Электрокорунд — искусственный абразивный материал. В определённый период развития металлообрабатывающей промышленности (начало 20 века) стало очевидным, что запасы природного корунда и его качество не удовлетворяли потребностей машиностроения, поэтому было начато производство искусственного корунда, названного в отличие от природного электрокорундом. Электрокорунд представляет собой продукт плавки бокситов, основная составляющая часть которого — кристаллическая окись алюминия. При переходе из расплавленного в твердое состояние окись алюминия кристаллизуется в твердое вещество белого цвета, уступающее по твердости только алмазу, эльбору, карбиду бора и карбиду кремния. В зависимости от содержания и примесей электрркорунд имеет различные цвет, структуру и свойства. Удельный вес его 3,93—4,16 г/см3 (3930— 4160 кг/м3); твердость по шкале Мооса 9—9,1, . Электрокорунд размягчается при температуре 1750^оС, плавится при 2050^оС. В зависимости от содержания глинозема и особенностей технологии различают несколько разновидностей электрокорунда: нормальный, белый, хромистый, титанистый, циркониевый, монокорунд и сферокорунд.

Электрокорунд нормальный получают в электрических дуговых печах плавлением боксита с малозольным углеродистым материалом и железной стружкой, содержит от 91 до 96% Al₂O₃ с небольшим количеством примесей шлаков и ферросплава. Микротвердость 1900-2000 кгс/мм², плотность 3,8-3,9 г/см³. Цвет, микроструктура и свойства электрокорунда нормального зависят от количества в нем примесей. Зерна электрокорунда нормального обладают высокой твердостью и механической прочностью, что обеспечивает его широкое применение при шлифовании металлов. Электрокорунд нормальный обладает еще и значительной вязкостью, которая необходима при выполнении работ с переменными нагрузками. Из электрокорунда нормального выпускаются шлифзерно, шлифпорошки и микропорошки различных размеров.

Легированные электрокорунды выплавляют из глинозема с различными добавками. Свойства легированных электрокорундов зависят от состава и содержания примесных элементов. Корунд циркониевый изготовляют на базе белого электрокорунда с добавкой окиси циркония от 10 до 45%, (микротвердость 2300-2400 кгс/мм², плотность 4,05-4,15 г/см³). Применяется для тяжелых обдирочных операций. Циркониевый электрокорунд имеет очень высокую прочность.

Электрокорунд титанистый получают плавкой в дуговой печи глинозема с добавлением оксида титана. Электрокорунд титанистый с содержанием 2-3% оксида титана по своему составу и микроструктуре аналогичен высококачественному нормальному электрокорунду, выплавленному из высокосортного боксита; в продукте отсутствуют ферросплав и другие вредные примеси.

         Нормальный электрокорунд содержит в своём составе 2-3% TiO₂.  Оксиды хрома и титана упрочняют кристаллическую решетку окиси алюминия и одновременно придают зерну высокую вязкость

. По своей природе и по прочностным характеристикам нормальный электрокорунд уже является легированным. Повышая содержание TiO₂ до 4-5%, увеличивается вязкость зерна, улучшаются механические свойства инструмента, снижаются удельные нормы расхода шлифовальных кругов на операциях механической обработки металла.

Бокситы абразивного качества в своём составе содержат от 2 до 5% TiO₂. В процессе восстановительной плавки 50% диоксида титана восстанавливается до металла и распределяется в попутном ферросплаве . Другая половина переходит переходит в электрокорунд. Титан входит в состав сопутствующих корунду фаз и частично растворяется в корунде. В твёрдый раствор с корундом переходит полуторная окись титана Ti₂O₃.

Растворимость титана в корунде приводит к росту кристалла, т.е. увеличению межплоскостного расстояния, измеренного при помощи рентгенографического метода.  C увеличением концентрации Ti₂O₃ в твёрдом растворе растёт межплоскостное расстояние в кристалле корунда, причём с увеличением температуры это расстояние различно. Равновесная концентрация полуторной окиси титана также различна и увеличивается с ростом температуры и колеблется в нашем примере от 1,0 до 2,5%. Это объясняется большой ограниченностью растворимости Ti₂O₃ в корунде.

Из проведённых ранее исследований видно, что с увеличением содержания TiO₂ в электрокорунде увеличивается размер зерна. Примеси в титанистом корунде располагаются как в виде включений, так и в виде прорастаний между кристаллами. В процессе кристаллизации нерастворимые в корунде примеси оттесняются к периферии зёрен, в результате чего в твёрдой матрице появляются межзёренные отложения. В крупно кристаллическом корунде примеси  расположены главным образом в самом зерне. Кристалл корунда пронизан примесями, которые нарушают его целостность, а следовательно и прочность. Только полуторная окись титана Ti₂O₃ входит в твёрдый раствор и положительно сказывается на прочностных характеристиках.

 При изменении содержания ТiO₂ в электрокорунде от 3% до 4,5%  размер кристаллов увеличивается в несколько раз. При таком изменении структуры мы наблюдаем увеличение механической прочности шлифовального материала и его вязкости. Эти свойства необходимы для грубой обработки металла, а также для обработки металлов с повышенной твёрдостью.

 В твёрдом растворе Ti₂O₃ ведёт себя, как упрочняющая добавка, которая связывает зерно в монолит и повышает его механическую прочность и вязкость, что подтверждается практическими данными.

Таким образом, прочностные характеристики титанистого электрокорунда зависят от концентрации Ti₂O₃ в твёрдом растворе корунда,

которая изменяется пропорционально валовому содержанию TiO₂ в электрокорунде. Причём эта концентрация зависит от скорости кристаллизации расплава.  При одинаковом валовом  содержании TiO₂ (допустим при 3%) в штанговых пробах электрокорунда (50 грамм) и в плотной части слитка электрокорунда (20 тонн) содержание Ti₂O₃ в твёрдом растворе составляет: в первом случае – 1,5%, во втором случае – 0,8%. В первом случае время кристаллизации штанговой пробы составляет около 20 секунд, во втором случае – 24 часа (опытно-промышленные исследования). Из этого можно сделать вывод: содержание Ti₂O₃ в твёрдом растворе пропорционально валовому содержанию TiO₂ в электрокорунде и обратно пропорционально скорости кристаллизации расплава.

Прочностные характеристики абразивного материала складываются из понятий микротвёрдости, микрохрупкости и хрупкой прочности, которые определяются методом вдавливания алмазной пирамиды в зерно абразива и по отпечатку, оставляемому на зерне, определяются их параметры

Микротвёрдость – главенствующая характеристика абразива. Микротвёрдость определяется по формуле

Н = 1854Р/d²,

где d – размер отпечатка, оставляемого пирамидой, мм;

Р – давление на пирамиду, Г

 Микрохрупкость зёрен оценивается отношением числа отпечатков пирамиды с трещинами к общему числу отпечатков.

Результаты исследований показывают, что при одинаковой нагрузке на пирамиду микрохрупкость титанистого корунда уменьшается с увеличением содержания TiO₂, т.е. корунд становится более вязким. При нагрузке на пирамиду 80 грамм количество отпечатков с трещинами у электрокорунда с содержанием TiO₂ 5,7% составляет 40%, у электрокорунда с содержанием TiO₂ 2,82% - 80%.

Следующим критерием оценки прочностной характеристики титанистого электрокорунда является показатель хрупкой прочности, характеризующий соотношение микротвёрдости и размеров зоны хрупкой повреждаемости в районе отпечатка или царапины. Он определяется по формуле:

σ = H/D²

где: Н – микротвёрдость, кг/мм²;

        D – диаметр зоны повреждния.

Концентрация Ti₂O₃ в твёрдом растворе корунда, а следовательно и прочностные характеристики зависят от температуры нагревания титанистого электрокорунда.

При нагревании титанистого электрокорунда происходит процесс частичного разложения твёрдого раствора с выходом  Ti₂O₃ из кристаллической решётки в виде рутила TiO₂. На графике рисунка 6.1 представлено изменение содержания TiO₂ от степени нагрева образцов белого (ЭБ), титанистого (ЭТ) и хромитотитанистого электрокорунда. Из проведёных исследований стало очевидным, что с увеличением температуры содержание Ti₂O₃ в твёрдом растворе уменьшается. Это необходимо учитывать для определения оптимальных температур при термообработке электрокорунда с целью увеличения его прочности.

Валентин Сарнацкий