Поделочные камни и их обработка

Глава III. Инструменты и материалы

В процессе камнеобработки важную роль играют как абразивные инструменты, так и вспомогательные материалы — абразивы, мастики, склеивающие составы, охлаждающие, растворяющие и промывающие средства, а также смазывающие масла.

Термин «абразив» происходит от латинского слова «abrasio» — соскабливание. Роль зерен абразивов в операциях резки, сверления, шлифовки и полировки камня заключается в отрыве или откалывании частиц от поверхности обрабатываемого камня или снятии стружки с его поверхности. Поэтому при обработке камня применяются абразивы, значительно превосходящие камень по твердости. Абразивы разделяются на две группы: естественные, к которым относятся алмаз, корунд, наждак, гранат, кварц и его природные разновидности, кремень, мел, пемза и др., и искусственные — карбид кремния (карборунд), карбид бора, кубический нитрид бора (эльбор), окись хрома (зеленый крокус), гидрат окиси олова (итальянский порошок), различные специальные пасты (паста ГОИ) и др.

Абразивные инструменты изготовляются из природных и искусственных абразивов с помощью разного рода металлических, органических и неорганических связующих материалов. Абразивным материалам придают форму и размеры, соответствующие характеру их использования.

Лучшим из абразивных материалов является алмаз независимо от его природного или искусственного происхождения (синтетический алмаз). С твердостью алмаза не может соперничать ни одно из известных в настоящее время веществ. Свое название алмаз получил от греческого слова «адамас» — неукротимый, недоступный. Название свидетельствует о тех трудностях, с которыми столкнулись люди, пытаясь его обработать. Алмаз обрабатывается только алмазным порошком.

Алмаз кристаллизуется в кубической сингонии, образуя октаэдры, реже кубы и додекаэдры. Весьма совершенная спайность в плоскостях, параллельных граням октаэдра, и занозистый или раковистый излом по направлениям других плоскостей позволяют алмазу в процессе срабатываемости сохранять острые режущие ребра, чем и объясняются его высокие абразивные качества. Уд. вес алмаза 3.47—3.55. В отличие от прозрачных бездефектных алмазов, идущих на ювелирные изделия (бриллианты), в качестве абразивов используются так называемые технические алмазы (борт, боллас, карбонадо) с различными дефектами (поры, трещины и включения в виде графита). Примерно 80% от общей добычи алмазов идет на изготовление алмазных инструментов и абразивных материалов.

За единицу веса алмазов принят карат, введенный еще древними ювелирами для уравновешивания алмазов с помощью зерен растения карубы, обладавших, как правило, весом от 192.80 до 215.90 мг. В 1907 г. Международной метрической конвенцией в Париже был введен единый международный карат, равный 200 мг.

С 1962 г. значительно увеличилось производство инструментов из синтетических алмазов, освоенное Украинским институтом синтетических сверхтвердых материалов и инструментов (Киев). Алмазные отрезные круги, пасты и порошки теперь можно найти в салонах алмазного инструмента Москвы и Киева.

Порошки из природного алмаза маркируются буквой А, из синтетического — буквами АС. В зависимости от размеров частиц (зернистости) они подразделяются на две группы: шлифпорошки и микропорошки. В группу шлифпорошков входят зерна алмаза величиной от 500 до 40 мкм, что соответствует номерам по зернистости от А500/400 до А50/40. В обозначениях микропорошков добавляется буква М, поэтому маркам от AM40/28 до AM1/0 соответствуют размеры зерен от 40 до менее 1 мкм.

Помимо порошков широкое применение для тонкой шлифовки находят алмазные пасты с обозначением АП для природных алмазов и АСП — для синтетических. Их выпускают в тюбиках с расфасовкой в 80, 40 и 20 каратов в виде различных сортов по зернистости — от АП100 до АП1, где 100 и 1 соответствуют величине зерен в микрометрах.

Переходя к описанию алмазного инструмента, следует прежде всего назвать алмазные отрезные круги (АОК), выпускаемые диаметром до 500 мм. Среди общего набора имеющихся алмазных отрезных кругов, или, как их называют, алмазных пил, камнерезам-любителям требуются, как правило, пилы диаметром 160 и 200 мм.

Алмазные отрезные круги изготовляются из стальных дисков с кромкой, представляющей собой алмазный порошок, спрессованный металлической связкой. Материалом связки служит медный порошок (80%) и оловянный (20%). Такая связка обозначается M1.

Маркировка алмазных отрезных кругов может быть, например, такой: АОК 200×1.4×5×32, А400/315, 25%, M1, что расшифровывается следующим образом — алмазный отрезной круг с внешним диаметром 200 мм, толщиной 1.4 мм, шириной по кромке алмазоносного слоя 5 мм, диаметром центрального посадочного отверстия в 32 мм, зернистостью природного алмаза от 400 до 315 мкм, концентрацией алмаза в алмазоносном слое 25%, с металлической связкой M1. Цифра, касающаяся процентного содержания алмаза в алмазоносном слое, может быть 25, 50, 100 и 200%. За 100 %-ю концентрацию условно принимается 0.878 мг алмазного порошка в 1 мм³ алмазоносного слоя инструмента. Если для алмазного отрезного круга используется синтетический алмаз, то при его маркировке ставится один из следующих индексов, обозначающих марки алмазов: АСО, АСП, АСВ, АСК.

Синтетические алмазы различных марок отличаются по прочности, форме и величине удельной поверхности. Если за единицу прочности принять прочность зерна природного алмаза, то АСО имеет примерно 30—40 %, АСП — до 60%, АСВ — 80—90%, а АСК равен или даже несколько выше прочности природного алмаза.

Помимо алмазных отрезных кругов современная промышленность выпускает другие алмазные инструменты типа А1ПВ, АПП, АЭДД и т. п.

Алмазному инструменту типа А1ПВ соответствует алмазная планшайба, обычно толщиной в 15 мм, с индексами, например: А1ПВ 140×35×1.5, М-100-АСВ 250/200, что соответствует диаметру планшайбы 140 мм, ширине алмазного кругового слоя 35 мм при толщине в 1.5 мм, металлической связке, 100 %-й концентрации, марке синтетического алмаза АСВ, зернистости 250/200 мкм. Алмазный инструмент типа А1ПВ используется в шлифовальном станке с горизонтальной планшайбой, а также на универсальной бабке и предназначен для шлифовки и полировки твердых камней.

При необходимости создать криволинейную вогнутую поверхность, сходную с лоточком, желобом или выемкой, употребляется алмазный круг типа АПП (прямого профиля). Он используется в камнерезном станке с противовесом и в универсальной бабке.

Алмазный эластичный доводочный диск (АЭДД) диаметром 200 мм выпускается набором из трех дисков: АСО-10, АСМ-40, АСМ-3. Первые два диска употребляются для доводки на шлифовальном станке, а последний диск — для полировки.

Значительная продолжительность жизни алмазного инструмента объясняется его способностью к самозаточке. Дело в том, что кромка алмазных пил образована хорошо спрессованным слоем алмазного и металлического порошков, в котором связующая основа прочно удерживает алмазные зерна вплоть до их полного износа. Свободный от зерен металл постепенно истирается, обнажая новые зерна алмаза, залегавшие ранее в более глубоком слое кромки. Периодическая заточка алмазной пилы посредством разрезания карборундового круга помогает обнажению новых зерен алмаза.

В современном камнерезном производстве наиболее часто применяются такие искусственные абразивы, как карборунд, карбид бора, кубический нитрид бора, окись хрома, тонердэ и гидрат окиси олова.

Карборунд (карбид кремния — SiC) впервые был открыт в 1891 г. Ачесоном, работавшим над получением искусственных алмазов. По мере усовершенствования производства его высокая стоимость снижалась, и в настоящее время он является основным из широко применяемых и дешевых абразивных материалов. Зерна карборунда (с твердостью 9.5—9.75 по Моосу) уступают по твердости алмазу, кубическому нитриду бора (эльбор) и почти равны твердости карбида бора.

Материалами для производства карборунда служат кварцевый песок (51—55 %), кокс (30—40 %), поваренная соль (1—5 %) и древесные опилки (5—10 %), которые сплавляются в электрических печах при температуре 1920—2200° С. Различают два сорта карборунда: обыкновенный, или первый, — черного или темно-синего цвета (КЧ) с побежалостью и сорт «экстра», или «высший», — зеленого цвета (КЗ) разных оттенков.

Обыкновенный карборунд устойчив при грубой шлифовке, когда требуется снять толстый слой с обрабатываемой поверхности. Сорт «экстра» более тверд и ценится выше. Карборунд имеет раковистый излом и очень острые края и выступы, что определяет его высокие абразивные свойства. Он незаменим при обработке хрупких материалов типа чугуна, бронзы, стекла, фарфора, горных пород и минералов. Следует иметь в виду, что карборунд, как и любой абразив, непригоден для шлифовки пластичных или вязких материалов, так как зерна абразива, проникая внутрь такого материала и оставаясь в нем, защищают его тем самым от дальнейшего разрушения.

Карборунд пригоден для изготовления разнообразнейших инструментов — кругов, плоских и фасонных профилей, брусков, шкурок и др.

Карборундовые абразивные порошки (КЗ и КЧ) выпускаются в виде трех разновидностей по размерам зерен: шлифзерно, шлифпорошки и микропорошки. Шлифзерно выпускается с номером зернистости от 160 до 63 (размер зерна от 1600 до 630 мкм); шлифпорошки — с номером зернистости от 50 до 4 (размер зерна от 500 до 40 мкм); микропорошки — с номером зернистости от М40 до M1 (размер зерна от 40 до 1 мкм).

Карбид бора (B₁₂C₃) образует кристаллы в виде игл, пластинок, призм и октаэдров. Из-за примеси графита он приобретает преимущественно черный цвет с металлическим блеском. Его получают сплавлением борного ангидрида (B₂O₃) с углем в электропечах при температуре свыше 2000° С. Карбид бора хрупок, но чуть тверже карбида кремния, что позволяет применять его в тех случаях, когда карбидом кремния не удается достигнуть желаемых результатов.

Для карбида бора, как и для карбида кремния, существует аналогичная градация — от № 16 до M1.

Эльбор, или кубическая алмазоподобная β-модификация нитрида бора (NB), полученная в 1967 г. восстановлением борного ангидрида углем в атмосфере аммиака, известен под торговыми марками «эльбор», «боразон», «кубонит». Применяется в абразивных инструментах и часто в пастах. При маркировке абразивов из эльбора ставится буква Л; зернистость такая же, как у алмазных порошков.

Окись хрома (зеленый крокус, Cr₂O₃) употребляется для достижения зеркального блеска поверхности, отшлифованной микропорошками зернистостью М7—M1. Окись хрома не рекомендуется использовать при полировке трещиноватых и светлых камней, так как в порах и трещинах при этом остаются следы зелени, а также нефрита, которому он придает поверхность, подобную апельсиновой корке. Попутно отметим, что нефрит доводят до зеркального блеска с помощью алмазной пасты и тканевых полировальников.

Гидрат окиси олова (итальянский порошок, SnO₂∙H₂O) представляет собой порошок желтовато-белого цвета, хорошо полирующий светлые мраморы и мягкие камни с твердостью ниже 4—3 по Моосу. При быстром вращения планшайбы, со скоростью до 1000 об/мин, с помощью гидрата окиси олова удается получить отлично полированную поверхность всего за несколько минут работы. Однако ввиду ядовитых свойств гидрата окиси олова его лучше по возможности заменять светлыми порошками типа искусственного корунда или окисью алюминия сорта тонердэ.

Существенное влияние на качество и производительность всех операций камнеобработки, начиная с самой грубой шлифовки (сгонки) и кончая тонкой шлифовкой (доводкой), оказывает однородность размеров зерен в пределах данного номера зернистости абразива, которая зависит от тщательности рассева. Зерна крупнее допустимых создают царапины, устранение которых приводит по существу к переделке работы; наличие большого процента зерен мельче допустимых снижает производительность труда в данной операции.

Хранить абразивные порошки удобно в закрытых широкогорлых банках, снабженных этикеткой, указывающей название порошка и его зернистость. Во избежание случайного попадания грубых зерен абразива на тонко шлифуемую поверхность мастер должен следить за чистотой рабочего места, инструмента, одежды и рук.

Наконец, укажем рецептуру наиболее употребительных клеев и мастик, применяемых в камнерезном деле.

Для приклеивания войлока, фетра или сукна к чугунной планшайбе пригоден шеллак, сургуч, гудрон, а также эпоксидный клей. Перед нанесением твердых клеев (кроме эпоксидного) на чугунную планшайбу последнюю следует нагреть до температуры их размягчения. Покрытую клеем планшайбу закрывают войлоком или другим полировальным материалом и, прижимая войлок при помощи груза к поверхности планшайбы, оставляют ее на несколько часов для равномерного приклеивания.

Мастики находят применение для «залечивания» повреждений (трещин, каверн, сколов и пр.) на поверхности шлифуемого камня. Для этого, выбрав мастику под цвет камня, наносят ее с помощью разогретого шпателя, а лучше паяльника, на дефектное место, после чего сошлифовывают излишки мастики абразивом М7—M1 и заполировывают всю поверхность.

Приведем несколько существующих рецептов мастик на основе канифоли (в частях):

I

Канифоль — 130

Мраморная пыль — 90

Краситель под цвет камня: охра, сажа, кирпич и т. д. — 3.5

II

Канифоль — 130

Мраморная пыль — 90

Цинковые белила — 30—40

III

Канифоль — 100

Шеллак — 100

Сажа — 30

В настоящее время широко применяются мастики и особенно клей на основе эпоксидной смолы. В состав эпоксидного клея входят эпоксидная смола и отвердитель, например полиэтиленполиамин, в соотношении 10:1. При изготовлении мастики к эпоксидному клею добавляют 1—3 части наполнителя в виде каменной пыли под цвет камня.

Мастику на основе эпоксидной смолы следует применять для «залечивания» дефектов поверхности камня сразу же после смешения всех трех компонентов. Застывание мастики продолжается, как правило, 2—3 ч (при комнатной температуре). Ускорить затвердевание эпоксидной мастики можно посредством нагревания изделия в сушильном шкафу при температуре не свыше 100° С. Для смывания излишков неотвердевшего эпоксидного клея пригоден ацетон, растворяющий эпоксидную смолу. Застывшую (отвердевшую) эпоксидную смолу никаким растворителем убрать не удается; ее удаляют лишь механическим способом.