Абразивные материалы

Люди использовали орудия труда еще в далеком прошлом. При их изготовлении они обнаружили, что одни материалы тверже других и из них не только получаются более долговечные орудия, но их можно использовать для придания другим орудиям более подходящей формы, чем природная. Это открытие привело к осознанному отбору твердых материалов, используемых в качестве абразивов, а со временем и к созданию грубой шкалы твердости минералов. Абразивами являются также твердые материалы, которые используются для изменения формы, отделки поверхности и точки инструментов и других предметов. Другими словами, абразивы используются для зачистки орудий труда и придания им нужной формы и размеров.

Позднее, с ростом требований промышленности, развивалась добыча и обработка природных абразивов и одновременно росло производство инструментов и станков с их использованием. За этим последовало производство самих абразивов, ставшее теперь важной отраслью промышленности. Стоимость ежегодного мирового потребления абразивов и абразивных инструментов превышает 1 млрд. дол.

В 20-х годах XIX в. немецкий минералог Ф. Моос предложил шкалу твердости, включающую в качестве стандартных десять минералов. Определение твердости по шкале Мооса основывается на способности одного минерала оставлять царапину на другом. Например, на топазе, имеющем по шкале Мооса твердость 8, может оставить царапину корунд, твердость которого 9, а топаз может процарапать кварц, твердость которого 7. Шкала удобна для практического применения и полезна для определения минералов. Твердость некоторых распространенных абразивов указана ниже.

Абразив Твердость
Трепел 5-6
Кварц 7
Гранат 8
Корунд, глинозем, карбид кремния 9
Кубический нитрид бора 9+
Алмаз 10

Минералы с твердостью по шкале Мооса около 6 или выше могут рассматриваться в качестве естественных абразивов. Среди них находят применение кварцевый песок, гранат, наждак, корунд и алмаз. Искусственные абразивы включают в себя глинозем, карбид кремния, карбид бора, кубический нитрид бора и алмаз. В настоящее время, для того чтобы обеспечить контроль свойств и их постоянство, большинство промышленных абразивов изготавливается искусственно.

В таблице приведены сведения о потреблении (производстве) основных абразивов по данным Минералогического ежегодника (Minerals Yearbook) за 1972 г. Потребление алмаза в качестве абразива в США за 1977 г. оценивается примерно в 30 млн. кар (6 т), мировое потребление — примерно в 85 млн. кар (17 т). Данные в таблице включают и употребление вещества не только как абразива. Так, трепел, карбид кремния и кремнезем используются в качестве наполнителей, карбид кремния и глинозем — в качестве огнеупорного материала (огнеупорный кирпич).

Производство (потребление) абразивов в 1972 г., т

Абразив В США В мире
Естественные
Трепел 80 000 Нет данных
Кремнезем 3 000 Нет данных
Гранат 17 000 19 000
Наждак и корунд 2 600 120 000*
Искусственные
Карбид кремния* 150 000** 460 000
Глинозем 168 000** 630 000
Металлические абразивы 215 000** Нет данных

* Включая и используемый в качестве огнеупоров и для других целей.

** В США и Канаде.

Трепел является естественным абразивом, который (например, в Северной Африке) представляет собой в основном аморфную окись кремния, или диатомовую землю. По сравнению с другими он более слабый и мягкий абразив, поэтому употребляется на завершающем этапе обработки относительно мягких инструментов.

Большие обломки кремнистых пород употреблялись в качестве точильного камня или истирающей поверхности, но ныне они почти полностью вытеснены искусственными абразивами.

Гранат, добываемый для использования в качестве абразива, обычно представляет собой сложный силикат алюминия, магния, железа. Он используется главным образом в качестве абразивного материала для обработки дерева, стекла и некоторых металлов.

Наждак представляет собой разновидность природного корунда, содержащего магнетит и гематит. Он используется в качестве наполнителя для покрытия шероховатых поверхностей и в виде наждачных полотен и кругов.

Корунд — природный оксид алюминия с примесями. Используется для шлифования и полирования стекла, но почти полностью вытеснен искусственным оксидом алюминия. Мировая добыча естественного корунда в 1972 г. составила 7900 т.

Переработка естественных абразивов включает в себя выделение, дробление, растирание, просеивание и разделение по размеру и форме частиц.

Карбид кремния получается при взаимодействии кремнезема, нефтяного кокса, соли и опилок и электрической печи по технологии предложенной в 1891 г. Э. Ачесоном. Выращивают зерна двух типов: окрашенные в зеленый и черный цвет. Зеленое зерно обычно более чистое, более хрупкое и ломкое. Оно используется для шлифования твердых хрупких веществ, таких как цементированные карбиды. Черное зерно менее хрупко и более широко используется для придания формы и резания неметаллических материалов — стекла, керамики, природных камней, бетона.

Оксид алюминия, или глинозем, получается при плавлении боксита (природного оксида алюминия с примесями). Для удаления примесей добавляются кокс и железо. Использование различных добавок и вариации технологии процесса делают возможным получение зерна разной прочности или хрупкости. Основной добавкой для регулирования прочности является титан. Применяется глинозем главным образом при шлифовании всех типов существенно железистых и других подобных материалов.

Металлические абразивы — стальная и железная дробь — используются для чистки и обработки прочных металлических поверхностей путем воздействия дроби в струе воздуха.

Промышленные алмазные абразивы готовят из природного материала, а также получают синтетически. Естественный алмаз дробится и сортируется по форме и размеру. Искусственный алмаз выращивается из графита в присутствии катализаторов при крайне высоких давлениях и температурах. По большей части искусственный алмаз выращивается непосредственно до требуемых размеров и формы. Регулирование процесса синтеза алмазов позволяет широко варьировать прочность и другие свойства зерна, так что зерна алмаза производятся со свойствами, подходящими для связанных систем или отвечающими другим специальным требованиям. Алмаз как абразив используется главным образом для распиливания, шлифования и полирования неметаллических материалов, таких как стекло, камень, керамика, металлокерамика.

Новейшие синтезированные абразивы включают кубический нитрид бора, который приобретает все большее значение при заключительной обработке твердых легированных сталей, и оксид циркония-алюминия, который используется прежде всего для шлифовальных шкурок.

Абразивные материалы используются в виде связанных абразивов, в форме шлифовальных полотен или в несвязанной форме. Связанные абразивы, где абразивный материал находится в смолистой, металлической или стеклянной цементирующей среде, обычно применяются в инструментах, имеющих форму шлифовальных кругов, пил, дисков и жерновов. К другим формам связанных абразивов относятся точильные круги, бруски, камни для ручной точки инструментов и окончательной отделки отливок. В шлифовальных полотнах абразивный материал закрепляется на бумаге, ткани, волокне или составной основе, обычно с органическим связующим веществом. Они используются как ленты, диски и листы для ручной работы и в станках. Несвязанные абразивы обычно употребляются в тестообразном состоянии, в водной или масляной среде, иногда с добавлением смазочных материалов или ингибиторов. Абразивная масса циркулирует между вращающейся или вибрирующей шлифовальной пластиной и обрабатываемым предметом. Обычно несвязанные абразивы используются для доводки, полирования или в том случае, когда стоимость абразива очень низка (например, кварцевый абразив). Тем не менее для полирования твердых материалов используется даже алмазный порошок.