С развитием науки и техники перед современным машиностроением ставится целый ряд разнообразных задач, одна из которых - надежное обеспечение технических характеристик изделий, работающих в широком диапазоне температур, при сложном сочетании переменных силовых и тепловых воздействий, в агрессивных рабочих средах. Основные показатели машин и механизмов - надёжность и коефициент полезного действия, в большей мере определяются эксплуатационными свойствами деталей и соединений: износостойкостью, коеффициентом трения, границею выносливости, коррозионной стойкостью и др. В свою очередь, эксплуатационные свойства задаются состоянием поверхностного слоя деталей, который формируется на стадии механической обработки. Часто условия эксплуатации изделий таковы, что для их изготовления невозможно или нерационально использовать металлы.

В настоящее время в мире наблюдается тенденция производства изделий из неметаллических и композиционных материалов, которые все шире заменяют металлы во многих отраслях промышленности. Эта тенденция связана со снижением себестоимости продукции при одновременном повышении их срока службы, надежности и экологической чистоты. Особое место среди неметаллических материалов занимает керамика. Физико-механические свойства конструкционной керамики (в том числе и ситаллов) по сравнению со всеми видами металлов, которые в настоящее время применяются в качестве главных материалов для изготовления деталей машин, имеют такие отличительные характеристики, как высокую температуру плавления, твердость, высокую износостойкость, коррозионную стойкость, стойкость к воздействию химикатов и т.д.
Эти факторы и обусловили широкий интерес к изучению свойств ситаллов, их наблюдению и в конечном итоге разработке методов влияния на свойства в ходе механической обработки.

1. Определение кинематической погрешности обработки заготовки типа параболоидов вращения периферией шлифовального круга методом прямого копирования.

2. Конструирование безлюфтового привода поворота шлифовальной бабки.

3. Получение зависимостей образования дефектного слоя обрабатываемого ситалла от температуры алмазного шлифования.

Разработка методики управления обработкой деталей типа параболоидов вращения, основываяющейся на полученных результатах исследования влияния температуры алмазного шлифования на структуру дефектного слоя изделий из ситалла. Адаптивное управление положением шлифовального круга из условия достижения максимальной площади контакта рабочей поверхности круга и обрабатываемой заготовки.

На основании исследований процессов формирования дефектности поверхностного слоя конструкционных неметаллических материалов при абразивно-алмазной обработке были найдены зависимости между тепловым потоком в зоне резания и образованием дефектов в поверхностном слое. При обработке деталей типа параболоидов вращения на постоянных режимах резания, силы резания меняют своё значение во времени вследствие непостоянности значений диаметров. В свою очередь меняет своё значение и тепловой поток в зоне резания, что сказывается на образовании разнородного дефектного поверхностного слоя. При помощи найденных зависимостей можно управлять процессом шлифования таким образом, чтобы сформированный поверхностный слой имел однородную структуру. При помощи сконструированного специального привода поворота шлифовальной бабки управление процессом шлифования осуществляется автоматически.

Рисунок 1 - Имитация шлифования заготовки периферией круга
(анимация объёмом 50 КБ, состоит из 7 слайдов, 6 циклов повторения)

В 1950-х гг. директор отделения фундаментальных исследований по химии компании «Дау Корнинг» в Нью-Йорке Дональд Стукей открыл способ стимулирования процесса кристаллизации стекла с целью получения новых ценных материалов из «расстеклованной массы». С этого времени процесс кристаллизации стекла, известный как самопроизвольный (или спонтанный) и приносивший большие потери на производстве, стал управляемым и направленным. В 1953 г. Дональд Стукей опубликовал статью о механизированном производстве новых материалов, и уже в 1957 г. он получил ряд патентов на их изготовление. Первое официальное сообщение о создании новой отрасли по превращению стекла в тонкокристаллическую «стеклокерамику» было сделано фирмой «Дау Корнинг» 23 мая 1957 г.

Новый материал, названный «пирокерам», по существу представляет собой кристаллический материал, полученный из незакристаллизованного стекла. Метод получения нового материала заключался в следующем: шихта, содержащая один или несколько ядрообразующих веществ (нуклеаторов), подвергалась плавлению, затем выработке и охлаждению. Соответствующая тепловая обработка изготовленного изделия вызывала образование ядрообразующих зародышей в виде биллионов субмикроскопических кристаллов в 1 мм³, пирокерама. Каждый такой кристаллит становился центром роста кристаллов при дальнейшем нагревании. Благодаря разнообразию химического состава исходных стекол и методов тепловой обработки пирокерам обладал разными свойствами. В связи с исследованиями в области новых материалов рождалась новая терминология и обсуждалась пригодность давно известных терминов применительно к изучаемым материалам и технологиям их изготовления. В ходе первых работ по стеклокристаллическим материалам многие исследователи давали им свои местные, «фирменные», названия. Например, фирма «Дау Корнинг» дала этому материалу название «пирокерам». Затем были выпущены его модификации под названиями «пирофлам», «центура», «фотокерам» и др. В Англии использовались названия «пиросил», «слагцерам». В Польше в зависимости от технологии изготовления - «силитал», «квазикерам», «шлаковый квазикерам». В СССР подобные силикатные поликристаллические материалы получили названия «ситаллы» или «шлакоситаллы», которые ввел впервые в употребление профессор И.И. Китайгородский. Помимо общности технологий производства, эти материалы объединяло еще и особое сочетание стеклообразной и кристаллической фаз, а также химическая кремнекислородная природа.

Ситаллы подразделяются на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы. В отличие от обычных стекол, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеет структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойство ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует вязкая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам. Жаропрочность, электропроводность, механическая прочность зависят не только от свойств фаз, но в большей степени от структуры и потому не являются аддитивными. Плотная микроструктура обеспечивает высокую твердость и сопротивление абразивному износу. Повышение степени закристаллизованности увеличивает модуль упругости. Улучшению механических, термических, электроизоляционных свойств материала и химической стойкости способствует низкое содержание стекловидной фазы.

Плотность ситаллов лежит в пределах 2400-2950 кг/м³, прочность при изгибе - 70-350 МПа, временное сопротивление - 112-161 МПа, сопротивление сжатию - 7000-2000 МПа. Модуль упругости 84 - 141Гпа. Прочность ситаллов зависит от температуры. Твердость их близка к твердости закаленной стали (V - 7000-10500 МПа). Они весьма износостойки (f_тр = 0,07-0,19). Коэффициент линейного расширения лежит в пределах (7- 300) 10^-7 с^-1 . По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходят стекла. Термостойкость высокая t = 500 -900⁰С. Применение ситаллов определяется их свойствами. Ситаллы обладают высокой стойкостью к действию сильных кислот (кроме плавиковой) и щелочей. Водопоглощение практически равно нулю.

Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, получаемые путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия.Ситаллы состоят из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе.

Главная особенность ситаллов - тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура, обусловливающая сочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью. В ситаллах, изготовленных из светочувствительных стекол, получают непрозрачные белые или цветные трехмерные изображения.Различная растворимость кристаллической и прозрачной стекловидной фаз открывает возможности получения выпуклого изображения и производства из фотоситаллов технических изделий с сеткой прецизионно выполненных отверстий любого сечения.

Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и отрицательными (от -7 10^-7 до +3 10^-7) коэффициентами термического расширения. Оптическое кварцевое стекло может быть заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что в силу малых коэффициентов теплового расширения они нечувствительны к тепловым ударам. Прозрачность связана с размером кристаллов, меньшим длины полуволны видимого света (сотые доли мм), и близостью показателей их преломления к стекловидной фазе. Светочувствительные стекла и фотоситаллы находят широкое применение в микроэлектронике, ракетной технике, космосе, оптике, полиграфии и бытовых приборах. Так, из фоточувствительного стекла получены матрицы для газоразрядных приборов, фотокерам для изготовления плат печатного монтажа, из фотоситалла - перфорированные диски, применяемые в катодно-лучевых трубках и т.д.

Технические ситаллы получают на основе искусственных шихт тех частей силикатных систем, в которых кристаллизуются фазы, обладающие заданными свойствами. Для термостойких ситаллов такими фазами являются кордиерит, сподумен LiAlSi₂O₆, эвкриптит LiAlSiO₄; для высокопрочных - шпинель, муллит; для диэлектриков-кордиерит, диопсид, волластонит и т.д. Такие свойства, как плотность, коэффициент термического расширения, теплопроводность, модуль упругости и диэлектрическая проницаемость зависят от свойств фаз и аддитивно меняются с изменением содержаний этих фаз. Поэтому важнейшую задачу технической петрологии составляет изучение диаграмм состояния соответствующих систем. На фазовый состав ситаллов влияют малые (до 1,5%) добавки модификаторов (Na, K, Ca, Ba и др.), стеклообразователей (В, Р и др.) и окислов промежуточного типа, введение которых не меняет состав основных фаз, но заметно увеличивает или снижает их содержание. Необходимыми добавками являются вещества, служащие катализаторами и центрами кристаллизации стекол.

В качестве последних применяются: металлические Au, Ag, Cu, Pt, Pd в количествах от сотых до десятых долей %; окисные TiO₂, P₂O₅, Cr₂O₃, ZrO₂, ZnO и др. (первые %), фторидные Na₃AlF₆, Na₂SiF₆, CaF₂ и др. (обязательно совместно с Al₂O₃), сера или сульфаты с добавкой кокса,сульфиды.

С целью удешевления производства и комплексного использования сырья для изготовления ситаллов привлечены: доменный шлак вместе с кварцевым песком - для получения шлакоситаллов; магматические эффузивные и интрузивные горные породы основного состава (базальты, габбро, траппы), метаморфические породы (тремолитовые и тальковые сланцы), осадочные породы (лессовые суглинки, известковая глина), нефелиновый концентрат - для получения петроситаллов. Оценка пригодности шлаков и горных пород для этих целей наиболее просто и эффективно осуществляется петрографическими методами по их минеральному составу. Не последнюю роль играют знания петрохимических особенностей и использование возможностей методов петрохимических пересчетов.

Главной в технологии ситаллов является двухстадийная термообработка. Первая стадия - образования центров кристаллизации - осуществляется для большинства составов шихт выдержкой при температуре, оптимальной для этого процесса. На второй стадии изделия отжигают при температуре, наиболее благоприятной для роста кристаллов.

Хотя контроль за фазовым составом и структурой в связи с тонкозернистостью ситаллов осуществляется в основном методами рентгенофазового анализа и электронной микроскопии, при активном участии петрологов проводится исследование кинетики зародышеобразования и роста кристаллов, являющихся теоретической основой главных стадий производства ситаллов.

Синтез ситаллов может быть осуществлен с учетом заранее заданных свойств. Благодаря этому ситаллы могут отличаться каким-либо одним главным свойством, например, механической или термической прочностью, химической устойчивостью, износостойкостью, прозрачностью и др., или обладать комплексом необходимых свойств. Это предопределило широкий спектр использования этих кристаллических материалов. В промышленных масштабах ситаллы стали широко использовать с начала 1960-х гг. Сегодня они широко используются в промышленности в качестве облицовочного материала, элементов слоистых панелей в конструкциях промышленных зданий. Незаменим ситалл и в быту. Из него изготавливают жаропрочную хозяйственную посуду - кастрюли, жаровни, сотейники. Стеклокерамику применяют в авиационной промышленности, например, в обтекателях ракет. Очень большое распространение в химическом машиностроении получили стеклокристаллические покрытия, наносимые на поверхность различных металлов для защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах. На предприятиях химической, коксохимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности используют ситалловые трубы.

Все шире области применения ситаллов в электронной промышленности. Их используют в качестве диэлектрической изоляции микросхем и межслойной изоляции печатных схем на керамических и других подложках. Ситаллы на основе горных пород (перлита и доломита) рекомендуются для изготовления высоковольтных стержневых и штыревых электроизоляторов. Стеклокерамические корпуса нашли применение для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Высокие термомеханические свойства предопределяют использование ситалловых изделий в специальных областях строительства. Они находят применение для изготовления деталей, сохраняющих стабильные размеры при изменениях температуры (например, фундаменты особо точных станков). Трубы из ситалла применяют для изготовления теплообменников.

Полученные ситаллы, поглощающие медленные нейтроны, а также отличающиеся жаростойкостью и способностью герметически паяться со сталью. Эти ситаллы используют при изготовлении стержней в ядерных реакторах и для устройства биологической защиты.

Шлакоситалл применяют в гидротехническом строительстве для облицовки ответственных частей гидросооружений, а также в дорожном строительстве в качестве плиты для тротуаров, дорожных покрытий, бортовых камней. Листовой шлакоситалл можно использовать как декоративно-отделочный материал для наружной и внутренней облицовки различных сооружений.

Вспененный шлакоситалл (пеношлакоситалл) имеет ячеистую структуру, как и пеностекло, но отличается от него своим строением. Пеношлакоситалл является эффективным теплоизоляционным материалом, поскольку он обладает незначительным водопоглощение и малой гигроскопичностью. Его используют для утепления стен и перекрытий, а также для звукоизоляции помещений. Изделия из пеношлакоситалла могут работать при температурах до 750°С, поэтому также их применяют также для изоляции теплопроводов и промышленных печей.

На формирование дефектного слоя кроме силового воздействия оказывает влияние и тепловой поток из зоны контакта. Он формирует термоупругие напряжения в заготовке, которые могут вызвать рост трещины. Это происходит при предельной величине теплового потока, зависящей от K_1c, теплофизических свойств обрабатываемого материала (коэффициента теплопроводности, размера дефекта l_c, его ориентации и расположения по глубине поверхностного слоя.

Предельное значение нормальной составляющей силы резания отнесенной к единице ширины круга может быть определено по следующей зависимости:

где – коэффициент Пуассона;

       – коэффициент температурного линейного расширения материала;

       – коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала.

       – коэффициент температуропроводности ОМ;

      L – длина дуги контакта ШК с заготовкой;

       – коэффициент, учитывающий долю теплоты уходящую в стружку;

      h – высота круга.

Пользуясь полученной зависимостью, можно определить значения радиальной составляющей силы при шлифовании ТК, при которой тепловой поток из зоны контакта не приводит к развитию дефектов. Как показали расчеты, от 70 до 85% теплоты из зоны контакта при глубинном плоском продольном шлифовании керамики уходит в заготовку. Увеличение режимов обработки приводит к уменьшению предельного значения нормальной составляющей силы резания. С увеличением времени работы круга коэффициент абразивного резания уменьшается, что также вызывает при неизменных режимах обработки уменьшение предельного значения нормальной составляющей силы резания, при которой не происходит развитие дефектов под действием теплового фактора.

Перечень ссылок

1. Справочник технолога - машиностроителя/ Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. - М.: Машиностроение. 1972. - Т1 и Т2

2. Моделирование систем с распределёнными параметрами: Монография/ А.В. Усов, А.Н. Дубров, Д.В. Дмитришин. - Одесса: Астропринт, 2002. - 664 с.

3. http://home.nestor.minsk.by/build/press/2006/09/1212.html