Projekt okładki: Piotr Fedorczyk

Ilustracja na okładce: Kazimierz Woźniak / MARBAD (zdjęcia granulatów), Andrey Kuzmin/Fotolia

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Filutowski

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Marcin Kapusta / konwersja.virtualo.pl

Recenzent: prof. dr hab. inż. Mieczysław Marciniak, Politechnika Warszawska

Publikacja dofinansowana przez Marbad sp. z o.o.

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 2019

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20642-0

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

Spis treści

1. Wprowadzenie

Literatura do rozdziału pierwszego

2. Zadania obróbki strumieniowo-ściernej

2.1. Miejsce obróbki strumieniowo-ściernej w obróbce ubytkowej

2.2. Historia rozwoju obróbki strumieniowo-ściernej

2.3. Współczesne metody obróbki strumieniowo-ściernej

2.4. Rola ścierniw w poszczególnych odmianach obróbki strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału drugiego

3. Wiadomości ogólne o ścierniwach stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej

3.1. Asortyment współczesnych mediów w obróbce strumieniowo-ściernej

3.2. Normy dotyczące śrutów

3.3. Charakterystyka mediów stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału trzeciego

4. Ścierniwa metalowe

4.1. Ścierniwa z metali żelaznych

4.1.1. Śruty żeliwne

4.1.1.1. Otrzymywanie śrutów żeliwnych

4.1.1.2. Parametry ścierniw żeliwnych jako śrutów

4.1.2. Śruty staliwne

4.1.2.1. Procesy granulowania ścierniw staliwnych

4.1.2.2. Wytwarzanie ścierniw staliwnych wysokowęglowych

4.1.2.3. Wytwarzanie ścierniw staliwnych niskowęglowych

4.1.2.4. Parametry ścierniw staliwnych węglowych jako śrutów

4.1.2.5. Wytwarzanie śrutów staliwnych stopowych (nierdzewnych)

4.1.2.6. Parametry ścierniw staliwnych nierdzewnych jako śrutów

4.1.3. Śruty cięte z drutu stalowego

4.1.3.1. Parametry stalowych drutów ciętych jako śrutów

4.2. Ścierniwa metalowe z metali nieżelaznych

4.2.1. Otrzymywanie śrutów z metali nieżelaznych

4.2.2. Śruty aluminiowe i ich właściwości

4.2.3. Śruty cynkowe i ich właściwości

4.2.4. Śruty z miedzi i mosiądzu oraz niklu i tytanu

4.2.5. Zakres zastosowań śrutów z metali nieżelaznych w obróbce strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału czwartego

5. Syntetyczne ścierniwa mineralne

5.1. Elektrokorundy i węglik krzemu

5.1.1. Elektrokorundy

5.1.1.1. Otrzymywanie elektrokorundu zwykłego

5.1.1.2. Otrzymywanie elektrokorundu szlachetnego

5.1.1.3. Otrzymywanie elektrokorundu chromowego

5.1.2. Węglik krzemu

5.1.2.1. Otrzymywanie węglika krzemu

5.1.3. Przeróbka klinkieru materiałów ściernych na ziarno

5.1.4. Parametry elektrokorundu i węglika krzemu jako śrutów

5.1.5. Zakres zastosowań ścierniw elektrokorundu i węglika krzemu w obróbce strumieniowo-ściernej

5.2. Mikrokulki szklane

5.2.1. Proces wytwarzania mikrokulek szklanych

5.2.2. Parametry mikrokulek szklanych jako śrutów

5.2.3. Zakres zastosowań mikrokulek szklanych w obróbce strumieniowo-ściernej

5.3. Mikrokulki z ceramiki cyrkonowej

5.3.1. Otrzymywanie kulek ceramicznych

5.3.2. Parametry kulek ceramicznych jako śrutów

5.3.3. Zakres stosowania śrutu ceramicznego w obróbce strumieniowo-ściernej

5.4. Ścierniwa boksytowe

5.5. Literatura do rozdziału piątego

6. Mineralne ścierniwa pochodzenia naturalnego

6.1. Piasek kwarcowy

6.2. Granat

6.3. Oliwin

6.4. Staurolit

6.5. Inne mineralne ścierniwa pochodzenia naturalnego

6.6. Parametry mineralnych ścierniw naturalnych jako śrutów

6.7. Zakres zastosowań śrutów mineralnych pochodzenia naturalnego w obróbce strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału szóstego

7. Śruty z tworzyw sztucznych

7.1. Rodzaje śrutów z tworzyw sztucznych

7.2. Śruty o nieregularnych kształtach

7.2.1. Charakterystyka śrutów o nieregularnych ziarnach

7.2.2. Zakres stosowania śrutów o nieregularnych kształtach

7.3. Śruty z tworzyw sztucznych o regularnych kształtach ziaren

7.3.1. Charakterystyka geometryczna śrutów formowanych

7.3.2. Zastosowanie śrutów o regularnych kształtach w obróbcestrumieniowo-ściernej

7.3.3. Śruty do obróbki kriogenicznej

Literatura do rozdziału siódmego

8. Inne media śrutownicze

8.1. Śruty roślinne

8.1.1. Granulaty z kolb kukurydzy

8.1.2. Granulaty ze skorupek orzechów

8.1.3. Zakres zastosowania mediów roślinnych w obróbce strumieniowo-ściernej

8.2. Ścierniwo granulatu szklanego

8.3. Kwaśny węglan sodu

8.3.1. Charakterystyka proszków kwaśnego węglanu sodu jako ścierniwa iich zastosowanie w obróbce strumieniowo-ściernej

8.4. Ścierniwo suchego lodu

8.4.1. Otrzymywanie ścierniw suchego lodu

8.4.2. Właściwości ścierniw suchego lodu i zakres ich stosowania w obróbce strumieniowo-ściernej

8.5. Ścierniwa piankowe

8.5.1. Właściwości ścierniw piankowych i ich miejsce w obróbce strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału ósmego

9. Śruty żużlowe

9.1. Rodzaje ścierniw żużlowych

9.2. Procesy powstawania żużli

9.2.1. Powstawanie żużli wielkopiecowych i konwertorowych

9.2.2. Powstawanie żużli pomiedziowych

9.2.3. Powstawanie żużli paleniskowych

9.3. Przeróbka żużli na ścierniwo

9.3.1. Granulowanie żużli

9.4. Charakterystyka ścierniw żużlowych

9.4.1. Właściwości ścierniw żużla pomiedziowego

9.4.1.1. Obróbka cieplna ścierniw żużla pomiedziowego

9.5. Zakres zastosowań ścierniw żużlowych w obróbce strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału dziewiątego

10. Media do kulowania

10.1. Rodzaje mediów do kulowania

10.2. Charakterystyka mediów do kulowania

10.2.1. Uziarnienie mediów do kulowania

10.2.2. Kształt i defekty budowy wewnętrznej ziaren śrutów do kulowania

Literatura do rozdziału dziesiątego

11. Właściwości śrutów i metody ich badań

11.1. Przygotowanie próbek ścierniw do badań

11.2. Wielkość ziarna

11.2.1. Analiza sitowa ścierniwa

11.2.2. Optyczno-elektroniczne metody pomiaru uziarnienia ścierniw

11.3. Kształt ziaren ścierniw

11.3.1. Metody wizualne oceny kształtu ziaren ściernych

11.3.2. Ilościowe metody oceny kształtu ziaren ściernych

11.3.3. Techniki pomiaru kształtu ziaren ścierniw

11.3.4. Rola kształtu ziaren ścierniw w obróbce strumieniowo-ściernej

11.4. Gęstość

11.5. Gęstość nasypowa

11.6. Sypkość ścierniw

11.7. Twardość ścierniw

11.7.1. Metody określania twardości ścierniw

11.7.1.1. Metoda Vickersa i Knoopa

11.7.1.2. Metoda Rockwella

11.7.1.3. Metoda Barcola

11.7.1.4. Twardość Mohsa

11.7.2. Problematyka oceny twardości ścierniw

11.8. Trwałość ścierniw

11.8.1. Sposoby przedstawiania wyników badań trwałości ścierniw

11.9. Test Almena

11.10. Czystość chemiczna ścierniw

11.10.1. Oznaczanie zawartości wilgoci

11.10.2. Oznaczanie chlorków rozpuszczalnych w wodzie

11.10.3. Oznaczanie zanieczyszczeń rozpuszczalnych w wodzie

11.10.4. Zawartość wtrąceń magnetycznych

Literatura do rozdziału jedenastego

12. Czynniki szkodliwe występujące podczas stosowania ścierniw w obróbce strumieniowo-ściernej

12.1. Emisja pyłu

12.1.1. Krzemionka krystaliczna

12.1.2. Toksyczne pierwiastki i związki chemiczne

12.3. Radioaktywność ścierniw

12.4. Problematyka odpadów po obróbce strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału dwunastego

ROZDZIAŁ 1

Wprowadzenie

Obróbka strumieniowo-ścierna – jedna z ubytkowych metod obróbki powierzchni – miała swoje początki w drugiej połowie XIX wieku. Jej rozwój, aż do obecnego stanu powszechnie stosowanej i nowoczesnej metody obróbki powierzchni, następował na skutek wprowadzania zarówno nowych urządzeń obróbkowych, jak i nowych mediów wykorzystywanych w tych urządzeniach.

Urządzenia stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej są nazywane oczyszczarkami lub śrutownicami (ang. blast cleaning machines), a procesy obróbki są określane najczęściej jako śrutowanie (ang. abrasive blasting) lub potocznie piaskowanie (ang. sandblasting). Urządzenia stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej i procesy obróbki zostaną omówione w drugim tomie książki.

Niniejszy tom jest poświęcony tematyce ścierniw stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej. Media obróbkowe, którymi są różnego rodzaju ścierniwa, są określane potocznie śrutami (ang. blasting media, peening media, niem. Strahlmittel), a zależnie od kształtu ścierniwa – śrutami kanciastymi (ang. grit media) lub śrutami kulistymi (ang. shot media).

Rozwój asortymentowy ścierniw, od piasku kwarcowego oraz śrutów żeliwnych i staliwnych używanych w początkowym okresie tej obróbki aż do drugiej wojny światowej, odbywał się stopniowo. Dynamiczny rozwój asortymentu ścierniw nastąpił w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku, aż do stanu obecnego, kiedy do dyspozycji użytkowników obróbki strumieniowo-ściernej jest kilkadziesiąt rodzajów i odmian nowoczesnych ścierniw. Właściwości tych nowoczesnych ścierniw odpowiadają wymaganiom różnych operacji obróbkowych dostosowanych do właściwości powierzchni poddawanej obróbce i zapewniają oczekiwaną jakość powierzchni obrobionej.

Obróbka strumieniowo-ścierna jest metodą obróbki powierzchni dynamicznie rozwijającą się na świecie, w tym również w Polsce. O ile jej rozwój w Polsce opiera się w znacznym stopniu na urządzeniach produkowanych w kraju, o tyle ścierniwa w przeważającej ilości pochodzą z importu. Polska była w przeszłości również producentem ścierniw mających zastosowanie w obróbce strumieniowo-ściernej. W latach 1967–2000 w Fabryce KORUND w Kole były produkowane materiały ścierne: węglik krzemu i elektrokorundy, czyli ścierniwa stosowane również jako media w obróbce strumieniowo-ściernej. Po przejęciu Fabryki KORUND przez amerykańską firmę NORTON ta jedyna w Polsce produkcja materiałów ściernych została zlikwidowana. Jest to dla autora bardzo przykre wspomnienie, bo Fabryka KORUND i jej zaplecze badawczo-rozwojowe (OBR) były jego pierwszym miejscem pracy zawodowej w latach 1967–1980. To miejsce pracy wprowadziło autora w tematykę materiałów ściernych, której jest wierny przez całe swoje życie zawodowe.

W Polsce produkowano również śruty metalowe. Producentem śrutów staliwnych były Zakłady Metalurgiczne TRZEBINIA [1.1], a śrutów żeliwnych Odlewnia Żeliwa w Gromadce. Niestety tych dwóch producentów musiało ogłosić upadłość. Stalowe druty cięte produkuje w Polsce kilku mniejszych producentów. W Polsce są produkowane również mikrokulki szklane. Dzięki zasobom rud miedzi w Polsce i rozwiniętemu hutnictwu miedzi powstają duże ilości żużli pomiedziowych. Pracujące tam instalacje granulowania tych żużli umożliwiły ich przetwórstwo na ścierniwo. Udział ścierniwa żużli pomiedziowych w zużyciu ścierniw jednorazowego użytku w Polsce jest duży. Z tego powodu żużlowi pomiedziowemu jako ścierniwu poświęcono w książce stosunkowo dużo miejsca. Dodatkowym tego powodem był fakt, że badaniem żużli pomiedziowych i ich wykorzystaniem jako ścierniwa zajmował się autor przez kilka lat. W obiegach otwartych obróbki strumieniowo-ściernej są stosowane również duże ilości piasku kwarcowego pochodzącego z polskich kopalni. Oprócz pozaprawnego jego stosowania w piaskowaniu na sucho znaczne ilości piasku kwarcowego są zużywane w obróbkach hydrościernych.

W dwutomowej książce poświęconej obróbce strumieniowo-ściernej jest przedstawiony współczesny zakres stosowania oraz możliwości, jakie stwarza ten rodzaj obróbki powierzchni. Ze względu na bardzo rozległą tematykę oraz pewną „autonomiczność” mediów stosowanych w tej obróbce w stosunku do pozostałych „działów” informacje dotyczące ścierniw są zawarte w pierwszym tomie, a w drugim tomie są opisane oczyszczarki i procesy obróbki strumieniowo-ściernej. Jest to pierwsza taka książka wydana w Polsce na temat obróbki strumieniowo-ściernej, dotyczy to zarówno kompleksowego ujęcia ścierniw w pierwszym tomie, jak i urządzeń oraz procesów w drugim tomie.

Tematyce obróbki strumieniowo-ściernej, a w zasadzie tylko obróbce pneumatycznej była poświęcona niewielka książka J. Kaczmarka, J. Sikory i Cz. Czyżewicza z 1965 roku [1.5]. Ponadto wydane zostały dwie monografie dotyczące odmian tej obróbki: kulowania [1.8] i ciśnieniowej obróbki hydrościernej [1.2]. Obróbce strumieniowo-ściernej poświęcone były oddzielne rozdziały w książce J. Kaczmarka z 1970 roku [1.4] oraz książce J. Łempickiego i J. Paradysza dotyczącej oczyszczania odlewów z 1979 roku [1.6]. W większości były to pozycje wydane wiele lat temu, czyli w czasie gdy obróbka strumieniowo-ścierna była pod względem technicznym na znacznie niższym poziomie od współczesnego. Dotyczy to zwłaszcza mediów obróbkowych, których asortyment jest obecnie bardzo duży i różnorodny, dostosowany do wymagań poszczególnych odmian i operacji obróbki strumieniowo-ściernej.

Poza granicami Polski nie ma wiele opracowań książkowych na temat obróbki strumieniowo-ściernej. Jako pierwsze, w których opisano podstawy tej obróbki, należy uznać książkę Reamsa [1.10] i książkę Rosenberga [1.11] z 1939 roku. Kolejną istotną pozycją była dwutomowa książka Plastera Blast Cleaning and Allied Processes [1.9]. Bardzo cenną pozycją była niemiecka książka Horowitza Oberflaechenbehandlung mittels Strahlmilleln z 1982 roku [1.3]. Ta interesująca książka zawiera wiele cennych analiz właściwości ścierniw oraz pracy oczyszczarek, szczególnie wirnikowych. Analiza dotyczy jednak stanu techniki z lat osiemdziesiątych XX wieku. Ostatnią dużą pozycją jest książka Mombera Blast Cleaning Technology z 2008 roku [1.7]. Książka ta zawiera obszerną analizę pneumatycznej obróbki strumieniowo-ściernej, natomiast brak jest tam danych o mediach obróbkowych oraz o oczyszczarkach wirnikowych.

Autorowi nie udało się dotrzeć do pozycji książkowych, w których tematyka obróbki strumieniowo-ściernej była tak kompleksowo omówiona jak w niniejszej dwutomowej książce. Dane zawarte w książce opierają się na bogatych danych literaturowych, przede wszystkim na obszernej literaturze firmowej oraz na licznych badaniach własnych. Opis asortymentu współczesnych ścierniw stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej zamieszczony w książce jest efektem analizy materiałów informacyjno-technicznych większości producentów funkcjonujących na świecie. Umożliwia to czytelnikom zapoznanie się z współczesnym, aktualnym stanem na świecie w tym zakresie. W wyborze producentów opisywanych ścierniw czy aparatury badawczej zalecanej do określania wartości różnych parametrów ścierniw nie kierowano się względami marketingowymi ani żadnymi pozamerytorycznymi danymi. Zgromadzona przez autora obszerna kolekcja, praktycznie wszystkich opisywanych ścierniw, umożliwiła przeprowadzenie wielu, uzupełniających dane literaturowe, badań jakościowych oraz wykonanie ich dokumentacji fotograficznej, w większości ich obrazu pod mikroskopem. Liczne zdjęcia ścierniw zamieszczone w książce umożliwiają czytelnikowi przybliżenie specyfiki poszczególnych mediów obróbkowych.

Dla autora przy pisaniu książki dużym ułatwieniem był fakt, że przez kilkadziesiąt lat swojej aktywności zawodowej zajmował się tematyką materiałów ściernych, w różnych aspektach ich wytwarzania i stosowania.

W niniejszej książce tematyka związana ze ścierniwami stosowanymi w obróbce strumieniowo-ściernej opisana została w 12 rozdziałach, w których (oprócz rozdziału pierwszego zawierającego wprowadzenie) omówiono wszystkie istotne dla tych ścierniw zagadnienia.

Rozdział drugi jest bliższym wprowadzeniem w tematykę obróbki strumieniowo-ściernej. Ukazano w nim miejsce tej obróbki w obróbce ubytkowej, zamieszczono krótki zarys historii rozwoju obróbki strumieniowo-ściernej oraz określono współczesne metody tej obróbki. Omówiono rolę ścierniw w poszczególnych odmianach obróbki strumieniowo-ściernej.

Rozdział trzeci zawiera ogólne wiadomości o ścierniwach stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej. Zaprezentowano asortyment współczesnych ścierniw oraz ich przykładowe zużycie w Europie, wskazując tym samym na skalę ich zastosowania w praktyce obróbki powierzchni. Zamieszczono wykaz norm międzynarodowych dotyczących podstawowych ścierniw metalowych i niemetalowych, w tym mediów do kulowania. Dokonano ogólnej charakterystyki mediów z podaniem parametrów, którymi charakteryzowano ścierniwa.

Najobszerniejszy rozdział czwarty jest poświęcony podstawowej i największej grupie śrutów, którymi są ścierniwa metalowe. Przedstawiono podział tych mediów na śruty żelazne i nieżelazne. Śruty żelazne podzielono na śruty żeliwne, staliwne i stalowe. Omówiono metody otrzymywania oraz parametry tych ścierniw jako śrutów. Opisano procesy granulowania śrutów staliwnych oraz mechanizmy zużywania się ziaren śrutów w procesach obróbki strumieniowo-ściernej. Obszernie scharakteryzowano śruty staliwne stopowe (nierdzewne) z podziałem na śruty nierdzewne chromowe i nierdzewne chromowo-niklowe, wyróżniono śruty owalne i kanciaste chromowe. Dla śrutów z drutu stalowego ciętego wymieniono metody ich otrzymywania oraz parametry jakościowe. Osobno podano charakterystykę ścierniw metalowych z metali nieżelaznych. Są to zarówno śruty z drutów ciętych (aluminiowe, cynkowe, miedziane, mosiężne), jak również śruty otrzymywane metodą granulowania ciekłych metali nieżelaznych.

Rozdział piąty dotyczy syntetycznych ścierniw mineralnych, a w tym dwóch tradycyjnych materiałów ściernych (elektrokorundów i węglika krzemu) oraz pozostałych jak mikrokulki szklane, kulki ceramiczne oraz ścierniwo boksytu spiekanego. Przedstawiono współczesne metody ich otrzymywania oraz charakterystykę jako ścierniwa stosowanego w obróbce strumieniowo-ściernej. Szczególnie bliski jest autorowi węglik krzemu i elektrokorundy, gdyż są to materiały ścierne, które były przedmiotem wszechstronnych badań autora na początku jego drogi zawodowej.

Rozdział szósty zawiera informacje o współcześnie stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej ścierniwach mineralnych pochodzenia naturalnego. Są to takie minerały jak piasek kwarcowy, granat, oliwin, staurolit, hematyt, pumeks, piasek cyrkonowy oraz bardzo rzadko stosowane: kalcyt, dolomit i bazalt. Opisane zostały właściwości poszczególnych ścierniw oraz zakres ich stosowania w obróbce strumieniowo-ściernej.

W rozdziale siódmym znajdzie czytelnik obszerne informacje o specjalnej grupie ścierniw, którymi są śruty z tworzyw sztucznych. Śruty te skalsyfikowano zależnie od kształtu na śruty o kształtach nieregularnych oraz śruty o kształtach regularnych. Wymieniono osiem typów śrutów o nieregularnych kształtach i dokonano ich charakterystyki. Omówione zostały cztery rodzaje śrutów o regularnych formowanych kształtach (poliamidowy, poliwęglanowy, polioksymetylenowy i polistyrenowy) oraz zakres ich wykorzystania w obróbce strumieniowo-ściernej. Zaprezentowany został kriogeniczny śrut poliwęglanowy.

W rozdziale ósmym znajdują się informacje o mediach obróbkowych wykorzystywanych w obróbce strumieniowo-ściernej, których zakres stosowania jest ograniczony do zadań specjalnych. Omówione zostały śruty roślinne (granulaty z kolb kukurydzy i skorupek orzecha), ścierniwo granulatu szklanego, kwaśny węglan sodu, ścierniwo suchego lodu oraz ścierniwa piankowe. Scharakteryzowane zostały poszczególne ścierniwa i omówiony zakres ich wykorzystania w obróbce strumieniowo-ściernej.

Rozdział dziewiąty jest poświęcony ścierniwom żużlowym, będącym produktami ubocznymi lub odpadowymi w procesach hutniczych lub w procesie spalania węgla w elektrowniach i elektrociepłowniach. Opisano procesy powstawania żużli pomiedziowych, wielkopiecowych i konwektorowych oraz żużli paleniskowych, w tym procesy granulowania ciekłych żużli. Dokonano charakterystyki ścierniw żużlowych pochodzących od różnych producentów. Przeprowadzono szczególnie dokładną analizę ścierniw żużla pomiedziowego i możliwości ich uszlachetniania metodą obróbki cieplnej. Są to ścierniwa produkowane w Polsce, a ponadto były one przedmiotem kilkuletnich badań autora i jego współpracowników.

Rozdział dziesiąty zawiera informacje o specjalnej grupie ścierniw stosowanych do kulowania powierzchni metali prowadzącego do wzrostu twardości warstwy wierzchniej i ukonstytuowania się w niej naprężeń ściskających. Dokonano przeglądu wszystkich mediów do kulowania, odnosząc ich właściwości do obowiązujących w tym zakresie norm.

Obszerny rozdział jedenasty stanowi przegląd właściwości śrutów i metod ich badań. Przedstawiono metody przygotowania próbek ścierniw do badań, metody opisu i określania wielkości oraz kształtu ziaren ścierniw. Dużo uwagi poświęcono nowoczesnym instrumentalnym metodom pomiaru tych parametrów ścierniw. Opisano metody pomiaru gęstości i gęstości nasypowej ścierniw. Scharakteryzowano sypkość ziarnistych ścierniw i metody pomiaru kąta nasypu i zsypu. Podkreślono znaczenie twardości, jako bardzo istotnego parametru ścierniw. Omówiono metody Vickersa i Knoopa oraz Rockwella i Barcola stosowane do określania twardości poszczególnych typów ścierniw. Odniesiono się do charakteryzowania ścierniw w skali Mohsa oraz dokonano porównania ich twardości określonej w różnej skali. Omówione zostały metody określania trwałości ścierniw jako obok twardości ich bardzo ważnego parametru jakościowego oraz sposoby przedstawiania wyników pomiaru trwałości. Scharakteryzowano badanie ścierniw metodą Almena jako miary właściwości ścierniw do przekazywania energii do powierzchni obrabianej.

Nie zamieszczono w książce opisów badań składu chemicznego poszczególnych ścierniw, zarówno ze względu na różnorodność metod, wynikającą z różnorodności ścierniw, obszerności tematu, a przede wszystkim niewielkiej przydatności tych informacji dla użytkowników ścierniw, dla których ta książka jest głównie przeznaczona. Omówiono natomiast, istotne dla użytkowników ścierniw sposoby oceny czystości chemicznej ich powierzchni. Dotyczy to zarówno zawartości wilgoci oraz chlorków rozpuszczalnych w wodzie, jak również sumarycznej zawartości elektrolitów na powierzchni ziaren ścierniw. Ograniczona do minimum zawartość tych zanieczyszczeń zapobiega wnoszeniu na obrabianą powierzchnię zarodków korozji. Temu samemu celowi służy ograniczenie zawartości wtrąceń magnetycznych. Metody ich pomiaru zostały opisane na końcu rozdziału jedenastego.

W rozdziale dwunastym omówiono problemy, jakie w obróbce strumieniowo-ściernej stwarzają ścierniwa dla obsługi i środowiska. Wyeksponowano problemy z pyleniem oraz związaną z tym zawartością, w powietrzu w strefie obróbki, wolnej krystalicznej krzemionki oraz cząstek metali szkodliwych dla człowieka. Zamieszczono wykaz ścierniw o podwyższonej radioaktywności. Rozważano problemy związane z powstawaniem odpadów poobróbkowych ścierniwa na przykładzie żużla pomiedziowego.

W tej książce poświęconej głównie materiałom ściernym stosowanym jako ścierniwo w obróbce strumieniowo-ściernej omawiano w ograniczonym zakresie zagadnienia związane z samym procesem obróbki. Zamieszczono tylko dane nierozerwalnie związane z funkcją określonego ścierniwa w tym procesie. Tematy te są kompleksowo omawiane w drugim tomie, podczas analizy takich zagadnień jak na przykład charakterystyka powierzchni obrabianej, wpływ parametrów procesu obróbki na zużywanie się ścierniw, problem uziarnienia mieszanki roboczej czy kontrola parametrów śrutu w czasie obróbki.

Za słowa zachęty do napisania niniejszej książki, jak również cenne uwagi w czasie jej pisania serdeczne podziękowania składa autor Panu prof. dr. hab. inż. Mieczysławowi Marciniakowi. Specjalne podziękowania kieruje autor do Pani mgr Jolanty Orligóry za pomoc i ciągłą współpracę przy redagowaniu tekstu.

Literatura do rozdziału pierwszego

[1.1] Baryłowicz J.: Śrut staliwny produkcji Zakładów Metalurgicznych TRZEBINIA. „Przegląd Odlewnictwa” 1997, nr 9, s. 290.

[1.2] Borkowski P.: Teoretyczne i doświadczalne podstawy hydrostrumieniowej obróbki powierzchni. Wydawnistwo Politechniki Koszalińskiej, Monografia nr 106, Koszalin 2014.

[1.3] Horowitz E.I.: Oberflaechenbehandlung mittels Strahlmittels. Vulkan-Verlag, Essen 1982.

[1.4] Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. WNT, Warszawa 1970.

[1.5] Kaczmarek J., Sikora J,. Czyżewicz Cz.: Obróbka strumieniowo-ścierna. WNT, Warszawa 1963.

[1.6] Łempicki J., Paradysz J.: Oczyszczanie i wykańczanie odlewów żeliwnych i staliwnych.WNT, Warszawa 1979.

[1.7] Momber A.: Blast Cleaning Technology. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg 2008.

[1.8] Nakonieczny A.: Dynamiczna powierzchniowa obróbka plastyczna. Monografia IMP, Warszawa 2002.

[1.9] Plaster H.J.: Blast Cleaning and Allied Processes. Vol. 1. Industrial Newspapers Ltd, London 1972.

[1.10] Reams C.A.: Modern Blast Cleaning and Ventilation. Penton Publication, Cleveland 1939.

[1.11] Rosenberg W.A.: Impact Cleaning. Penton Publication, Cleveland 1939.

[1.12] Woźniak K.: Materiały ścierne. Wytwarzanie i własności. WNT, Warszawa 1982.

ROZDZIAŁ 2

Zadania obróbki strumieniowo-ściernej

Obróbka strumieniowo-ścierna jest miejscem użytkowania ścierniw – pełnią w niej one rolę mediów obróbkowych. W tej książce poświęconej ścierniwom stosowanym w obróbce strumieniowo-ściernej zamieszczono również, tytułem wprowadzenia, wybrane informacje o samej obróbce, która omawiana będzie szeroko w tomie drugim. Istotnym jest określenie miejsca obróbki strumieniowo-ściernej wśród innych metod obróbki ubytkowej. Również potrzebne są ogólne informacje o historii tej obróbki i początkowych rozwiązaniach poszczególnych typów oczyszczarek strumieniowo-ściernych. Doskonalenie poprzez kolejne lata tych początkowych rozwiązań doprowadziło do stanu, iż obróbka strumieniowo-ścierna stała się obecnie nowoczesną i wydajną metodą obróbki powierzchni. W realizacji obróbki powierzchni współczesna metoda strumieniowo-ścierna ma do dyspozycji wiele rodzajów i odmian ścierniw, które charakteryzują się dużą efektywnością.

2.1. Miejsce obróbki strumieniowo-ściernej w obróbce ubytkowej

Obróbka strumieniowo-ścierna jest zaliczana do ubytkowych obróbek powierzchni. Przez obróbkę ubytkową rozumie się taką metodę obróbki materiałów, w której proces kształtowania części i wyrobów łączy się z koniecznością usunięcia określonej objętości tego materiału [2.3]. Do obróbki ubytkowej zalicza się obróbkę za pomocą skrawania i obróbkę za pomocą erodowania (rys. 2.1).

Rys. 2.1. Klasyfikacja obróbki ubytkowej [2.3]

Obróbka skrawaniem dzieli się na obróbkę wiórową oraz obróbkę ścierną. Obróbka wiórowa jest obróbką wykonywaną za pomocą narzędzi o określonej liczbie i kształcie ostrzy skrawających. W czasie tej obróbki jest usuwany naddatek w postaci wiórów widocznych gołym okiem. Obróbka ścierna jest natomiast takim rodzajem obróbki, w której skrawanie jest dokonywane licznymi drobnymi ostrzami o nieustalonej liczbie i kształcie. W czasie obróbki ściernej jest usuwany naddatek w postaci drobnych wiórów na ogół niedostrzegalnych nieuzbrojonym wzrokiem oraz w postaci cząstek wyrywanych z powierzchni obrabianej siłą tarcia.

Obróbką ścierną jest nazywany taki rodzaj obróbki, w której procesy obróbki powierzchni skrawaniem są dokonywane za pomocą narzędzi ściernych lub za pomocą luźnego ścierniwa (rys. 2.2). Obróbkę narzędziami ściernymi nazywa się również obróbką ścierniwem związanym. Jest to obróbka za pomocą narzędzi ściernych o określonym kształcie i wymiarach. Są to takie narzędzia jak ściernice, segmenty ścierne, osełki, płótna i papiery ścierne. Charakterystyczną ich cechą jest to, że ziarna ścierniwa są umocowane w spoiwie w postaci bryły lub na podłożu i w czasie procesu obróbki nie zmieniają swojego położenia aż do zużycia się przez starcie lub wykruszenie.

Obróbka luźnym ścierniwem polega na tym, że proces obróbki skrawania wykonują ziarna ścierne, które w czasie skrawania mogą zmieniać swoje położenie. Proces obróbki może być realizowany przy użyciu dwóch metod. Jedna z nich to tak zwana metoda dociskowa, w której ziarna ścierne uzyskują chwilowe oparcia w miękkim lub niejednorodnym materiale zwanym docierakiem lub polerską tarczą tkaninową. W drugiej metodzie, tak zwanej kinematycznej, ziarnom ściernym nadaje się taką prędkość, że energia kinetyczna wystarczy do wykonania pracy skrawania przy zderzeniu ziarna z obrabianą powierzchnią. Obróbkę strumieniowo-ścierną zalicza się do tego drugiego rodzaju obróbki luźnym ścierniwem. W obróbce strumieniowo-ściernej ścierniwo uformowane w strumień uderzający w obrabianą powierzchnię uzyskuje tę niezbędną prędkość za pomocą płynów (powietrze lub woda) pod ciśnieniem lub przy użyciu koła rzutowego. Ziarna ścierne powinny uzyskać taką prędkość, aby pomimo swojej niedużej masy były zdolne wykonać pracę skrawania.

Rys. 2.2. Klasyfikacja obróbki ściernej [2.3]

2.2. Historia rozwoju obróbki strumieniowo-ściernej

Obróbka strumieniowo-ścierna jest metodą obróbki o prawie 150-letniej tradycji. Jako pierwszy na świecie tę metodę obróbki zaproponował amerykański chemik z Filadelfii generał Benjamin Chew Tilghman (rys. 2.3). Obserwacja skutków uderzeń strumienia piasku kwarcowego na pustyni była inspiracją dla Tilghmana do zaproponowania w 1870 roku piaskowania jako metody obróbki powierzchni. Ideę takiej obróbki dobrze ilustruje proste urządzenie, którego oryginalny schemat zamieszczono na rys. 2.4. Urządzenie to można określić współcześnie jako oczyszczarka pneumatyczna ciśnieniowa.

Rys. 2.3. Twórca metody obróbki strumieniowo-ściernej Benjamin Chew Tilghman [2.17]

Rys. 2.4. Urządzenie Tilghmana do piaskowania [2.14]

Tilghman jest autorem pierwszego patentu amerykańskiego nr 108 408 z dnia 18 października 1870 roku opisującego tę metodę [2.16]. Ideę wynalazku ilustruje przedstawiony oryginalny rysunek z tego patentu (rys. 2.5). Medium obróbkowym jest piasek kwarcowy, a medium rzucającym piasek jest para wodna, woda lub sprężone powietrze. Jeszcze w tym samym 1870 roku Tilghman zgłosił w Anglii drugi patent [2.15], w którym zawarł pomysł wykorzystania koła rzutowego jako elementu rzucającego ścierniwo na powierzchnię obrabianą (rys. 2.6).

Rys. 2.5. Oryginalny schemat instalacji do obróbki strumieniowo-ściernej według patentu USA nr 104 408 [2.16]

Rys. 2.6. Pierwsze koło rzutowe opatentowane przez B.Ch. Tilghmana [2.15]

Wykorzystanie metody koła rzutowego z instalacją obiegu ścierniwa zaproponował Hans Beeg, patentując swój pomysł najpierw w Niemczech w 1893 roku [2.1], a dwa lata później w USA [2.2]. Schemat jednego z takich rozwiązań zawartych w patencie amerykańskim zamieszczono na rys. 2.7. Instalacja z kołem rzutowym, a szczególnie samo koło rzutowe, były przedmiotem licznych zgłoszeń patentowych, spośród których wyróżnić należy patenty Minicha [2.8], Keefera [2.4] i Peika [2.10].

Rys. 2.7. Instalacja obróbki strumieniowo-ściernej według patentu Beega z 1895 roku [2.2]

Z punktu widzenia współczesnych urządzeń do obróbki strumieniowo-ściernej należy zaakcentować początek oczyszczarek bębnowych. Idea takiej oczyszczarki, której komorę roboczą tworzy specjalnie uformowana taśma bezkońcowa, znajduje się w patencie Ochsa z 1911 roku (rys. 2.8). Idea oczyszczarek bębnowych była rozwinięta w kilku kolejnych patentach Peika z lat 1931–1932 [2.11].

Rys. 2.8. Bezkońcowa taśma jako komora robocza w oczyszczarce bębnowej nazwanej tumling mill według patentu Ohsa [2.9]

Tilghman był pierwszym producentem urządzeń do obróbki strumieniowo-ściernej w założonych przez siebie firmach w Filadelfii, a po przeprowadzeniu się do Anglii w Sheffield [2.12].

Dwa podstawowe czynniki spowodowały gwałtowny rozwój obróbki strumieniowo-ściernej. Jednym z nich było upowszechnienie koła rzutowego jako elementu wprawiającego w ruch ziarniste media kierujące je na obrabianą powierzchnię. Nowoczesne urządzenia stosowane w tej obróbce, nazywane śrutownicami, a współcześnie najczęściej oczyszczarkami, wymagały dobrych i trwałych mediów. Tym drugim czynnikiem było uruchomienie produkcji nowoczesnych i trwałych mediów metalowych, chociaż do końca drugiej wojny światowej podstawowym medium obróbkowym był piasek kwarcowy.

2.3. Współczesne metody obróbki strumieniowo-ściernej

Obróbka strumieniowo-ścierna jest najbardziej wydajną metodą mechanicznego przygotowania powierzchni. Współczesne rozwiązania charakteryzują się wieloma uniwersalnymi cechami takimi jak [2.13]:

• możliwość uzyskania wysokiej wydajności obróbki,

• oczyszczarki strumieniowe mogą być stacjonarne lub ruchome i mogą być dostosowane do obiektów, które mają oczyścić,

• możliwość obróbki większości typów i kształtów obrabianych powierzchni,

• możliwość uzyskania różnych stanów (jakości) obrabianych powierzchni,

• możliwość uzyskania różnorodnych efektów obróbki takich jak oczyszczanie, schropowacenie, wyrównanie nierówności podłoża, docieranie gładkościowe czy umocnienie powierzchni,

• możliwość selektywnego usuwania częściowo zdegradowanych powłok z ochronnych systemów powłokowych, przy równoczesnym pozostawieniu nienaruszonych powłok będących w dobrym stanie.

Spotykane są różne podziały metod obróbki strumieniowo-ściernej. Najczęściej jest stosowany podział zamieszczony w PN-EN ISO 8504-2:2000 (rys. 2.9).

Obróbka strumieniowo-ścierna może być przeprowadzana na sucho i na mokro, a ziarna ścierne mogą być rzucane na obrabianą powierzchnię metodą odśrodkową za pomocą kół wirnikowych lub za pomocą strumienia sprężonego powietrza, strumienia wody pod ciśnieniem lub mieszaniny sprężonego powietrza i wody.

Podstawowy podział wyróżnia trzy metody obróbki strumieniowo-ściernej, czyli obróbkę wirnikową, pneumatyczną i hydrościerną. Te obróbki są realizowane przez wirnikowe oczyszczarki strumieniowo-ścierne, oczyszczarki pneumatyczne oraz urządzenia do obróbki strugą wodno-ścierną, w tym wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną do cięcia (ang. water jet). Każda z tych grup urządzeń ma swój określony zakres zastosowania i określone, często odmienne, metody sterowania procesem obróbki. Z ekonomicznego punktu widzenia korzystnie wyróżnia się metoda wirnikowa.

Rys. 2.9. Metody obróbki strumieniowo-ściernej według PN-EN ISO 8504-2:2000

2.4. Rola ścierniw w poszczególnych odmianach obróbki strumieniowo-ściernej

Metoda strumieniowo-ścierna jest bardzo zróżnicowaną metodą obróbki powierzchni. Zróżnicowanie to wynika zarówno z ogromnej liczby wielorakich przedmiotów, obiektów, instalacji, jak i odmiennych wyjściowych stanów ich powierzchni oraz odmiennych oczekiwań odnośnie do stanu tej powierzchni po obróbce. To przedmiot i jego powierzchnia poddawana obróbce są rozstrzygającymi czynnikami o zastosowaniu danego procesu obróbki, w tym o wyborze typu oczyszczarki, ścierniwa, czy parametrów procesu obróbki. Wybór typu oczyszczarki i ścierniwa zależą również od tego, czy proces obróbki będzie realizowany w komorze roboczej oczyszczarki znajdującej się w hali produkcyjnej, czy też w warunkach terenowych podczas obróbki powierzchni na przykład konstrukcji mostów, wież, słupów energetycznych lub cystern.

Rys. 2.10. Czynniki wpływające na jakość i trwałość powłok ochronnych [2.7]

Jednym z podstawowych zakresów zastosowania obróbki strumieniowo-ściernej jest przygotowanie podłoży metalowych do nakładania powłok ochronnych, najczęściej malarskich. To od prawidłowo wykonanej obróbki zależy głównie trwałość powłok naniesionych na te powierzchnie (rys. 2.10).

Tematyce przygotowania powierzchni podłoży do nakładania powłok są poświęcone liczne normy międzynarodowe, w tym szczególnie normy ISO. Oczyszczaniu strumieniowo-ściernemu są poddawane zarówno skorodowane podłoża stalowe, jak i podłoża ze starymi, przeznaczonymi do usunięcia, powłokami malarskimi. W normie PN-EN ISO 8501-1 jest opisane przygotowanie podłoży stalowych do powłokowego zabezpieczenia antykorozyjnego.

Wyróżnia się cztery stany wyjściowe stali, pokazane przykładowo na rys. 2.11. Te cztery stopnie skorodowania, odniesione do normy PN-EN ISO 8501-1, można opisać następująco:

• A – powierzchnia stalowa pokryta mocno przylegającą zgorzeliną walcowniczą, nieznacznie lub wcale nie pokryta rdzą,

• B – powierzchnia stalowa, w której zaczęła już występować rdza i z której równocześnie zaczęła się łuszczyć zgorzelina walcownicza,

• C – powierzchnia stalowa, na której zgorzelina walcownicza jest już tak skorodowana, że po jej zdrapaniu widać gołym okiem niewielkie wżery korozyjne w podłożu.

• D – powierzchnia stalowa, na której zgorzelina walcownicza całkowicie skorodowała i gołym okiem wyraźnie widać wżery korozyjne.

Przy rozważaniu sposobu obróbki powierzchni stalowych przyporządkowuje się przeznaczoną do obróbki powierzchnię do wymienionych czterech stopni skorodowania. W normie PN-EN ISO 8501-1 określa się również cztery stopnie oczyszczenia tych powierzchni. Oznaczone są one literą Sa i cyframi dla różnych stopni oczyszczenia:

Rys. 2.11. Stopnie skorodowania powierzchni stalowych podłoży (A, B, C, D) [2.5]

• Sa1 oznacza lekką obróbkę strumieniowo-ścierną usuwającą pył, smary i brud, luźną zgorzelinę walcowniczą, rdzę, stare farby i inne luźne zanieczyszczenia,

• Sa2 to dokładna obróbka strumieniowo-ścierna usuwająca zanieczyszczenia pyłowe, luźną i przeważającą część zgorzeliny walcowniczej, rdzę, stare farby i inne luźne zanieczyszczenia, przy czym pozostawione na powierzchni zanieczyszczenia muszą mieć bardzo dobrą przyczepność do podłoża, a ich łączna powierzchnia nie może przekraczać 20% powierzchni całkowitej,

• Sa2½ to bardzo dokładna obróbka strumieniowo-ścierna usuwająca zanieczyszczenia pyłowe, smary i inne zanieczyszczenia, tylko minimalne ślady pozostałych zanieczyszczeń mogą być widoczne jako lekkie przebarwienia lub ciemniejsze plamy, bądź smugi, a ich łączna powierzchnia nie może przekraczać 5% powierzchni całkowitej,

• Sa3 to obróbka strumieniowo-ścierna do białego metalu – pył, smary i inne zanieczyszczenia muszą być usunięte w całości, powierzchnia musi mieć jednorodny metaliczny wygląd.

Na rys. 2.12 zamieszczono przykładowe fotografie powierzchni stalowej o różnym stopniu oczyszczenia dla wyjściowego stanu skorodowania C.

Przytoczone przykłady zamieszczone na rys. 2.11 i 2.12 należy traktować umownie, bo zróżnicowane są obrazy różnych rzeczywistych powierzchni stalowych. Istotne jest jednak przyporządkowanie określonej oczyszczonej powierzchni do danego stopnia oczyszczenia, bo w procesach nakładania farb są podawane wymogi wobec powierzchni w stopniach oczyszczenia. Najczęstszym wymogiem jest uzyskanie powierzchni o stopniu oczyszczenia 2½.

Rys. 2.12. Stopnie oczyszczenia powierzchni stalowej obróbką strumieniowo-ścierną [2.5]: a) Sa1, b) Sa2 c) Sa2½, d) Sa3

Proces oczyszczania, w tym wybór ścierniwa jest podporządkowany uzyskaniu założonego stopnia oczyszczenia powierzchni.

Istotnym parametrem powierzchni przygotowanej do nakładania powłok jest jej odpowiednia struktura geometryczna. Aby ją uzyskać, należy wybrać określony typ ścierniwa i określoną jego granulację. Istotny jest też wpływ kształtu ziaren wybranego ścierniwa, bo ma on decydujący wpływ na topografię obrobionej powierzchni (rys. 2.13).

Rys. 2.13. Topografia powierzchni stali 3D obrabiana śrutem staliwnym [2.5]: a) okrągłym (S), b) kanciastym (G)

Wielkość ziaren ścierniwa ma decydujący wpływ na chropowatość obrobionej powierzchni. Im grubsze ziarna użytego do tej obróbki ścierniwa, tym uzyskuje się bardziej chropowatą powierzchnię (tab. 2.1 i tab. 2.2). W zależności od rodzaju i grubości pokrycia powłoką malarską wymagana jest różna chropowatość powierzchni przygotowanej do nakładania powłoki. Istnieje więc potrzeba wyboru rodzaju i wielkości ziaren ścierniwa.

Tabela 2.1. Chropowatość powierzchni stalowej obrobionej do skali czystości Sa2½ kulistym śrutem staliwnym w oczyszczarce wirnikowej [2.6]

Uziarnienie śrutu staliwnego wg SAE J444

Chropowatość powierzchni Rz, µm

S 110 (0,30–0,60 mm)

20–30

S 170 (0,40–0,80 mm)

30–45

S 230 (0,60–1,00 mm)

40–55

S 330 (0,80–1,25 mm)

50–70

S 390 (1,00–1,60 mm)

55–75

S 550 (1,25–2,00 mm)

65–90

Tabela 2.2. Chropowatość powierzchni stalowej obrobionej do skali czystości Sa2½ kanciastym śrutem staliwnym przy użyciu oczyszczarki pneumatycznej [2.6]

Uziarnienie śrutu staliwnego wg SAE J444

Chropowatość powierzchni Rz, µm

G 120 (0,075–0,300 mm)

20–35

G 80 (0,125–0,425 mm)

30–50

G 50 (0,180–0,710 mm)

50–70

G 40 (0,300–1,000 mm)

65–95

G 25 (0,425–1,180 mm)

80–110

G 18 (0,710–1,400 mm)

95–130

G 16 (1,000–1,700 mm)

110–150

Obróbka strumieniowo-ścierna jest przeprowadzana bardzo często celem uzyskania jednorodnej powierzchni różnorodnych metali, usunięcia śladów obróbki cieplnej, spawania, zgrzewania, usunięcia zendry walcowniczej i uzyskania określonej tekstury powierzchni po obróbce. Dotyczy to zwłaszcza różnych wyrobów ze stali nierdzewnej czy aluminium. Uzyskanie oczekiwanej tekstury metali danych wyrobów umożliwia wybór śrutu o odpowiednim kształcie i wielkości ziaren do obróbki tej powierzchni. Przegląd powierzchni stalowej uzyskanej w czasie obróbki strumieniowo-ściernej przy użyciu staliwnego śrutu kulistego i kanciastego zamieszczono na rys. 2.14.

Przy wyborze ścierniwa do obróbki strumieniowo-ściernej w określonej oczyszczarce należy uwzględnić jego wpływ na trwałość metalowych części oczyszczarek. Ziarna ścierne mało plastyczne o ostrych krawędziach, takie jak ścierniwo żeliwne, naturalne i syntetyczne ścierniwa mineralne nie są zalecane do pracy w oczyszczarkach wirnikowych ze względu na to, że powodują one duże zużycie elementów metalowych, w tym głównie wirnika. Stosowane są one głównie w oczyszczarkach pneumatycznych, w których dysza oczyszczarki jest elementem najbardziej narażonym na zużycie. W oczyszczarkach wirnikowych są stosowane przede wszystkim bardziej miękkie i plastyczne ścierniwa staliwne i z drutu ciętego.

O wyborze ścierniwa do określonej operacji obróbki strumieniowo-ściernej rozstrzyga najczęściej koszt zużytych ścierniw. Jeżeli procesy obróbki odbywają się w warunkach terenowych, gdzie nie ma warunków do zawracania ścierniwa i obróbka odbywa się w układzie otwartym, to nie stosuje się wówczas wydajnych, ale drogich ścierniw, takich jak na przykład elektrokorund, a stosuje się mniej wydajne, ale tanie ścierniwa żużlowe lub mineralne pochodzenia naturalnego. Wybór ścierniw żużlowych lub mineralnych pochodzenia naturalnego jest też najczęściej podyktowany ich dostępnością w danym kraju, czy w danym rejonie. Nie jest przypadkiem, że w Polsce zużywa się duże ilości ścierniw żużla pomiedziowego, bo w Polsce istnieją huty miedzi i istnieją instalacje granulowania żużli pomiedziowych. Z tych samych powodów w USA zużywa się bardzo duże ilości ścierniw żużla paleniskowego.

Rys. 2.14. Powierzchnia próbek stalowych po obróbce strumieniowo-ściernej śrutem staliwnym kanciastym (G) i kulistym (S) różnej wielkości

Podobna sytuacja jest ze ścierniwami mineralnymi pochodzenia naturalnego. Są one używane przede wszystkim w rejonie ich wydobycia i przeróbki, bo w przypadku tych tanich ścierniw nie jest ekonomicznie uzasadniony ich transport na duże odległości.

Oczywistym jest wybór ścierniw miękkich, takich jak ścierniwa z tworzyw sztucznych, do usuwania powłok lakierniczych z twardych podłoży. Chodzi o to, aby użyte ścierniwo było twardsze od powłoki przeznaczonej do usunięcia, a bardziej miękkie od materiału podłoża. Przy takim wyborze nie ma niebezpieczeństwa, że podczas usuwania tej powłoki nastąpi naruszenie podłoża.

W przypadku gdy nie można zdemontować elementów instalacji przeznaczonych do obróbki, w tym na przykład instalacji elektrycznych pod napięciem, wybór ścierniwa jest znacznie ograniczony. Stosowane są wówczas takie ścierniwa, które ulatniają się z powierzchni obrabianej lub można je usunąć strumieniem wody, czyli takie jak kwaśny węgla sodu czy granulki suchego lodu.

Tematyka wyboru odpowiednich ścierniw do określonych operacji obróbki strumieniowo-ściernej jest poruszana przy omawianiu poszczególnych ścierniw w rozdziałach od czwartego do dziesiatego. Będzie ona również analizowana szerzej w drugim tomie książki przy omawianiu procesów obróbki strumieniowo-ściernej.

Literatura do rozdziału drugiego

[2.1] Beeg H.: Gussputzmachine. Pat. niem. 71 824 (1893).

[2.2] Beeg H.: Machine for cleaning casting. US Pat. 553.397 (1895).

[2.3] Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. WNT, Warszawa 1970.

[2.4] Keefer W.L.: Abrading apparatus. US Pat. 2.108.006 (1938).

[2.5] Materiały informacyjne Steel Construction. Info (Anglia). Surface Preparation. www.steelconstructions.info

[2.6] Materiały techniczne firmy Ervin Amasteel (USA). www.ervinamasteel.eu

[2.7] Materiały techniczne firmy Sponge Jet. Inc., (USA). www.spongejet.com

[2.8] Minich V.E.: Abrasive throwing wheel. US Pat. 2.049.466 (1976).

[2.9] Ochs K.: Rotary belt machine. UK Pat. 4724 (1911).

[2.10] Peik L.D.: Abrasive throwing or impelling apparatus. US Pat. 2.212.451 (1940).

[2.11] Peik L.D.: Tumbling mill. US Pat. 1.833.301 (1931); US Pat. 1.832.442 (1932); US Pat. 1.882.443 (1932).

[2.12] Plater H.J.: The history and developments of the impact treatment processes. „Journal of Mechanical Working Technology” 1983, nr 8, s. 203–216.

[2.13] PN-EN ISO 8504-2. Metody przygotowania powierzchni. Część 2. Obróbka strumieniowo-ścierna.

[2.14] Ramirez J.: The Inventor of Sandblasting was a real American Hero. Industrial outpost. January 10, 2017. www.industrialoutpost.com

[2.15] Tilghman B.Ch.: Blast wheel. UK Pat. 2900 (1870).

[2.16] Tilghman B.Ch.: Improvement in cutting and engraving stone, metal, glass & c. US Pat. 104.408 (1870).

[2.17] Tilghman B.Ch.: Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Chew_Tilghman.

ROZDZIAŁ 3

Wiadomości ogólne o ścierniwach stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej

Piasek kwarcowy był pierwszym medium obróbkowym w zaproponowanej w 1870 roku przez Tilghmana nowej strumieniowej metodzie obróbki [3.6]. Z kolei medium umożliwiającym powstawanie strumienia piasku rzucanego na obrabianą powierzchnię była para wodna lub sprężone powietrze. Pierwsza propozycja zastosowania jako medium obróbkowego sztucznie wytwarzanego ścierniwa jest zawarta w patencie Tilghmana dotyczącym produkcji śrutu z utwardzonego żeliwa (ang. cast iron globules) [3.10]. B.Ch. Tilghman założył razem z bratem firmę w Filadelfii pod nazwą B.C.&P.R. Tilghman, która miała produkować śrut z utwardzonego żeliwa do obróbki kamienia. Śrut ten miał wówczas bardzo ograniczone zastosowanie w obróbce strumieniowo-ściernej.

Wprowadzony przez Tilghmana jako ścierniwo piasek kwarcowy był podstawowym medium obróbkowym praktycznie do końca drugiej wojny światowej. Pierwsze próby wykorzystania na większą skalę innego niż piasek kwarcowy medium obróbkowego miały miejsce pod koniec lat dwudziestych XX wieku. Tym medium był opatentowany przez Tilghmana śrut żeliwny, przede wszystkim kanciasty. Był to więc pierwszy śrut metalowy wykorzystywany w obróbce strumieniowo-ściernej. Kolejnym śrutem metalowym był śrut obrabiany cieplnie, w tym śrut z ciętego drutu stalowego. Wprowadzenie do praktyki obróbki strumieniowo-ściernej śrutów metalowych oraz koła rzutowego w śrutownicach spowodowało dynamiczny rozwój tej technologii. Ten rozwój został jeszcze przyspieszony po wprowadzeniu jako ścierniwo granulowanych topionych ścierniw staliwnych, początkowo w USA od 1955 roku, a kilka lat później w Europie. Stopniowo do praktyki obróbki strumieniowo-ściernej wprowadzane były kolejne ścierniwa metalowe, w tym ze stali nierdzewnej i kwasoodpornej oraz śruty z metali nieżelaznych. Asortyment śrutów zwiększył się też o dużą grupę ścierniw niemetalowych, takich jak elektrokorund, mikrokulki szklane i ceramiczne oraz żużlowe ścierniwa mineralne oraz ścierniwa z tworzyw sztucznych.

W dalszym ciągu duże zastosowanie miały mineralne ścierniwa pochodzenia naturalnego, szczególnie w miejscach ich pozyskiwania i przetwarzania. Współcześnie w metodzie strumieniowo-ściernej zastosowanie mają różnorodne media o właściwościach dostosowanych do wymogów poszczególnych operacji obróbki powierzchni.

3.1. Asortyment współczesnych mediów w obróbce strumieniowo-ściernej

Współczesne media wykorzystywane w obróbce strumieniowo-ściernej, nazywane popularnie śrutami, określić można jako nowoczesne ścierniwa o ściśle danych i w przeważającej części, powtarzalnych właściwościach. Ich asortyment jest bardzo szeroki, a podział na rodzaje i odmiany zależy od pochodzenia materiału, z którego są te media wykonane oraz od technologii ich wytwarzania.

Międzynarodowe normy ISO dzielą współczesne ścierniwa stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej na ścierniwa metalowe i ścierniwa niemetalowe. Wymagania i metody badań dotyczące ścierniw metalowych są zawarte w normach ISO 11124 i ISO 11125, a dotyczące ścierniw niemetalowych w normach ISO 11126 i ISO 11127. Wymienione normy ISO opisują następujące rodzaje śrutów:

• śruty metalowe: żeliwny, staliwny wysokowęglowy, staliwny niskowęglowy i stalowy z drutu ciętego,

• śruty niemetalowe: elektrokorund, piasek kwarcowy, piasek oliwinowy, staurolit, granat (almadyn), żużel pomiedziowy, żużel paleniskowy, żużel poniklowy, żużel wielkopiecowy.

Przyjmując kryterium pochodzenia, współczesne śruty można podzielić na trzy podstawowe grupy [3.11]:

• materiały ścierne pochodzenia naturalnego,

• materiały ścierne syntetyczne otrzymywane w specjalnych procesach technologicznych,

• materiały ścierne będące produktami ubocznymi bądź odpadowymi w wybranych procesach technologicznych.

Materiały ścierne pochodzenia naturalnego to:

• ścierniwa mineralne (piasek kwarcowy, granat, oliwin, staurolit, hematyt, piasek cyrkonowy),

• materiały pochodzenia roślinnego (granulat kukurydziany, granulat orzecha włoskiego).

Do grupy ścierniw syntetycznych otrzymywanych w specjalnych procesach technologicznych zaliczyć można: śruty metalowe żelazne, śruty metalowe nieżelazne, mikrokulki szklane, mikrokulki ceramiczne, ścierniwo elektrokorundu, ścierniwo węglika krzemu, ścierniwo boksytu, śruty z tworzyw sztucznych, węglan sodu.

Istotną pozycję wśród mediów stosowanych współcześnie w obróbce strumieniowo-ściernej stanowią ścierniwa otrzymywane z materiałów powstających jako produkty uboczne bądź odpadowe w określonych procesach technologicznych, a przede wszystkim w procesach metalurgicznych. Są to zwłaszcza ścierniwa żużlowe (żużel pomiedziowy, żużel wielkopiecowy, żużel poniklowy, żużel paleniskowy) oraz stłuczka szklana.

Na wielkość zużycia poszczególnych śrutów we współczesnej obróbce strumieniowo-ściernej wskazują dane zawarte na rys. 3.1. Wynika z nich, że śruty staliwne (okrągłe i kanciaste) stanowią podstawową pozycję wśród śrutów. Drugą pozycję zajmują takie syntetyczne materiały ścierne jak elektrokorund i węglik krzemu. Ścierniwa żużlowe stanowią też istotną pozycję wśród śrutów. Mineralne naturalne materiały ścierne, jako najstarsze media obróbkowe w dalszym ciągu mają duże zastosowanie we współczesnej obróbce strumieniowo-ściernej. Prognozy na lata następne przewidują proporcjonalny do 2015 roku wzrost zużycia wymienionych podstawowych śrutów.

Utrzymujące się wysokie zapotrzebowanie na śruty z materiałów naturalnych i odpadowych wynika przede wszystkim z ich niskiej ceny. W analizie opłacalności stosowania tych ścierniw należy jednak uwzględnić fakt, że są to w większości przypadków ścierniwa jednokrotnego użytku, pracujące w otwartych obiegach obróbkowych. Warunki ich wykorzystania, często terenowe, uzasadniają stosowanie takich tanich ścierniw. Bez możliwości zawracania ścierniw do kolejnych cykli obróbki nie jest ekonomicznie uzasadnione stosowanie drogich i trwałych ścierniw.

Rys. 3.1. Wielkość zużycia (tysiące ton) w Europie podstawowych śrutów stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej w 2015 roku oraz prognozy na 2023 rok [3.9]

Duża grupa obróbek specjalnych, stosowanych zwłaszcza w procesach przeróbki tworzyw sztucznych i elastomerów, wymaga również specjalnych mediów. Są to śruty z tworzy sztucznych otrzymane w specjalnych procesach technologicznych lub w wyniku przetwórstwa odpadów tworzyw sztucznych [3.12].

Do obróbek strumieniowo-ściernych zaliczono również obróbkę przy użyciu granulek suchego lodu czy cięcia wysokociśnieniową strugą wody ze ścierniwem. Metodą obróbki strumieniowej przeprowadzane jest też kulowanie wymagające mediów o specjalnych ściśle określonych właściwościach.

3.2. Normy dotyczące śrutów

Śruty należą do produktów technicznych w wysokim stopniu znormalizowanych. Normy opisujące śruty znajdują się w grupie norm dotyczących przygotowania powierzchni. Pewna liczba tych norm występuje pod tytułem Przygotowanie podłoży stalowych przed nakładaniem farb i podobnych produktów. Polskie normy w tym zakresie są jednocześnie normami europejskimi EN i międzynarodowymi ISO. Wymagania techniczne dotyczące metalowych ścierniw określa norma PN-EN ISO 11124, a ścierniw niemetalowych norma PN-EN ISO 11126. Wymienione normy składają się z oddzielnych arkuszy/norm oznaczonych kolejnymi numerami, przy czym numerem 1 jest oznaczona norma zawierająca ogólne wprowadzenie i klasyfikację. Zestawienie ścierniw metalowych objętych ustaleniami normy PN-EN ISO 11124/1 zamieszczono w tabeli 3.1, a ścierniw niemetalowych według normy PN-EN ISO 11126/1 w tabeli 3.2.

Tabela 3.1. Powszechnie używane metalowe ścierniwa (M) w obróbce strumieniowo-ściernej do przygotowania podłoża stalowego [3.7]

Numer normy

Typ ścierniwa metalowego

Skrót

Wyjściowy kształt ziarna ścierniwa

PN-EN ISO 11124-2

żeliwo utwardzone

M/CI

G (ostrokątny – kątowy, nieregularny)

PN-EN ISO 11124-3

staliwo wysokowęglowe

M/HCS

S lub G (kulisty – okrągły lub ostrokątny – kątowy nieregularny)

PN-EN ISO 11124-4

staliwo niskowęglowe

M/LCS

S (kulisty – okrągły)

PN-EN ISO 11124-5

śrut cięty z drutu

M/CW

C (cylindryczny – ostrokrawędziowy)

Wymienione normy nie obejmują wszystkich mediów stosowanych w różnych odmianach obróbki strumieniowo-ściernej. Z tego powodu, jak również ze względu na to, że w Polsce nie jest produkowana większość śrutów, wśród krajowych użytkowników są stosowane różne oznaczenia i często odmienne kryteria oceny śrutów. Przeważająca ilość śrutów stosowanych przez krajowych użytkowników pochodzi z importu, a ich zagraniczni dostawcy oznaczenia śrutów i ich charakterystykę opierają głównie na normach organizacji SAE (The Engineering Society For Advancing Mobility Land, Sea, Air and Space). Normy SAE można podzielić na dwie podstawowe grupy. Jedna grupa to normy AMS oznaczone numerem 2431, a druga jest oznaczona symbolem J. Normy AMS dotyczą przede wszystkim śrutów do kulowania o właściwościach odpowiednich do specjalnych odpowiedzialnych zastosowań głównie w lotnictwie i instalacjach wojskowych. Norma AMS 2431A wymienia osiem podstawowych rodzajów mediów do kulowania, których charakterystyka i wymagania są opisywane w normach 2431 oznaczonych kolejnymi numerami od 1 do 8 (tab. 3.3).

Tabela 3.2. Powszechnie stosowane niemetalowe ścierniwa (N) w obróbce strumieniowo-ściernej do przygotowania podłoża stalowego [3.8]

Numer normy

Typ ścierniwa niemetalowego

Skrót

Wyjściowy kształt ziarna ścierniwa

Pochodzenie ścierniwa

ISO 11126-2*

piasek kwarcowy

N/SI

G (ostrokątny – kątowy, nieregularny)

naturalne

PN-EN ISO 11126-8

piasek oliwinowy

N/OL

PN-EN ISO 11126-9

staurolit

N/ST

S (kulisty – okrągły)

PN-EN ISO 11126-10

granat

N/GA

G (ostrokątny – kątowy, nieregularny)

PN-EN ISO 11126-3

żużel pomiedziowy

N/CU

G (ostrokątny – kątowy, nieregularny)

syntetyczne

PN-EN ISO 11126-4

żużel paleniskowy

N/CS

PN-EN ISO 11126-5

żużel poniklowy

N/NT

PN-EN ISO 11126-6

żużel wielkopiecowy

N/FE

PN-EN ISO 11126-7

elektrokorund

N/FA

*PN jest wycofana.

Wymogi jakościowe w stosunku do każdego z wymienionych w tabeli 3.3 śrutów są określane bardzo precyzyjnie w wyszczególnionych w tej tabeli normach AMS oraz w normach serii J:

• SAE J 441 – Śrut z drutu ciętego,

• SAE J 444 – Śrut lany i specyfikacja do kulowania i śrutowania,

• SAE J 445 – Badania wytrzymałości śrutów metalowych okrągłych i ostrokątnych,

• SAE J 827 – Śrut staliwny wysokowęglowy,

• SAE J1173 – Klasyfikacja wielkości i charakterystyka kulek szklanych do kulowania,

• SAE J 1830 – Klasyfikacja wielkości i charakterystyka kulek ceramicznych do kulowania.

Tabela 3.3. Podstawowe media do kulowania według normy AMS 2431A [3.5]

Numer normy AMS

Nazwa medium do kulowania

Oznaczenie

2431/1

śrut staliwny lany o twardości 45–52 HRC

ASR

2431/2

śrut staliwny lany o twardości 55–62 HRC

ASH

2431/3

śrut cięty z drutu owalizowany o twardości 45–52 HRC

AWCR

2431/4

śrut cięty z drutu chromo-niklowy owalizowany

AWS

2431/5

kulki ze stali hartowanej

APB

2431/6

mikrokulki szklane

AGB

2431/7

mikrokulki ceramiczne

AZB

2431/8

śrut cięty z drutu owalizowany o twardości 55–62 HRC

AWCH

Media stosowane w procesie kulowania należą do jednych z najbardziej znormalizowanych produktów technicznych. Wynika to z wymogów uzyskania powtarzalności efektów kulowania, które w warunkach produkcyjnych jest bardzo trudno zweryfikować.

Wymienione media śrutownicze, oraz inne tutaj nie wymienione, objęte są również odpowiednimi dodatkowymi normami międzynarodowymi oraz normami poszczególnych krajów (np. niemieckie DIN) lub wymaganiami poszczególnych producentów ścierniw. Mikrokulki szklane są opisane również w normie amerykańskiej MIL-G-9954 (Glass beads for cleaning and peening). Śrut ceramiczny poza wymienionymi już normami objęty jest normą NFL 06824 (Aerospace industry. Blast media ceramic beads) oraz NFL 06831 (Aerospace series. Steel shot, glass beads and ceramic beads). Wymagania stawiane różnym odmianom śrutów z tworzyw sztucznych są zawarte w amerykańskiej normie MIL-P-85891A i w jej kolejnych modyfikacjach [3.4]. Wymagania w stosunku do śrutów naturalnych roślinnych określa inna amerykańska norma z serii militarnych [3.3]. Spośród norm dotyczących śrutów stosowanych w poszczególnych krajach należy wymienić serię niemieckich norm DIN 8201, ponieważ na polskim rynku dostępne są śruty pochodzące również od niemieckich dostawców.

3.3. Charakterystyka mediów stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej

Właściwości danego ścierniwa muszą być dostosowane do zadań stojących przed określonym procesem obróbki strumieniowo-ściernej. Ponieważ zakres zastosowań tej obróbki jest bardzo szeroki, więc bardzo zróżnicowane są wymagania jakościowe w stosunku do poszczególnych śrutów.

Podstawowym wymogiem jakościowym w stosunku do śrutów jest posiadanie przez śrut postaci ziarna. Zakres wielkości ziaren śrutu mieści się w zasadzie w przedziale od 50 do2500 µm. W ramach tego przedziału poszczególne rodzaje śrutów są dzielone na frakcje ziarnowe o ściśle określonym zakresie wymiarowym. Nie ma jednolitego systemu, dla wszystkich ścierniw stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej, określania zakresu uziarnienia tych frakcji ziarnowych. Te zakresy, w odniesieniu do poszczególnych ścierniw, są określone w normach dotyczących danego ścierniwa lub w specjalnych wymaganiach podanych przez ich producentów.

Poszczególne frakcje ziarnowe ścierniwa są charakteryzowane następującymi parametrami [3.11]:

• uziarnienie,

• kształt ziaren,

• rodzaj tworzywa ziarna,

• gęstość,

• gęstość nasypowa,

• budowa wewnętrzna i skład mineralny,

• trwałość ścierniwa.

Kształt ziaren ścierniw pochodzenia naturalnego czy syntetycznych, takich jak węglik krzemu, elektrokorund, żużle, granulat szklany, kanciaste śruty metalowe, większość śrutów z tworzyw sztucznych, jest nieregularny. Jest to efektem procesu rozdrabniania kęsów tych substancji. W zakresie ich zastosowań preferuje się ziarna o ostrych krawędziach. Sprzyja to zwiększonej wydajności usuwania naddatku z powierzchni obrabianych przedmiotów. Owalne (okrągłe) kształty mają śruty metalowe staliwne, stalowe chromowe i chromoniklowe, mikrokulki szklane i ceramiczne, mikrokulki boksytowe oraz sferyczne śruty poliestrowe. Większość drutów ciętych oraz większość śrutów z tworzyw sztucznych (poliamidowe) w stanie wyjściowym mają kształt walca, a śrut poliwęglanowy również kształt sześcienny.

Na efekty obróbki strumieniowej przy użyciu określonego śrutu ma wpływ energia kinetyczna strumienia śrutu uderzającego na obrabianą powierzchnię. Zależy ona od prędkości nadanej ziarnom śrutu przez śrutownicę oraz od ich masy. Masa pojedynczych ziaren zależy z kolei od ich wielkości (uziarnienia) i gęstości materiału śrutu. Śruty stosowane we współczesnej obróbce strumieniowo-ściernej mają bardzo zróżnicowaną gęstość (tab. 3.4), a tym samym uzyskują one w czasie obróbki różną energię kinetyczną.

Tabela 3.4. Charakterystyka wybranych śrutów stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej [3.2, 3.7, 3.8, 3.11, 3.12]

Nazwa śrutu

Kształt ziaren

Gęstość, g/cm 3

Twardość materiału śrutu

Staliwny kulisty

sferyczny

min. 7,0

S: 40–51 HRC/390–530 HV

M: 47–56 HRC/470–610 HV

L: 54–61 HRC/580–720 HV

Staliwny łamany

nieregularny

min. 7,3

S: 40–51 HRC/390–530 HV

M: 47–56 HRC/470–610 HV

L: 54–62 HRC/580–720 HV

H: 60 HRC/700 HV

Stalowy nierdzewny

sferyczny

7,8

300 HV

Stalowy drut cięty

cylindryczny

7,6

45–52 HRC, 56–59 HRC

57–60 HRC, 59–61 HRC

63–65 HRC

Elektrokorund zwykły

nieregularny

3,90–3,94

1200–2100 HV

Mikrokulki szklane

sferyczny

2,5

44–48 HRC/530 HK

Mikrokulki ceramiczne

sferyczny

3,76

65 HRC/1000 HV

Śrut poliwęglanowy

sześcienny

1,10–1,34

71–75 HRM

Śrut poliamidowy

cylindryczny

1,03–1,16

60–86 HRM

Drut cięty z cynku

cylindryczny

7,1

35–55 HV

Granulat kukurydziany

nieregularny

1,15

2,0–2,5 Mohsa

Granulat z orzecha

nieregularny

1,28

2,5–3,0 Mohsa

Twardość materiału śrutu musi być większa od twardości obrabianego materiału. Twardsze ścierniwa wykazują większą zdolność chropowacenia obrabianej powierzchni. Ma to bezpośredni wpływ na zwiększenie wydajności obróbki przy użyciu takich ścierniw.

Przedstawione w tab. 3.4 oraz na rys. 3.2 dane wskazują, że w procesach obróbki strumieniowo-ściernej do dyspozycji są media o bardzo zróżnicowanej gęstości i twardości. Umożliwia to dokonywanie optymalnego wyboru śrutu do wymogów określonego procesu obróbkowego.

Rys. 3.2. Charakterystyka (gęstość w g/cm^3 i twardość Knoopa HK) ścierniw mineralnych i odpadowych stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej [3.1]

Literatura do rozdziału trzeciego

[3.1] Materiały techniczne firmy Barton International (USA). www.barton.com

[3.2] Materiały techniczne firmy Erwin Industries Inc. (USA). www.erwinindustries.com

[3.3] Military Specification MIL-G-5634 C. Grain, abrasive soft, for carbon removal.

[3.4] Military Specification MIL-P-85891 A (1988-2002).

[3.5] Norma amerykańska AMS 2431 1996. Peening Media. General Requiments.

[3.6] Plaster H.J.: The history and developments of the impact treatment processes. „Journal of Mechanical Working Technology” 1983, nr 8, s. 203–216.

[3.7] PN-EN ISO 11124-1. Wymagania techniczne dotyczące metalowych ścierniw stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej. Ogólne wprowadzenie i klasyfikacja.

[3.8] PN-EN ISO 11126-1. Wymagania techniczne dotyczące niemetalowych ścierniw stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej. Ogólne wprowadzenie i klasyfikacja.

[3.9] Sandblasting Media Market – Globaly Industry Analysis Report. Trends and Forecast 2015–2023. www.gminsights.com

[3.10] Tilghman B.Ch.: Production of iron shot. US Pat. 187 239 (1872).

[3.11] Woźniak K.: Materiały ścierne stosowane jako śruty we współczesnej obróbce strumieniowo-ściernej. „Obróbka Metalu” 2017, nr 1, s. 34–42.

[3.12] Woźniak K.: Śruty z tworzyw sztucznych jako media w obróbce strumieniowo-ściernej. „Chemik” 2013, nr 12, s. 1227–1238.

ROZDZIAŁ 4

Ścierniwa metalowe

Ścierniwa metalowe stanowią podstawową grupę mediów stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej. To dzięki nim metoda strumieniowo-ścierna stała się tak powszechnie stosowaną metodą obróbki powierzchni. Śrut żeliwny był pierwszym metalowym syntetycznym ścierniwem stosowanym w tej obróbce. Następne były śruty z drutu ciętego, a dynamiczny wzrost zastosowania śrutów metalowych nastąpił na początku lat pięćdziesiątych XX wieku po wprowadzeniu odlewanych śrutów staliwnych. Na gwałtowną zmianę struktury zużycia śrutów metalowych w USA w pierwszych kilkunastu latach od wprowadzenia śrutów staliwnych wskazuje rys. 4.1. Nastąpił wówczas gwałtowny wzrost udziału śrutów staliwnych i po 13 latach od ich wprowadzenia do praktyki obróbki strumieniowo-ściernej wynosił on 55%, przy gwałtownym spadku udziału zużycia śrutów żeliwnych. Udział śrutów z żeliwa utwardzonego w sumarycznym zużyciu śrutów metalowych spadł z 70% w 1950 roku do 15% w 1965 roku. Udział procentowy śrutów żeliwnych obrobionych cieplnie i drutów ciętych praktycznie nie zmienił się w przeciągu tych 15 lat.

Rys. 4.1. Procentowy udział podstawowych śrutów metalowych w obróbce strumieniowo-ściernej w USA w latach 1950–1964 [4.67]: 1 – śrut z żeliwa utwardzonego, 2 – śrut staliwny, 3 – drut cięty, 4 – śrut żeliwny obrabiany cieplnie

Dużą innowacją było wprowadzenie do obróbki strumieniowo-ściernej pod koniec lat osiemdziesiątych XX wieku śrutów nierdzewnych. Zrewolucjonizowały one technologię obróbki powierzchni różnorodnych przedmiotów z metali lekkich. Wymienione ścierniwa są zaliczane do grupy mediów żelaznych. Do metalowych mediów obróbkowych należą też śruty z metali nieżelaznych, a wśród nich śruty miedziane, mosiężne, aluminiowe, cynkowe, niklowe. Są to śruty specjalnych zastosowań, głównie do obróbki przedmiotów z metali kolorowych i różnego rodzaju stopów metali lekkich.

4.1. Ścierniwa z metali żelaznych

Wśród ścierniw metalowych podstawową grupę stanowią śruty z metali żelaznych. Jest to bardzo liczna grupa ścierniw, które są wytworzone z trzech podstawowych metali żelaznych: żeliwa, staliwa lub stali (rys. 4.2). Podstawą podziału zamieszczonego na rys. 4.2 jest rodzaj metalu, z którego dane ścierniwo metalowe jest wytworzone. W ramach tego samego ścierniwa żeliwnego, staliwnego czy stalowego występują odmiany różniące się składem chemicznym stopu, a głównie zawartością węgla i mikrostrukturą. Ma to wpływ na takie właściwości tych ścierniw jak twardość, kruchość, czy zdolność przekazywania energii do powierzchni obrabianej.

Rys. 4.2. Podział śrutów z metali żelaznych ze względu na rodzaj metalu

Drugim wyróżnikiem poszczególnych gatunków ścierniw żelaznych jest kształt ziaren. Ziarna ścierniwa mogą mieć kształt kulisty, nieregularny (określany też jako ostrokrawędziowy) oraz walcowy (druty cięte). Większość odmian śrutów żelaznych występuje w kształcie kulistym i w kształcie nieregularnych ziaren, a niektóre tylko w kształcie walcowym.

Poszczególne gatunki ścierniw żelaznych, a zwłaszcza ścierniwa żeliwne i staliwne, łączy podobny sposób podziału całego zakresu wymiarowego ziaren stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej na granulacje. W praktyce funkcjonują różne systemy oznaczania zakresu wielkości ziaren lub granulacji. Poza obowiązującymi w Polsce normami ISO 11124 w użyciu są również inne normy krajowe i międzynarodowe (SAE, BS, DIN). W tabeli 4.1 i 4.2 zamieszczono równoważne w przybliżeniu oznaczenia poszczególnych norm dotyczące uziarnienia ścierniw metalowych. Obejmują one pełny zakres oznaczeń normy ISO 11124.

Tabela 4.1. Porównawcze zestawienie wybranych norm dotyczących uziarnienia kulistych ścierniw metalowych

Norma ISO 11124

SAE J444:1983

BS 2451:1963

DIN 8201

Arkusz 2: 1985

[mm]

S 400

S 1320

S 1320

–

S 300

S 1110

S 1110

–

S 280

S 930

S 950

–

S 240

S 780

S 800

od 2 do 2,8

S 200

S 660

S 660

od 1,6 do 2,24

S 170

S 550

S 550

od 1,25 do 2,0

S 140

S 460

S 470

–

S 120

S 390

S 390

od 1,0 do 1,6

S 100

S 330

S 340

od 0,8 do 1,25

S 080

S 280

–

–

S 070

S 230

S 240

od 0,6 do 1,0

S 060

S 170

S 170

od 0,4 do 0,8

S 040

S 110

S 120

od 0,3 do 0,6

S 030

S 70

S 070

od 0,2 do 0,4

Tabela 4.2. Porównawcze zestawienie wybranych norm dotyczących uziarnienia ostrokątnych śrutów metalowych

Norma ISO 11124

SAE J444: 1984

BS 2451: 1963

DIN 8201

Arkusz 3: 1985

[mm]

G 240

G 10

G 80

od 2,0 do 2,8

G 200

G 12

G 66

od 1,6 do 2,24

G 170

G 14

G 55

od 1,25 do 2,0

G 140

G 16

G 47

od 1,0 do 1,6

G 120

G 18

G 39

od 1,0 do 1,6

G 100

G 25

G 34

od 0,8 do 1,25

G 070

G 40

G 24

G 17

od 0,6 do 1,0

od 0,4 do 0,8

G 050

G 50

G 12

od 0,3 do 0,6

G 030

G 80

G 07

od 0,2 do0,4

G 020

G 120

G 05

od 0,16 do 0,3

G 010

G 200

G 02

d 0,1 do 0,2

G 05

G 325

G 02

–

To porównanie w tabeli 4.1 i 4.2 ma charakter czysto informacyjny i nie powinno się przyjmować wskazanych granulacji jako równych sobie. Wielkości graniczne w normie ISO 11124 są identyczne z odpowiednimi wyszczególnionymi w normie SAE J444:1984.

Spośród wszystkich odmian śrutów metalowych na bazie żelaza podstawową grupę stanowią ścierniwa staliwne wysokowęglowe. Ich udział w światowym zużyciu ścierniw żelaznych wynosi ok. 80% (tab. 4.3). Nastąpił też stopniowy wzrost sumarycznego zużycia ścierniw żelaznych w kolejnych latach. Widoczny jest też stopniowy wzrost zużycia najmłodszych ze ścierniw żelaznych, czyli śrutów nierdzewnych. Ich zużycie w 2011 roku było na poziomie zużycia śrutów żeliwnych, które stanowiły w przeszłości podstawowe ścierniwo stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej.

Tabela 4.3. Światowe zużycie (w tys. ton) rocznie w latach 2004, 2010 i 2011 podstawowych ścierniw metalowych na bazie żelaza stosownych w obróbce strumieniowo-ściernej [4.10]

Nazwa ścierniwa metalowego

2004 rok

2010 rok

2011 rok

Śrut staliwny wysokowęglowy

1087

1078

1144

Śrut staliwny niskowęglowy

75

94

98

Śrut żeliwny

79

48

45

Śruty nierdzewne

8

11

45

Razem druty cięte stalowe

81

128

128

Cylindryczne stalowe druty cięte

brak danych

110

108

Owalizowane druty cięte

brak danych

18

20

Razem ścierniwa żelazne

1330

1359

1430

Procesy wytwarzania topionych ścierniw żelaznych są typowymi procesami metalurgicznymi, w których ciekły metal będący produktem procesu piecowego jest poddawany granulacji. Zestalone w procesie granulacji owalne cząstki metalu są poddawane procesowi przeróbki mechanicznej lub dodatkowo obróbce cieplnej i końcowej klasyfikacji wielkościowej w celu uzyskania handlowej postaci określonej granulacji ścierniwa zgodnie z wymaganiami. Metody otrzymywania poszczególnych ścierniw metalowych mają wiele wspólnych elementów, ale też różnią się znacznie od siebie. Z tego powodu poszczególne ścierniwa metalowe omówione zostały oddzielnie.

4.1.1. Śruty żeliwne

Żeliwo jest stopem żelaza z węglem, zawierającym jako składnik podstawowy żelazo oraz co najmniej 2–4% węgla, a także inne pierwiastki stopowe. Struktura żeliwa jest głównym czynnikiem określającym jego właściwości mechaniczne i właściwości wytworzonych z niego śrutów [4.56]. Śrut żeliwny jest pierwszym metalowym ścierniwem stosowanym w obróbce strumieniowo-ściernej. Został zaproponowany jako medium obróbkowe przez Tilghmana w 1872 roku [4.64]. Wytwarzanie tego śrutu żeliwnego odbywało się przez granulowanie ciekłego żelaza przez strumień kierowanej na niego pod ciśnieniem pary wodnej lub strumień powietrza, a następnie zestalone owalne cząstki kierowane były do zbiornika z wodą, gdzie następowało ich wychłodzenie i utwardzenie. B.C. Tilghman ze swoim bratem założył firmę B.C.&R.A. Tilghman celem produkcji śrutu żeliwnego przeznaczonego do cięcia granitu i marmuru. Wytwarzany według ich ówczesnej metody śrut żeliwny szybko się utleniał i był pokryty warstwą rdzy. Ograniczało to zakres jego wykorzystania podczas obróbki szlachetnych jasnych skał, gdyż zanieczyszczał obrabiane powierzchnie i wprowadzał zarodki korozji. W kolejnym patencie zgłoszonym wspólnie przez braci Tilghman [4.65] wyeliminowano ten problem, proponując wprowadzenie granulowania ciekłego żeliwa i suszenie zestalonych granulek w atmosferze pozbawionej tlenu. Ponadto zaproponowano dodanie do wody stosowanej w zbiorniku chłodzącym wapna lub innego środka zasadowego. Granulowanie w takich warunkach żeliwa zapewniało uzyskanie ziaren o powierzchni nieutlenionej i błyszczącej.

Do obróbki strumieniowo-ściernej ścierniwo żeliwne zostało wprowadzane w latach dwudziestych XX wieku, a w kolejnych latach określono optymalny skład śrutu żeliwnego, jak również parametry jego obróbki cieplnej [4.14, 4.18]. Wdrożenie tych propozycji do praktyki wytwarzania śrutu żeliwnego pozwoliło na zaliczenie tego ścierniwa do grupy nowoczesnych mediów obróbkowych. We współczesnej obróbce strumieniowo-ściernej stosuje się dwa rodzaje śrutów z żeliwa utwardzonego: śrut żeliwny owalny (ang. chiled iron shot) oraz śrut żeliwny kanciasty (ang. chiled iron grit). Pewne, raczej ograniczone, zastosowanie mają też dwa rodzaje śrutów żeliwnych ciągliwych, po obróbce cieplnej żeliwa białego (ang. malleable iron abrasives): śrut żeliwny ciągliwy owalny (ang. malleable iron shot) oraz śrut żeliwny ciągliwy kanciasty (ang. malleable iron grit).

Mała trwałość śrutów żeliwnych spowodowana ich kruchością oraz duża agresywność podczas obróbki prowadząca do nadmiernego zużywania się metalowych elementów oczyszczarek przyczyniły się do stopniowego zmniejszania się ich stosowania. Ścierniwa żeliwne zostały współcześnie w znacznym stopniu wyparte przez droższe, ale bardziej trwałe ścierniwa staliwne.

4.1.1.1. Otrzymywanie śrutów żeliwnych

Wytwarzanie śrutów żeliwnych odbywa się z fazy ciekłej. Proces topienia składników wsadu odbywa się w powszechnie stosowany sposób, najczęściej w żeliwiakach, elektrycznych piecach indukcyjnych (zwykle tyglowych, rzadko w piecach indukcyjnych kanałowych) [4.61]. Procesy topienia żeliwa są bardzo rzadko przeprowadzane w piecach elektrycznych łukowych. Schemat produkcji śrutów na bazie żeliwa utwardzonego zamieszczono na rys. 4.3.

Wsad surowcowy kierowany do topienia składa się najczęściej z surówki wielkopiecowej z dodatkiem złomu żeliwnego lub stalowego oraz koksu i topników (materiał żużlotwórczy). W przypadku stosowania żeliwiaka surowce są ładowane w górnej części przez specjalny otwór zwany oknem wsadowym. Powietrze potrzebne do spalania koksu jest doprowadzane przez otwory zwane dyszami. Stopione żeliwo gromadzi się u dołu na trzonie pieca, skąd przez otwór spustowy wypływa i zostaje rozdzielone na wiele małych rynien, aby poszczególne strugi stopu były małej objętości. Na końcu rynien ściekający stop żeliwny o temperaturze 1250–1350°C jest rozpylany za pomocą sprężonej pary wodnej lub wody pod ciśnieniem, a znacznie rzadziej przy użyciu sprężonego powietrza [4.15].

Medium rozpylające rozdziela strumień metalicznego stopu na małe cząstki różnej wielkości, które potem wpadają do zbiornika z wodą. Mieszanina ziaren, których twardość zawiera się w przedziale 61–68 HRC zostaje następnie wysuszona i poddana procesowi rozsiewu na handlowe granulacje. Produkcja śrutu kulistego jest właściwie zakończona przez odważanie i rozdzielanie w opakowania jednostkowe. Mieszanina zawiera jednak dużą ilość zbyt grubych ziaren, które nie znajdują zastosowania w obróbce strumieniowo-ściernej. Z tych dużych owalnych ziaren otrzymuje się ziarna kanciaste poprzez ich rozdrabnianie, najczęściej w młynach kulowych mających wykładzinę ze stali manganowej. Następuje znowu proces rozsiewu na poszczególne frakcje ziarnowe i rozdzielanie śrutów żeliwnych kanciastych w opakowania jednostkowe.

Stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej ścierniwa żeliwne są żeliwami białymi, czyli takimi, w których węgiel w nich zawarty jest związany w cementycie Fe_3C. Strukturę tego stopu żeliwnego należy więc analizować na bazie układu Fe–Fe_3C. Żeliwo zawarte w śrucie zawiera do 4,3% węgla, czyli ma strukturę podeutektyczną. Właściwości śrutu żeliwnego wynikają z jego składu chemicznego, czasu krzepnięcia i szybkości stygnięcia w stanie stałym. Poza podstawowym składnikiem żeliwa, którym jest żelazo, wolne lub związane, podstawowe znaczenie mają takie domieszkowe pierwiastki chemiczne jak: węgiel, krzem, mangan, siarka i fosfor. Podstawowy wpływ na właściwości żeliwa ma zawartość węgla i krzemu i ich wzajemne proporcje. Problem ten został dość precyzyjnie przeanalizowany w 1938 roku [4.65].

Rys. 4.3. Schemat produkcji śrutów na bazie żeliwa utwardzonego [4.15]

Aby uzyskać ściśle określony skład chemiczny gotowego produktu, surowce należy załadować do pieca w odpowiednich proporcjach. Oprócz zawartości węgla i krzemu istotna jest zawartość pozostałych składników ze względu na rolę, jaką spełniają w żeliwie. Mangan przeciwdziała wydzielaniu się węgla w postaci grafitu i odbielaniu żeliwa. Jego zawartość w śrucie żeliwnym nie przekracza 1,0% i do tej wartości jego wpływ jest korzystny, gdyż zwiększa wytrzymałość i twardość żeliwa. Przy większej zawartości manganu wzrasta skurcz i żeliwo staje się kruche. Fosfor zwiększa rzadkopłynność żeliwa, dlatego większość producentów dopuszcza jego zawartość do 0,4%. Siarka znacznie obniża lejność i mechaniczne właściwości żeliwa, zwiększa skurcz, kruchość i obniża rzadkopłynność. Jej zawartość jest ograniczana przez większość producentów śrutów żeliwnych do 0,2%. W tabeli 4.4. zamieszczono składy chemiczne śrutów żeliwnych czterech wybranych producentów i dostawców.

Tabela 4.4. Skład chemiczny (w % wag.) śrutów żeliwnych wybranych dostawców

Dostawca śrutu

C

Si

Mn

S

P

The Surface Finishing Equipment Group Ltd [4.49]

2,50–3,00

1,40–1,80

0,30–0,50

0,15–0,20

0,50–1,00

Eisenwerk Wuerth Gmbh [4.32]

2,80–3,20

0,80–1,20

0,80–1,00

0,17

0,15–0,45

Pometon S.p.A [4.41]

2,50–4,00

0,80–1,50

0,40–1,00

0,10

0,15

Asian Steel Industries [4.29]

2,8–3,4

0,8–1,2

0,6–1,0

0,25–0,50

0,15–0,45

Określony skład chemiczny produktu topienia oraz stosowane szybkie krzepnięcie oraz szybkie stygnięcie w wodzie po zestaleniu prowadzą do powstawania śrutu żeliwnego białego o strukturze martenzytycznej z osnową cementytu (Fe_3C) (rys. 4.4). Z takiej mikrostruktury śrutu żeliwnego wynika jego wysoka twardość w granicach 60–68 HRC oraz duża kruchość oraz „agresywność” w stosunku do obrabianej powierzchni. Jego gęstość wynosiok. 7,2–7,4 g/cm^3. Śrut żeliwny z powodu szybkiego schładzania podczas zestalania się wykazuje silne naprężenia wewnętrzne. Występowanie naprężeń wewnętrznych oraz jego mikrostruktura powodują, ze śrut żeliwny podczas uderzania w powierzchnię obrabianą pęka. Z kulistych ziaren śrutu tworzą się wówczas ziarna kanciaste, a tym samym zmienia się kształt mieszanki roboczej śrutu z kulistego na mieszany. Obecność ziaren kanciastych o dużej twardości powoduje wzrost zużycia koła rzutowego i innych elementów metalowych oczyszczarek wirnikowych. Zużywanie się ścierniwa żeliwnego jest podobne do zużywania się elektrokorundu i innych ścierniw mineralnych. Te niekorzystne, z punktu widzenia większości operacji obróbki strumieniowo-ściernej, właściwości ścierniwa żeliwa utwardzonego były powodem poszukiwań metod jego modyfikacji. Taką metodą okazała się odpowiednia obróbka cieplna ścierniwa żeliwa utwardzonego. Schemat takiej obróbki zamieszczony został na rys. 4.3. Po operacji rozsiewu śrut zostaje poddany obróbce cieplnej w temperaturze 700–900°C w czasie od 1,5 do 6 godzin w atmosferze gazu obojętnego, a następnie wychłodzony do temperatury otoczenia [4.14]. Celem tej operacji jest zlikwidowanie naprężeń wewnętrznych oraz przeprowadzenie wyżarzania zmiękczającego. Następuje wówczas przebudowa twardej mikrostruktury martenzytycznej z dużym udziałem cementytu w bardziej miękki materiał o strukturze perlitycznej i ferrytycznej z wtrąceniami węgla (cementytu i grafitu) (rys. 4.5). Stosowanie atmosfery ochronnej zabezpiecza przed utlenieniem się węgla.

Rys. 4.4. Mikrostruktura śrutu żeliwnego przetopionego w żeliwiaku i uformowanego w warunkach szybkiego i silnego schładzania i hartowania (powiększenie 500×) [4.15]

Rys. 4.5. Mikrostruktura śrutu żeliwnego po obróbce cieplnej [4.15]

Struktura obrobionego cieplnie żeliwa, jak również takie jego właściwości jak twardość i trwałość eksploatacyjna zależą od parametrów obróbki cieplnej. Śrut po tej obróbce ma twardość znacznie mniejszą niż przed obróbką. Jego twardość jest najczęściej mniejsza od 40 HRC, a ponadto zwiększa się plastyczność i wytrzymałość ziaren ścierniwa żeliwnego na pękanie. W niektórych przypadkach różnice twardości nie są tak duże. Oferowany przez firmę Wuerth śrut żeliwny obrobiony cieplnie określony nazwą Thermodur ma twardość 52,3–57,8 HRC, podczas gdy śrut żeliwny bez obróbki cieplnej określany jako Diamant ma twardość 59,2–64,0 HRC [4.32].