Gli abrasivi svolgono l’azione di taglio e rappresentano il primo elemento di scelta nella realizzazione di una mola e nella sua adozione per una particolare applicazione.
I moderni abrasivi per rettifica appartengono a due gruppi:
Abrasivi convenzionali basati su carburo di silicio (SiC) o ossido di alluminio (Al2O3);
Super-abrasivi basati su diamante o nitruro di boro cubico (CBN).
Nello studio svolto si sono utilizzati abrasivi in ossido di alluminio elettro-fuso e sinterizzato essendo questi quelli di più largo impiego nel campo della rettifica di ingranaggi con processo di generazione.
1.5.1 Allumina fusa
La bauxite è la materia prima più comunemente utilizzata per la fabbricazione di grani abrasivi in allumina tramite elettrofusione. La bauxite, a seconda della sua origine, contiene 85-90% di allumina, 2-5% di TiO2 e fino al 10% di ossido di ferro, silicio, e ossidi basici.
La bauxite viene fusa in una fornace ad arco elettrico a temperature di 2600°C utilizzando un processo dimostrato da Charles Jacobs nel 1897 ma applicato industrialmente per la prima volta nel 1904 dalla Notron Company grazie all’adozione di una nuova fornace sviluppata da Aldus C. Higgins [32].
Le fornaci per la produzione di allumina sono costituite da un cuore interno in metallo pesante circondato da un guscio sottile in metallo. L’integrità del guscio è mantenuta da una cortina di acqua che fluisce costantemente sulle sue pareti esterne. Uno strato di bauxite triturata e calcinata, mescolata a carbone e ferro per rimuovere le impurità, viene depositato sul fondo della fornace e un innesco, costituito da una barra di carbonio, vi viene adagiato sopra. Il processo di elettro-fusione inizia quando una corrente ad alta tensione viene applicata al bagno di bauxite tramite due o tre barre in carbonio che vengono inserite verticalmente nel crogiolo fino ad entrare in contatto con la materia prima. La barra di innesco si consuma rapidamente mentre il calore generato fonde la bauxite che diviene un elettrolito. Altra bauxite viene aggiunta regolarmente per raggiungere un volume fuso superiore alle 2° tonnellate. Il flusso di corrente viene controllato modificando l’altezza degli elettrodi che si possono consumare durante il processo che dura diverse ore.
Il fatto che un sottile strato di metallo raffrenato ad acqua sia sufficiente a contenere il processo non deve sorprendere, ciò evidenzia una delle proprietà che rendono l’allumina idonea ad essere utilizzata come abrasivo, la sua bassa conducibilità termica. L’allumina nelle fornaci tradizionali viene fatta raffreddare e forma una crosta isolante attorno al cuore
I processi di rettifica
31 in acciaio, nelle più moderne viene invece colata, fusa, in un sistema di raffreddamento ad acqua che consente un controllo migliore della microstruttura prodotta.
Una volta raffreddata, l’allumina viene fatta passare attraverso una serie di martelli, battitori, rulli trituratori e/o macinatori a sfere per ridurla alla granulometria desiderata. Il tipo di macinazione utilizzata permette di ottenere differenti forme dei grani, fornendo grani a forma di schegge sottili o di blocchi. A valle del processo di frantumazione il prodotto viene setacciato attraverso setacci metallici progressivi al fine di formare gruppi a granulometria decrescente con una variabilità in dimensioni inferiore al 5% e fino a 40μm di dimensione minima.
La granulometria viene identificata secondo differenti scale che associano ad ogni dimensione un numero corrispondente. La più utilizzata è la scala FEPA (Federazione Europea dei Produttori di Abrasivi) che segue la normativa ISO 6106-1979. Altre scale possono essere utilizzate da paesi o produttori differenti, in Tabella 1 è riportato uno schema con le designazioni piè comuni.
Tabella 1: Tabella comparativa di misurazione delle granulometrie
Micron FEPA Dimensione
1250-530 14-36 Grossolana
350-260 46-60 Media
200-150 70-100 Fine
125-75 120-180 Molto fine
65-25 220-600 Estremamente fine
A seconda degli additivi aggiunti in fase di produzione si ottengono differenti tipi di allumina con caratteristiche differenti:
Allumina bruna- contiene il 3% di TiO2. Ha una durezza Knoop di 2090 e
friabilità intermedia. Aumentando il contenuto di TiO2 si aumenta la tenacità a
scapito della durezza. Questo tipo di allumina subisce una successiva ossidazione del TiO2 durante il processo di vetrificazione delle mole in cui è impiegata,
assumendo un colore grigio-blu;
Allumina bianca- pura al 99% è prodotta tramite Processo Bayer. I grani risultanti sono tra i più duri e friabili della famiglia degli abrasivi in allumina. Impiegati principalmente in mole vetrificate per applicazione di precisione forniscono un’ottima azione di taglio freddo;
Allumina rosa- prodotta aggiungendo ossido di cromo in quantità minore del 5% ad allumina bianca. I grani risultanti sono leggermente più duri rispetto all’allumina bianca e sono disponibili in forma allungata o di blocchi affilati di grandezza media;
Allumina rossa- prodotta con una percentuale di ossido di cromo pari al 3% è più friabile rispetto all’allumina rosa. I grani hanno forma a blocco con spigoli affilati e garantiscono un ottimo effetto di taglio freddo;
Allumina verde- variante dell’allumina rossa che presenta ossido di vanadio, proprietà e applicazioni sono simili a quelle dell’allumina rossa da cui deriva;
I processi di rettifica
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Allumina-Zirconia- biossido di zirconio viene aggiunto all’allumina per raffinare la struttura dei grani e aumentarne la tenacità. Questi abrasivi estremamente tenaci e dalla grana fine assicurano durata eccellente nelle applicazioni con elevate asportazioni di sovrametallo.
Il processo di elettrofusione produce abrasivi con strutture cristalline molto ampie risultando in grani costituiti da un massimo di tre cristalli. Come conseguenza di ciò, quando un grano si frattura durante il taglio, la parte che si perde può essere una porzione rilevante del grano intero; questo processo di rottura macroscopica porta ad avere nuove superfici taglienti a fronte di un’usura molto accentuata. Per migliorare l’efficienza di utilizzo dei grani in allumina è sviluppato il processo di sinterizzazione che consente di ridurre drasticamente la dimensione dei cristalli. Un esempio delle differenti strutture dei grani è riportato in Figura 5.
Figura 5: Struttura cristallina dei grani in allumina a) allumina fusa, b) allumina
sinterizzata.
1.5.2 Allumina sinterizzata
I primi grani microcristallini sono stati prodotti nel 1963 (Brevetto U.S. 3 079 243) compattando un impasto di bauxite precedentemente ridotta in grana molto fine, poi sinterizzato alla temperatura di 1500°C. Da allora si è affinata molto la capacità di controllare la forma e le proporzioni dei grani così prodotti arrivando a estrudere l’impasto prima della sinterizzazione per ottenere le forme desiderate.
I più comuni grani abrasivi di questo tipo sono quelli in allumina blu, anche detti blu
corundum che, pur mantenendo una forma prevalentemente prismatica simile a quella dei
grani in allumina fusa, presentano una durata migliore grazie alla micro-fratturazione garantita dalla struttura molto fine.
1.5.3 Carburo di silicio
Della famiglia degli abrasivi tradizionali fanno parte anche gli abrasivi ceramici in carburo di silicio (SiC). Questo primo abrasivo sintetico fu sintetizzato per la prima volta nel 1891 dal Dr. E. G. Acheson che gli impose il nome commerciale di “Carborundum”. Inizialmente abrasivo molto costoso il suo prezzo è calato sensibilmente una volta industrializzato il processo di produzione e si è rapidamente affermato nei processi di rettifica [33].
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33 Il carburo di silicio viene prodotto in fornaci a resistenza di tipo Acheson tramite la reazione chimica tra silicio e carbone che avviene alla temperatura di 2400°C. Un resistore in carbonio viene posizionato sullo strato di materia prima a cui è applicato un flusso intenso di corrente elettrica. Sali vengono aggiunti per rimuovere le impurità ferrose, mentre della segatura di legno, bruciando, lascia porosità che consentono il rilascio del CO prodotto. L’intero processo avviene nell’arco di 36 ore in cui si producono dalle 10 alle 50 tonnellate di SiC. Da momento in cui si forma il carburo di silicio rimane solido poiché non si ha mai fusione. In seguito al raffreddamento il SiC viene smistato in base al colore: SiC verde puro al 99% e SiC nero puro al 97%. In fine i grani vengono prodotti e dimensionati con la stessa procedura descritta per l’allumina.
Il carburo di silicio ha valori di durezza Knoop che variano tra 2500 e 2800 ed è molto friabile, rispetto all’allumina presenta una forma molto più acuminata (Figura 6). Le impurità presenti nella qualità “nera” ne aumentano la tenacità che rimane comunque significativamente minore rispetto a quella dell’allumina. Sopra i 750°C, temperature raggiunte all’interfaccia grano-materiale in molti processi di rettifica, SiC mostra reattività chimica nei confronti di metalli con affinità al carbonio come ferro e nichel. Questo limita il suo utilizzo alle lavorazioni su materiali duri non ferrosi. SiC reagisce anche con l’ossido di boro e il silicato di sodio, entrambi comuni costituenti delle mole a legante vetrificato [34].
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Figura 6: Esempi di differenti tipologie di grani abrasivi [24]
Le applicazioni più innovative al giorno d’oggi riguardano la forma dei grani abrasivi, sono allo studio tecnologie che impiegano grani detti “vermicolari” dalla forma allungata mentre si cerca sempre più di dare ai grani, fino ad oggi di forma irregolare, una forma prismatica definita e ripetibile. Un altro sviluppo riguarda le mole costituite con abrasivi misti in cui differenti tipologie di abrasivo, con la stessa granulometria, vengono impiegati in percentuali volumetriche differenti nella stessa mola. Questa tecnologia ad abrasivi ibridi sta prendendo campo anche nella rettifica di ingranaggi.