Przygotowanie Powierzchni

Charakterystyka ścierniw żużlowych

Skład chemiczny żużli zależy zarówno od składu chemicznego surowców (rudy danego metalu, jakości węgla), jak i technologii ich przetwarzania. Powoduje to, że skład chemiczny określonego rodzaju żużla powstający u różnych producentów nie jest jednakowy. Wskazują na to informacje o składzie chemicznym ścierniw żużlowych będących produktami handlowymi oferowanymi przez różnych producentów (tab. 2). Różnice dotyczą zawartości podstawowych składników w ramach danego rodzaju ścierniwa żużlowego. Jest to widoczne szczególnie w przypadku ścierniwa żużla pomiedziowego. Występują duże różnice zawartości FeO, Al2O3 i CaO w żużlu polgrit pochodzącym z polskiej huty miedzi i pozostałych dwóch ścierniw żużla pomiedziowego. Najniższe różnice występują w zawartości SiO2.

Z powodu tych dużych różnic zawartości poszczególnych tlenków skład chemiczny ścierniw  żużlowych nie jest objęty wymaganiami odpowiednich norm. Zamieszczenie składu chemicznego ma w tym przypadku znaczenie informacyjne. Jedyny wymóg norm w zakresie składu chemicznego ścierniw żużlowych dotyczy zawartości wolnej krzemionki. Jest wymagane, aby krzemionka była związana w postaci krzemianu. Zawartość wolnej krystalicznej krzemionki (kwarc, trydymit, krystobalit) nie powinna przekraczać 1% (m/m) i powinna być określona  metodą dyfrakcji rentgenowskiej.
Dane o składzie chemicznym ścierniw żużlowych umożliwiają określenie ich zasadowości. Zasadowość żużla to stosunek stężenia tlenków zasadowych do kwaśnych w procentach masowych. Można go wyrazić zależnością: M = (CaO + MgO + FeO) / (Al2O3 + SiO2).
Jeżeli jest on mniejszy od jedności, to żużel można określić jako kwaśny, zaś jeżeli jest większy od jedności, to jest to żużel zasadowy. Obliczenia wskaźnika zasadowości ścierniw żużlowych w oparciu o dane zawarte w tab. 2 pozwala stwierdzić, że dla żużla pomiedziowego polgrit z polskiej huty miedzi w Głogowie wskaźnik ten wynosi 0,75, czyli pod względem metalurgicznym jest on kwaśny. Zasadowy charakter mają pozostałe zawarte w tej tabeli ścierniwa żużla pomiedziowego (współczynnik zasadowości 1,9). Zdecydowanie zasadowy charakter mają żużle poniklowe i wielkopiecowe. Ścierniwa żużla paleniskowego i żelazochromowego są zdecydowanie kwaśne.
Na właściwości użytkowe ścierniw żużlowych, poza składem chemicznym, wpływ ma ich skład fazowy. Jest on w znacznym stopniu zależny od szybkości schładzania ciekłego żużla. Żużel schładzany bardzo szybko, czyli przede wszystkim  żużel granulowany, pozostaje w całości szklisty, zaś przy powolnym schładzaniu uzyskuje strukturę krystaliczną (żużel swobodnie zestalający się). W przypadku żużla pomiedziowego podstawowe fazy tworzące żużel składają się z kompleksowych szkłotwórczych związków tlenkowych, takich jak Ca2Mg, Al, Si, przy czym główna fazę stanowi CaMgSiO3 oraz w mniejszej ilości Al2O3•SiO2, 3CaO•SiO2 i 3Al2O3•SiO2 [31].
Wymienione w artykule normy dotyczące ścierniw żużlowych wprowadzają ograniczenie zawartości elektrolitów na ich powierzchni. Chodzi o zapobieżenie powstawania ognisk korozji na obrabianej powierzchni. W stosunku do wszystkich ścierniw żużlowych ustalona została maksymalna dopuszczalna przewodność wodnego ekstraktu wynosząca 25 mS/m oznaczona według normy PN-EN ISO 11127-6 oraz zawartość chlorków rozpuszczalnych w wodzie max 0,0025% (m/m) oznaczana według normy PN-EN ISO 11127-7. Innym istotnym wymaganiem w stosunku do ścierniw żużlowych jest ograniczenie zawartości wilgoci oznaczanej według normy PN-EN ISO 11127-5, która nie powinna być wyższa niż 0,2% wag.
Gęstość ścierniw żużlowych określana według PN-EN ISO 11127-3 jest uzależniona od składu chemicznego i fazowego określonego żużla. Wymagania w zakresie gęstości poszczególnych ścierniw żużlowych określone w odpowiednich normach oraz wartości gęstości żużla żelazochromowego i poplatynowego zamieszczono w tab. 3.
Niską gęstością wyróżnia się żużel paleniskowy, zaś pozostałe ścierniwa żużlowe mają zbliżone do siebie gęstości. Gęstość ścierniwa ma wpływ na masę pojedynczego ziarna w ramach jego określonej wielkości. Masa pojedynczego ziarna ma wpływ na energię kinetyczną, z jaką strumień ścierniwa uderza w obrabianą powierzchnię. Im wyższa gęstość ziaren ścierniwa, tym większa ich masa i tym wyższa wydajność obróbki strumieniowo-ściernej. 
Uziarnienie śrutu jest jednym z jego podstawowych parametrów mających wpływ na efekty obróbki strumieniowo-ściernej. Zgodnie z ustaleniami PN-EN ISO 11126-2, przydatnymi do obróbki strumieniowo-ściernej są ścierniwa żużlowe o wielkości ziaren od 0,2 do 3,15 mm. Ten zakres wymiarowy został podzielony na 9 granulacji zgodnie z danymi zamieszczonymi w tab. 4. Oznaczenie każdej granulacji ścierniwa żużlowego zawiera dwie cyfry w mm, które określają przedział wielkości frakcji nominalnej danej granulacji. W tym przedziale zawartych powinno być minimum 80 lub 85% wszystkich ziaren danej granulacji ścierniwa żużlowego. Dopuszczalne jest maksymalnie 10% nadziarna oraz 5 lub 10% podziarna.
Wielu producentów ścierniw żużlowych nie stosuje wymagań normy ISO 11126-2 w zakresie przedziałów wymiarowych poszczególnych granulacji. Stosują oni najczęściej własne, firmowe zakresy uziarnienia. Firma Blastrite [30] oferuje ścierniwo żużla poplatynowego w 4 różnych granulacjach w zakresie od 0,1 do 2, mm stosując następujące oznaczenia: B125 (0,5-2,5 mm), B90 (0,2-1,4 mm), B60 (0,1-1 mm) i B40 (0,1-0,6 mm).
Inny sposób oznaczania poszczególnych granulacji i inne zakresy wielkości ziaren występują w przypadku ścierniw żużla paleniskowego (tab. 5). W tym przypadku cały zakres wymiarowy został podzielony na 4 granulacje określane jako: bardzo gruboziarnista, gruboziarnista, średnioziarnista i drobna [23].
Dla użytkownika określonej granulacji ścierniwa żużlowego bardzo ważna jest powtarzalność rozkładu ziarnowego w kolejnych partiach ścierniwa. Od tego zależy bowiem powtarzalność uzyskanych efektów obróbki strumieniowo-ściernej.
Kształt ziaren żużlowych, podobnie jak innych materiałów ściernych, opisywany jest między innymi zależnością, która podaje współczynnik kształtu jako miarę odstępstwa ich kształtu od sześcianu o boku równym najdłuższemu wymiarowi ziarna [32]. Tak zdefiniowany współczynnik zmienia swoją wartość w zakresie od 0 do 1.  Informację o kształcie określonej próbki ziaren ściernych opisać można średnią wartością współczynnika kształtu lub wartością tego współczynnika w punkcie 50% krzywej kształtowej, jak to zamieszczono, w oparciu o wyniki badań własnych,  na rys. 11.  Im drobniejsze ziarna żużla, tym mniejsza ich „izometryczność”. Potwierdza to obserwacja tych ziaren zamieszczona na rys. 12.
Znaczny wpływ na izometryczność zbioru drobnych ziaren żużla pomiedziowego ma obecność w nim dużej ilości ziaren o wydłużonych kształtach. Pozyskiwanie ziaren grubszych od 1 mm może odbywać się na drodze przesiewania granulatów „surowego” żużla, zaś frakcji drobniejszych (poniżej 0,4 mm) przez ich mielenie. Jest ono niezbędne do wyeliminowania z produktu finalnego ziaren igiełkowatych o wydłużonych kształtach.
Ilościowe określanie kształtu ziaren jest bardzo pracochłonne, a dla ziaren drobnych bardzo trudne. Z tego powodu wartość gęstości nasypowej określonej granulacji ścierniwa przyjęło się w praktyce wykorzystywać jako dobry wskaźnik kształtu badanego zbioru ziaren ścierniwa. Gęstość nasypowa określonej wielkości ziaren ściernych zależy również od gęstości materiału ścierniwa i  porowatości otwartej ziaren.  Jest to istotny parametr jakościowy ścierniwa żużlowego. Średnie wartości gęstości nasypowych różnych wielkości  granulowanego żużla zmieniają się w dość szerokich granicach (rys. 13). Maksymalnymi wartościami gęstości nasypowych wyróżniają się frakcje ziarnowe w przedziale 1500-2500 µm. W tym przedziale ziarnowym ma miejsce największe upakowanie ziaren w naczyniu pomiarowym. Niskie wartości gęstości nasypowych drobnych frakcji ziarnowych (poniżej 1000 µm) są efektem obecności w nich dużych ilości ziaren iglastych. Obecność tych ziaren uniemożliwia dobre upakowanie zbioru wszystkich ziaren podczas wyznaczania gęstości nasypowej. Na wartość gęstości nasypowej ziaren grubszych od 2500 µm wpływ ma ich budowa agregatowa oraz obecność w nich spękań i porów otwartych. Ponadto taka agregatowa budowa grubych ziaren wpływa niekorzystnie na ich właściwości mechaniczne. Dotyczy to szczególnie odporności mechanicznej na ściskanie pojedynczych ziaren, która ma duży wpływ na trwałość ścierniwa w obróbce strumieniowo-ściernej.
Normy dotyczące ścierniw żużlowych zalecają określanie ich twardości w skali Mohsa stosownie do ustaleń PN-EN ISO 11127-4. Wymagania tych norm w odniesieniu do wszystkich ścierniw żużlowych określają, że ich twardość nie powinna być mniejsza od 6 Mohsa. W skali Mohsa określają też twardość ścierniw żużlowych ich producenci. Określenie mikrotwardości ścierniw pozwala precyzyjniej zdefiniować właściwości ścierniwa i jego jednorodność. Badania mikrotwardości żużla pomiedziowego [9] wykazały, że zawiera się ona w przedziale od 4 do 8 GPa. Stwierdzono znaczne rozrzuty wartości mikrotwardości uzyskane podczas badania pojedynczej próbki żużla. Uzyskiwano rozrzut wyników w przedziale od 3,5 do 11 GPa (rys. 14). Chcąc zatem uzyskać dokładne średnie wartości mikrotwardości, należy wykonać kilkadziesiąt pomiarów dla badanej próbki żużla.
Z wielkością ziaren ścierniwa, ich kształtem i twardością ściśle związana jest wytrzymałość mechaniczna pojedynczego ziarna na ściskanie. Istota pomiaru polega na określeniu siły niszczącej badane ziarno umieszczone pomiędzy dwoma twardymi płytkami. Zależność maksymalnego przenoszonego obciążenia ziaren żużla pomiedziowego od ich wielkości ma nietypowy przebieg (rys. 15). Dotyczy ro ziaren grubszych od 1000 µm. Jest to efekt agregatowej budowy grubych ziaren żużla. Wzrost wielkości przenoszonego obciążenia przez pojedyncze ziarna żużla pomiedziowego ze wzrostem ich wielkości dotyczy tylko ziaren prawidłowo ukształtowanych.
Wytrzymałość na ściskanie ziaren granulowanego żużla pomiedziowego jest na poziomie wytrzymałości ziaren kwarcu (rys. 16). Znacznie bardziej wytrzymałe mechanicznie są ziarna otrzymane z żużla swobodnie zestalającego się. Ich wytrzymałość jest na poziomie wytrzymałości mechanicznej ziaren korundu naturalnego i elektrokorundu szlachetnego.