Innowacyjne narzędzia diamentowe do szlifowania powierzchni betonowych i kamiennych

Rys. 2. Narzędzia metaliczno-diamentowe do szlifowania
posadzek betonowych i kamiennych

W Kurierze Kamieniarskim nr 1/2021 ukazał się artykuł dotyczący wzrastającego zapotrzebowania na narzędzia metaliczno–diamentowe wykorzystywane do cięcia i szlifowania kamienia naturalnego, świeżego betonu, asfaltu oraz ściernych materiałów ceramicznych. Niniejszy artykuł jest odpowiedzią na wymagania przemysłu w zakresie projektowania nowych materiałów na narzędzia o coraz lepszych właściwościach użytkowych do obróbki łatwo obrabialnych skał osadowych oraz materiałów budowlanych np. piaskowców, świeżego betonu, asfaltu i porowatych materiałów ceramicznych.

Odpowiedni wybór narzędzia do pracy uzależniony jest od wielu czynników decydujących o jego trwałości i jakości. W głównej mierze czynniki te są związane z zaprojektowaniem odpowiedniej struktury i składu materiału stanowiącego osnowę, a także zależą od własności obrabianego materiału (np. twardości, gęstości, składu mineralogicznego, własności ściernych), warunków obróbki (np. wymaganej wydajności cięcia, prędkości obwodowej narzędzia, wydajności systemu chłodzenia), oczekiwanej jakości finalnego produktu, jak również stanu technicznego maszyny.

W ramach realizowanego w Ł-KIT projektu LIDER IX finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju opracowano materiały osnowy z grupy Fe-Mn charakteryzujące się podwyższoną odpornością na zużycie ścierne i twardością do zastosowań w procesie szlifowania posadzek betonowych i kamiennych o bardzo dużej abrazyjności. W ramach przeprowadzonych badań określono wpływ udziału dyspersyjnej fazy umacniającej na zmiany w mikrostrukturze i wybrane własności fizyczne, mechaniczne i tribologiczne materiału osnowy. Zbadano również wpływ stopnia zaawansowania przemiany fazowej zachodzącej podczas chłodzenia z wygrzewaniem izotermicznym na końcowe własności materiału osnowy.
Badania realizowane w ramach projektu miały nie tylko charakter poznawczy, ale pozwoliły na przeskalowanie opracowanych założeń technologicznych otrzymywania narzędzi metaliczno-diamentowych w skali laboratoryjnej do warunków przemysłowych, jak również ocenę ich użyteczności w normalnym cyklu produkcyjnym.

Rys. 1. Właściwości fizykomechaniczne (a) i tribologiczne (b) opracowanych materiałów osnowy

W ramach realizowanych zadań projektowych opracowano wytyczne technologiczne otrzymywania segmentów metaliczno – diamentowych na bazie nowoopracowanych materiałów osnowy. Podstawowe właściwości fizykomechaniczne i tribologiczne zestawiono na Rys. 1.
Przykładowe narzędzia metaliczno-diamentowe wytworzone na bazie nowoopracowanych materiałów przestawiono na Rys. 2.

W celu oceny przydatności wytworzonych narzędzi przeprowadzono testowe próby pracą w procesie szlifowania powierzchni betonowych z gatunku: C8/10, C12/15, C25/30. Do badań porównawczych wykorzystano również narzędzia komercyjne na bazie Co-WC. Badania wykonano na szlifierce trójgłowicowej z firmy HTC 420 VS. Siła szlifowania wynosiła ok. 65 kG, a prędkość obrotowa 560 obr/min.

Przed pomiarami zużycia przeprowadzono kilka cykli docierania (kondycjonowania narzędzia). Segmenty poddano 30-minutowym okresom testowym. Po każdy cyklu segmenty oczyszczano, suszono i mierzono z dokładnością do 0,001 mm w celu obliczenia ubytku objętości narzędzia. Urządzenie wraz z zamontowanymi narzędziami oraz stanowisko do badań zużycia przedstawiono na Rys. 4. Wyniki z badań przedstawiono w formie wykresu zamieszczonego obok (Rys. 3.).

Przeprowadzone badania wykazały, że narzędzia metaliczno-diamentowe na bazie nowoopracowanych materiałów osnowy charakteryzują się większą trwałością i wydajnością szlifowania od narzędzi komercyjnych.
Uzyskane rezultaty projektu wybiegają poza oferowane obecnie na rynku rozwiązania dotyczące obróbki szlifowaniem powierzchni betonowych (kruchy, sypki i bardzo luźny beton) oraz powierzchni kamiennych, np. piaskowców. Dzięki podwyższeniu odporności na zużycie narzędzi i wyeliminowaniu kobaltu powstały produkt plasuje się w obszarze niszy istniejącej na rynku diamentowych narzędzi ściernych.

Rys. 3. Zużycie objętościowe testowanych narzędzi

Korzyści z wdrożenia opracowanego rozwiązania obejmują nie tylko zwiększenie konkurencyjności przedsiębiorców, poprzez możliwość oferowania znacznie tańszych wyrobów o podwyższonej trwałości o ok. 30% i wydajności szlifowania o ok. 30%, ale również pozwalają na ograniczenie szkodliwego wpływu na zdrowie pracowników zatrudnionych przy produkcji profesjonalnych narzędzi metaliczno-diamentowych poprzez wyeliminowanie kobaltu z materiału osnowy.

Zwiększenie wydajności szlifowania i trwałości narzędzia umożliwia płynną pracę i znacznie szybsze usuwanie powierzchni, przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby potrzebnych do wykonania danej pracy narzędzi. Dzięki dłuższej trwałości eksploatacyjnej tych narzędzi możliwe jest skrócenie czasu przestoju potrzebnego na wymianę zużytych narzędzi przy zagwarantowaniu uzyskania wymaganej powierzchni.
Sumaryczne korzyści z tytułu wykorzystania tańszych materiałów osnowy do spiekanych narzędzi metaliczno-diamentowych można szacować od kilku do kilkunastu milionów złotych rocznie.

Rys. 4. Powierzchnia betonowa z gatunku C8/10 do badań zużycia segmentów metaliczno-diamentowych (a) wraz z wykorzystanym oprzyrządowaniem (b)

Badania były realizowane w ramach projektu LIDER IX, nr umowy: LIDER/22/0085/L-9/17/NCBR/2018
pt.: Innowacyjne narzędzia metaliczno-diamentowe bez udziału materiałów krytycznych do zastosowań w procesie szlifowania przemysłowych systemów posadzkowych, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w Warszawie.

Elżbieta Cygan-Bączek

Sieć Badawcza Łukasiewicz
– Krakowski Instytut Technologiczny
ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków