Абразивный -Abrasive

Абразив — это материал, часто минерал , который используется для придания формы или отделки заготовки посредством трения, что приводит к изнашиванию части заготовки в результате трения . В то время как отделка материала часто означает его полировку для получения гладкой отражающей поверхности, этот процесс также может включать в себя придание шероховатости, например, при атласной, матовой или бисерной отделке. Короче говоря, керамика, которая используется для резки, шлифовки и полировки других более мягких материалов, известна как абразивы.

Абразивы чрезвычайно распространены и очень широко используются в самых разных промышленных, бытовых и технологических целях. Это приводит к большим различиям в физическом и химическом составе абразивов, а также в форме абразива. Некоторые распространенные области применения абразивов включают шлифовку , полировку, полировку , хонингование , резку , сверление , заточку , притирку и шлифование (см. Абразивная обработка ). (Для простоты слово «минерал» в этой статье будет использоваться в широком смысле для обозначения как минералов, так и минералоподобных веществ, созданных человеком или нет.)

Файлы не абразивы; они удаляют материал не царапаньем или трением, а режущим действием острых зубьев, врезанных в поверхность напильника, очень похожих на зубья пилы. Однако алмазные напильники представляют собой форму абразивного покрытия (поскольку они представляют собой металлические стержни, покрытые алмазным порошком).

Механика истирания

Абразивы обычно зависят от разницы в твердости между абразивом и обрабатываемым материалом, причем абразив является более твердым из двух веществ. Однако в этом нет необходимости, поскольку любые два твердых материала, которые постоянно трутся друг о друга, будут иметь тенденцию стирать друг друга; примеры включают более мягкие подошвы обуви, изнашивающие деревянные или каменные ступени в течение десятилетий или столетий, или ледники , истирающие каменные долины.

Как правило, материалы, используемые в качестве абразивов, представляют собой либо твердые минералы (оценка 7 или выше по шкале твердости минералов Мооса ), либо синтетические камни, некоторые из которых могут быть химически и физически идентичны встречающимся в природе минералам, но которые нельзя назвать минералами, как раньше. не возникают естественным путем. (Хотя шкала Мооса полезна для сравнительных целей, она имеет ограниченную ценность для инженеров-материаловедов, поскольку это произвольная, порядковая, неправильная шкала.) Алмаз , обычный абразив, например, встречается как в природе, так и в промышленных масштабах, как и корунд , который встречается естественно, но который в настоящее время чаще производится из бокситов . Однако даже более мягкие минералы, такие как карбонат кальция , используются в качестве абразивов, таких как «полирующие агенты» в зубной пасте.

Размер зерна варьируется от 2 мм (крупное зерно) (около F 10 по стандартам FEPA) до примерно 40 микрометров (около F 240 или P 360).

Эти минералы либо измельчены, либо уже имеют достаточно малый размер (от макроскопических зерен размером около 2 мм до микроскопических зерен диаметром около 0,001 мм), что позволяет использовать их в качестве абразива. Эти зерна, обычно называемые зернистостью, имеют шероховатые края, часто оканчивающиеся точками, которые уменьшают контактную площадь поверхности и увеличивают локализованное контактное давление . Абразив и обрабатываемый материал соприкасаются, находясь в относительном движении друг к другу. Сила, приложенная к зернам, вызывает отрыв фрагментов обрабатываемого материала, одновременно сглаживая абразивное зерно и/или вызывая отделение зерна от остального абразива.

Некоторые факторы, влияющие на скорость истирания вещества, включают:

  • Разница в твердости между двумя материалами: более твердый абразив режет быстрее и глубже
  • Размер зерна (зернистость): более крупные зерна режут быстрее, так как они режут глубже
  • Адгезия между зернами, между зернами и подложкой, между зернами и матрицей: определяет, насколько быстро зерна теряются из-за абразива и как скоро обнажаются свежие зерна, если они есть.
  • Контактное усилие: большее усилие вызовет более быстрое истирание
  • Нагрузка: изношенный абразив и отброшенный рабочий материал имеют тенденцию заполнять промежутки между абразивными зернами, что снижает эффективность резания и увеличивает трение.
  • Использование смазки/охлаждающей жидкости/жидкости для металлообработки: может уносить стружку (предотвращая загрузку), переносить тепло (что может повлиять на физические свойства заготовки или абразива), уменьшать трение (с подложкой или матрицей), подвешивать изношенный рабочий материал и абразивы, обеспечивающие более чистую отделку, передают нагрузку на заготовку.

Абразивные минералы

Алмазная порошковая паста

Абразивы можно разделить на натуральные и синтетические. При обсуждении камней для заточки натуральные камни долгое время считались лучшими, но достижения в области технологии материалов приводят к тому, что это различие становится менее четким. Многие синтетические абразивы фактически идентичны природным минералам, отличаясь только тем, что синтетические минералы производятся, а не добываются. Примеси в природном минерале могут сделать его менее эффективным.

Некоторые природные абразивы:

Некоторые абразивные минералы (такие как оксид циркония ) встречаются в природе, но они достаточно редки или достаточно трудны или дороги в получении, так что синтетический камень используется в промышленности. К этим и другим искусственным абразивам относятся:

Произведенные абразивы

Абразивы имеют форму для различных целей. Природные абразивы часто продаются в виде обработанных камней, обычно в виде прямоугольных блоков. Как натуральные, так и синтетические абразивы обычно доступны в самых разных формах, часто в виде абразивов на связке или с покрытием, включая блоки, ленты, диски, колеса, листы, стержни и свободные зерна.

Абразивы на связке

Ассорти шлифовальных кругов как примеры связанных абразивов.
Шлифовальный круг с резервуаром для воды в качестве смазки и охлаждающей жидкости.

Абразивный материал на связке состоит из абразивного материала, содержащегося в матрице , хотя очень тонкий абразив на основе оксида алюминия может содержать спеченный материал. Эта матрица называется связующим и часто представляет собой глину , смолу , стекло или каучук . Эта смесь связующего и абразива обычно формуется в виде блоков, палочек или колес. В качестве абразива чаще всего используется оксид алюминия. Также распространены карбид кремния, карбид вольфрама и гранат . Искусственные точильные камни часто представляют собой связанный абразив и легко доступны в виде двустороннего блока, каждая сторона которого имеет разную зернистость.

Шлифовальные круги представляют собой цилиндры, которые вращаются с высокой скоростью. Когда-то работавшие с ножной педалью или рукояткой, появление электродвигателей привело к необходимости сконструировать колесо, чтобы оно выдерживало большую радиальную нагрузку , чтобы предотвратить разлет колеса при вращении. Аналогичные проблемы возникают с отрезными кругами , которые часто структурно армированы 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 от трения, которое могло повредить заготовку (например, испортить закалку лезвия). Некоторые исследования показывают, что теплопроводность смазки менее важна при работе с металлами, поскольку металл быстро отводит тепло от рабочей поверхности. Более важным является их влияние на снижение растягивающих напряжений при одновременном увеличении некоторых сжимающих напряжений и снижении «термических и механических напряжений во время образования стружки».

Различные формы также используются в качестве головок на вращающихся инструментах, используемых в точных работах, таких как масштабное моделирование .

Абразивные материалы на связке необходимо шлифовать и шлифовать после использования. Правка – это очистка поверхности от отходов (металлической стружки и рыхлого абразива) и обнажение свежего песка. В зависимости от абразива и того, как он использовался, правка может включать простое помещение абразива под проточную воду и чистку жесткой щеткой для мягкого камня или шлифование абразива по другому абразиву, такому как оксид алюминия, используемый для правки шлифовального круга. .

Правка – это восстановление исходной формы поверхности абразива. Колеса и камни имеют тенденцию изнашиваться неравномерно, в результате чего режущая поверхность перестает быть плоской (говорят, что она «выпуклая», если речь идет о плоском камне) или больше не имеет одинакового диаметра на режущей поверхности. Это приведет к неравномерному истиранию и другим трудностям.

Абразивы с покрытием

Немецкая наждачная бумага Klingspor с указанием основы и зернистости FEPA.

Абразивное покрытие представляет собой абразив, закрепленный на материале подложки, таком как бумага , ткань , резина, смола, полиэстер или даже металл , многие из которых являются гибкими. Наждачная бумага – очень распространенный абразивный материал с покрытием. Абразивы с покрытием чаще всего представляют собой те же минералы, что и абразивы на связке. Связующее вещество (часто какой-то клей или смола) наносится на основу, чтобы обеспечить плоскую поверхность, к которой затем приклеивается песок. В тканой основе также может использоваться наполнитель (опять же, часто смола) для придания дополнительной упругости.

Абразивы с покрытием могут иметь форму для использования в роторных и орбитальных шлифовальных машинах, для наматывания на шлифовальные блоки, в качестве ручных падов, 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.

Другие абразивы и их применение

Здесь абразивность зубной пасты подробно описывается ее относительной абразивностью дентина (RDA).

Песок, стеклянные шарики, металлические гранулы, медный шлак и сухой лед могут использоваться для процесса, называемого пескоструйной очисткой (или аналогичного, например, использование стеклянных шариков, которое называется «струйная обработка шариками»). Сухой лед сублимирует , не оставляя остаточного абразива.

Режущий состав, используемый на автомобильной краске, является примером абразива, взвешенного в жидкости, пасте или воске, как и некоторые жидкости для полировки столового серебра и оптических носителей . Жидкость, паста или воск действуют как связующее вещество, удерживающее абразив на ткани, которая используется в качестве подложки для перемещения абразива по заготовке. В частности, на автомобилях воск может служить как защитным средством, предотвращая воздействие воздуха на краску металла, так и оптическим наполнителем, делающим царапины менее заметными. Зубная паста содержит карбонат кальция или диоксид кремния в качестве «полирующего агента» для удаления 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, его несколько заменила современная керамика, и он до сих пор используется в ювелирном деле для придания блеска.

Чистящие средства могут также содержать абразивы, взвешенные в виде пасты или крема. Их выбирают из соображений безопасности на некоторых линолеумных , плиточных , металлических или каменных поверхностях. Однако многие ламинированные поверхности и плиты с керамическим покрытием легко повреждаются этими абразивными составами. Даже керамическая/гончарная посуда или кухонная посуда могут повредить эти поверхности, особенно дно посуды, которое часто частично или полностью не покрыто глазурью и действует как просто еще один связанный абразив.

Металлические кастрюли и плиты часто чистят абразивными чистящими средствами, обычно в виде вышеупомянутого крема или пасты, или стальной ваты и нетканых чистящих подушечек , которые содержат мелкозернистые абразивы.

Кожа человека также подвергается истиранию в виде шелушения. Абразивы для этого могут быть намного мягче и экзотичнее, чем для других целей, и могут включать в себя такие вещества, как миндаль и овсянка . Дермабразия и микродермабразия в настоящее время являются довольно распространенными косметическими процедурами, в которых используются минеральные абразивы.

Поцарапанные компакт-диски и DVD -диски иногда можно восстановить путем полировки очень мелким 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 разрушению защитного покрытия диска (особенно если первоначальная царапина глубокая), и в это время поверхность данных будет разрушена, если истирание продолжится.

Выбор абразива

Форма, размер и характер обрабатываемой детали, а также желаемая отделка будут влиять на выбор используемого абразива. Абразивный шлифовальный круг со связкой можно использовать для коммерческой заточки ножа (с образованием полой заточки ), но затем человек может заточить тот же нож с помощью натурального точильного камня или даже гибкого абразива с покрытием (например, наждачной бумаги), приклеенного к мягкой, нескользящая поверхность, облегчающая достижение выпуклого шлифования. Точно так же латунное зеркало можно вырезать с помощью связанного абразива, сгладить его поверхность с помощью абразива с покрытием для придания основной формы, а затем последовательно наносить более мелкие сорта абразива, завершающиеся нанесением восковой пасты, пропитанной румянами, чтобы оставить своего рода « Беззернистая отделка», называемая в данном случае «зеркальной отделкой».

Кроме того, разные формы клея могут затруднить шлифовку определенных участков заготовки. Опасность для здоровья может возникнуть из-за любой образующейся пыли (которая может быть уменьшена за счет использования смазки), которая может привести к силикозу (когда абразив или заготовка представляют собой силикат ) и выбор любой смазки. Помимо воды, масла являются наиболее распространенными смазочными материалами. Они могут представлять опасность при вдыхании, опасность контакта и, поскольку трение обязательно вызывает выделение тепла, опасность горючих материалов.

Слишком твердый или слишком крупный абразив может удалить слишком много материала или оставить нежелательные царапины. Помимо неприглядного вида, царапины могут иметь и другие, более серьезные последствия. Чрезмерное истирание или наличие царапин может:

  • уменьшать или уничтожать полезность (например, царапать оптические линзы и компакт-диски или затуплять ножи );
  • задерживать грязь, воду или другие материалы;
  • увеличить площадь поверхности (позволяя увеличить химическую реактивность , такую ​​как повышенное ржавление , на которое также влияет вещество, попавшее в царапины);
  • разрушать или проникать в покрытие (например, краску, химическое или износостойкое покрытие);
  • слишком быстро изнашивать предмет (например, лезвие или драгоценный камень);
  • увеличить трение (например, в подшипниках и поршнях , украшенных драгоценными камнями ).

Более мелкий или мягкий абразив имеет тенденцию оставлять гораздо более мелкие царапины, которые могут быть даже невидимы невооруженным глазом («беззернистая отделка»); более мягкий абразив может даже незначительно стереть определенный объект. Более мягкий или более мелкий абразив потребует больше времени для резки, так как он имеет тенденцию резать менее глубоко, чем более грубый и твердый материал. Кроме того, более мягкий абразив может стать менее эффективным быстрее, поскольку сам абразив истирается. Это позволяет использовать мелкие абразивы для полировки металла и линз, когда ряд все более мелких царапин имеет тенденцию приобретать гораздо более блестящий или отражающий вид или большую прозрачность . Для покрытия ремешка опасной бритвы можно использовать очень мелкие абразивы , однако цель ребрения состоит не в том, чтобы стереть материал, а в том, чтобы выпрямить заусенец на лезвии. Заключительный этап заточки японских мечей называется полировкой и может быть разновидностью суперфинишной обработки .

Для изменения режущих свойств абразива могут быть внесены различные химические или структурные модификации.

Другими очень важными соображениями являются цена и доступность. Алмаз, долгое время считавшийся самым твердым из существующих веществ, на самом деле мягче фуллерита и даже более твердых агрегатов алмазных наностержней , оба из которых были синтезированы в лабораториях, но коммерческий процесс еще не разработан. Алмаз сам по себе дорог из-за дефицита в природе и стоимости его синтеза. Бокситы - очень распространенная руда , которая, наряду с достаточно высокой твердостью корунда, способствует статусу корунда как обычного недорогого абразива.

Необходимо продумать желаемую задачу об использовании соответствующего твердого абразива. С одной стороны, использование слишком твердого абразива приводит к пустой трате денег из-за его износа, в то время как более дешевого и менее твердого абразива было бы достаточно. С другой стороны, если абразивное вещество слишком мягкое, истирание не происходит своевременно, что приводит к нерациональному расходу абразива, а также к дополнительным затратам, связанным с потерей времени.

Другие случаи истирания

Помимо вышеупомянутого использования для придания формы и отделки, абразивы также могут использоваться для подготовки поверхностей к нанесению какой-либо краски или клея. Чрезмерно гладкая поверхность может препятствовать прилипанию краски и клея настолько сильно, насколько это возможно на неровной поверхности. Наборы для ремонта надувных шин (которые, в частности, для велосипедов, на самом деле представляют собой заплатки для внутренней камеры , а не для шины) требуют использования абразива, чтобы самовулканизирующийся клей прочно держался.

Непреднамеренно люди, использующие ножи на стеклянных или металлических разделочных досках , стирают лезвия своих ножей. Давление на острие ножа может легко создать микроскопические (или даже макроскопические) надрезы на доске. Этот разрез является готовым источником абразивного материала, а также наполненным этим абразивом каналом, по которому скользит лезвие. По этой причине и без учета пользы для здоровья деревянные доски гораздо более желательны. Аналогичная ситуация возникает со стеклорезами . Стеклорезы имеют круглые лезвия, которые катятся, а не скользят. Они никогда не должны повторять уже выполненный разрез.

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 вызывать абразивный износ компонентов с жесткими допусками . Нагар возникает из-за чрезмерного нагрева моторного масла или из -за неполного сгорания . Эта сажа может содержать фуллерены , которые известны своей чрезвычайной твердостью, а также малым размером и ограниченным количеством, что, как правило, ограничивает их действие.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки