Абразив — это материал, часто минерал , который используется для придания формы или отделки заготовки посредством трения [1] , что приводит к износу части заготовки трением . Хотя отделка материала часто означает его полировку для получения гладкой, отражающей поверхности, этот процесс может также включать в себя придание шероховатости, например, при сатинировании, матировании или бисерной отделке. Короче говоря, керамика, которая используется для резки, шлифовки и полировки других более мягких материалов, известна как абразивы.
Абразивы чрезвычайно распространены и 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 шлифование, полирование, 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, как искусственных, так и нет.)
Напильники не являются абразивами; они удаляют материал не царапая или трением, а режущим действием острых зубцов, врезанных в поверхность напильника, очень похожих на зубья пилы . Однако алмазные напильники являются формой абразивного материала с покрытием (поскольку они представляют собой металлические стержни, покрытые алмазным порошком).
Абразивы обычно основаны на разнице в твердости между абразивом и обрабатываемым материалом, причем абразив является более твердым из двух веществ. Однако это не является строго необходимым, так как любые два твердых материала, которые постоянно трутся друг о друга, будут иметь тенденцию истирать друг друга; примерами служат более мягкие подошвы обуви, которые истирают деревянные или каменные ступени в течение десятилетий или столетий, или ледники, истирающие каменные долины.
Обычно в качестве абразивов используются либо твердые минералы (оцененные на уровне 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 назвать минералами, поскольку они не возникли естественным путем. (Хотя шкала Мооса полезна для сравнительных целей, она имеет ограниченную ценность для инженеров-материаловедов, поскольку является произвольной, порядковой, нерегулярной шкалой.) Например, алмаз , распространенный абразив, встречается как в природе, так и производится промышленным путем, как и корунд, который встречается в природе, но в настоящее время чаще производится из бокситов . [2] Однако даже более мягкие минералы, такие как карбонат кальция, используются в качестве абразивов, например, в качестве «полирующих агентов» в зубной пасте.
Эти минералы либо измельчаются, либо уже достаточно малого размера (от макроскопических зерен размером около 2 мм до микроскопических зерен диаметром около 0,001 мм), чтобы их можно было использовать в качестве абразива. Эти зерна, обычно называемые абразивом, имеют грубые края, часто заканчивающиеся точками, которые уменьшают площадь поверхности при контакте и увеличивают локальное контактное давление . Абразив и обрабатываемый материал контактируют, находясь в относительном движении друг относительно друга. Сила, приложенная через зерна, заставляет фрагменты обработанного материала откалываться, одновременно сглаживая абразивное зерно и/или заставляя зерно отрываться от остальной части абразива.
Некоторые факторы, которые влияют на скорость истирания вещества, включают:
Абразивы можно классифицировать как натуральные или синтетические. При обсуждении точильных камней натуральные камни долгое время считались лучшими, но достижения в технологии материалов показывают, что это различие становится менее четким. Многие синтетические абразивы фактически идентичны натуральному минералу, отличаясь только тем, что синтетический минерал был изготовлен, а не добыт. Примеси в натуральном минерале могут сделать его менее эффективным.
Некоторые природные абразивы:
Некоторые абразивные минералы (например, циркониевый оксид алюминия ) встречаются в природе, но они достаточно редки или их достаточно сложно или дорого получить, поэтому синтетический камень используется в промышленности. Эти и другие искусственные абразивы включают:
Абразивы имеют форму для различных целей. Натуральные 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 связанных или покрытых абразивов, включая блоки, ленты, диски, круги, листы, стержни и свободные зерна.
Связанный абразив 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 формируется в блоки, палочки или круги. Наиболее распространенным абразивом является оксид алюминия. Также распространены карбид кремния, карбид вольфрама и гранат . Искусственные точильные камни часто представляют собой связанный абразив и легко доступны в виде двухстороннего блока, каждая сторона которого имеет разную степень зернистости.
Шлифовальные круги представляют собой цилиндры, вращающиеся с высокой скоростью. Если раньше они работали с помощью педали или рукоятки, то с появлением электродвигателей возникла необходимость в конструкции круга, выдерживающего большую радиальную нагрузку , чтобы круг не разлетался при вращении. Аналогичные проблемы возникают и с режущими кругами , которые часто конструктивно армируются пропитанными волокнами. Высокая относительная скорость между абразивом и заготовкой часто требует использования какой-либо смазки. Традиционно их называли охлаждающими жидкостями , поскольку они использовались для предотвращения накопления тепла при трении, которое могло бы повредить заготовку (например, испортить закалку лезвия ). Некоторые исследования показывают, что свойство смазочного материала переносить 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 снижении «термических и механических напряжений во время образования стружки». [3]
Различные формы также используются в качестве головок на вращающихся инструментах, применяемых в точных работах, таких как масштабное моделирование .
Связанные абразивы необходимо править и править после использования. Правка — это очистка поверхности от отходов (стружки и свободного абразива) и обнажение свежего зерна. В зависимости от абразива и способа его использования, правка может включать простое помещение абразива под проточную воду и чистку жесткой щеткой для мягкого камня или шлифование абразива другим абразивом, например, оксидом алюминия, используемым для правки шлифовального круга.
Правка — это восстановление абразива до его первоначальной формы поверхности. Круги и камни, как правило, изнашиваются неравномерно, в результате чего режущая поверхность становится неровной (ее называют «выгнутой», если это плоский камень) или не имеет одинакового диаметра по всей режущей поверхности. Это приведет к неравномерному истиранию и другим трудностям.
Абразив с покрытием состоит из абразива, закрепленного на материале подложки, таком как бумага , ткань , резина, смола, полиэстер или даже металл , многие из которых являются гибкими. Наждачная бумага является очень распространенным абразивом с покрытием. Абразивы с покрытием чаще всего представляют собой те же минералы, которые используются для связанных абразивов. Связующее вещество (часто какой-то вид клея или смолы) наносится на подложку, чтобы обеспечить плоскую поверхность, к которой затем впоследствии приклеивается зернистость. Тканая подложка может также использовать наполнитель (опять же, часто смолу) для обеспечения дополнительной упругости.
Абразивы с покрытием могут быть сформированы для использования в роторных и орбитальных шлифовальных машинах, для обертывания вокруг шлифовальных блоков, в качестве ручных подушечек, в качестве 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 являются абразивными по своей природе.
Песок, стеклянные шарики, металлические гранулы, медный шлак и сухой лед могут использоваться для процесса, называемого пескоструйной обработкой (или аналогичного, например, использование стеклянных шариков, что является «дробеструйной обработкой»). Сухой лед сублимируется, не оставляя после себя никакого остаточного абразива.
Режущая паста, используемая на автомобильной краске, является примером абразива, взвешенного в жидкости, пасте или воске, как и некоторые полировальные жидкости для столового серебра и оптических носителей . Жидкость, паста или воск действуют как связующее вещество, которое удерживает абразив прикрепленным к ткани, которая используется в качестве подложки для перемещения абразива по обрабатываемой детали. В частности, на автомобилях воск может служить как защитным средством, предотвращая воздействие воздуха на краску металла, так и выступать в качестве оптического наполнителя, делая царапины менее заметными. Зубная паста содержит карбонат кальция или кремний в качестве «полирующего агента» для удаления зубного 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, но в некоторой степени был вытеснен современной керамикой и до сих пор применяется в ювелирном деле для придания отделки с высокой отражающей способностью.
Чистящие средства также могут содержать абразивы, взвешенные в пасте или креме. Они выбираются так, чтобы быть достаточно безопасными для некоторых линолеумных , плиточных , металлических или каменных поверхностей. Однако многие ламинированные поверхности и керамические плиты легко повреждаются этими абразивными соединениями. Даже керамическая/фаянсовая посуда или кухонная утварь может повредить эти поверхности, особенно дно посуды, которое часто не покрыто глазурью частично или полностью и действует просто как еще один связанный абразив. [4]
Металлические кастрюли и плиты часто чистят абразивными чистящими средствами, как правило, в виде вышеупомянутого крема или пасты, либо стальной мочалки и нетканых чистящих губок , содержащих мелкозернистые абразивы.
Человеческая кожа также подвергается абразивному воздействию в виде отшелушивания. Абразивы для этого могут быть намного мягче и экзотичнее, чем для других целей, и могут включать такие вещи, 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 иногда можно отремонтировать путем полировки очень тонким составом, принцип заключается в том, что множество мелких царапин будут более оптически прозрачными, чем одна большая царапина. Однако это требует определенного мастерства и в конечном итоге приведет к полной эрозии защитного покрытия диска (особенно если исходная царапина глубокая), и в это время поверхность данных будет уничтожена, если истирание продолжится.
Порошки карбида кремния обычно используются в качестве абразивных материалов в различных процессах обработки, включая шлифование, водоструйную резку и пескоструйную обработку . [6] Эти порошки эффективны для тонкого шлифования или грубой полировки полупроводников , керамики и черных металлов. [7]
Форма, размер и характер заготовки, а также желаемая отделка будут влиять на выбор используемого абразива. Связанный абразивный шлифовальный круг может использоваться для коммерческой заточки ножа (получая вогнутую заточку ), но затем человек может заточить тот же нож с помощью натурального точильного камня или даже гибкого абразива с покрытием (например, наждачной бумаги), прикрепленного к мягкой, нескользящей поверхности, чтобы облегчить достижение выпуклой заточки. Аналогично, латунное зеркало можно разрезать связанным абразивом, выровнять его поверхность с помощью абразива с покрытием, чтобы получить базовую форму, а затем последовательно нанести более мелкие сорта абразива, достигая кульминации в восковой пасте, пропитанной румянами, чтобы оставить своего рода «беззернистую отделку», называемую в данном случае «зеркальной отделкой».
Кроме того, различные формы клея могут затруднить шлифовку определенных участков заготовки. Опасность для здоровья может возникнуть из-за любой образующейся пыли (которую можно уменьшить с помощью смазки), которая может привести к силикозу (когда абразив или заготовка являются силикатом ) , а также из-за выбора любой смазки. Помимо воды, наиболее распространенными смазками являются масла. Они могут представлять опасность при вдыхании, контакте и, поскольку трение обязательно производит тепло, опасность воспламенения материалов. [8]
Слишком твердый или слишком грубый абразив может удалить слишком много материала или оставить нежелательные царапины. Помимо того, что царапины некрасивы, они могут иметь и другие, более серьезные последствия. Чрезмерное истирание или наличие царапин может:
Более тонкий или мягкий абразив будет иметь тенденцию оставлять гораздо более мелкие царапины, которые могут быть даже невидимы невооруженным глазом («беззерновая отделка»); более мягкий абразив может даже не сильно истирать определенный объект. Более мягкий или тонкий абразив займет больше времени для резки, так как он имеет тенденцию резать менее глубоко, чем более грубый, твердый материал. Кроме того, более мягкий абразив может стать менее эффективным быстрее, поскольку абразив сам по себе истирается. Это позволяет использовать тонкие абразивы для полировки металла и линз , где серия все более мелких царапин имеет тенденцию приобретать гораздо более блестящий или отражающий вид или большую прозрачность . Очень тонкие абразивы могут использоваться для покрытия ремня для опасных бритв , однако цель правки заключается не в шлифовке материала, а в выпрямлении заусенцев на кромке. Заключительный этап заточки японских мечей называется полировкой и может быть формой суперфиниширования .
Для изменения режущих свойств абразива могут быть сделаны различные химические или структурные модификации. [9]
Другие очень важные соображения — это цена и доступность. Алмаз, долгое время считавшийся самым твердым веществом из существующих, на самом деле мягче фуллерита и даже более твердых агрегированных алмазных наностержней , оба из которых были синтезированы в лабораториях, но ни один коммерческий процесс еще не разработан. Сам по себе алмаз дорог из-за редкости в природе и стоимости его синтеза. Боксит — очень распространенная руда , которая, наряду с достаточно высокой твердостью корунда, способствует статусу корунда как распространенного, недорогого абразива.
Необходимо подумать о желаемой задаче, используя абразив соответствующей твердости. С одной стороны, использование чрезмерно твердого абразива приводит к потере денег, поскольку он изнашивается, когда более дешевый, менее твердый абразив был бы достаточен. С другой стороны, если абразивное вещество слишком мягкое, абразивное воздействие не происходит своевременно, что фактически приводит к пустой трате абразива, а также к любым нарастающим расходам, связанным с потерей времени.
Помимо вышеупомянутых применений для формовки и отделки, абразивы также могут использоваться для подготовки поверхностей к нанесению какой-либо краски или клея. Чрезмерно гладкая поверхность может помешать краске и клею прилипнуть так же прочно, как это может позволить неровная поверхность. Комплекты для ремонта надувных шин (которые, особенно на велосипедах, на самом деле являются заплатками для внутренней камеры , а не для шины) требуют использования абразива, чтобы самовулканизирующийся цемент прилипал прочно.
Люди, которые используют ножи на стеклянных или металлических разделочных досках, непреднамеренно истирают лезвия своих ножей. Давление на кромку ножа может легко создать микроскопические (или даже макроскопические) порезы на доске. Этот порез является готовым источником абразивного материала, а также каналом, полным этого абразива, по которому скользит кромка. По этой причине, и не принимая во внимание пользу для здоровья, деревянные доски гораздо более предпочтительны. Аналогичное явление возникает со стеклорезами . Стеклорезы имеют круглые лезвия, которые предназначены для качения, а не скольжения. Они никогда не должны повторять уже сделанный порез.
Нежелательное истирание может быть результатом присутствия углерода в двигателях внутреннего сгорания . В то время как более мелкие частицы легко переносятся системой смазки, более крупные частицы углерода могут истирать компоненты с жесткими допусками . Углерод возникает из-за чрезмерного нагрева моторного масла или неполного сгорания . Эта сажа может содержать фуллерены , которые известны своей чрезвычайной твердостью, а также малым размером и ограниченным количеством, что может ограничить их эффект.
