Kryteria doboru i własności wybranych ścierniw
stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej

Streszczenie

            W artykule opisano wybrane ścierniwa (naturalne jak i syntetyczne) stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej, ich podstawowe własności jak twardość, kształt ziarna oraz składy granulometryczne. Zwrócono także uwagę na aspekt prawny związany z możliwością stosowania ścierniw w technologii suchej jak i mokrej.

1. Wstęp

            Do obróbki strumieniowo-ściernej przynależy zarówno cięcie jak i obróbka powierzchniowa - kształtowanie i czyszczenie. Podstawowymi cechami opisującymi proces obróbkowy są parametry technologiczne, takie jak ciśnienie i wydatek medium (wody, powietrza, wody+powietrze) odległość dyszy od materiału i prędkość posuwowa, oraz własności strukturalne strumienia - jego kształt, skład, rodzaj i udział ścierniwa, wielkość i kształt ziaren ściernych. Z uwagi na fakt, że w obróbce strumieniowo-ściernej to właśnie rozpędzone do dużej prędkości ziarna ścierne w kontakcie z obrabianym materiałem powodują jego erozję, a od własności ścierniwa w istotny sposób zależy wydajność i jakość obróbki, w niniejszym artykule przedstawiono charakterystykę przykładowych ścierniw, które mogą być stosowanych w takiej obróbce.
            Rozporządzeniem Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 14 stycznia 2004r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy czyszczeniu powierzchni, malowaniu natryskowym i natryskiwaniu cieplnym [4] stanowi, że do czyszczenia powierzchni metodami strumieniowo-ściernymi powinno stosować się:

• ścierniwa metalowe, w szczególności:
        - śrut ostrokątny lub kulisty staliwny albo żeliwny,
        - cięty drut stalowy;
• ścierniwa niemetalowe, w szczególności:
        - piaski kwarcowe w metodach pneumatycznych mokrych i wilgotnych,
        - elektrokorund
        - ścierniwa odpadowe, w tym żużel pomiedziowy, paleniskowy, wielkopiecowy,
        - rozdrobnione skały i minerały, w tym oliwin, staurolit, dolomit, granit i inne
        - inne ścierniwa sztucznie wytworzone i organiczne.

            Do czyszczenia powierzchni niedopuszczalne jest stosowanie suchego piasku kwarcowego jako ścierniwa lub dodatku do innych ścierniw.
            Podczas stosowania w pomieszczeniach ścierniw z rozdrobnionych skał i minerałów, zawierających wolną krzemionkę, należy oznaczyć w tym pomieszczeniu stężenie pyłu całkowitego i respirabilnego, którego wartości nie mogą być wyższe od podanych w załączniku nr 1 do rozporządzenia Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [5].
            W procesie przecinania wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną nie ma prawnych uwarunkowań dotyczących rodzaju stosowanego ścierniwa. Proces ten realizowany jest na mokro, więc nie występuje zjawisko pylenia, jak to ma miejsce w procesie pneumatycznego czyszczenia na sucho. Do przecinania wykorzystywane są zwykle ścierniwa pochodzenia mineralnego, a zwłaszcza granat. Do tego typu obróbki możliwe jest również stosowanie innych materiałów ściernych takich jak oliwin, szlaka pomiedziowa czy kruszone szkło.

2. Twardość ścierniwa

            Twardość jest jedną z najważniejszych cech decydujących o przydatności ścierniwa do obróbki materiałów. W zdecydowanej większości procesów obróbkowych wykorzystywana jest różnica twardości pomiędzy materiałem ściernym a obrabianym, tylko w obróbce diamentów materiał ścierny i obrabiany jest tej samej klasy. Uproszczoną skalę twardości przedstawił w 1812r Fryderyk Mohs. Jest to 10 stopniowa skala (Tab.1.), ułożona z wykorzystaniem wzorcowych minerałów. Twardość 1 stopnia wyznacza talk, a górną granicę na poziomie 10 stopnia określa najtwardszy minerał - diament. Skala Mohsa, w swej górnej części, została zmodyfikowana przez Ridgweya w 1933r, który rozszerzył ją do 15 stopni w celu uwypuklenia różnic między najtwardszymi materiałami. Próbę modyfikacji tej skali podjęli również w 1963r. Rosjanie Chruszczow i Powariennych.

Tabela 1. Twardość materiałów ściernych [1,6]

            Typowymi metodami pomiaru mikrotwardości ziaren ściernych są metoda Vickersa i Knoopa. Polegają one na wgniataniu w badany materiał diamentowych wgłębników o różnym kształcie i pomiarze powstałego wgniecenia. W metodzie Vickersa wykorzystywana jest tetragonalna a w metodzie Knoopa rombowa piramidka.

3. Kształt ziarna

            Kształt ziaren i ich jednorodność wymiarowa są istotnymi parametrami określającym jakość ścierniwa. Jednorodność wymiarowa decyduje o przydatności ścierniwa, szczególnie w procesie precyzyjnego przecinania, gdzie struga wytwarzana jest w dyszy o małej średnicy otworu formującego i występuje ryzyko jej zaczopowania nadwymiarowym ziarnem. Najmniej wymagającym pod względem jednorodności wymiarowej ścierniwa jest proces czyszczenia hydro-strumieniowego.
            Każde ziarno ścierne można opisać trzema wymiarami tj. długość, szerokość, grubość. Ze względu na proporcje tych trzech wymiarów, kształt ziarna można określić jako: izometryczny (1:1:1), blaszkowaty (1:1:0,33), płytkowaty (1:1:0,66), słupkowaty (1:0,66:0,66), mieczykowaty (1:0,66:0,33), iglasty (1:0,33:0,33) [1]. W obróbce strumieniowo-ściernej najbardziej cenione jest ścierniwo o izometrycznym kształcie i dużej liczbie ostrych krawędzi. Ziarna o ostrych krawędziach mają większą zdolność obróbkową od otaczaków o obłych powierzchniach.

Rys.1. Widok ogólny ziaren ściernych o różnych kształtach

4. Klasyfikacja wymiarowa ścierniwa

            Klasyfikację wymiarową ścierniw wytwarzanych przemysłowo dokonuje się z wykorzystaniem metody analizy sitowej lub metod sedymentacyjnych - stosowanych w przypadku mikroziaren (a<40µm). W uogólniony sposób (ze względu na wielkość ziarna) ścierniwo dzieli się na: ziarna ścierne, proszki ścierne i mikroproszki ścierne. Europejska Federacja Producentów Narzędzi Ściernych (FEPA) określiła skład granulometryczny ścierniw zapisany w normie PN-ISO 8486-1:1998 (Tab. 2).

Tab.2. Skład granulometryczny ścierniw [3]

            W praktyce często operuje się parametrem - średni wymiar ziarna, który wyznaczany jest metodą sedymentacji lub analizy sitowej. W Tab.3 przedstawiono wartość średniego wymiaru ziarna dla najczęściej stosowanego zakresu ziarnistości ścierniwa.

Tab.3. Średni wymiar ziarna dla wybranych ścierniw

5. Naturalne materiały ścierne

            W przyrodzie występuje szereg minerałów, które mogą być stosowane jako materiał ścierny. Poniżej przedstawiono charakterystykę podstawowych minerałów, które mogą być stosowane jako ścierniwo w obróbce strumieniowo-ściernej.

Piasek kwarcowy

            Kwarc jest najbardziej rozpowszechnionym w przyrodzie minerałem. W temperaturze poniżej 537^oC krystalizuje w układzie trygonalnym, a powyżej tej temperatury w układzie heksagonalnym. Jest odmianą grubokrystalicznej krzemionki SiO₂. Czysty kwarc jest bezbarwny, natomiast zanieczyszczony przyjmuje szare zabarwienie. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z 14 .01. 2004 r. piasek kwarcowy może być stosowany w metodach pneumatycznych mokrych i wilgotnych strumieniowo-ściernego czyszczenia powierzchni. Niedopuszczalne jest jednak stosowanie suchego piasku kwarcowego jako ścierniwa lub dodatku do innych ścierniw.

Właściwości kwarcu [1]:   gęstość: 2650 kg/m3 gęstość nasypowa: 1280 - 1460 kg/m3 twardość w skali Mohsa: 7
	Piasek kwarcowy

Piasek oliwinowy

            Piasek oliwinowy (ortokrzemian magnezowo-żelazowy) jest ścierniwem dużo droższym od piasku kwarcowego i rzadziej od niego stosowanym. Zaletą tego ścierniwa jest brak pylenia krzemionkowego, co umożliwia jego stosowanie w obróbce strumieniowo-ściernej na sucho (bez osłony wodnej).

Właściwości piasku oliwinowego [2]:   gęstość: 3300 - 4200 kg/m3 gęstość nasypowa: b.d. twardość w skali Mohsa: 6 - 7,5
	Piasek oliwinowy [8]

Staurolit

            Staurolit jest minerałem z gromady krzemianów o czarnej, brązowej lub czerwonej barwie. W ujęciu chemicznym jest on zasadowym krzemianem glinu i żelaza. W Polsce występuje w Górach Opawskich, Sudetach i Masywie Śnieżnika.

Właściwości staurolitu [2]:   gęstość: 3600 kg/m3 gęstość nasypowa: b.d. twardość w skali Mohsa: 7 - 7,5
	Staurolit [9]

Krzemień

            Krzemień jest minerałem, który jako jeden z pierwszych był wykorzystywany przez człowieka do wyrobu narzędzi. Obecnie wykorzystywany jest między innymi do produkcji materiałów ściernych. Jest on odmianą skały kwarcowej o zabarwieniu szarym lub brunatnym.

Właściwości krzemienia [10]:   gęstość: 2600 - 2900 kg/m3 gęstość nasypowa: 1200 - 1500 kg/m3 twardość w skali Mohsa: 5,5 - 7
	Krzemień [10]

Pumeks

            Pumeks jest minerałem pochodzenia wulkanicznego o porowatej budowie. Głównym składnikiem (ok. 70%) pumeksu jest SiO2 w postaci amorficznej krzemionki. W obróbce strumieniowo-ściernej stosowany jest głównie do usuwania zanieczyszczeń przy jednoczesnym braku erozji czyszczonej powierzchni (np. szkła lub polerowanych, kamiennych powierzchni).

Właściwości pumeksu [7]:   gęstość: 2300 - 2400 kg/m3 gęstość nasypowa: b.d. twardość w skali Mohsa: 6 - 6,5
	Pumeks [11]

Dolomit

            Dolomit (węglan wapnia i magnezu) w Polsce występuje w Górach Świętokrzyskich i na dolnym Śląsku. Powstaje w wyniku procesu dolomityzacji skał wapiennych. Krystalizuje w układzie trygonalnym i posiada kolor biały, bezbarwny, żółtawy lub szary.

Właściwości dolomitu [2]:   gęstość: 2700 kg/m3 gęstość nasypowa: b.d. twardość w skali Mohsa: 4 - 5
	Dolomit [12]

Granat (garnet)

            W przyrodzie występuje wiele odmian granatów, różniących się składem chemicznym. W wyniku tego przyjmują różne barwy, najczęściej odcienie barwy pomarańczowo-czerwonej, czerwonej i fioletowo-czerwonej. Kopalnie tego ścierniwa występują w pokładach skał metamorficznych i magmowych, głównie w Indiach, Australii, Afryce, Stanach Zjednoczonych, Nowej Zelandii, Chinach, Kanadzie, Brazylii i Urugwaju. Miejsca występowania w Polsce to: Góry Sowie, Masyw Śnieżnika.
            Kopalinę stanowią zlepki kryształów 12 ściennych (Dodecadendrony) i sporadycznie 24 ściennych (Trapezoedry) w układzie regularnym z ostrym przełomem muszlowym powstającym w wyniku rozbicia się ziarna ściernego. Jako materiał ścierny stosowane są odmiany granatu Almandyn Fe₃Al.₂(SiO₄)₃, Pirop Mg₃Al.₂(SiO₄)₃, Spessartyn Mn₃Al.₂(SiO₄)₃.

Właściwości granatu [1]:   gęstość: 3500 - 4250 kg/m3 gęstość nasypowa: 2200 - 2500 kg/m3 twardość w skali Mohsa: 7 - 7,5
	Granat (almandyn) [13]

Korund

            Korund w przyrodzie występuje w odmianie zwykłej - zwanej techniczną, oraz odmianach szlachetnych tj. szafir, rubin, szmaragd, topaz, które wykorzystywane są w przemyśle jubilerskim. Zanieczyszczenia korundu powodują jego zabarwienie w odcieniach kolorów czerwonego, czarnego i niebieskiego. Jest to minerał krystalizujący w układzie trygonalnym.

Właściwości korundu [1]:   gęstość: 3950 - 4110 kg/m3 gęstość nasypowa: 2400 kg/m3 twardość w skali Mohsa: 9
	Korund [14]

6. Syntetyczne materiały ścierne

Mikrokulki szklane

            Mikrokulki szklane charakteryzują się okrągłym kształtem i gładką powierzchnią oraz są obojętne chemicznie. Takie własności mikrokulek szklanych sprawiają, że mogą one być stosowane do czyszczenia precyzyjnych i delikatnych elementów bez uszkodzenia czyszczonej powierzchni. Jest to ścierniwo wielokrotnego użytku stosowane głównie w przemyśle lotniczym oraz do utwardzania.

Właściwości mikrokulek szklanych [2]:   gęstość: 2500 kg/m3 gęstość nasypowa: 1400 - 1500 kg/m3 twardość w skali Mohsa: 5 - 7
	Mikrokulki szklane

Żużel pomiedziowy

            Żużel pomiedziowy powstaje w trakcie wytapiania miedzi w piecach szybowych. Dostępne w sprzedaży ścierniwa, produkowane z wykorzystaniem żużlu pomiedziowego, nie zawierają wolnej krzemionki.

Właściwości żużlu pomiedziowego [2]:   gęstość: 3300 - 3900 kg/m3 gęstość nasypowa: 1500 - 1700 kg/m3 twardość w skali Mohsa: 6 - 8
	Żużel pomiedziowy [15]

Elektrokorund

            Elektrokorund wytwarza się poprzez stopienie boksytu w piecu łukowym w temperaturze powyżej 2000^oC. Jest on odpowiednikiem minerału występującego w przyrodzie (korundu). Elektrokorund, zależnie od ilości zanieczyszczeń, dzieli się na zwykły i szlachetny. Zwykły zawiera powyżej 95% Al₂O₃, a szlachetny powyżej 99% Al₂O₃. W technice najczęściej stosuje się elektrokorund zwykły, który niewiele ustępuje własnościami elektrokorundowi szlachetnemu, a jest od niego znacznie tańszy.

Właściwości elektrokorundu zwykłego [1]:   gęstość: 3900 - 4000 kg/m3 gęstość nasypowa: 1550 - 1900 kg/m3 twardość w skali Mohsa: 9
	Elektrokorund zwykły [16]

Elektrokorund regenerowany

            Elektrokorund regenerowany wytwarzany jest poprzez kruszenie zużytych narzędzi ściernych. Ścierniwo to jest więc zanieczyszczone lepiszczem stosowanym w procesie produkcji narzędzi i zawiera około 75% Al.₂O₃. Elektrokorund regenerowany jest niższej jakości od elektrokorundu zwykłego ale jest od niego tańszy.

Węglik krzemu

            Węglik krzemu otrzymuje się w oporowych piecach elektrycznych w wyniku reakcji krzemionki i węgla. W czystej postaci jest bezbarwny, w wyniku zanieczyszczeń przyjmuje barwę zieloną lub czarną. Węglik krzemu używany jest głównie do produkcji narzędzi ściernych przeznaczonych do obróbki materiałów twardych i kruchych.

Właściwości węglika krzemu [1]:   gęstość: 3120 - 3220 kg/m3 gęstość nasypowa: 1340 - 1480 kg/m3 twardość w skali Mohsa: 9,2
	Węglik krzemu

7. Podsumowanie

            Przy doborze materiału ściernego do konkretnych zadań obróbki strumieniowo-ściernej należy wziąć pod uwagę prawne uwarunkowania możliwości stosowania określonych ścierniw, własności fizyczne ziaren ściernych oraz uwarunkowania ekonomiczne. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej [4] piasek kwarcowy może być stosowany w metodach pneumatycznych mokrych i wilgotnych strumieniowo-ściernego czyszczenia powierzchni. Niedopuszczalne jest jednak stosowanie suchego piasku kwarcowego jako ścierniwa lub dodatku do innych ścierniw.
            W obróbce strumieniowo-ściernej najbardziej cenione jest ścierniwo o dużej twardości, wysokiej gęstości i o izometrycznym kształcie oraz dużej liczbie ostrych krawędzi. Zastosowanie w procesie obróbkowym ziaren ściernych o takich własnościach korzystnie wpływa na wydajność obróbki zależną od energii kinetycznej ziaren (związaną z ich masą i prędkością) oraz ich kształtem, ponieważ ziarna o ostrych krawędziach mają większą zdolność obróbkową od otaczaków o obłych powierzchniach, a negatywnym skutkiem jest zwiększenie kosztochłonności obróbki wskutek przyśpieszonego zużywania dysz formujących i wyższej ceny zakupu ścierniwa. Istotnym kryterium w analizie ekonomicznej procesu obróbkowego jest możliwa krotność powtórnego wykorzystania ścierniwa.
            W procesie przecinania strugą wodno-ścierną najczęściej stosowanym ścierniwem jest granat, zaś w procesie czyszczenia powierzchni elektrokorund zwykły lub ścierniwa odpadowe w postaci żużli pomiedziowych.

Literatura

opracowanie: zespół redakcyjny waterjet.org.pl