینده سنتزی شناخته میشود. دو نوع اصلی سیلیکون کارباید در زیر آمده است که به وسیله رنگ متفاوت، از هم متمایز می‌شوند.

سیلیکون کارباید سبز که دارای خلوص بالاتر است و عمدتا در صفحات ساب با دقت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سیلیکون کارباید سیاه که تافنس بالاتری دارد و عموما برای ساب‌زنی زبر (rough grinding) استفاده می‌شود.

از لحاظ مورفولوژی، سیلیکون کارباید همانند آلومینا دارای مورفولوژی‌های مختلفی اعم از بلوکی، کروی، کشیده، تیز و بی‌شکل است. سیلیکون کارباید آلفا در صورت خالص بودن، بی‌رنگ است، اما در صورت ورود ناخالصی همانند نیتروژن به ساختار آن، به رنگ سبز یا زرد در می‌آید. ورود آلومینیوم یا بور به ساختار کریستالی سیلیکون کارباید آن را به رنگ سیاه متمایل می‌سازد.

کاربید سیلیسیم عموما دارای سختی نوپ 21 تا 29 گیگاپاسکال است. در صورتی که این ماده به عنوان یک ساینده استفاده شود، سختی آن به بازه 26-24 گیگاپاسکال محدود می‌شود. ناخالصی‌های موجود در سیلیکون کارباید سیاه تاثیر منفی شدیدی بر تافنس ذرات ندارد. سیلیکون کارباید سبز شکنندگی بالاتری نسبت به سیلیکون کارباید سیاه دارد، درحالی که سختی بالاتری نسبت به آن دارد. استحکام فشاری سیلیکون کارباید در حدود 2950 N/mm²است. در جدول زیر ترکیب شیمیایی انواع سیلیکون کارباید آمده است.

	SiC (%)	C (%)	Si (%)	Fe (%)	سایر عناصر
سیلیکون کارباید سبز	99.3-99.6	0.05-0.5	0.01-0.3	0.01-0.1	نیتروژن حدود 0.001 درصد
سیلیکون کارباید سیاه	98.8-99.3	0.15-0.4	0.1-0.4	0.01-0.5	آلومینیوم یا اکسید آلومینیوم

در شکل زیر تصویر ذرات سیلیکون کارباید سبز و سیاه قابل مشاهده است.

سوپر ساینده‌ها

الماس و کربونیترید بور دو عضو اصلی گروه سوپرساینده‌ها هستند. الماس به عنوان سخت‌ترین مادهای که بشر تاکنون کشف کرده، شناخته میشود. این ویژگی آن را به عنوان ایده‌آل‌ترین ماده برای ساینده ها معرفی می‌کند. ذرات الماس (الماس سنتزی، که تحت شرایط دمایی و فشار خاصی تولید می‌شود) اگر به عنوان ذرات ساینده به ابزار الات برش اضافه شود، بازدهی برش آنها به شدت افزایش می‌یابد. ابزارآلات برش ساخته شده با ذرات ساینده الماس سنتزی، دارای مقاومت سایشی بسیار بالا و عمری طولانی هستند. این ویژگی مباحث قیمتی را برای ساینده‌ها بسیار جذابتر کرده است. ابزار برش ساخته شده با الماس، ذرات گرد و غبار بسیار کمی تولید می‌کند، در حالی که سایر ساینده‌ها چنین ویژگی ندارند.

کربونیترید بور به عنوان دومین ماده سخت، بعد از الماس قرار دارد. این ماده قابلیت تحمل دمای بسیار بالا را به خوبی دارد. همچنین در ابزارالات برش با سرعت بالا بسیار پرکاربرد است. با در نظر گرفتن مباحث بازدهی و قیمت، این ماده نسبت به الماس برتری دارد.

هر دوی الماس و کربونیترید بور در صفحه سنگ‌ فیبری استفاده نمی‌شوند، اما در دسته ساینده‌ها جای دارند. احتمالا در آینده با کشف روش‌های سنتز مقرون به صرفه، این مواد صنعت سنگ‌های فیبری را دگرگون نمایند.

استفاده از ساینده ها در صنعت سنگ های فیبری

در صنعت صفحه سنگ‌های فیبری، ذرات ساینده نقش اساسی را بر عهده دارند. از مهمترین این ذرات می‌توان به آلومینای ذوبی سفید، آلومینای ذوبی قهوه ای، آلومینیا-زیرکونیا و سیلیکون کارباید اشاره کرد. این ذرات عموما دارای اندازه ذرات مشخصی هستند که به وسیله عدد مش (که از مقدار آن می‌توان قطر دانه‌ها را به دست آورد) مشخص می‌شود. عمدتا برای ساب و برش از F24 تا F60 (اندازه مش 24 تا مش 60) استفاده می‌کنند.

سیلیکون کارباید بالاترین سختی را دارد در حالی تافنس آن نسبت به همه اَشکال آلومینا پایینتر است. در بین انواع مختلف آلومینا، آلومینای سفید دارای بالاترین سختی و کمترین تافنس نسبت به سایرین است. آلومینای قهوه‌ای در رده بعدی قرار دارد. آلومینا-زیرکونیا دارای کمترین سختی و بالاترین چقرمگی شکست (تافنس) است. این ویژگی باعث استفاده از آن در کنار آلومینای سفید در صفحات ساب می‌شود.

به طور کلی در انتخاب ذرات ساینده، اولین انتخاب سیلیکون کارباید است چراکه بالاترین سختی را دارد. اما به دلیل واکنش سیلیکون کارباید با عناصر موجود در فلزات و آلیاژها، بازدهی آن به شدت پایین می‌آید. مثلا در اثر واکنش با سطح فولاد (که کربن آن در ساختار است)، عملیات ساب و برش به خوبی انجام نمی‌شود، در حالی که اگر همین ذرات ساینده برای ساب و برش چدن‌ها استفاده شود ( به دلیل آزاد بودن کربن در ساختار)، بازدهی بالاتری نسبت به آلومینا دارد. برای برش مصنوعات سنگی ازجمله، سنگ تراورتن، مرمریت، لایم استون بتن، آسفالت، سرامیک و… سیلیکون کارباید بهترین نتیجه را در پی دارد.

در سایر موارد انتخاب اول آلومینای سفید است. به طور مثال آلومینای سفید بهترین انتخاب برای ساب و برش فولادهای زنگ نزن است. آلومینای قهوه‌ای برای صفحات ساب ممکن است بهترین انتخاب باشد. آلومینای قهوه ای از لحاظ قیمتی نسبت به آلومینای سفید برتری دارد و در بسیاری از موقعیت‌ها توان رقابت با آلومینای سفید را دارد. در صفحات فیبری مهندسی شده، از ترکیب آلومینای سفید و قهوه‌ای با دانه‌بندی مشخص استفاده می‌کنند.

در هنگام استفاده از صفحه سنگ‌ها اطلاعات مربوط به نوع ذرات ساینده بر روی آن درج می‌شود. مثلا WA مربوط به آلومینای سفید، A مربوط به آلومینای قهوه‌ای، C مربوط به سیلیکون کارباید و ZA مربوط به آلومینا-زیرکونیا است. در شکل زیر تصویر صفحه سنگ کومودو و نوع ذرات ساینده به کار رفته در آن مشخص است (WA نشان‌دهنده آلومینای سفید است).