Członkom rodzin Krzos i Roznerskich

Jan Krzos

Projekt okładki i stron tytułowych Przemysław Spiechowski

Ilustracja na okładce Selezneva Olga/shutterstock

Wydawca Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji Adam Kowalski

Redaktor Maria Kasperska

Produkcja Mariola Grzywacka

Dział reklamy Magdalena Bystrzycka (magdalena.lewocka@pwn.pl)

Dział marketingu marketing.pwn@pwn.pl

Recenzenci prof. dr hab. inż. Krzysztof Nadolny Politechnika Koszalińska

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2025

ISBN 978-83-01-24432-3

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2025 r. (Wydanie I)

Warszawa 2025

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A. Michał Latusek

Fragment

Od autora

Przedmowa

1. Materiały ścierne naturalne

1.1. Wprowadzenie

1.2. Diament (D)

1.3. Korund (AN)

1.4. Szmergiel (N)

1.5. Granat (G)

1.6. Kwarc

1.7. Krzemień (KM)

1.8. Zastosowanie naturalnych materiałów ściernych

2. Materiały ścierne syntetyczne

2.1. Elektrokorund

2.1.1. Elektrokorund zwykły (95A)

2.1.2. Elektrokorund półszlachetny (97A)

2.1.3. Elektrokorund szlachetny (99A)

2.1.4. Elektrokorund chromowy (CrA)

2.1.5. Elektrokorund tytanowy (TiA)

2.1.6. Elektrokorund cyrkonowy (ZrA)

2.1.7. Korundy spiekane

2.1.8. Elektrokorund pęcherzykowy (sferyczny)

2.1.9. Monokorund (32A)

2.2. Węglik krzemu

2.2.1. Węglik krzemu czarny (98C)

2.2.2. Węglik krzemu zielony (99C)

2.3. Diament syntetyczny

2.3.1. Rodzaje i właściwości diamentu syntetycznego

2.3.2. Spieki diamentowe

2.4. Regularny azotek boru

2.4.1. Wprowadzenie

2.4.2. Charakterystyka regularnego azotku boru (CBN)

2.4.3. Gatunki CBN stosowane do produkcji ściernic

2.4.4. Właściwości chemiczne i fizykomechaniczne CBN

2.4.5. Szlifowanie z zastosowaniem ziaren CBN

2.5. Azotkotlenek glinu (AlON)

3. Geometria ziaren ściernych

3.1. Kształt i wymiary ziaren ściernych

3.2. Geometria ziaren ściernych CBN i submikrokrystalicznego korundu spiekanego

3.3. Znaczenie kształtu i geometrii ziarna ściernego

3.4. Granulacja ziaren ściernych

3.4.1. Granulacja tradycyjnych ziaren ściernych

3.4.2. Granulacja ziaren supertwardych

3.5. Ogólne zasady doboru granulacji ziaren narzędzi ściernych

4. Narzędzia ścierne spojone

4.1. Oznaczanie narzędzi ściernych

4.2. Znaczenie twardości ściernic

4.3. Obróbka narzędziami ściernymi spojonymi

4.4. Zasady doboru ściernicy do szlifierki stołowej

4.5. Obróbka ściernicami trzpieniowymi

4.6. Mechanizm zużywania się ziaren i ściernic

4.7. Kształtowanie i ostrzenie ściernic

4.8. Rozwiązywanie typowych problemów szlifierskich podczas obróbki ściernicą spojoną

4.9. Bezpieczeństwo w użytkowaniu spojonych narzędzi ściernych

5. Narzędzia ścierne nasypowe

5.1. Wytwarzanie wyrobów ściernych nasypowych

5.2. Taśmy ścierne bezkońcowe

5.3. Arkusze, krążki i walce ścierne

5.4. Tarcze listkowe nasadzane i trzpieniowe

5.5. Tarcze fibrowe

5.6. Minikrążki ścierne

5.7. Narzędzia ścierne włókninowe

5.8. Linka szlifierska

5.9. Przechowywanie i eksploatacja narzędzi ściernych nasypowych

5.10. Ogólne zasady BHP podczas szlifowania narzędziami ściernymi nasypowymi

6. Użytkowanie szczotek technicznych

7. Znaczenie spoiwa w procesie obróbki ściernicami ceramicznymi

7.1. Spoiwa stosowane w ściernicach spojonych

7.2. Technologia wytwarzania tradycyjnego spoiwa ceramicznego

7.3. Procesy wykruszania spoiwa

7.3.1. Doraźne pękanie mostków spoiwa

7.3.2. Zmęczeniowe pękanie mostków spoiwa

7.4. Nowoczesne spoiwo ceramiczne do narzędzi spojonych

7.4.1. Budowa ściernicy ceramicznej

7.4.2. Istota spoiw szklanokrystalicznych

7.4.3. Zastosowanie spoiw szklanokrystalicznych

7.5. Nowa koncepcja budowy ściernicy z ziarnami mikrokrystalicznymi

8. Obróbka ścierna podstawowych metalowych materiałów konstrukcyjnych

8.1. Szlifowanie stali węglowych i żeliwa narzędziami nasypowymi

8.2. Szlifowanie tytanu i jego stopów

8.3. Szlifowanie stali nierdzewnej

8.3.1. Podstawowe informacje o stali nierdzewnej

8.3.2. Zasady obróbki ściernej stali nierdzewnych

8.3.3. Najczęściej stosowane narzędzia ścierne do obróbki stali nierdzewnych

8.3.4. Szlifowanie stali nierdzewnych ściernicami z ziarnami regularnego azotku boru

8.3.5. Proste sposoby konserwacji stali nierdzewnej

8.4. Szlifowanie metali nieżelaznych narzędziami ściernymi nasypowymi

9. Gładzenie i dogładzanie powierzchni

9.1. Gładzenie

9.2. Dogładzanie oscylacyjne

10. Docieranie i polerowanie metali

11. Elektronarzędzia do ręcznego szlifowania i polerowania metali

11.1. Szlifierki taśmowe

11.2. Zastosowanie szlifierek kątowych

11.3. Szlifierki proste

11.4. Szlifierki oscylacyjne

11.5. Szlifierki mimośrodowe

12. Ręczne urządzenia z napędem pneumatycznym do obróbki ściernej metali

13. Znaczenie płynów chłodząco-smarujących w procesach ręcznej obróbki ściernej metali

14. Doskonalenie narzędzi ściernych

14.1. Nasycanie narzędzi ściernych spojonych

14.1.1. Znaczenie impregnacji ściernic

14.1.2. Impregnowane ziarnami ściernymi włókninowe ściernice zwijane

14.1.3. Impregnowanie pierwiastkami niemetalicznymi

14.1.4. Impregnowanie silikonem

14.2. Aktywne warstwy spoiwa narzędzi nasypowych

14.2.1. Warstwa stearynianowa

14.2.2. Powłoka antystatyczna

14.2.3. Warstwa ACT – Advanced Coating Technology

14.2.4. Warstwa aktywna Multi

15. Prognoza rozwoju obróbki ściernej

Spis literatury

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Od autora

Tematyka książki może zainteresować praktyków i teoretyków zajmujących się obróbką ścierną i pracujących w takich zawodach jak ślusarz, mechanik samochodowy, hydraulik, monter maszyn i urządzeń. Wiadomości zawarte w książce mogą być przydatne także dla pracowników działów remontowych i warsztatów naprawczych. Z książki mogą korzystać nauczyciele teorii i praktyki uczący w szkołach branżowych i technikach o profilu mechanicznym.

Dziękuję recenzentowi mojej książki prof. dr. hab. inż. Krzysztofowi Nadolnemu za cenne uwagi dotyczące treści książki oraz tym wszystkim osobom, które przyczyniły się do jej wydania w obecnym kształcie.

Pragnę także podziękować panu Sławomirowi Pinkasowi – redaktorowi naczelnemu „Gazety Narzędziowej” i właścicielowi strony „Portal Narzędzi” za wyrażenie zgody na wykorzystanie ilustracji będących w zasobach archiwum redakcyjnego.

Wszelkie uwagi na temat książki można kierować na adres poczty: krzosjan@wp.pl.

Kołobrzeg, styczeń 2025

Autor

Przedmowa

Prezentowana książka przeznaczona jest dla osób zajmujących się obróbką ręczną metali za pomocą narzędzi ściernych. Każdy praktyk powinien znać podstawowe materiały i narzędzia oraz sposoby ich użytkowania i na bieżąco interesować się nowymi technologiami obróbki.

W obróbce ściernej daje się w ostatnich latach zauważyć duży postęp. Autor starał się w niniejszej książce ująć najnowszą wiedzę i osiągnięcia z tego zakresu. Cechą wyróżniającą tę książkę, zdaniem autora, jest duża liczba unikatowych fotografii wykonanych z wykorzystaniem mikroskopu elektronowego – do tej pory w większości niepublikowanych.

Książka składa się z 15 rozdziałów. W dwóch pierwszych są opisane materiały ścierne naturalne i syntetyczne. Dokładniej przedstawione są nowoczesne materiały otrzymywane na bazie korundów spiekanych oraz materiały supertwarde. Trzeci rozdział dotyczy geometrii ziaren ściernych, tj. kształtów i ich wymiarów oraz znaczenia tej geometrii dla efektów pracy szlifierskiej. Z kolei w rozdziałach czwartym, piątym i szóstym są omówione najczęściej używane narzędzia ścierne spojone i nasypowe oraz rodzaje i zastosowanie szczotek technicznych. W rozdziale siódmym scharakteryzowane są spoiwa do narzędzi ściernych spojonych oraz ich nowoczesnych odmian – spoiw szklanokrystalicznych – jako mających duże perspektywy rozwoju. W rozdziale ósmym są przedstawione technologie, narzędzia i główne parametry obróbki podstawowych metalowych materiałów konstrukcyjnych. Gładzenie, dogładzanie, docieranie i polerowanie to tematy dziewiątego i dziesiątego rozdziału Są to uniwersalne technologie stosowane do wykończenia powierzchni większości materiałów metalowych. W jedenastym i dwunastym rozdziale przybliżone są najczęściej spotykane i stosowane w firmach produkcyjnych i warsztatach naprawczych elektronarzędzia oraz urządzenia z napędem pneumatycznym. Umieszczono je w tym miejscu dlatego, że w mechanicznych zakładach pracy sieć sprężonego powietrza jest coraz częściej wykorzystywana. Znaczenie płynów chłodząco-smarujących w procesach obróbki ściernej jest objaśnione w rozdziale trzynastym. Zagadnieniom doskonalenia czynnej powierzchni ściernic ceramicznych i dodatkowych, aktywnych warstw spoiwa w narzędziach nasypowych jest poświęcony rozdział czternasty – jako technologiom z dużymi perspektywami rozwoju. W ostatnim piętnastym rozdziale książki są wymienione potencjalne kierunki rozwoju obróbki ściernej – według wizji kilku autorów.

Z uwagi na to, że w produkcji narzędzi ściernych wzrasta udział syntetycznego diamentu, regularnego azotku boru i ziaren mikrokrystalicznych, bardziej szczegółowo scharakteryzowano właściwości fizykochemiczne, rodzaje i zastosowanie tych nowoczesnych materiałów ściernych. Więcej miejsca poświęcono także właściwościom nowoczesnych ziaren ściernych wykonywanych na bazie korundów spiekanych.

Autor duży nacisk położył na wyjaśnienie fizycznych zjawisk zużycia ziaren i spoiwa, ponieważ uważa, że zrozumienie tych podstawowych zagadnień może przyczynić się do bardziej efektywnego wykorzystania – przez użytkownika – narzędzi ściernych w praktyce przemysłowej i warsztatowej.

W książce pominięto zagadnienia związane z obróbką strumieniowo-ścierną i w wygładzarkach pojemnikowych, ponieważ tematyka ta jest szczegółowo opisana przez dr. hab. inż. Kazimierza Woźniaka w kilku jego interesujących i obszernych publikacjach.

1. Materiały ścierne naturalne

1.1. Wprowadzenie

Ziarna ścierne stosowano już w starożytności. W okresie paleolitu i neolitu, czyli 25 do 15 tys. lat p.n.e. stosowano naturalne materiały ścierne do polerowania broni i narzędzi. Ówczesne szlifowanie polegało na ręcznym pocieraniu kamienia o kamień. Z kolei rozdrobnione kamienie i muszle morskie stosowano do obróbki szlifierskiej kamieni szlachetnych. Kruszywo w stanie związanym jako pierwsi zaczęli stosować Chińczycy w XII w. n.e. Muszle morskie spajali naturalnym kauczukiem. Z biegiem czasu kruszywo muszlowe zastąpiono mielonym szkłem i piaskiem, a następnie granatem. Korund naturalny po raz pierwszy zastosowano w XIX w. Ściernicę ze spoiwem ceramicznym wiążącym rozdrobniony korund naturalny wykonał w 1887 r. F.H. Norton. Koniec XIX w. to okres intensywnego rozwoju i postępu w produkcji narzędzi ściernych. W 1893 roku w Stanach Zjednoczonych otrzymano po raz pierwszy węglik krzemu i rozpoczęto produkcję sztucznych materiałów ściernych na większą skalę. Z kolei we Francji w 1894 r. wyprodukowano topiony w piecu elektrycznym tlenek glinu. Obecnie, chociaż w przemyśle produkcyjnym stosuje się narzędzia ścierne wykonane głównie na bazie sztucznych materiałów, naturalne materiały ścierne też znajdują zastosowanie.

Współczesny przemysł zgłasza duże zapotrzebowanie na coraz to twardsze i bardziej wytrzymałe materiały konstrukcyjne. Wzrastają też wymagania w zakresie dokładności wymiarowo-kształtowej i jakości powierzchni części maszyn. Obróbka tych nowoczesnych materiałów wymaga stosowania specjalnych narzędzi, w tym narzędzi szlifierskich. Zadania te z powodzeniem spełniają ziarna ścierne z materiałów supertwardych, tj. diamentu syntetycznego i regularnego azotku boru.

Główne zadanie usuwania naddatku obróbczego przez ścieranie wykonują ziarna ścierne. Aby ziarna te mogły skutecznie wykonywać swoją pracę, musi być zachowany warunek odpowiedniej relacji wzajemnej twardości materiałów. Twardość materiału ściernego musi być co najmniej 1,5–2,0 razy większa od twardości materiału obrabianego. Twardość jest więc podstawowym kryterium, które kwalifikuje daną substancję jako materiał ścierny. Materiały wybrane do produkcji narzędzi ściernych muszą mieć też odpowiednio wysoką temperaturę topnienia. W strefie kontaktu ziarna ściernego i materiału obrabianego podczas szlifowania często panuje temperatura zbliżona wartością do temperatury topnienia obrabianego materiału. Tak więc materiały na ziarna ścierne muszą mieć temperaturę topnienia wynoszącą co najmniej 1600°C. Takim warunkom odpowiada tylko ok. 1,5% wszystkich znanych związków nieorganicznych. Twarde związki składają się najczęściej z dwóch pierwiastków chemicznych. Stwierdzono, że teoretycznie jest ok. 3200 takich dwuatomowych związków chemicznych. Do tej pory zaledwie kilka z nich znalazło zastosowanie na skalę przemysłową. Są to głównie węgliki krzemu, elektrokorund, węglik boru i regularny azotek boru.

Podczas wyboru danego materiału ściernego do wytworzenia narzędzi ściernych należy zwrócić uwagę na wzajemne chemiczne powinowactwo między ścierniwem a obrabianym materiałem. Ścieranie się ziaren ściernych w wyniku zużycia chemicznego ma bardzo duży udział w całkowitym zużyciu ścierniwa przy szlifowaniu. Z tego względu bardzo twardy węglik boru jest mało przydatny jako materiał ścierny. Podczas szlifowania węglik boru wchodzi w intensywną reakcję z żelazem i ulega szybkiemu utlenianiu. Właśnie reakcje chemiczne przebiegające pomiędzy potencjalnym materiałem ściernym a materiałem obrabianym powodują, że wiele bardzo twardych pierwiastków i związków chemicznych nie znalazło zastosowania jako materiały ścierne. Jeszcze innym hamulcem w szerokim stosowaniu, zwłaszcza supertwardych materiałów ściernych, jest wysoki koszt ich wytworzenia. Dlatego ciągle dominującymi materiałami są węgliki krzemu i liczne odmiany elektrokorundu.

Tabela 1.1.
Podstawowe właściwości naturalnych materiałów ściernych

Materiał ścierny

Składnik podstawowy

Układ krystalograficzny

Twardość wg skali Mohsa

Gęstość [g/cm³]

Barwa

Diament

węgiel

regularny

10

3,48‒3,56

bezbarwny, szary, brunatny lub żółty

Korund

α-Al₂O₃

60‒90%

trygonalny

9

3,95‒4,10

przezroczysty o różnych odcieniach, nieprzezroczysty plamisty

Szmergiel

α-Al₂O₃

60%

trygonalny

8–9

3,85

ciemnoszary, ciemnoniebieski, czarny

Granat

Fe₃Al₂(SiO₄)₃

almandyn

regularny

7–7,5

4,25

czerwony, brunatnoczerwony, czarny

Kwarc

SiO₂

trygonalny

7

2,65

bezbarwny, mlecznobiały szary, przezroczysty

Krzemień

SiO₂

86-98%

trygonalny

7

2,58‒2,91

szary, brunatny

Ze względu na pochodzenie materiały ścierne można podzielić na materiały ścierne naturalne i sztuczne. Do naturalnych zaliczamy przede wszystkim diament, korund, szmergiel, kwarc, krzemień i granaty (tab. 1.1). Materiały ścierne sztuczne otrzymywane w procesach przemysłowych to diament syntetyczny, regularny azotek boru, węglik krzemu czarny i zielony, elektrokorund zwykły, szlachetny i jego modyfikacje.

1.2. Diament (D)

Nazwa pochodzi od greckiego słowa tłumaczonego jako „niepokonany” lub „niezniszczalny” i nawiązuje do wyjątkowej twardości minerału. Jest najtwardszym z minerałów spotykanych w przyrodzie. Pierwsze diamenty odkryto w Indiach w IV wieku p.n.e. i do początku XVIII wieku było to jedyne jego źródło; w tej chwili są to złoża na wyczerpaniu. Obecnie diamenty wydobywa się w Rosji (Jakucja, Ural), Australii, Republice Południowej Afryki, Brazylii. Spośród wydobywanych naturalnych diamentów tylko ok. 10‒20% ma cechy, które pozwalają wykorzystać je w jubilerstwie, pozostała część znajduje zastosowanie w przemyśle. Obok obróbki ściernej są wykorzystywane jako elementy w aparaturze naukowej i medycznej.

Wśród ciał występujących w przyrodzie diament ma najwyższą twardość. Pod względem chemicznym jest jedną z trzech odmian alotropowych węgla, obok grafitu i fulerenów. Jest kruchy (rozpryskuje się pod wpływem uderzenia), w postaci bezbarwnej zbudowany jest z czystego węgla. Często zawiera domieszki tlenków siarki, żelaza, magnezu, glinu lub wrostki grafitu albo innych minerałów (od 0,02‒5%). Diament spala się w temperaturze 800‒900°C na dwutlenek węgla. W atmosferze azotu lub wodoru może być podgrzany powyżej 1000°C. Jest odporny na działanie kwasów i zasad, rozpuszcza się w stopionej saletrze sodowej i potasowej oraz w sodzie. Jest dobrym przewodnikiem ciepła i ma mały współczynnik rozszerzalności, jest złym przewodnikiem elektryczności, wykazuje właściwości półprzewodnikowe. Ziarna proszków diamentowych są bardzo ostre przez długi czas. Diament krystalizuje w układzie regularnym (rys. 1.1). Są to kryształy ośmiościenne, czasem sześcienne lub dwunastościenne, o różnych wymiarach. W zależności od złoża, z którego są wydobywane, mają rozmaite zniekształcenia i domieszki. Diament charakteryzuje się bardzo dobrą łupliwością w kierunku równoległym do ścian ośmiościanu. W obróbce ściernej zastosowanie znajduje odmiana diamentu o nazwie bort, który zbudowany jest z kryształów o barwie od szarej do ciemnobrązowej i z których wytwarza się ścierniwa i niektóre narzędzia.

Rys. 1.1.
Struktura diamentu (a), pojedynczy diament naturalny (b) i grupa kryształów naturalnego diamentu (c) [https://chemicy.com.pl], [https://onebid.pl]

1.3. Korund (AN)

Korund jest minerałem z gromady tlenków, w którym podstawę stanowi odmiana tlenku glinu zawierająca spore ilości różnych domieszek (rys. 1.2). Domieszkowy chrom powoduje zabarwienie czerwone, tytan na niebiesko, żelazo natomiast zabarwia poprzez kolor żółty i brunatny aż do barwy czarnej. Korund krystalizuje w układzie trygonalnym, o znikomej skłonności do łupliwości. W przyrodzie występują odmiany korundów szlachetnych, takich jak szafir, rubin, topaz, ametyst, szmaragd. Jak wiadomo, kamienie te znajdują zastosowanie w jubilerstwie. Jako materiał ścierny stosowany jest korund zwykły, zwany też technicznym. Stosowany jest głównie w produkcji past do docierania i jako nasyp na płótna i papiery ścierne, a jako narzędzia spojone głównie do polerowania szkła optycznego. Występuje głównie w USA, Kanadzie, Birmie, Tajlandii, na Madagaskarze. W Polsce niewielkie złoża korundu spotkać można w drobnych skupiskach na Dolnym Śląsku koło Kowar oraz w okolicy Złotoryi.

Rys. 1.2.
Różnokolorowe kryształy korundu [https://pl.wikipedia.org]

1.4. Szmergiel (N)

Szmergiel jest drobnoziarnistą skałą złożoną z korundu, magnetytu, hematytu, kwarcu i różnych krzemianów (rys. 1.3). Najczęściej składa się w 2/3 z korundu i w 1/3 z magnetytu i innych minerałów. Ten wzajemny stosunek składników tej skały może się różnić w zależności od złoża, z którego jest wydobywany. Minerały te łamią się blokowo i na okrągło, tworząc niezbyt ostre krawędzie skrawające. Szmergiel znaleziono na wyspach greckich (głównie na Naxos) oraz w Turcji już ok. 2000 lat p.n.e. Jego zastosowanie i wykorzystanie w przemyśle jest takie samo jak korundu.

Rys. 1.3.
Skała szmerglu [https://pl.wiktionary.org]

1.5. Granat (G)

Granaty są to minerały o bardzo różnym składzie chemicznym zaliczane do gromady krzemianów (rys. 1.4). Najczęściej występują jako związek aluminium, żelaza, chromu, wapnia, magnezu, manganu z kwasem krzemowym. Krystalizują w układzie regularnym, najczęściej w postaci dwunastościanu rombowego. Barwa granatu zmienia się w szerokim zakresie, najczęściej spotykane są odcienie barwy pomarańczowoczerwonej, czerwonej i fioletowoczerwonej. Nie spotyka się barwy niebieskiej. Przezroczyste pięknie zabarwione granaty używane są w jubilerstwie jako kamienie półszlachetne. Granaty ukształtowane w postaci większych kryształów wykorzystuje się do celów ściernych, z tym że ważniejszą cechą jest jego kruchość, a nie twardość. Wykorzystywany jest do produkcji papierów i płócien ściernych stosowanych do obróbki drewna twardego i szlachetnego, a w postaci luźnej do polerowania szkła optycznego. Z granatu prażonego, bardziej ciągliwego od naturalnego, wytwarza się ściernice ze spoiwem żywicznym i gumowym. Przełom muszlowy ziarnisty tworzy szczególnie dużo krawędzi i wierzchołków. Największe złoża granatów znajdują się Republice Południowej Afryki (jako „produkt odpadowy” przy eksploatacji diamentów), w Brazylii, Indiach, Norwegii, na Madagaskarze. W Polsce spotkać można granaty w Górach Sowich.

Rys. 1.4.
Minerał granatu [https://zywaplaneta.pl]

1.6. Kwarc

Podstawowym składnikiem kwarcu jest dwutlenek krzemu z licznymi domieszkami w postaci wrostków innych minerałów. Krystalizuje w układzie trygonalnym. Najczęściej spotyka się odmiany bezbarwne, mlecznobiałe i szare. Występuje w postaci piaskowca, piasku kwarcowego, kwarcu żyłowego i kwarcytu. Kwarc jest minerałem bardzo pospolitym, ma wiele odmian, na przykład kryształ górski, ametyst, cytryn, agat, chryzopraz, onyks, jaspis, krzemień i wiele innych (rys. 1.5). Z piaskowca wyrabiane są osełki i toczaki do ostrzenia narzędzi gospodarskich. Pozostałe postacie kwarcu stosowane są do wyrobu papierów ściernych oraz jako surowiec do produkcji węglika krzemu. Podstawową właściwością kwarcu jest to, że szlifuje bez przypaleń powierzchniowych. Jest skałą odporną na wietrzenie mechaniczne i chemiczne. Kryształy kwarcu występują w Brazylii, Urugwaju, Rosji, Mongolii, Chinach. Również w Polsce kwarc jest bardzo rozpowszechniony. Na Dolnym Śląsku występuje kryształ górski, kwarc zadymiony i agaty.

Rys. 1.5.
Kryształy minerału kwarcu mogą być zabarwione na niemal dowolny kolor [https://muzeumziemi.amu.edu.pl]

1.7. Krzemień (KM)

Rys. 1.6.
Krzemień pasiasty z Gór Świętokrzyskich [https://krzemienie.pl]

Krzemień jest skałą osadową i odmianą skały kwarcowej. Zwykle jest pokryty korą krzemionkową, bardziej miękką od samego krzemienia (rys. 1.6). Jest to nieprzezroczyste skupienie brunatnego chalcedonu z domieszką substancji ilastych, węglanu wapnia i opalu (uwodnionej krzemionki). Barwa krzemieni, szara lub żółtawa, zależna jest od domieszek substancji organicznych i mineralnych. Krzemienie występujące w złożach towarzyszą najczęściej wapieniom i kredzie. Struktura krzemieni jest bardzo drobnoziarnista i niejednorodna. Przy łupaniu tworzy ziarna o bardzo ostrych krawędziach, jednak szybko tępiących się przy pracy. Jest bardzo odporny na wietrzenie mechaniczne i chemiczne. Rozpuszcza się w stężonych ługach i kwasie fluorowodorowym. Krzemienie były już wykorzystywane w epoce kamienia, czyli paleolicie. Jest więc jednym z najwcześniej poznanych i wykorzystywanych przez człowieka surowców mineralnych. Obecnie stosowany jest na nasypy papierów ściernych do obróbki materiałów niemetalowych, głównie drewna, skóry, szkła, ebonitu. Na świecie głównymi producentami surowców krzemiennych jest Egipt, Argentyna, Rosja, Francja. W Polsce złoża krzemieni występują na obszarze Jury Częstochowskiej, w Górach Świętokrzyskich i w okolicach Krakowa.

1.8. Zastosowanie naturalnych materiałów ściernych

W naturalnych surowcach ściernych wykorzystuje się ich naturalne właściwości. Z tego powodu zastosowanie tych materiałów jest niewielkie. Istnieją jednak dziedziny, w których są one niezastąpione, a podstawowym celem obróbki jest wygładzenie powierzchni (tab. 1.2). Jako przykład można podać zastosowanie diamentów naturalnych, tam gdzie niezbędne są dobrze wykształcone monokryształy (obciągacze jednoziarniste, ciągadła diamentowe). Kwarc z kolei ma trzy główne obszary zastosowań; jako kamienie szlifierskie naturalne, papiery lub płótna ścierne do polerowania drewna oraz jako luźny materiał ścierny do polerowania szkła. Stosuje się go również w obróbce strumieniowo-ściernej. Korund używany jest w postaci ziaren ściernych i jako mikroziarna do szlifowania i docierania szkła optycznego. Stosuje się go również jako dodatek do past polerskich. Granaty wykorzystuje się do produkcji papierów ściernych stosowanych do wykończenia na połysk powierzchni drewnianych. W tym zastosowaniu skuteczność i trwałość nasypu granatowego jest większa niż syntetycznych materiałów ściernych. Często stosuje się granaty w postaci luźnej do obróbki szkła, a w postaci ściernic do obrabiania soczewek. Krzemień w wyrobach ściernych nasypowych znalazł zastosowanie do szlifowania i polerowania powierzchni niemetalowych, głównie drewna, skóry, ebonitu. Często używa się go jako luźne ścierniwo do docierania wibracyjnego i bębnowego do czyszczenia odlewów, odkuwek i usuwania zadziorów.

Tabela 1.2.
Podstawowe zastosowania naturalnych materiałów ściernych

Rodzaj materiału ściernego

Rodzaj wyrobu

Rodzaj obrabianego materiału

Diament

ściernice i pilniki

do wykończającej obróbki materiałów bardzo twardych, jak węgliki spiekane, tlenki metali oraz do wyrobu takich narzędzi jak ciągadła, noże tokarskie, wgłębniki, koronki wiertnicze

Korund

papiery i płótna ścierne, emulsje i pasty

do szlifowania i docierania szkła optycznego, produkcji ściernic specjalnych (szlifowanie kulek łożyskowych), ściernice do polerowania elementów łożysk tocznych

Szmergiel

papiery i płótna ścierne

do szlifowania i polerowania

Kwarc

papiery i płótna ścierne, emulsje ścierne, osełki

ściernice i osełki wykonane z piaskowca do ręcznego ostrzenia narzędzi

Krzemień

płótna i papiery ścierne

do obróbki drewna, skóry, ebonitu

Granaty

papiery i płótna ścierne

do obróbki wykończającej drewna, ceramiki, szkła

2. Materiały ścierne syntetyczne

Spośród syntetycznych ziaren i materiałów ściernych największe znaczenie i zastosowanie w produkcji narzędzi ściernych ma elektrokorund, węglik krzemu, diament i regularny azotek boru. I te materiały ścierne i ich odmiany zostaną omówione dokładniej i bardziej szczegółowo.

2.1. Elektrokorund

Właściwości ścierne korundu naturalnego były znane już w najdawniejszych czasach i do połowy XIX wieku zaspokajały w zupełności potrzeby ówczesnej techniki. Pod koniec XIX wieku nastąpił szybki rozwój przemysłu i naturalne materiały ścierne (diament, korund, szmergiel, kwarc, krzemień) nie były już w stanie sprostać stawianym wymogom w zakresie wydajności obróbki i gładkości obrabianych powierzchni.

2.1.1. Elektrokorund zwykły (95A)

Na przełomie XIX i XX wieku opanowanie wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej umożliwiło rozwój wielu dziedzin techniki, w tym także w zakresie otrzymywania kryształów korundu w sposób sztuczny. Opracowano techniczne metody stapiania boksytu z dodatkiem węgla, dzięki czemu otrzymano sztuczny korund, który w odróżnieniu od korundu naturalnego nazwano elektrokorundem zwykłym. Ten nowy materiał ścierny szybko znalazł uznanie odbiorców i jego produkcja zaczęła dynamicznie wzrastać.

Elektrokorund zwykły jest materiałem odpornym na działanie agresywnych czynników chemicznych. W temperaturze otoczenia nie reaguje ze znanymi kwasami organicznymi i nieorganicznymi.

Elektrokorund zwykły jest stosowany prawie wyłącznie do produkcji narzędzi ściernych. Wytwarza się z niego ściernice ze spoiwem ceramicznym i żywicznym oraz płótna i papiery ścierne. Podstawowym surowcem do produkcji elektrokorundu zwykłego jest boksyt. Jego zaletą jest stosunkowo niska cena, wadą natomiast duża zawartość wody. Z powodu tej wilgoci boksyt bezpośrednio po wydobyciu ze złoża nie nadaje się do produkcji elektrokorundu zwykłego. Surowy boksyt poddaje się więc prażeniu w temperaturze ok. 800°C lub spieka się go z dodatkiem koksu i wiórków żeliwnych. Z wytopionego bloku elektrokorundowego otrzymuje się przemysłowe ziarno elektrokorundu zwykłego, który jest zlepkiem kryształów korundu z fazą szklistą pełniącą rolę lepiszcza. Podczas wypalania narzędzi ściernych z elektrokorundu zwykłego o spoiwie ceramicznym faza szklista wchodzi w reakcję ze spoiwem i współtworzy mostki spoiwa miedzy ziarnami.

Ze wszystkich odmian elektrokorundów elektrokorund zwykły jest najmniej łupliwy i kruchy, a najbardziej ciągliwy. Z tych właśnie względów, a zwłaszcza z powodu wysokiej wytrzymałości krawędzi, dobrze nadaje się do szlifowania zgrubnego w ciężkich warunkach pracy, przy grubych warstwach do zeszlifowania.

Najbardziej typowymi zastosowaniami dla elektrokorundu zwykłego są operacje przy użyciu szlifierek stojakowych i ręcznych w kuźniach i odlewniach. Narzędzia ścierne z ziarnami z elektrokorundu zwykłego można stosować do przecinania i zgrubnego szlifowania stali węglowych, niskostopowych nierdzewnych, żeliwa, drewna i większości tworzyw sztucznych – szczególnie przy dużych naddatkach usuwanego materiału. Elektrokorund ten jest stosowany także w postaci luźnego ścierniwa w obróbce strumieniowo-ściernej, gdzie może być wykorzystywany wielokrotnie. Oprócz zastosowania w obróbce ściernej służy do szorstkowania powierzchni przed nakładaniem powłok lakierniczych i galwanicznych, oczyszczania i matowienia powierzchni ze stali, metali kolorowych, szkła, kamienia itp.

Ziarna elektrokorundowe można łatwo powlekać cienkimi warstwami twardych tlenków metali, a nawet czystymi metalami, na przykład niklem, srebrem, złotem. Pokrycie ziaren metalem pozwala na łatwiejsze odprowadzanie ciepła wytwarzającego się w strefie obróbki, a także przyczynia się do ich mniejszego zużycia. Dodatkowo możliwe jest orientowanie takich ziaren w polu elektromagnetycznym, lepsze jest też ich wiązanie ze spoiwem.

2.1.2. Elektrokorund półszlachetny (97A)

Elektrokorund półszlachetny jest produktem pośrednim między elektrokorundem zwykłym i szlachetnym. Przy produkcji elektrokorundu półszlachetnego stosuje się większe ilości reduktora (w porównaniu z produkcją elektrokorundu zwykłego), a sam proces redukcji jest prowadzony w kierunku zmniejszenia ilości zanieczyszczeń. Kryterium, które pozwala odróżnić oba elektrokorundy, jest zawartość tlenku glinu (Al₂O₃) i dwutlenku tytanu (TiO₂). Elektrokorund zwykły zawiera poniżej 95% Al₂O₃ i powyżej 2% TiO₂, natomiast elektrokorund półszlachetny zawiera powyżej 95% Al₂O₃ i poniżej 2% TiO₂. Podział ten nie jest sztywny i u niektórych producentów występują odstępstwa od tej zasady. Handlowe ziarna elektrokorundu zwykłego i półszlachetnego występują w postaci kryształów korundu spojonych fazą szklistą. Ilość fazy szklistej zawartej w elektrokorundzie półszlachetnym jest mniejsza niż w elektrokorundzie zwykłym. W obróbce ściernej elektrokorund półszlachetny stosowany jest do szlifowania metali o małej twardości, a także do obróbki metali nieżelaznych. Jest również powszechnie stosowany w ściernicach do cięcia. Nadaje się do szlifowania stali stopowych normalnych i do stali węglowej o twardości do 60 HRC.

2.1.3. Elektrokorund szlachetny (99A)

Elektrokorund szlachetny wykazuje najwyższą czystość chemiczną spośród wszystkich materiałów ściernych na bazie tlenku glinu. Technologia wytwarzania elektrokorundu szlachetnego została opatentowana w 1910 roku. Polegała ona na topieniu tlenku glinowego w elektrycznym piecu oporowo-łukowym w temperaturze ok. 2000°C. Otrzymany w ten sposób nowy materiał ścierny o czystości powyżej 98,5% ma właściwości zupełnie różne od elektrokorundu zwykłego. Elektrokorund szlachetny zawiera znacznie mniej zanieczyszczeń, w tym obcych minerałów i fazy szklistej. Ilość fazy szklistej jest zbyt mała, aby wypełnić całkowicie przestrzeń międzykrystaliczną, co wpływa na znacznie słabsze powiązania między sobą pojedynczych kryształów korundu w porównaniu z elektrokorundem zwykłym. Zmniejszona wytrzymałość mechaniczna ziaren elektrokorundu szlachetnego w procesie szlifowania objawia się tym, że ostrze tnące kryształu w momencie stępienia zostaje wyłupane z narzędzia i dzięki temu odsłaniają się następne niestępione warstwy – przez co ziarna zawsze są ostre i szlifują ze stałą wydajnością i dokładnością. Zjawisko to pozwala z dobrymi wynikami stosować narzędzie ścierne z elektrokorundu szlachetnego do tych operacji szlifierskich, gdzie wymagana jest duża dokładność i niewielki docisk narzędzia do obrabianej powierzchni. Narzędzia ścierne nasypowe na bazie elektrokorundu szlachetnego są powszechnie stosowane przy szlifowaniu wykończeniowym drewna oraz przy szlifowaniu farb i lakierów. Ściernice wykonane z tego materiału używane są powszechnie przy cięciu i szlifowaniu stali nierdzewnych i innych stopowych. Stosowany jest także do produkcji ściernic do szlifowania precyzyjnego, na przykład do obróbki powierzchni płaskich, cylindrycznych, do ostrzenia narzędzi skrawających, szlifowania gwintów i kół zębatych ze stali o twardości powyżej 62 HRC. Ze względu na swoje zalety stosowany jest wszędzie tam, gdzie wymagane jest, aby szlifowany przedmiot nie nagrzewał się i nie przypalał, czyli tam, gdzie istnieje wymóg tzw. chłodnego szlifowania.

Oprócz obróbki ściernej elektrokorund szlachetny wykorzystywany jest do polerowania szkła, jako ścierniwo w protetyce, stomatologii a nawet przy produkcji paneli podłogowych jako składnik podwyższający klasę ścieralności.

Właściwości fizyczne i chemiczne elektrokorundu szlachetnego są zbliżone do właściwości czystego korundu ponieważ jego podstawowym składnikiem jest korund, którego zawartość w ziarnie z reguły jest wyższa niż 95%.

Zastosowanie podstawowych odmian elektrokorundu zestawiono w tabeli 2.1.

Tabela 2.1.
Zastosowanie podstawowych odmian elektrokorundu w zależności od rodzaju materiału obrabianego

Materiał ścierny

Zakres zastosowań

Właściwości materiału obrabianego

Przykłady materiałów obrabianych

Elektrokorund zwykły

• ścierniwo spojone,

• ścierniwo na podłożu,

• ścierniwo luźne,

• ściernice do cięcia,

• ściernice do szlifowania zgrubnego

• średnia długość wióra,

• średnociągliwy do ciągliwego,

• wytrzymałość na rozciąganie 300‒500 MPa

• stal węglowa o zawartości C < 0,5%,

• staliwo, żeliwo ciągliwe,

• niektóre stopowe metale nieżelazne

Elektrokorund półszlachetny

• ścierniwo spojone,

• ścierniwo na podłożu,

• ścierniwo luźne

• ściernice do cięcia,

• ściernice do szlifowania zgrubnego,

• szlifowanie otworów

• wióry średnie do długich,

• średnociągliwy

• wytrzymałość na rozciąganie ok. 500 MPa

• stale stopowe normalne,

• stal węglowa o zawartości 0,5% C i twardości do 60 HRC

Elektrokorund szlachetny

• ścierniwo spojone,

• szlifowanie dokładne,

• szlifowanie ze zwiększonymi prędkościami szlifowania

• wióry długie,

• ciągliwy,

• wytrzymałość na rozciąganie > 500 MPa

• stale stopowe,

• stal węglowa o zawartości C > 0,5% i twardości > 62 HRC

2.1.4. Elektrokorund chromowy (CrA)

Materiały ścierne podlegają ciągłym doskonaleniom w kierunku polepszenia ich właściwości skrawnych. Na modyfikację właściwości najbardziej podatny jest elektrokorund, gdyż jego wytwarzanie odbywa się w fazie ciekłej. Zmiany właściwości ziarna elektrokorundu dokonuje się poprzez wprowadzenie do wsadu piecowego różnych modyfikatorów, które tworzą najczęściej roztwory stałe z korundem. W zależności od wymagań konkretnego zastosowania przemysłowego jako składniki stopowe stosuje się takie związki tlenowe metali, które są zdolne wbudowywać się w sieć krystaliczną tlenku glinu w korundzie, czyli te substancje, które krystalizują w tym samym układzie co korund. Takie warunki spełniają tlenki tytanu, chromu, żelaza, magnezu, niklu i kadmu. Spośród tych tlenków, uwzględniając deficytowość niektórych z nich, praktyczne zastosowanie znalazły przede wszystkim tlenek chromu i tytanu. W związku z tym elektrokorund modyfikowany tymi tlenkami nosi nazwę elektrokorundu chromowego lub elektrokorundu tytanowego. Oprócz tlenku chromu i tytanu duże możliwości dopasowania właściwości elektrokorundów do potrzeb współczesnych wymagań obróbki ściernej stwarza elektrokorund modyfikowany tlenkiem cyrkonu.

Ziarna ścierne elektrokorundu chromowego zawierają Cr₂O₃ w ilości do kilku procent. Dodatek tlenku chromowego jako modyfikatora lub innej substancji zawierającej ten związek polepsza strukturę korundu i jego budowę. Elektrokorund chromowy ma lepszą zdolność ścierną, większą mikrotwardość, ale mniejszą wytrzymałość mechaniczną od elektrokorundu szlachetnego. Optimum korzystnej mikrotwardości elektrokorundu chromowego występuje przy zawartości od 1,0 do 1,25% Cr₂O₃ w elektrokorundzie. Ze względów ekonomicznych i jakościowych produkuje się elektrokorundy chromowe o zawartości Cr₂O₃ od 0,7 do 0,9%. Kolor elektrokorundu chromowego zależy od procentowej zawartości tlenku chromu ‒ kolor jasnoróżowy wskazuje na mniejszą zawartość, a ciemnoróżowy-rubinowy na większą zawartość i tym samym lepsze parametry materiału ściernego. Narzędzia ścierne z ziarnem z elektrokorundu chromowego są stosowane szczególnie przy precyzyjnym szlifowaniu stali wysokostopowych oraz do ostrzenia narzędzi skrawających.