Человечество знало об абразивах в течение многих тысячелетий. Люди пользовались помощью камней и песка, чтобы сформировать и заточить ножи, копья и наконечники стрел и рыболовных крючков. Первым абразивом был песчаник, в котором роль действующего вещества играли мельчайшие зерна кварца. Вплоть до открытия способов обработки металла этот материал абразивный обусловил возможность развития всего человечества, так как у людей тогда попросту не было других способов делать инструменты для работы и оружие.
Что это такое с физической точки зрения
Обычно абразивы являются очень твердыми полезными ископаемыми, которые располагаются в верхнем краю шкалы твердости Мооса – от кварца до алмаза. Но даже мягкие материалы могут выполнять эту функцию. Губки, пищевую соду и фруктовые косточки можно с полным на то основанием называть абразивами. С ними мы сталкиваемся ежедневно, и значение их в повседневной жизни человека велико.
В каких процессах они могут использоваться?
Материал абразивный зачастую называется так не из-за его физических свойств, а из-за особенностей использования. Существует несколько классов таких процессов. В частности в пескоструйной машине может быть использовано наибольшее количество материалов, которые в обычных условиях выраженными абразивными свойствами не обладают. Это оборудование использует мощный поток воздуха или воды, в котором с огромной скоростью движутся мелкие частицы каких-то веществ. В некоторых случаях применяется сетка абразивная, играющая роль фильтра-измельчителя.
Пескоструйные машины используются для полировки и окончательной доводки деталей и готовой продукции. При этом может браться фактически любой материал абразивный: от скорлупы орехов и косточек плодовых культур, раковин моллюсков и прочей органики до мельчайших кусочков стали, шлака, стекла или даже пищевой соды.
Основные компоненты
Кварцевый песок является самым популярным абразивом для пескоструйной обработки мостов и других стальных конструкций. При этом происходит очень эффективная очистка от ржавчины, что значительно повышает долговечность инженерных сооружений. Этот процесс требует абразивов с высокой плотностью. Как правило, очистка металлических конструкций предполагает использование сжатого воздуха. Он исполняет роль ускорителя частиц и не оказывает дополнительного корродирующего воздействия.
Впрочем, в некоторых случаях может использоваться и вода. В частности при очистке бетонных сооружений. Практически все конструкции, построенные в зоне прибрежной полосы, периодически в этом нуждаются. Дело в том, что на их поверхности со временем нарастает толстый слой соли и прочих агрессивных соединений. Пресная вода, в которую предварительно добавили соответствующий материал (абразивный), не только убирает их с бетона, но и производит «обессоливание». Опять-таки, это мероприятие значительно повышает срок службы строений.
Полировка готовых изделий
Полировка – вот важнейший процесс, в котором абразивы востребованы крайне широко. Как правило, для доведения до совершенства готовых изделий или каких-то деталей применяют специальные пасты или мягкие диски, а также соединения на основе синтетических смол. Востребована даже простая абразивная губка. Оксид церия, алмаз, кварц, оксид железа и окиси хрома – соединения, которые на сегодняшний день используются чаще всего.
Новакулит (плотная кремнистая порода) – также хорошее сырье для производства полировочных материалов. Оксид церия является наиболее распространенным минералом, используемым для полировки стекла. Это соединение его не царапает, но придает особую гладкость и блеск. В последние годы, однако, карбид кремния и искусственные алмазы для этого применяют чаще. На их основе производится особо дорогая и эффективная абразивная лента. Она очень хорошо подходит для обработки особо «капризных» материалов.
Использование магнитных полей
В последние годы все чаще и шире в промышленности начинают практиковать процесс абразивного затачивания. Для этого используется не вода под давлением и не сжатый воздух: мельчайшие частицы абразивов парят в мощном магнитном поле, которое и формирует «точильный круг». Этот метод применяется в точном машиностроении, так как с его помощью можно отполировать или заточить те детали, которые в обычных условиях обрабатывать слишком дорого и/или долго. В качестве абразива чаще всего применяют соединения алюминия с теми металлами, которые обладают этим свойством.
Магнитореологические методы полировки
При реологическом методе полировки «физический» абразивный инструмент вообще не используется. Материалы смешиваются с жидкостями, в толще которых они движутся под действием электрических полей. Этот метод во многом схож с описанным выше, он также используется для обработки некоторых деталей в точном машиностроении и подобных отраслях промышленности.
Вообще, в последние годы в производстве все чаще начинают использовать абразивы, предварительно смешанные с жидкостями или синтетическими смолами. Хороший пример – увлажненная абразивная паста ГОИ на основе оксида хрома. Она известна уже давно, но только в последние годы на нее обращают особое внимание. Причина проста – низкая стоимость этого соединения и его высокая эффективность при полировке. Кроме того, абразивная паста мягко действует на обрабатываемый материал, не царапая и не повреждая его.
Абразивные круги для УШМ («болгарок»)
Их применяют не только для полировки. Абразивами еще можно разрезать особо прочные материалы. Для этого пользуются тонкими шлифовальными кругами, сделанными на основе оксида алюминия и фенольных смол. В редких случаях применяется металлический абразивный диск. Такие инструменты незаменимы в частности при добыче мрамора в карьерах. Дело в том, что этот минерал очень плотный, плохо поддается распиливанию обычными пилами.
Как мы уже говорили, для распиливания используют оксид алюминия, карбид кремния, искусственные алмазы и карбид бора. Из них может быть сделан абразивный диск, из них же формуют специальные пилы для особо прочных материалов.
Основные инструменты, используемые для промышленности
Таким образом, эти соединения необходимы для затачивания, полировки, разрезания материалов. Современная промышленность чаще всего использует абразивный инструмент искусственного происхождения. Причина этого – сравнительно низкая стоимость синтетики. Соединения природного происхождения намного дороже. К их числу относится неоднократно упомянутый нами оксид алюминия, а также карбид кремния, двуокись циркония и так называемые суперабразивы (алмаз или нитрид бора).
Исключения редки и представлены в основном корундом. Он очень дорог, да и применение его в производстве достаточно ограниченное. В еще более редких случаях используют природные алмазы, непригодные для огранки ввиду предельно малых размеров или структурных дефектов.
Эволюция промышленных абразивов
История промышленных абразивов для шлифовальных кругов началась с природных минералов – кварца и кремния, а также корунда. Именно последний, к слову сказать, впервые и получил название «наждак». Это был первый брусок абразивный. Отказ от природных минералов начался еще в первой половине двадцатого века и был практически полностью завершен к его концу. И дело тут было не только в дороговизне природных материалов. Дело в том, что все они обладают строго определенными свойствами, которые изменить уже никак не получится. Синтетические же абразивы, созданные при определенных условиях, могут быть совершенно иными и лучше подходить для решения каких-то нетипичных задач.
К примеру, посредством новых технологий может быть создано соединение с формой частиц, напоминающих щепку. Такой материал идеален для нанесения на поверхность полировочных кругов. Кроме того, можно создавать совершенно новые материалы, комбинируя, к примеру, оксид титана с соединениями алюминия. Эти абразивы идеальны для обработки особо твердых поверхностей.
Когда произошел «абразивный прорыв» в промышленности?
Современное производство абразивов, включающее выпуск шлифовальных кругов и наждачных шкурок, сложно описать из-за массы товарных знаков и патентов, которые во многих случаях описывают один и тот же продукт. Разгадка подобных коллизий проста – из-за мельчайших различий в химическом составе можно регистрировать новую товарную марку. Но что служит основой для синтетических абразивов, и когда промышленность получила возможность их массового применения?
Действительно знаменательным событием стало открытие карбида кремния – минерала, не найденного в природе. Создание синтетического оксида алюминия в 1890-х годах лишь стимулировало начало исследований в этой области. К концу 1920-х синтетический оксид алюминия, карбид кремния, гранат и корунд были главными промышленными абразивами.
Но действительный прорыв произошел в 1938 году. Именно тогда стало возможным получать химически чистый оксид алюминия, который сразу же нашел широчайшее применение в машиностроении. Вскоре выяснилось, что смесь двуокиси циркония и оксида алюминия идеально подходит для сложных работ в области резки особо твердых сортов металлов. Это действительно уникальный абразивный порошок: он сохраняет высокую эффективность, но при этом сравнительно дешев. Сегодня пальму первенства все также держит синтетический оксид алюминия, сохранивший оригинальную микрокристаллическую структуру бокситных исходных материалов. В частности так был создан уникальный Cubitron™, а также абразивы на основе керамики под маркой SolGel™.
О «лучших друзьях девушек»
Природный алмаз – наиболее старый абразивный камень. Он стал популярным в 1930 году. Тому было сразу две причины. Во-первых, до того года объемы добычи алмазов были просто ничтожны и физически не могли покрывать возрастающие потребности промышленности. Во-вторых, в связи с острым ощущением надвигающейся войны многие страны стали экстренно искать способы обработать карбид вольфрама с помощью машин. Это вещество до сих пор используется в производстве сердечников бронебойных подкалиберных снарядов.
Проблема была в нереальной твердости данного материала, который абразивная обработка просто не брала. Исследование, проведенное в 1960-х годах компанией General Electric, привело к появлению синтетических алмазов. В конечном счете изыскания в этой области приводят к открытию кубического нитрида бора, CBN. Это соединение, имеющее твердость алмаза, широко используется в производстве других абразивов, так как с его помощью можно буквально размалывать в пыль твердые сорта стали.
Конечно, все эти абразивные вещества, помимо всех своих замечательных свойств, имеют один огромный недостаток – стоимость. Недавним исключением является абразив Abral, синтезированный европейским концерном Pechiney. Эта компания разработала своеобразный «заменитель алмазов», который, мало уступая им в твердости, значительно выигрывает в цене.
Но не только сами абразивы двигали промышленность вперед. Огромное значение имели материалы, используемые в качестве основы для их нанесения. В частности, когда был создан бакелит, появилась возможность производства более легких и вместе с тем долговечных шлифовальных кругов. Они равномернее стачивались, а абразивы лучше распределялись в их внутреннем объеме. Это обеспечивало значительно лучшее качество обработки материалов.
Наждачные шкурки
Наждачные шкурки в качестве основы используют искусственные и натуральные ткани, пленки и даже обычную бумагу, армированную ткаными волокнами. В некоторых случаях «наждачку» получают, пропитывая раствором на основе фенольных смол или воды (с добавлением абразивов, конечно) ткань. Так же может быть получена абразивная губка. Такие инструменты широко известны практически всем, с ними мы сталкиваемся постоянно и ежедневно.
Мы описали немало сфер применения этих материалов. Но факт заключается в том, что с большинством из них среднестатистические обыватели в своей жизни не сталкиваются вообще. Так, многие знают о точильных камнях, брусках или той же самой наждачной бумаге, кем-то использовалась сетка абразивная. Но мало кому известны конкретные разновидности веществ, которые используются, к примеру, производителями подшипников или высококачественных ножей из сверхтвердых сортов стали. Последние, к слову говоря, в домашних условиях заточить практически нереально. «Точилки» для них нужны совершенно особые.
Для каких задач подходит тот или иной абразив?
Для специфических нужд необходимы суперабразивы, о которых мы уже коротко упоминали выше. Они также представлены в виде наждачных шкурок, абразивных щеток, дисков и кругов. Так, при производстве ножей из стандартных сортов стали производители пользуются оксидом алюминия и карбидом кремния. Массовое производство же обычно требует более широко использования пескоструйных машин: нержавеющая сталь, выпуск шарикоподшипников и массовая обработка особо твердых сортов древесины. Впрочем, в большинстве случаев промышленники остаются верны «старому-доброму» оксиду алюминия. Этот абразивный порошок дешев, но при этом весьма эффективен.
В завершение
Абразивы прямо или косвенно играют роль в производстве практически всех вещей, с которыми люди сталкиваются повседневно. В частности без них невозможно создание корпусов из анодированного алюминия, которые столь популярны у поклонников «яблочной» продукции. Не забывайте, что простой абразивный камень «болгарки» или даже обычная наждачная бумага – плод деятельности многих поколений ученых и ремесленников, собиравших и систематизировавших свои знания на протяжении многих лет.
Компании, выпускающие различные виды абразивов, шлифовальные круги и наждачные шкурки, используют теоретические знания, которые присутствуют во многих смежных отраслях. Они руководствуются данными, полученными в ходе изучения керамики, широко практикуют прикладную химию, физику и металлургию. Абразивы всегда будут полезны, они – ключевая особенность современного производственного цикла многих предприятий.
