Абразивные материалы: свойства и применение.

Введение

Грубый материал, используемый для придания формы предметам посредством трения. Музыкальный альбом.

Абразив – это материал, часто минерал, который используется для формирования или обработки детали путем трения, в результате чего часть детали изнашивается. Хотя обработка материала часто подразумевает полировку для получения гладкой, отражающей поверхности, процесс также может включать в себя матирование, как, например, в атласной, матовой или жемчужной отделке. Проще говоря, керамические материалы, используемые для резки, шлифовки и полировки других, более мягких материалов, называются абразивами. Абразивы чрезвычайно распространены и широко используются в самых разных промышленных, бытовых и технологических областях. Это обуславливает большое разнообразие физического и химического состава абразивов, а также их формы. К распространенным применениям абразивов относятся шлифование, полирование, сатинирование, хонингование, резка, сверление, заточка, притирка и шлифовка (см. абразивную обработку). (Для простоты в данной статье термин "минерал" будет использоваться в широком смысле для обозначения как минералов, так и минералоподобных веществ, независимо от того, созданы они искусственно или нет.) Напильники не являются абразивами; они удаляют материал не царапанием или трением, а режущим действием острых зубьев, вырезанных на поверхности напильника, подобно зубьям пилы. Однако алмазные напильники представляют собой разновидность покрытого абразива (поскольку это металлические стержни, покрытые алмазным порошком).

Производимые абразивные материалы

Абразивные материалы придают различную форму в зависимости от назначения. Натуральные абразивы часто продаются в виде обработанных камней, обычно в форме прямоугольного блока. Как натуральные, так и синтетические абразивы обычно доступны в широком разнообразии форм, часто в виде связанных или покрытых абразивов, включая блоки, ленты, диски, круги, листы, стержни и отдельные зерна.

Склеенные абразивы

Склеенный абразив состоит из абразивного материала, заключенного в матрицу, хотя очень мелкий абразив из оксида алюминия может быть спеченным материалом. Эта матрица называется связующим и часто представляет собой глину, смолу, стекло или резину. Эта смесь связующего и абразивного материала обычно формуется в блоки, бруски или круги. Наиболее распространенным абразивом является оксид алюминия. Также часто используются карбид кремния, карбид вольфрама и гранат. Искусственные точильные камни часто представляют собой склеенный абразив и легко доступны в виде двухстороннего блока, каждая сторона которого имеет различную зернистость. Шлифовальные круги – это цилиндры, вращающиеся на высокой скорости. Ранее они приводились в действие педалью или ручной кривошипной рукояткой, но с появлением электродвигателей стало необходимо изготавливать круги, способные выдерживать большее радиальное напряжение, чтобы предотвратить их разрушение при вращении. Аналогичные проблемы возникают и с отрезными кругами, которые часто конструктивно усиливаются пропитанными волокнами. Высокая относительная скорость между абразивом и обрабатываемой деталью часто требует применения смазочной жидкости. Традиционно их называли охлаждающими жидкостями, поскольку они использовались для предотвращения накопления тепла, возникающего при трении, которое могло бы повредить деталь (например, ухудшить закалку лезвия). Некоторые исследования показывают, что теплопроводящие свойства смазочной жидкости менее важны при работе с металлами, поскольку металл быстро отводит тепло с рабочей поверхности. Более важным является их влияние на снижение растягивающих напряжений при одновременном увеличении некоторых сжимающих напряжений и уменьшении "термических и механических напряжений при образовании стружки". Различные формы также используются в качестве головок на вращающихся инструментах, применяемых в прецизионных работах, таких как создание масштабных моделей. Склеенные абразивы необходимо прав́ить и одевать после использования. О́девание – это очистка поверхности от отходов (стружки и несвязанного абразива) и выявление свежей зернистости. В зависимости от абразива и способа его использования, о́девание может заключаться в простом помещении абразива под струю воды и очистке его жесткой щеткой для мягкого камня, или в шлифовке абразива другим абразивом, например, оксидом алюминия, используемым для о́девания шлифовального круга. Правка – это восстановление абразиву его первоначальной формы поверхности. Круги и камни имеют тенденцию изнашиваться неравномерно, в результате чего режущая поверхность перестает быть плоской (говорят, что она "просела", если речь идет о плоском камне) или перестает иметь одинаковый диаметр по всей режущей поверхности. Это приводит к неравномерному абразивному износу и другим трудностям.

A bonded abrasive is composed of an abrasive material contained within a matrix, although very fine aluminium oxide abrasive may comprise sintered material. This matrix is called a binder and is often a clay, a resin, a glass or a rubber. This mixture of binder and abrasive is typically shaped into blocks, sticks, or wheels. The most common abrasive used is aluminium oxide. Also common are silicon carbide, tungsten carbide and garnet. Artificial sharpening stones are often a bonded abrasive and are readily available as a two sided block, each side being a different grade of grit. Grinding wheels are cylinders that are rotated at high speed. While once worked with a foot pedal or hand crank, the introduction of electric motors has made it necessary to construct the wheel to withstand greater radial stress to prevent the wheel flying apart as it spins. Similar issues arise with cutting wheels, which are often structurally reinforced with impregnated fibres. High relative speed between abrasive and workpiece often makes necessary the use of a lubricant of some kind. Traditionally, they were called coolants as they were used to prevent frictional heat build up which could damage the workpiece (such as ruining the temper of a blade). Some research suggests that the heat transport property of a lubricant is less important when dealing with metals as the metal will quickly conduct heat from the work surface. More important are their effects upon lessening tensile stresses while increasing some compressive stresses and reducing "thermal and mechanical stresses during chip formation". Various shapes are also used as heads on rotary tools used in precision work, such as scale modelling. Bonded abrasives need to be trued and dressed after they are used. Dressing is the cleaning of the waste material (swarf and loose abrasive) from the surface and exposing fresh grit. Depending upon the abrasive and how it was used, dressing may involve the abrasive being simply placed under running water and brushed with a stiff brush for a soft stone or the abrasive being ground against another abrasive, such as aluminium oxide used to dress a grinding wheel. Truing is restoring the abrasive to its original surface shape. Wheels and stones tend to wear unevenly, leaving the cutting surface no longer flat (said to be "dished out" if it is meant to be a flat stone) or no longer the same diameter across the cutting face. This will lead to uneven abrasion and other difficulties.

С покрытием абразивные материалы

Покрытый абразив состоит из абразива, закрепленного на основе, такой как бумага, ткань, резина, смола, полиэстер или даже металл, многие из которых являются гибкими. Наждачная бумага – очень распространенный пример покрытого абразива. Абразивные зерна для покрытых абразивов чаще всего изготавливаются из тех же минералов, что и для шлифовальных кругов. На основу наносится связующее вещество (обычно клей или смола), чтобы создать ровную поверхность для последующего приклеивания абразивного зерна. Тканая основа может также содержать наполнитель (опять же, часто смолу) для повышения эластичности. Покрытые абразивы могут быть изготовлены для использования в роторных и орбитальных шлифовальных машинах, для обертывания шлифовальных колодок, в виде ручных шлифовальных блоков, в виде замкнутых лент для ленточных шлифовальных машин, в качестве терционных поверхностей на спичечных коробках, на алмазных пластинах и алмазных кругах. Алмазные инструменты, хотя и предназначены для резки, часто обладают абразивными свойствами.

Другие абразивы и их применение

Песок, стеклянные шарики, металлические гранулы, медный шлак и сухой лед могут использоваться для процесса, называемого пескоструйной обработкой (или аналогичного, например, обработка стеклянными шариками, известная как "шаровая полировка"). Сухой лед сублимируется, не оставляя абразивных остатков. Полировальная паста для автомобильной краски является примером абразива, взвешенного в жидкости, пасте или воске, как и некоторые полироли для серебра и оптических носителей. Жидкость, паста или воск выступают в качестве связующего, удерживающего абразив на ткани, которая используется в качестве основы для перемещения абразива по обрабатываемой поверхности. Особенно на автомобилях воск может служить как защитным слоем, предотвращающим воздействие краски и металла на воздух, а также как оптический наполнитель, делающий царапины менее заметными. Зубная паста содержит карбонат кальция или диоксид кремния в качестве "полирующего агента" для удаления зубного налета и других веществ, поскольку твердость карбоната кальция меньше твердости зубной эмали, но больше твердости загрязнений. Мелкодисперсный порошок красного сурика широко использовался для шлифовки стекла, постепенно заменяясь современной керамикой, и до сих пор применяется в ювелирном деле для получения высокоглянцевой поверхности. Чистящие средства также могут содержать абразивы, взвешенные в пасте или креме. Они подбираются таким образом, чтобы быть достаточно безопасными для некоторых линолеумных, плиточных, металлических или каменных поверхностей. Однако многие ламинированные поверхности и керамические варочные панели легко повреждаются этими абразивными составами. Даже керамическая или глиняная посуда может повредить эти поверхности, особенно дно посуды, которое часто не глазуровано полностью или частично и действует как дополнительный абразив. Металлические кастрюли и плиты часто очищают абразивными средствами, обычно в виде вышеупомянутого крема или пасты, а также стальной ваты и нетканых абразивных губок, содержащих мелкий абразивный гранулят. Кожа человека также подвергается абразивному воздействию в виде отшелушивания. Абразивы для этой цели могут быть намного мягче и экзотичнее, чем для других применений, и могут включать, например, миндаль и овсянку. Дермабразия и микродермабразия – распространенные косметические процедуры, использующие минеральные абразивы. Поцарапанные компакт-диски и DVD иногда можно восстановить путем полировки очень тонким составом, принцип которого заключается в том, что множество мелких царапин будут более оптически прозрачными, чем одна большая царапина. Однако это требует определенных навыков и в конечном итоге приведет к полному истощению защитного слоя диска (особенно если исходная царапина глубокая), после чего поверхность данных будет повреждена при продолжении абразивной обработки.

Sand, glass beads, metal pellets copper slag and dry ice may all be used for a process called sandblasting (or similar, such as the use of glass beads which is "bead blasting"). Dry ice will sublimate leaving behind no residual abrasive. Cutting compound used on automotive paint is an example of an abrasive suspended in a liquid, paste or wax, as are some polishing liquids for silverware and optical media. The liquid, paste or wax acts as a binding agent that keeps the abrasive attached to the cloth which is used as a backing to move the abrasive across the work piece. On cars in particular, wax may serve as both a protective agent by preventing exposure of the paint of metal to air and also act as an optical filler to make scratches less noticeable. Toothpaste contains calcium carbonate or silica as a "polishing agent" to remove plaque and other matter from teeth as the hardness of calcium carbonate is less than that of tooth enamel but more than that of the contaminating agent. Very fine rouge powder was commonly used for grinding glass, being somewhat replaced by modern ceramics, and is still used in jewellery making for a highly reflective finish. Cleaning products may also contain abrasives suspended in a paste or cream. They are chosen to be reasonably safe on some linoleum, tile, metal or stone surfaces. However, many laminate surfaces and ceramic topped stoves are easily damaged by these abrasive compounds. Even ceramic/pottery tableware or cookware can damage these surfaces, particularly the bottom of the tableware, which is often unglazed in part or in whole and acts as simply another bonded abrasive. Metal pots and stoves are often scoured with abrasive cleaners, typically in the form of the aforementioned cream or paste or of steel wool and non woven scouring pads which holds fine grits abrasives. Human skin is also subjected to abrasion in the form of exfoliation. Abrasives for this can be much softer and more exotic than for other purposes and may include things like almond and oatmeal. Dermabrasion and microdermabrasion are now rather commonplace cosmetic procedures which use mineral abrasives. Scratched compact discs and DVDs may sometimes be repaired through buffing with a very fine compound, the principle being that a multitude of small scratches will be more optically transparent than a single large scratch. However, this does take some skill and will eventually cause the protective coating of the disc to be entirely eroded (especially if the original scratch is deep), at which time, the data surface will be destroyed if abrasion continues.

Другие случаи высыхания

Помимо вышеупомянутых применений для формования и отделки, абразивы также могут использоваться для подготовки поверхностей к нанесению краски или клея. Чрезмерно гладкая поверхность может препятствовать надежному сцеплению краски и клея, в то время как неровная поверхность обеспечивает лучшее прилипание. Наборы для ремонта надувных шин (которые, особенно на велосипедах, фактически представляют собой заплатки для камеры, а не для самой шины) требуют использования абразива для обеспечения прочного сцепления самовулканизирующегося клея. Люди, использующие ножи на стеклянных или металлических разделочных досках, непреднамеренно затачивают лезвия своих ножей. Давление на край ножа может легко создавать микроскопические (или даже макроскопические) порезы на доске. Эти порезы служат источником абразивного материала и каналом, заполненным этим абразивом, по которому скользит лезвие. По этой причине, и не принимая во внимание пользу для здоровья, деревянные доски предпочтительнее. Аналогичная ситуация возникает при работе со стеклорезами. Стеклорезы имеют круглые лезвия, предназначенные для качения, а не скольжения. Нельзя повторно проводить лезвием по уже сделанному надрезу. Нежелательная абразия может возникать из-за присутствия углерода в двигателях внутреннего сгорания. Мелкие частицы легко переносятся системой смазки, а более крупные частицы углерода могут истирать детали с точными допусками. Углерод образуется в результате перегрева моторного масла или неполного сгорания топлива. Эта сажа может содержать фуллерены, известные своей исключительной твердостью, но их небольшое количество и ограниченный размер снижают их влияние.