При обработке камня играют важную роль абразивные инструменты и вспомогательные материалы, такие как абразивы, мастики, склеивающие составы, средства для охлаждения, растворения и промывания, а также смазочные масла.
Термин "абразив" происходит от латинского слова "abrado" - соскабливание. Зерна абразивов используются для отделения или откалывания частиц от поверхности камня при операциях резки, сверления, шлифовки и полировки.
При обработке камня применяются абразивы, которые значительно превосходят камень по твердости. Абразивы подразделяются на две группы: естественные, такие как алмаз, корунд, наждак, гранат, кварц, кремень, мел, пемза и другие природные разновидности, а также искусственные - карбид кремния (карборунд), карбид бора, кубический нитрид бора (эльбор), окись хрома (зеленый крокус), гидрат окиси олова (итальянский порошок), различные специальные пасты, такие как паста ГОИ, и другие.
Для изготовления абразивных инструментов используются как природные, так и искусственные абразивы, сочетаемые с разнообразными металлическими, органическими и неорганическими связующими материалами. Материалам придают форму и размеры, соответствующие их целевому использованию.
Алмаз, будь то естественного или синтетического происхождения, является лучшим из всех абразивных материалов. Его твердость не имеет себе равных среди известных веществ. Название "алмаз" происходит от греческого слова "адамас", что означает "неукротимый" и "недоступный". Это имя отражает сложности, с которыми сталкиваются люди при обработке алмаза. Для его обработки используется только алмазный порошок. Кристаллизуясь в кубической сингонии, алмаз формирует октаэдры, иногда кубы и додекаэдры.
Алмаз обладает высокими абразивными качествами благодаря своей совершенной спайности в плоскостях, параллельных граням октаэдра, и излому по другим направлениям, который может быть занозистым или раковистым. Это позволяет алмазу сохранять острые режущие ребра при срабатывании. Удельный вес алмаза составляет 3.47—3.55. В отличие от прозрачных бездефектных алмазов, которые используются для создания ювелирных изделий, в промышленности применяются технические алмазы, такие как борт, боллас и карбонадо, которые имеют различные дефекты в виде пор, трещин и включений, таких как графит.
Примерно 80% общего объема добычи алмазов используется для производства алмазных инструментов и абразивных материалов. Ассортимент алмазного инструмента включает алмазные отрезные круги, пасты и порошки, которые можно найти в специализированных магазинах. Порошки из натуральных алмазов помечаются буквой "А", а синтетические - буквами "АС". В зависимости от размера частиц (зернистости) порошки подразделяются на шлифпорошки и микропорошки.
Группа шлиф-порошков состоит из зерен алмаза размером от 500 до 40 мкм, что соответствует номерам по зернистости от А500/400 до А50/40. Добавляя букву "М" к обозначениям, мы получаем микропорошки с размерами зерен от 40 до менее 1 мкм, обозначаемые от АМ40/28 до АМ1/0.
Помимо порошков, для тонкой шлифовки широко используются алмазные пасты: АП для природных алмазов и АСП для синтетических. Они представлены в тюбиках по 80, 40 и 20 каратов с различными сортами по зернистости - от АП100 до АП1, где цифры указывают на размер зерен в микрометрах.
Поговорим о алмазных инструментах. Начнем с алмазных отрезных кругов (АОК) диаметром до 500 мм. Среди множества доступных алмазных отрезных кругов, или алмазных пил, которые используют камнерезы-любители, особенно популярны пилы диаметром 160 и 200 мм.
Алмазные отрезные круги изготовлены из стальных дисков с кромкой, покрытой алмазным порошком, сжатым металлической связкой. Для связывания используется сплав из медного порошка (80%) и оловянного (20%), который обозначается как М1.
Маркировка алмазных отрезных кругов выглядит, например, так: АОК 200X1.4X5X32, А400/315, 25%, М1. Это означает, что круг имеет внешний диаметр 200 мм, толщину 1.4 мм, ширину алмазоносного слоя по кромке 5 мм и диаметр центрального отверстия 32 мм. Зернистость алмаза варьируется от 400 до 315 мкм, а концентрация алмаза в алмазоносном слое составляет 25%. Связка круга - металлическая М1. Процентное содержание алмаза в алмазоносном слое может быть 25, 50, 100 или 200%.
При условной концентрации 100 % в 1 мм3 алмазного слоя инструмента используется примерно 0.878 мг алмазного порошка. Для синтетических алмазных отрезных кругов применяются различные марки, обозначаемые индексами: АСО, АСП, АСВ, АСК. Эти марки отличаются по прочности, форме и удельной поверхности. Например, прочность синтетического алмаза марки АСО составляет около 30—40% от прочности природного алмаза, в то время как у марки АСВ она достигает 80—90%, а у марки АСК может быть равной или даже превышать прочность природного алмаза.
В современной промышленности кроме алмазных отрезных кругов производятся и другие виды алмазных инструментов, такие как А1ПВ, АПП, АЭДД и другие. Например, для алмазного инструмента типа А1ПВ характерна планшайба толщиной 15 мм с указанными индексами, например: А1ПВ 140X35X1.5, М-100-АСВ 250/200. Эти индексы означают диаметр планшайбы 140 мм, ширину алмазного кругового слоя 35 мм, толщину 1.5 мм, металлическую связку, 100% концентрацию, марку синтетического алмаза АСВ и зернистость 250/200 мкм. Инструмент данного типа используется на шлифовальных станках с горизонтальной планшайбой и универсальных бабках для шлифовки и полировки твердых камней.
Для создания криволинейных вогнутых поверхностей, наподобие лотков, желобов или выемок, используется алмазный круг типа АПП (прямого профиля). Он применяется на камнерезных станках с противовесом и универсальных бабках.
Для доводки деталей диаметром 200 мм используется алмазный эластичный доводочный диск (АЭДД), который выпускается в трех вариантах: АСО-10, АСМ-40 и АСМ-3. Первые два диска используются для шлифовки, в то время как последний предназначен для полировки.
Долгий срок службы алмазного инструмента обусловлен его способностью к самозатачиванию.
Кромка алмазных пил состоит из плотно спрессованного слоя алмазного и металлического порошка, который удерживает алмазные зерна до полного износа. Постепенно изнашивается свободный от зерен металл, открывая новые алмазные зерна, залегшие в глубоких слоях кромки. Периодическая заточка алмазной пилы с помощью карборундового круга способствует обнажению новых зерен алмаза. В современном камнерезном производстве широко используются искусственные абразивы, такие как карборунд, карбид бора, кубический нитрид бора, окись хрома, тонердэ и гидрат окиси олова.
Карборунд (карбид кремния — 81С) был впервые открыт в 1891 году Ачесоном, который занимался исследованиями над созданием искусственных алмазов. С течением времени производство этого материала стало более совершенным, что позволило снизить его высокую стоимость. В настоящее время карборунд является одним из основных и широко используемых дешевых абразивных материалов. Зерна карборунда (с твердостью 9.5—9.75 по шкале Мооса) уступают по твердости алмазу и кубическому нитриду бора (эльбору), но практически равны по твердости карбиду бора.
Для производства карборунда используются кварцевый песок (51—55%), кокс (30—40%), поваренная соль (1—5%) и древесные опилки (5—10%), которые плавятся в электрических печах при температуре 1920—2200°С.
Существует два вида карборунда: обычный, или первый, который имеет черный или темно-синий цвет (КЧ) с примесью, и сорт "экстра", или "высший", который имеет зеленый цвет (КЗ) различных оттенков. Обычный карборунд идеально подходит для грубой шлифовки, когда необходимо удалить толстый слой с обрабатываемой поверхности. Сорт "экстра" более твердый и ценится выше. Карборунд обладает раковистым изломом и очень острыми краями и выступами, что придает ему высокие абразивные свойства. Он необходим при обработке хрупких материалов, таких как чугун, бронза, стекло, фарфор, горные породы и минералы.
Необходимо помнить, что карборунд, как и любой другой абразив, не подходит для шлифовки пластичных или вязких материалов, поскольку зерна абразива могут проникнуть внутрь такого материала и остаться там, предотвращая его дальнейшее разрушение.
Карборунд применяется для производства различных инструментов, включая круги, плоские и фасонные профили, бруски, шкурки и другие.
Абразивные порошки из карборунда (типы КЗ и КЧ) доступны в трех разновидностях по размеру зерен: шлифовальные зерна, шлифовальные порошки и микроабразивы. Шлифовальные зерна имеют номер зернистости от 160 до 63 (размер зерна от 1600 до 630 мкм); шлифовальные порошки — от 50 до 4 (размер зерна от 500 до 40 мкм); микроабразивы — от М40 до М1 (размер зерна от 40 до 1 мкм).
Карбид бора (B12C3) формирует кристаллические структуры в форме игл, пластинок, призм и октаэдров. Присутствие графита придает ему в основном черный цвет с металлическим отливом. Процесс его получения осуществляется путем сплавления борного ангидрида (B2O3) с углем в электропечах при температуре более 2000°С. Карбид бора обладает хрупкостью, но немного превосходит по твердости карбид кремния, что позволяет его использовать в случаях, когда карбид кремния не способен достичь желаемых свойств. Для карбида бора, так же как и для карбида кремния, существует аналогичная шкала твердости, которая варьируется от №16 до М1.
Кубическая алмазоподобная модификация нитрида бора, известная как КВ или "эльбор", была впервые получена в 1967 году путем восстановления борного ангидрида углем в атмосфере аммиака. Этот материал также известен под торговыми марками "боразон" и "кубонит". Он широко используется в производстве абразивных инструментов и паст. При маркировке абразивов на основе эльбора обычно применяется буква "Л", а их зернистость сравнима с алмазными порошками.
Окись хрома, также известная как зеленый крокус (Cr2O3), применяется для придания зеркального блеска поверхности, отшлифованной микропорошками с зернистостью от М7 до М1.
Не рекомендуется использовать окись хрома для полировки трещиноватых и светлых камней, так как при этом могут оставаться следы зелени в порах и трещинах, а также изменяться внешний вид нефрита, приобретая поверхность, напоминающую апельсиновую корку. Для достижения зеркального блеска нефрита рекомендуется использовать алмазную пасту и тканевые полировальники.
Гидрат оксида олова (итальянский порошок, SnO2 * H2O) - порошок желтовато-белого цвета, эффективно полирующий светлые мраморы и мягкие камни с твердостью ниже 4-3 по шкале Мооса.
При быстром вращении планшайбы со скоростью до 1000 оборотов в минуту с применением гидрата окиси олова можно получить отлично отполированную поверхность всего за несколько минут работы. Однако из-за ядовитых свойств гидрата окиси олова рекомендуется использовать светлые порошки, например, искусственный корунд или оксид алюминия сорта тонердэ, в качестве замены. Однородность размеров зерен в пределах определенного номера зернистости абразива оказывает существенное влияние на качество и производительность всех операций обработки камня - от грубой шлифовки (сгонки) до тонкой шлифовки (доводки). Эта однородность зависит от тщательности процесса рассева.
Более крупные зерна абразива могут вызвать царапины, что потребует переработки работы, в то время как избыток более мелких зерен снижает эффективность операции. Для хранения абразивных порошков рекомендуется использовать закрытые широкогорлые банки с этикетками, указывающими наименование порошка и его фракцию. Чтобы избежать попадания крупных зерен абразива на тонко шлифуемую поверхность, мастер должен поддерживать чистоту на рабочем месте, следить за состоянием инструментов, одежды и рук.
Давайте представим рецептуру самых распространенных клеев и мастик, используемых в области камнерезного дела. Для приклеивания войлока, фетра или сукна к чугунной планшайбе идеально подходят шеллак, сургуч, гудрон и эпоксидный клей. Перед нанесением твердых клеев (кроме эпоксидного) на чугунную планшайбу необходимо нагреть ее до температуры размягчения клея. Затем планшайбу, покрытую клеем, следует покрыть войлоком или другим полировальным материалом, прижать его грузом к поверхности и оставить на несколько часов для равномерного приклеивания.
Мастики применяются для ремонта поверхности шлифуемого камня, восстановления трещин, каверн и сколов. Выбрав мастику подходящего цвета, ее наносят на дефект с помощью разогретого шпателя или паяльника, затем излишки шлифуют абразивным материалом М7—М1 и полируют всю поверхность. В настоящее время широко используются мастики и клеи на основе эпоксидной смолы, включающие эпоксидную смолу, отвердитель (например, полиэтиленполиамин) в пропорции 10:1. В процессе изготовления мастики к эпоксидному клею добавляют 1—3 части наполнителя, такого как каменная мука, подходящая по цвету камня.
Рекомендуется использовать эпоксидную мастику для заполнения дефектов на поверхности камня сразу после смешивания всех трех компонентов. Процесс застывания мастики обычно занимает 2-3 часа при комнатной температуре. Чтобы ускорить процесс отверждения эпоксидной мастики, можно нагреть изделие в сушильном шкафу до температуры не более 100°С. Для удаления излишков неотвердевшей эпоксидной смолы подходит ацетон, который растворяет ее. Однако отвердевшую эпоксидную смолу невозможно убрать с помощью растворителя, только механическим способом.
