Абразив — это материал, часто минерал , который используется для придания формы или отделки заготовки посредством трения [ 1] , что приводит к изнашиванию части заготовки в результате трения . Хотя отделка материала часто подразумевает его полировку для получения гладкой, отражающей поверхности, этот процесс также может включать в себя придание шероховатости, например, при атласной, матовой или бисерной отделке. Короче говоря, керамика, которая используется для резки, шлифования и полировки других более мягких материалов, известна как абразивы.
Абразивы чрезвычайно распространены и очень широко используются в самых разных промышленных, бытовых и технологических приложениях. Это приводит к большому разнообразию физического и химического состава абразивов, а также формы абразива. Некоторые распространенные применения абразивов включают шлифовку , полировку, полировку , хонингование , резку , сверление , заточку , притирку и шлифовку (см. Абразивная обработка ). (Для простоты термин «минерал» в этой статье будет использоваться в широком смысле для обозначения как минералов, так и минералоподобных веществ, независимо от того, созданы они человеком или нет.)
Файлы не являются абразивами; они удаляют материал не путем царапания или трения, а путем режущего действия острых зубов, врезанных в поверхность напильника, очень похожего на зубы пилы. Однако алмазные напильники представляют собой разновидность абразива с покрытием (поскольку они представляют собой металлические стержни, покрытые алмазным порошком).
Абразивы обычно основаны на разнице твердости абразива и обрабатываемого материала, причем абразив является более твердым из двух материалов. Однако в этом нет необходимости, поскольку любые два твердых материала, которые постоянно трутся друг о друга, будут иметь тенденцию изнашиваться; Примеры включают более мягкие подошвы обуви, изнашивающие деревянные или каменные ступени в течение десятилетий или столетий, или ледники, разрушающие каменные долины.
Обычно материалы, используемые в качестве абразивов, представляют собой либо твердые минералы (с рейтингом 7 или выше по шкале твердости минералов Мооса ), либо синтетические камни, некоторые из которых могут быть химически и физически идентичны природным минералам, но которые нельзя называть минералами так, как они это сделали. не возникают естественным путем. (Хотя шкала Мооса полезна для сравнительных целей, она имеет ограниченную ценность для инженеров-материаловедов, поскольку представляет собой произвольную, порядковую, нерегулярную шкалу.) Алмаз , обычный абразив, например, встречается как в природе, так и производится промышленным способом, как и корунд , который встречается естественно, но который в настоящее время чаще изготавливается из боксита . [2] Однако даже более мягкие минералы, такие как карбонат кальция , используются в качестве абразивов, например, «полирующих агентов» в зубной пасте.
Эти минералы либо измельчены, либо уже имеют достаточно малый размер (от макроскопических зерен размером около 2 мм до микроскопических зерен диаметром около 0,001 мм), что позволяет использовать их в качестве абразива. Эти зерна, обычно называемые песком, имеют неровные края, часто оканчивающиеся точками, которые уменьшают площадь соприкасающейся поверхности и увеличивают локализованное контактное давление . Абразив и обрабатываемый материал вступают в контакт, находясь в относительном движении друг относительно друга. Сила, приложенная к зернам, заставляет фрагменты обрабатываемого материала отрываться, одновременно сглаживая абразивное зерно и/или заставляя зерно отделяться от остального абразива.
Некоторые факторы, влияющие на скорость истирания вещества, включают:
Абразивы можно разделить на натуральные и синтетические. При обсуждении точильных камней натуральные камни уже давно считаются лучшими, но достижения в области технологий материалов приводят к тому, что это различие становится менее отчетливым. Многие синтетические абразивы фактически идентичны природным минералам, с той лишь разницей, что синтетический минерал был произведен, а не добыт. Примеси в природном минерале могут сделать его менее эффективным.
Некоторые природные абразивы:
Некоторые абразивные минералы (такие как глинозем циркония ) встречаются в природе, но достаточно редки или достаточно сложны или дороги в добыче, поэтому синтетический камень используется в промышленности. К этим и другим искусственным абразивам относятся:
Абразивы имеют форму для различных целей. Природные абразивы часто продаются в виде обработанных камней, обычно в форме прямоугольного блока. Как натуральные, так и синтетические абразивы обычно доступны в самых разных формах, часто в виде абразивов на связке или с покрытием, включая блоки, ленты, диски, колеса, листы, стержни и отдельные зерна.
Абразив на связке состоит из абразивного материала, содержащегося в матрице , хотя очень мелкий абразив из оксида алюминия может содержать спеченный материал. Эта матрица называется связующим и часто представляет собой глину , смолу , стекло или резину . Эта смесь связующего и абразива обычно имеет форму блоков, палочек или колес. Наиболее распространенным абразивом является оксид алюминия. Также распространены карбид кремния, карбид вольфрама и гранат . Искусственные точильные камни часто представляют собой абразив на связке и легко доступны в виде двустороннего блока, каждая сторона которого имеет разную степень зернистости.
Шлифовальные круги представляют собой цилиндры, которые вращаются с высокой скоростью. Раньше колесо работало с помощью ножной педали или рукоятки, но появление электродвигателей привело к необходимости сконструировать колесо так, чтобы оно выдерживало большее радиальное напряжение , чтобы предотвратить разлет колеса при вращении. Аналогичные проблемы возникают с отрезными кругами , которые часто структурно армированы пропитанными волокнами. Высокая относительная скорость движения абразива и заготовки часто приводит к необходимости использования какой-либо смазки. Традиционно их называли охлаждающими жидкостями , поскольку они использовались для предотвращения накопления тепла при трении, которое могло повредить заготовку (например, испортить качество лезвия ). Некоторые исследования показывают, что свойство смазочного материала передавать тепло менее важно при работе с металлами, поскольку металл быстро отводит тепло от рабочей поверхности. Более важным является их влияние на уменьшение растягивающих напряжений при одновременном увеличении некоторых сжимающих напряжений и уменьшении «тепловых и механических напряжений во время формирования стружки». [3]
Различные формы также используются в качестве головок вращающихся инструментов, используемых в точных работах, таких как масштабное моделирование .
Абразивы на связке необходимо проверять и обрабатывать после использования. Правка – это очистка поверхности от отходов материала (стружки и рыхлого абразива) и обнажение свежего песка. В зависимости от абразива и того, как он использовался, правка может включать простое помещение абразива под проточную воду и чистку жесткой щеткой для мягкого камня или шлифовку абразива с другим абразивом, например оксидом алюминия, используемым для правки шлифовального круга. .
Truing – это восстановление первоначальной формы поверхности абразива. Колеса и камни имеют тенденцию изнашиваться неравномерно, в результате чего режущая поверхность перестает быть плоской (так называемая «выпуклая», если это должен быть плоский камень) или не имеет одинакового диаметра по всей режущей поверхности. Это приведет к неравномерному истиранию и другим трудностям.
Абразивное покрытие представляет собой абразив, прикрепленный к материалу основы, такому как бумага , ткань , резина, смола, полиэстер или даже металл , многие из которых являются гибкими. Наждачная бумага – очень распространенный абразив с покрытием. Абразивы с покрытием чаще всего представляют собой те же минералы, что и абразивы на связке. На основу наносится связующее вещество (часто какой-то клей или смола), чтобы обеспечить плоскую поверхность, к которой затем впоследствии приклеивается песок. В тканой основе также может использоваться наполнитель (опять же, часто смола) для обеспечения дополнительной устойчивости.
Абразивы с покрытием могут иметь форму для использования в ротационных и орбитальных шлифовальных машинах, для наматывания на шлифовальные блоки, в качестве ручных подушечек, в виде замкнутых контуров для использования на ленточных шлифовальных машинах , в качестве ударных поверхностей на спичечных коробках , на алмазных пластинах и алмазных сталях. Алмазные инструменты , хотя и предназначены для резки, часто имеют абразивный характер.
Песок, стеклянные шарики, металлические гранулы, медный шлак и сухой лед — все это можно использовать для процесса, называемого пескоструйной обработкой (или аналогичного процесса, например, использование стеклянных шариков, что называется «дробеструйной обработкой»). Сухой лед сублимируется , не оставляя после себя остаточного абразива.
Режущий состав , используемый для автомобильной краски, является примером абразива, суспендированного в жидкости, пасте или воске, как и некоторые жидкости для полировки столового серебра и оптических материалов . Жидкость, паста или воск действуют как связующее вещество, удерживающее абразив на ткани, которая используется в качестве основы для перемещения абразива по заготовке. В частности, на автомобилях воск может служить как защитным средством, предотвращая воздействие воздуха на краску металла, так и действовать как оптический наполнитель, делающий царапины менее заметными. Зубная паста содержит карбонат кальция или диоксид кремния в качестве «полирующего агента» для удаления налета и других веществ с зубов, поскольку твердость карбоната кальция меньше, чем у зубной эмали, но больше, чем у загрязняющего агента.
Очень мелкий порошок румян обычно использовался для шлифовки стекла, его несколько заменила современная керамика, и он до сих пор используется в ювелирном деле для получения высокоотражающей отделки.
Чистящие средства также могут содержать абразивы, взвешенные в пасте или креме. Их выбирают так, чтобы они были достаточно безопасными на некоторых линолеумных , плиточных , металлических или каменных поверхностях. Однако многие поверхности ламината и плиты с керамической поверхностью легко повреждаются этими абразивными соединениями. Даже керамическая/керамическая посуда или кухонная посуда могут повредить эти поверхности, особенно нижнюю часть посуды, которая часто частично или полностью не покрыта глазурью и действует как просто еще один абразив на связке. [4]
Металлические кастрюли и печи часто чистят абразивными чистящими средствами, обычно в виде вышеупомянутого крема или пасты или стальной мочалки и нетканых чистящих подушечек , которые удерживают мелкозернистый абразив.
Кожа человека также подвергается истиранию в виде шелушения. Абразивы для этого могут быть гораздо мягче и экзотичнее, чем для других целей, и могут включать в себя такие вещества, как миндаль и овсянка . [5] Дермабразия и микродермабразия в настоящее время являются довольно распространенными косметическими процедурами, в которых используются минеральные абразивы.
Поцарапанные компакт-диски и DVD-диски иногда можно отремонтировать путем полировки очень тонким составом, принцип заключается в том, что множество мелких царапин будут оптически более прозрачными, чем одна большая царапина. Однако это требует определенных навыков и в конечном итоге приведет к полной эрозии защитного покрытия диска (особенно если исходная царапина глубокая), и в это время поверхность данных будет разрушена, если истирание продолжится.
Форма, размер и характер заготовки, а также желаемая отделка будут влиять на выбор используемого абразива. Абразивный круг на связке можно использовать для промышленной заточки ножа (с получением полой заточки ), но человек может затем заточить тот же нож с помощью натурального точильного камня или даже абразивного материала с гибким покрытием (например, наждачной бумаги), приклеенного к мягкой, нескользящая поверхность, облегчающая выполнение выпуклой шлифовки. Точно так же латунное зеркало можно разрезать с помощью абразива на связке, выровнять его поверхность с помощью абразива с покрытием для достижения базовой формы, а затем последовательно наносить более мелкие сорта абразива, кульминацией которых является восковая паста, пропитанная румянами, чтобы оставить своего рода " «беззернистая отделка» в данном случае называется «зеркальной отделкой».
Кроме того, различные формы клея могут затруднить шлифовку определенных участков заготовки. Опасность для здоровья может возникнуть из-за образующейся пыли (которую можно уменьшить с помощью смазки), которая может привести к силикозу (когда абразив или заготовка представляет собой силикат ), а также из-за выбора любой смазки. Помимо воды, масла являются наиболее распространенными смазочными материалами. Они могут представлять опасность при вдыхании, контакте и, поскольку трение обязательно приводит к выделению тепла, опасность воспламеняющихся материалов. [6]
Слишком твердый или слишком грубый абразив может удалить слишком много материала или оставить нежелательные царапины. Помимо некрасивого внешнего вида, царапины могут иметь и другие, более серьезные последствия. Чрезмерное истирание или наличие царапин может:
Более тонкий или мягкий абразив имеет тенденцию оставлять более мелкие царапины, которые могут быть даже невидимы невооруженным глазом («беззернистая отделка»); более мягкий абразив может даже не значительно истирать определенный объект. Для резки более мягкого или тонкого абразива потребуется больше времени, поскольку он режет менее глубоко, чем более грубый и твердый материал. Кроме того, более мягкий абразив может быстрее стать менее эффективным, поскольку абразив сам истирается. Это позволяет использовать мелкие абразивы для полировки металла и линз , где серии все более мелких царапин имеют тенденцию приобретать гораздо более блестящий или отражающий вид или большую прозрачность . Для покрытия ремешка опасной бритвы можно использовать очень мелкие абразивы , однако целью зачистки является не шлифовка материала, а выпрямление заусенца на кромке. Завершающий этап заточки японских мечей называется полировкой и может представлять собой разновидность суперфинишной обработки .
Для изменения режущих свойств абразива могут быть внесены различные химические или структурные модификации. [7]
Другими очень важными факторами являются цена и доступность. Алмаз, долгое время считавшийся самым твердым веществом из существующих, на самом деле мягче, чем фуллерит и даже более твердые агрегированные алмазные наностержни , оба из которых были синтезированы в лабораториях, но коммерческий процесс еще не разработан. Сам алмаз стоит дорого из-за его редкости в природе и стоимости его синтеза. Боксит — очень распространенная руда , которая, наряду с достаточно высокой твердостью корунда, обеспечивает ему статус обычного недорогого абразива.
При выполнении желаемой задачи необходимо подумать об использовании абразива достаточной твердости. С одной стороны, использование слишком твердого абразива приводит к потере денег из-за его износа, тогда как достаточно более дешевого и менее твердого абразива. С другой стороны, если абразивное вещество слишком мягкое, истирание не происходит своевременно, приводя к пустой трате абразива, а также к любым дополнительным затратам, связанным с потерей времени.
Помимо вышеупомянутых применений придания формы и отделки, абразивы также можно использовать для подготовки поверхностей к нанесению какой-либо краски или клея. Чрезмерно гладкая поверхность может помешать краске и клею прилипнуть настолько сильно, насколько это возможно при неровной поверхности. Комплекты для ремонта надувных шин (которые, в частности, на велосипедах, на самом деле представляют собой заплаты для камеры , а не для шины) требуют использования абразива, чтобы самовулканизирующийся клей прочно прилипал.
Непреднамеренно люди, использующие ножи на стеклянных или металлических разделочных досках , истирают лезвия ножей. Давление на кромке ножа может легко создать микроскопические (или даже макроскопические) порезы на доске. Этот разрез является готовым источником абразивного материала, а также каналом, полным этого абразива, по которому скользит кромка. По этой причине, несмотря на пользу для здоровья, деревянные доски гораздо более желательны. Аналогичный случай возникает и со стеклорезами . Стеклорезы имеют круглые лезвия, которые предназначены для катания, а не скольжения. Они никогда не должны повторять уже выполненный разрез.
Нежелательное истирание может возникнуть в результате присутствия углерода в двигателях внутреннего сгорания . В то время как более мелкие частицы легко переносятся системой смазки, более крупные частицы углерода могут истирать детали с жесткими допусками . Углерод возникает в результате чрезмерного нагрева моторного масла или неполного сгорания . Эта сажа может содержать фуллерены , известные своей чрезвычайной твердостью, а также небольшим размером и ограниченным количеством, что ограничивает их эффект.
