Абразивные материалы

Абразивные материалы - это материалы, чаще всего минеральные, которые используется для предания необходимой формы или для окончательной (финишной) обработки заготовки посредством трения, что приводит к удалению части заготовки. Финишная обработка чаще всего означает полировку материала для получения гладкой, отражающей поверхности либо получение необходимой шероховатости – например, атласной, матовой или бисерной поверхности.

Абразивные материалы очень распространены и очень широко используются в самых разнообразных промышленных, бытовых и технологических отраслях. Этим обусловлено большое разнообразие в физическом и химическом составе абразивных материалов, а также различные формы абразивов. Обычно абразивные материалы используются в следующих технологических процессах: шлифование, полирование, хонингование, резка, бурение, заточка, притирка.

Напильники не классифицируется как абразивные материалы, за исключением металлических стержней покрытых алмазным порошком.

При абразивной обработке обычно полагаются на различие в твердости между абразивным и обрабатываемым материалом – твердость абразива должна быть выше. Однако, это требуется не всегда, т.к. любые два твердых материала, которые неоднократно трутся друг о друга будет иметь тенденцию к износу (например, мягкие подошвы изнашивают деревянные или каменные ступени в течение десятилетий или веков).

Как правило, материалы, используемые как абразивы, либо твердые полезные ископаемые (твердостью 7 или выше по шкале Мооса) или синтетические камни, некоторые из которых могут быть химически и физически идентичны минералами природного происхождения, но которые не могут быть названы минералами, т.к. не возникают естественным путем. Алмазные абразивы, например, могут быть как естественного происхождения, так и промышленного, как корунд, который происходит естественно, но в наши дни чаще производится из бокситов. Тем не менее, даже мягкие минералы, такие как карбонат кальция, используются в качестве абразивов, таких как \"полировальные агенты\" в зубной пасте.

Эти минералы являются или дроблеными или уже имеют достаточно малый размер (где-то от макроскопического зерна размером около 2 мм до микроскопических зерен около 0,001 мм в диаметре), чтобы позволить их использование в качестве абразива. Эти зерна имеют неровные острые края, сокращая площадь поверхности контакта и увеличивая локальное давление. Абразивная обработка происходит в то время как абразивный и обрабатываемый материал находятся в относительном движении друг к другу. Под действием давления, передаваемого через абразивные зерна, фрагменты обрабатываемого материала отрываются одновременно со сглаживанием абразивного зерна и/или отрывания абразивного зерна от остальной части абразива.

Некоторые факторы, влияющие на скорость абразивной обработки:

• Разница в твердости между двумя веществами: более твердые  абразивные материалы обрабатывают быстрее;
• Размер зерен (зернистость): крупные зерна работают быстрее, так как они обеспечивают более  глубокую обработку;
• Адгезия между абразивными зернами, между зернами и связующим, между зернами и основой: определяет, насколько быстро зерна слетят с основы абразивного материала;
• Усилие контакта: большее усилие приведет к более быстрому износу;
• Забивание абразивного материала: сработанные абразивные зерна и частицы обрабатываемого материала имеют тенденцию к заполнению промежутков между абразивными зернами, что приводит к  снижению эффективности резки при одновременном повышении трения;
• Использование смазки / охлаждающей жидкости: обеспечивает удаление стружки (для предотвращения забивания), охлаждение (нагрев может повлиять на физические свойства заготовки или абразивного материала), снижение трения (с подложкой или матрицей).

Абразивы могут быть классифицированы как природные или синтетические. При обсуждении абразивных материалов, натуральные материалы традиционно считаются лучшими,  но достижения в области технологии материалов привели к тому, что эти различия стали менее заметны. Многие синтетические абразивные материалы эффективно заменяют натуральные минералы, отличаясь лишь тем, что синтетические минералы изготовлены искусственно,  а не найдены в природном месторождении. К тому же примеси в природных минералах могут сделать их менее эффективными.

Некоторые натуральные абразивные минералы:

• Кальцит (карбонат кальция)
• Корунд
• Алмазная пыль (широко используются синтетические алмазы)
• Пемза
• Песок

Некоторые абразивные минералы (такие, как оксид алюминия, оксид циркония ) возникают естественным путем, но достаточно редки, либо их разработка более трудоемка /дорогостояща чем получение синтетических аналогов.

Вот некоторые искусственные абразивные материалы:

• Боразона (кубический нитрид бора или CBN)
• Керамика
• Керамический оксид алюминия
• Керамический оксид железа
• Корунд (глинозем или оксид алюминия )
• Сухой лед
• Стекло (порошок)
• Абразивная сталь
• Карбид кремния (карборунд)
• Цирконий (оксид алюминия)

Абразивы формируются для различных целей. Природные абразивные материалы часто продаются как камни, как правило, в виде прямоугольного блока. Как природные, так и синтетические абразивные материалы, как правило, доступны в широком разнообразии форм, например, в виде блоков, лент, дисков, кругов, листов, прутков и сыпучих зерен.

Связанные абразивы

Связанные абразивы состоят из абразивных материалов, содержащихся в матрице. Эта матрица называется связующим и чаще всего состоит их  глины, смолы, стекла или каучука. Эта смесь связующего и абразива, как правило, формируются в блоки, бруски или диски.  В качестве абразива обычно используется оксид алюминия. Также распространенными абразивами являются карбид кремния, карбид вольфрама и гранат. Искусственные заточные камни часто предсавляют собой именно связанные абразивы и могут быть выполнены как двусторонний блок, каждая из сторон которого имеет  различную степень зернистости.

Шлифовальные круги являются цилиндрами, которые вращаются с высокой скоростью. Хотя когда-то шлифовальные круги приводились в движение ножной педалью или рукояткой, внедрение электродвигателей сделало необходимым изготовление кругов, выдерживающих большое радиальное напряжение для предотвращения разрушения круга во время вращения. Аналогичные вопросы возникают для отрезных кругов , которые часто структурно усилены пропитанным волокном. Высокая относительная скорость между абразивным материалом и заготовкой часто делает необходимым использование какой-либо смазки, традиционно называемой охлаждающей жидкостью, так как она используется для охлаждения заготовки.

Связанные абразивные материалы должны быть отцентрованы и очищены после использования. Необходимо производить очистку отходов (стружки и сыпучих абразивов) с поверхности с тем, чтобы остались только новые зерна. В зависимости от абразивного материала и условий использования, очистка может представлять собой обычную промывку  абразива под проточной водой  с жесткой щеткой для мягкого камня или очистку другим абразивным материалом, более мелким и мягким, так, например, оксид алюминия используется для чистки шлифовальных кругов.

Центрование представляет собой восстановление первоначальной формы поверхности абразивного материала. Круги и камни, как правило, срабатываются неравномерно, оставляя режущую поверхность уже не плоской или не одинаковый диаметр абразивного круга по всей его окружности. Это приводит к неравномерному износу и другим трудностям.

Абразивные материалы на гибкой основе

Абразивные материалы на гибкой основе представляют собой абразивы, нанесенные на основу из таких материалов, как бумага, ткань, резина, смола, полиэфирная пленка или даже металл, многие из которых являются гибкими. Наждачная бумага является типичным абразивным материалом на гибкой основе. В качестве абразивов используют, как правило, те же минералы, которые используются для абразивного инструмента. Связующее (обычно какой-то клей или смола) применяется для поддержки, чтобы обеспечить плоскую поверхность, к которой присоединяются абразивные зерна. Для тканной основы может также использоваться пропитка (опять же, часто смола) для обеспечения дополнительной гибкости и прочности.

Абразивные материалы на гибкой основе могут выпускаться в виде дисков для использования в ротационных и орбитальных шлифовальных машинах, в виде полосок для обертывания вокруг шлифовального блока, в виде замкнутых лент для использования в шлифовальных станках, а так же в виде алмазных пластин.

Другие абразивные материалы и их использование

Песок, стеклянные бусины, металлические гранулы, шлак и сухой лед могут быть использованы для процесса, который называется пескоструйной обработкой  (или дробеструйной обработкой). Сухой лед будет испаряться, не оставляя остаточного абразива.

Полироли, используемые в авторемонтной окраске, являются примером абразивов взвешенных в жидкости, пасте или воске, как и некоторые жидкости для полировки серебра и оптических дисков. Жидкости, пасты или воск действуют в качестве связующего агента, который содержит абразив, а ткань используется как основа для перемещения абразива по всей заготовке. На автомобилях, в частности, воск может служить как защитное средство, не допуская воздействия воздуха на краску и металл, а также выступает в качестве оптического наполнителя, чтобы сделать царапины менее заметными. Зубная паста содержит карбонат кальция или кремния в качестве \"полировального агента\", чтобы удалить зубной налет и другие материалов с зубов, так как твердость карбоната кальция меньше, чем у эмали зуба , но больше, чем у загрязняющих веществ.

Очень тонкая косметическая пудра широко используется для шлифовки стекла, но сейчас заменяется современными керамическими абразивными материалами, и все еще используется в ювелирной промышленности.

Чистящие средства также могут содержать абразивы, взвешенные в пасте или креме. Они выбираются с тем расчетом, чтобы не испортить такие поверхности, как  линолеум, плитка, металлические или каменные поверхности.

Металлическую посуду часто очищают абразивными чистящими средствами, как правило, в форме вышеупомянутого крема или пасты, шерстяными  и неткаными губками, которые прекрасно удерживают абразивные зерна.

Кожа человека также подвержена износу в виде пилинга. Абразивы для этого могут быть гораздо мягче и более экзотическими, чем для других целей, и может включать в себя такие вещи, как миндаль и овсянка. Дермабразия и микродермабразия сейчас довольно обычные косметические процедуры, которые используют минеральные абразивы.

Поцарапанные компакт-диски и DVD-диски иногда могут быть восстановлены путем полировки  очень тонкими соединениями. Принцип в том, что множество мелких царапин будет более оптически прозрачным, чем одна большая царапина. Однако это требует определенного мастерства и в конечном итоге может привести к полному разрушению защитного покрытия диска (особенно, если оригинальная царапина глубокая).

Форма, размер и характер обрабатываемой детали и требуемая чистота отделки будет влиять на выбор используемого абразивного материала. Абразивный круг из связанного абразива может быть использован для заточки ножа на заводе, но человек может потом оттачивать тот же нож с помощью натурального точильного камня или даже гибкого абразивного материала (например, наждачной бумагой). Точно так же латунное зеркало может быть сначала обработано связанным абразивным материалом для достижения основной формы,  затем отшлифовано гибкими шлифовальными материалами, и, наконец, отполировано абразивной пастой для получения окончательной поверхности, в данном случае, эффекта \" зеркального блеска \".

Кроме того, разные виды связующего вещества могут усложнить обработку  определенных областей заготовки. От любой производственной пыли может возникнуть опасность для здоровья  (которая можно уменьшить за счет использования смазки), которая может привести к силикозу (когда абразивные материалы или заготовки силикатные ). Помимо воды, масла являются наиболее распространенными смазочными материалами. Масла могут представлять опасность при вдыхании, контакте и, так как трение обязательно производит тепло, опасность воспламенения.

Слишком жесткие или слишком грубые абразивные материалы могут удалить слишком много материала или оставить нежелательные царапины. Помимо неэстетического внешнего вида, царапины могут иметь другие, более серьезные последствия. Чрезмерный износ или наличие царапин может:

• испортить вещь  (как в случае с поцарапанной оптикой или компакт-диском);
• стать ловушкой для грязи, воды, или других материалов;
• увеличить химическую активность поверхности, что приводит к ускорению процесса коррозии);
• разрушить покрытие (например, лакокрасочное или химическое или износостойкое покрытие);
• привести к быстрому истиранию (например, лезвия или драгоценных камней);
• увеличить трение (в подшипниках и поршнях).