Абразивы представляют собой группу материалов, характеризующихся повышенной твёрдостью и используемых для механической обработки поверхностей других материалов.
Их отличительной особенностью является способность удалять с поверхности тончайшие слои за счёт острых выступов. Абразивные материалы могут использоваться в свободном виде или в составе различных конструкций, например, закреплённых на поверхности инструмента.
Важно отметить, что абразивными свойствами обладают многие твёрдые структуры по отношению к менее твёрдым материалам. Однако в промышленной практике применяются только определённые типы абразивов, обладающие необходимыми физико-механическими характеристиками.
Обработка материалов:
Абразивные материалы используются для изготовления специализированных инструментов. В отличие от металлических инструментов с непрерывной режущей кромкой, абразивные инструменты обладают зернистой структурой, где каждая частица абразива действует как отдельный резец. Абразивные зерна удерживаются связующим веществом, формируя изделия (круги, камни, шлифовальную шкурку, щетки). Совместное воздействие этих зерен на обрабатываемую поверхность приводит к снятию тончайшего слоя материала (микроны) и осуществляет абразивную обработку.
Абразивные материалы и инструменты это востребованные для разных типов обработки материалов.
Виды абразивной обработки:
- шлифование – бывает круглое, плоское, кругами, лентой, а также бывает предварительное и чистовое;
- притирка;
- гидроабразивная обработка;
- ультразвуковая;
- пескоструйная;
- полирование (бывает предварительное, зеркальное);
- хонингование (это отделочная обработка внутренних цилиндрических деталей, например автомобильных цилиндров);
- суперфиниширование (предполагает минимальный съем материала);
- галтовка (это очистка мелких деталей от окалины, коррозии, заусенцев и пр.);
- прорезка, отрезка;
- заточка.
Абразивные материалы классифицируются по нескольким ключевым параметрам:
- Твердость: Различают мягкие, твердые и сверхтвердые абразивы.
- Химический состав: Абразивы обладают различным химическим составом.
- Размер зерна: Абразивные материалы могут иметь крупный, средний, тонкий или особо тонкий размер зерна.
По происхождению абразивные материалы подразделяются на три типа:
- Природного происхождения: К ним относятся песок, гранат, цирконий и другие природные минералы.
- Искусственного (синтетического) происхождения: Такие материалы специально производятся для абразивной обработки. Наиболее распространены искусственный алмаз, карбид кремния, бора, электрокорунд и кубический нитрит бора.
- Абразивы из побочных продуктов производства: Данный тип включает в себя сельскохозяйственные отходы, шлаки металлургического производства (например, никельшлак) и отходы работы электростанционных котельных. Эти материалы доступны, характеризуются разнообразием размеров частиц и низкой стоимостью.
Рассмотрим некоторые разновидности природных абразивных материалов.
Естественные абразивные материалы
Алмаз, являющийся самым твердым веществом природного происхождения, образованный чистым углеродом, в естественных условиях обнаруживается преимущественно в виде скоплений кристаллов. Существует два типа алмазов: ювелирные и технические. Последние используются в качестве абразивов.
- Гранат является алюмосиликатным минералом, включающим в свой состав примеси оксидов извести и магнезии. Он характеризуется широкой гаммой цветов, за исключением синего оттенка. Измельчённый гранат применяется в качестве абразивного материала для шлифования поверхностей.
- Корунд представляет собой кристаллическую форму оксида алюминия с примесями. Его цвет варьируется от синеватых до коричневых тонов, при этом увеличение содержания окиси железа приводит к снижению твёрдости материала.
- Наждак представляет собой композитный материал, состоящий из зерен корунда, магнезита и других минералов.
- Кварц – это кристаллический оксид кремния. К разновидностям кварца относится кремень, который состоит из кремнезема и встречается в природе в виде крупных горных пород.
- Пемза – пористая структура вулканического происхождения, состоящая из кремнезема и глинозема.
- Мел, являющийся карбонатом кальция, используется для тонких видов обработки материалов, таких как полирование и притирка.
Искусственные абразивы
В 1891 году американский изобретатель Эдвард Ачесон впервые синтезировал искусственный абразивный материал - карборунд. На сегодняшний день существует широкий ассортимент абразивов промышленного производства, область применения которых значительно шире, чем у природных аналогов.
Рассмотрим характеристики наиболее распространенных из них.
Электрокорунд получают в результате восстановительной плавки боксита в электропечах. Цвет материала варьируется от серого до красно-бурого оттенков. Из него изготавливают твердый абразивный инструмент.
Карбид кремния синтезируют путем восстановления кремниевой кислоты углеродом. Данный материал характеризуется повышенной хрупкостью и применяется в порошкообразном виде или в качестве инструмента для обработки хрупких материалов, таких как стекло и фарфор.
Карбид бора является самым твердым из синтетических абразивов и используется в виде пасты для шлифовки поверхностей с высокой твердостью.
Абразивные жидкости
Содержание твердых частиц в различных абразивных материалах может существенно варьироваться. В некоторых случаях эти частицы диспергируются в жидкой среде, образуя абразивные жидкости. Примерами таких жидкостей являются моющие средства бытовой химии, краски с кварцевым песком, песочные суспензии, шлам из каустизации, пищевые продукты (сахарные суспензии, шоколадные пасты с орехами) и косметологические препараты (скрабы, абразивные зубные пасты).
Важно отметить, что не все эти абразивные среды используются для обработки поверхностей. Тем не менее, их абразивные свойства должны быть учтены при выборе оборудования, работающего с такими средами.
Можно привести следующие примеры такой среды из разных отраслей промышленности:
- пасты (высококонцентрированные вязкие суспензии) с повышенной абразивностью, в том числе зубные;
- чистящие жидкие средства (бытовая химия), применяемые для обработки поверхности зеркал, керамической плитки и пр.), они содержат более мягкие абразивы, чем порошковые чистящие средства;
- краски с содержанием кварцевого песка;
- сахарные суспензии;
- мясные отходы с костями;
- шоколадные пасты с кусочками орехов;
- песочные суспензии, где содержание твердых частиц составляет до 80 %;
- каустизационный шлам (белый известковый осадок, который образуется при каустизации зеленого щелока и состоит главным образом из карбоната кальция);
- скрабы в косметологии.
Свойства абразивных материалов
Абразивные материалы обладают рядом существенных характеристик, определяющих их эффективность.
Твердость, один из ключевых параметров, характеризует сопротивление материала воздействию шлифования. По шкале Мооса, алмаз, занимающий первое место в этой классификации, демонстрирует наибольшую твердость (10 баллов). Карбид бора следует за ним с показателем 9,5 баллов. Корунд, карбид кремния и электрокорунд имеют твердость 9 баллов, кварц – 8, гипс – 2, а тальк – 1 балл.
Другие важные свойства абразивов включают прочность, хрупкость и зернистость. Последняя характеризует размер и форму шлифовальных зерен, которые могут быть изометрическими (с равными значениями высоты, ширины и толщины), мечевидными или пластинчатыми. Форма зерен зависит от природы абразивного материала и степени его измельчения.
Абразивная способность, то есть эксплуатационные качества материала, определяется массой удаляемого слоя материала в процессе шлифования.
Важной особенностью абразивов является их самозатачиваемость. Благодаря образованию новых выступов и режущих кромок на зернах в ходе обработки, абразивные материалы сохраняют свою работоспособность.