Исходные материалы для производства инструмента на вулканитовой связке

Абразивные материалы. Для производства шлифовальных, полировальных и отрезных кругов на вулканитовой связке применяют электрокорунд нормальный марок 13А и 14А, электрокорунд белый марки 25А по ГОСТ 28 810— 90, хромистые электрокорунды марки 95А по ТУ 2−36−221 066−007−90 и марок 94А и 93А по ТУ 2−036−849—85, карбид кремния черный марок 53С и 54С по ГОСТ 26 327–84. Зерновой состав шлифовальных материалов регламентируется по ГОСТ 3647–80.

Вулканитовая связка является многокомпонентной композицией на основе твердых и жидких каучуков, включающей вулканизирующие компоненты, антистарители, мягчители, наполнители и ускорители вулканизации |360−363|.

В качестве твердого каучука используется синтетический высокомолекулярный бутадиеновый каучук марок СКДСР и СКЛСР-М по ТУ 38−103 284— 85, стабилизируемый антиоксидантом марки «Агидол-2»; каучук марок СКДСР наполнен маслом «Пластар-20К», а каучук СКДСР-СМ — «Стабилпласт-62». Твердый бутадиеновый каучук поставляется на предприятия-потребители в виде брикетов массой 30± 1 кг. Кроме твердого бутадиенового каучука при изготовлении эластичного вулканитового инструмента могут быть использованы твердые натрий-бутадиеновый каучук марки СКБ-50 или нитрильный марки СКМ-26М.

В качестве жидкого каучука используется синтетический низкомолекулярный бутадиеновый карбоксилсодержащий каучук марки СКД-1А по ТУ 38- 103 352—83, представляющий собой вязкую массу от светло-желтого до темнокоричневого цвета или марки СКН-18−1А по ТУ 38−10 316−76. Часто предприятия в качестве каучуковой основы используют смесь двух видов каучуков — жесткого СКДСР и СКД1А в соотношении их масс 17:3.

Главными требованиями к каучуковой основе является ее высокая пластичность и способность вулканизироваться. Высокая пластичность обеспечивает возможность перемешивания составляющих смеси в резиносмесителе, приготовления вулканитовой массы операциями валкового смешивания и формования из абразивной массы полуфабрикатов для последующего получения абразивных кругов. Способность вулканизироваться в присутствии серы дает возможность каучуковой основе получить заданные прочностные свойства абразивных кругов.

Для процесса вулканизации каучука применяется сера марки 9995 (ГОСТ 127—76). Количество серы в связке для шлифовальных кругов различной твердости вводится от 10 до 26%, в отрезных кругах — от 21 до 24%, в полировальных кругах твердостей ГМ, ГС и ГТ — от 2 до 7%.

Механические свойства изделий после вулканизации зависят от количества введенной в каучук серы. При 2−4% введенной серы каучук превращается в резину, при 20—60% введенной серы — в эбонит. При этом сопротивление разрыву возрастает в 2−200 раз, удлинение падает в 2−500 раз, повышаются твердость и теплостойкость резины или эбонита.

В настоящее время получены специальные марки синтетических каучуков, способных при нагреве полимеризовагься без добавления вулканизирующих составляющих.

Для оптимизации процесса вулканизации в связку, содержащую смесь каучуков и вулканизирующую составляющую, добавляют ускорители вулканизации, которые не только сокращают время вулканизации, снижают ее температуру, но и улучшают качество абразивного инструмента. В качестве ускорителей чаше всего применяют каптакс по ГОСТ 739–74 (С₇Н₅К8₂-2-меркаптобензотиазол), тиурам по ГОСТ 740–46 (С₆Н₁₂М₂8₄-тетраметилтиурамдисульфит), альтакс, другие вещества, а также их смеси.

Авторы |364|, используя термогравиметрический анализ твердых каучуков, исследовали микроструктуру твердого натрий-бутадиенового каучука и влияние его микроструктуры на физико-механические свойства инструмента.

Термогравиметрический анализ проводился на дериватографе 0−1500 при следующих параметрах съемки: чувствительность весов — 100-, IГ-250, ДТА- 100, У_н — 2,5 град/мин. Для сравнения тепловых эффектов массы навесок выбирались постоянными.

Физико-механические свойства определяли на образцах шлифовального инструмента, изготовленных по одной рецептуре, твердостью СМ, с различными партиями твердого каучука.

На рис. 7.3 представлены термограммы твердого натрий-бутадиенового каучука СКБ-50р различных поставок. Выделение летучих в образцах 1−3 носит линейный характер, при незначительном экзоэффекте термоструктурирования или его отсутствии в образце 2 наблюдается эффект термоструктурирования в интервале температур 150−215 °С. Эффект сопровождается увеличением массы, фиксирующей процессы, протекающие с участием кислорода воздуха и свидетельствующие о термоокислительном характере структурирования в каучуке.

Судя по значению экзоэффекта (рис. 7.4), обеспечивается максимальная скорость прохождения реакции вулканизации. Свидетельством участия в реакции вулканизации активных олигомеров является связывание летучих в процессе термообработки абразивных смесей. Как следует из табл. 7.7, образцы 2 и 3 выделяют разное количество летучих при термообработке в исходном состоянии, в то время как в составе массы выделения летучих одинаковы в обоих образцах.

Рис. 7.3. Типичные дериватограммы твердого каучука СКБ-50р различных поставок: 1 — поставка 2003 г.; 2, 3— поставки 2004 г.

Рис. 7.4. Дериватограммы абразивных смесей, отличающихся партиями твердого каучука СКБ-50р:

1 — поставка 2003 г.; 2, 3 — поставка 2004 г.

Таблица 1.1

Результаты термогравиметрического анализа твердого каучука СКБ-50р

Таблица 7. 8.

Физико-механические свойства образцов инструмента.

В табл. 7.8 представлены результаты испытаний образцов абразивного инструмента на физико-механические свойства, показывающие, что инструмент, изготовленный с использованием каучука с высоким содержанием летучих, имеет высокие прочностные характеристики и более плотную пространственную структуру (низкие показатели водопоглощения и пористости), т. е. выделяющиеся в процессе вулканизации низкомолекулярные составляющие твердого каучука участвуют в образовании пространственной полимерной сетки при вулканизации и не препятствуют формированию высоких прочностных характеристик инструмента.

Вулканитовая связка, предназначенная для изготовления шлифовальных кругов твердостями СМ, С, СТ и Т, содержит от 50 до 70% каучуковой основы. Причем чем меньше твердость кругов, тем выше содержание каучуковой основы в вулканитовой связке. Ее содержание зависит также от рабочей скорости кругов. Повышение рабочей скорости требует увеличения массы каучуковой основы. Вулканитовая связка, предназначенная для изготовления отрезных кругов, содержит от 45 до 53% каучуковой основы. Вулканитовая связка гибких полировальных кругов имеет в своем составе более 60% каучука.

Используемые в абразивном производстве жесткие и низкомолекулярные каучуки достаточно легко окисляются на воздухе, теряя свойство пластичности. Это явление, называемое старением, меняет физико-механические свойства связки и абразивной смеси. Для снижения скорости окисления в каучуки и их смеси добавляют антистарители, например альдоль-а-нафтиламин, фенил-р-нафтиламин и другие вещества. Отдельные заводы в качестве антистарителя применяют смесь микрокристаллических углеводородов с минеральным маслом, получаемую при депарафинизации рафинатов западносибирской нефти (марки ОМСК-1, ТУ 38−101 348—78). Марку ОМСК-1 ТУ 38−101 348−78. Вулканитовые связки содержат от 5 до 15% антистарителя от массы каучуковой основы. Наибольшее количество антистарителя содержат шлифовальные круги твердостью С и СМ.

Мягчители вводятся в вулканитовую связку для улучшения ее пластичности, необходимой в процессе ее смешивания, формования листовых полуфабрикатов и листов из абразивных смесей, полученных прокаткой, а также в процессе вырубки из листов кольцевых заготовок. К мягчителям относят следующие материалы: идитол, рубракс, дибутилфталат, а также жирные кислоты, продукты перегонки нефти, растительные масла и др. Физико-механические свойства и марки идитола регламентируются ГОСТ 18 594–80, по которому выпускаются следующие марки: СФ-010, СФ-010М, СФ-011, СФ-012 и др.

Наполнители вводятся в целях повышения прочностных и эксплуатационных свойств инструмента. Установлено, что введение 10−20% наполнителя от общей массы каучуков повышает прочность инструмента в 10—15 раз. Чаще всего в качестве наполнителя используют оксид цинка (белила цинковые по ГОСТ 202–84), оксид магния (магнезию жженую по ГОСТ 844–79), криолит (ГОСТ 10 561−80) и др. Авторы [365] применили новый наполнитель — пигмент красный (оксид железа Ре₂0₃). В табл. 7.9 в качестве примера представлен состав вулканитовых связок в зависимости от твердости и рабочей скорости кругов [366].

Формирование структуры и свойств инструмента на вулканитовой связке относится к твердофазным процессам, контролируемым на поверхности раздела фаз. Механизм и кинетика зависят от значения доступной межфазной поверхности, условий транспорта реагентов в реакционно-активную зону, от наличия поверхностно-активных центров, химического и термического активирования каучука к пространственному структурированию [367].

Известно, что полнота прохождения реакции вулканизации при наличии ускорителей (тиурама, каптакса) связана с образованием промежуточных поверхностно-активных комплексов, вовлекающих в процесс построения пространственной структуры твердый каучук и серу. Ступени активирования реакции вулканизации связаны с пятью критическими точками — полиморфного превращения, плавления, полимеризации серы, плавления и распада ускорителей. Все точки находятся в одном температурном интервале (100−160 °С). Изменение структуры полимера осуществляется под влиянием серы, ускорителей, кислорода воздуха; происходят изомерные превращения, распад Таблица 7. 9.

Состав вулканитовых связок (пример) в зависимости от твердости и рабочей скорости кругов *.

На одну загрузку резиносмесителя.

и структурирование полимера с образованием активных центров. Авторы [3671 предполагают, что использование твердого каучука с широким молекулярномассовым распределением (с наличием низкотемпературных летучих олигомеров) обеспечивает «транспорт» в реакционную зону активных олигомеров в интервале критических температур, создает дополнительные условия для формирования пространственной структуры вулканизаторов и, как следствие, высоких физико-механических свойств. «Транспорт» активных олигомеров обеспечивается в результате отделения от основной цепи низкотемпературных летучих и, следовательно, образования дополнительных активных центров для пространственного структурирования твердого каучука.