Абразивные материалы. Общие сведения

Абразивные материалы (фр. abrasif — шлифовальный, от лат. abradere — соскабливать) — это вещества, обладающие высокой твердостью и применяемые для обработки различных поверхностей. Они используются при формировании или отделке заготовки методом трения, что приводит к снятию поверхностного слоя материала с обрабатываемого участка. В результате работы может быть получена как выглаженная, отполированная поверхность, так и поверхность с необходимой шероховатостью.


Источник фото: https://www.geolib.net/mineralogy/kvarc.html

Абразивные материалы делятся по твердости (сверхтвердые, твердые, мягкие) и химическому составу, а также по величине шлифовального зерна (крупное грубое, среднее, тонкое, особо тонкое).  Величина зерен измеряется по стандартам различных международных систем измерения: FEPA, JIS и т.д. В российском ГОСТе применяются микрометры.  Размер частиц стандартных абразивов колеблется в пределах от 2 мм (2000 мкм) до 40 мкм. Механика их работы в процессе шлифовки определяется формой и твердостью. Зерна абразивов имеют шероховатые края, часто оканчивающиеся точками, которые уменьшают контактную площадь поверхности, за счет чего происходит локализация давления в этом месте. Когда абразив и обрабатываемый материал соприкасаются, сила, приложенная к зернам, вызывает отрыв фрагментов обрабатываемого материала, одновременно сглаживая абразивное зерно и/или вызывая отделение зерна от остального абразива. Чем более прочно зерно закреплено в абразивном слое, тем меньшему износу он подвержен и тем больший рабочий ресурс имеет.


Источник фото: https://clck.ru/qBNJT

Как правило, материалы, используемые в качестве абразивов, представляют собой либо твердые минералы (от 6 баллов и выше по шкале Мооса), либо синтетические камни, некоторые из которых могут быть химически и физически идентичны природным. Самым ярким примером может служить алмаз, который добывается при разработке месторождений и в то же время выращивается искусственно в лабораторных условиях. При этом оба варианта абразива имеют одинаковые рабочие качества.

Природные абразивные материалы

Алмаз - кубическая аллотропическая форма элементарного углерода, добывается в коренных (кимберлитовые трубки) и россыпных месторождениях (см.статью). Это самый дорогой природный абразив, который из-за своей стоимости практически не используется для абразивных работ.


Источник фото: https://npral.ru/news/pyat-vazhnykh-istin-o-prirodnykh-almazakh/

Наждак - природный минерал, состоит из корунда и магнетита — черного магнитного оксида железа. Используется людьми как основной и самый доступный абразивный материал в течении нескольких тысячелетий. 


Источник фото: https://alexander-td.com/ru/blog/nazhdak

Корунд - кристаллический оксид алюминия, является одним из самых твердых минералов, уступает только алмазу. Добывается в россыпях и иногда в рудах. Практически не применяется, как абразив, так как замещен своим синтетическим, более дешевым аналогом.


Источник фото: https://kamenis.com/korund/korund-kamen/

Диатомит – минерал, состоящий из раковин древних моллюсков и ракообразных (диатомей) более чем на 50% от массы. Используется в полировальных пастах. 


Источник фото: https://clck.ru/qBJBM

Гранат – группа минералов, встречающихся в составе кристаллических сланцев и гнейсов. Содержится в природных абразивах в виде примесей, при этом основное вещество породы выступает природной связкой, прочно удерживая его зерна. 


Источник фото: https://clck.ru/qBKC5

Кварц - кристаллическая двуокись кремния, один из самых распространенных минералов земной коры. Является основным минералом для самых качественных и дорогих природных абразивов. 


Источник фото: https://mineralpro.ru/minerals/quartz/

Часто применяемые синтетические абразивные материалы

Искусственный алмаз - кубическая аллотропическая форма элементарного углерода, которая синтезируется при высоком давлении. Применяется повсеместно для обработки твердых сплавов, камня, стекла, цветных металлов и т.п. Относиться к наиболее популярным абразивам. 


Источник фото: https://russian.alibaba.com/Popular/CN_rough-diamonds-from-india-Trade.html

Кубический нитрид бора (боразон, эльбор, CBN). Синтезируется при высоком давлении, путем нагревания бора и азота в присутствии различных растворителей-катализаторов. Наряду с искусственным алмазом относится к самым производительным и дорогим синтетическим абразивам.


Источник фото: https://scientificrussia.ru/articles/12-fevrala-1957-goda-robert-ventorf-polucil-borazon-kubiceskij-...


Сплав бор-углерод-кремний - сверхтвёрдый материал с микротвёрдостью (твердостью отдельных участков микроструктуры), превышающей 70 ГПа. Создается в процессе плавления кокса, кварца и борного ангидрида в электродуговой печи, с последующим дроблением и классификацией по крупности зёрен.



Источник фото: http://phyjnc.com/en/product/7_1

Карбид бора — бинарное соединение бора с углеродом. Третий по твердости абразив после алмаза и эльбора.


Источник фото:   https://snabcomplekt.com/helpful-information/primenenie-karbid-bora/

Карбид кремния - бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом. Один из самых популярных абразивных материалов, широко используется для обработки различных сталей. 


Источник фото: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/karbid-kremniya.html

Электрокорунд – искусственный оксид алюминия, второе по популярности абразивное вещество, после карбида кремния. Используется для обработки различных твердых поверхностей, как в виде абразивных материалов на связке, так и в виде различных мягких паст.


Источник фото: https://liv-unikon.com.ua/ru/glynozem-metallurgycheskyj.html

К синтетическим абразивам относятся также и другие вещества, применяемые в промышленности: нитрид алюминия, нитрид кремния, оксид циркония, двуокись церия, двуокись олова, окись хрома, двуокись титана и т.п. 

Связка абразивных материалов

Для удобства применения в промышленности абразивное зерно помещается в специальную матрицу – связку, крепко удерживающую абразив, чаще всего путем запекания при высоких температурах (см.статью). Благодаря связке, абразивным материалам можно придать любую форму, необходимую для применения в разнообразных производственных условиях. Связка позволяет абразиву получить дополнительные свойства и более вариативно подбирать его под необходимые задачи. Функцию связки могут исполнять и различные покрытия, поверх которых наносится абразивное зерно. Также абразив может использоваться и в свободном виде, при различных вариантах струйной обработки, галтовки свободно катающимися телами и т.п. Применяются абразивы в форме разнообразных инструментов: обрезных и шлифовальных кругов, брусков разных размеров, лент, наждачной бумаги, специальных полировальных паст и т.п.

Источник фото: https://aif.by/vybor/kakie_abrazivnye_krugi_i_diski_vybrat_dlya_raboty

Основными видами обработки поверхностей являются: круглое и плоское шлифование, шлифование лентой, притирка, гидроабразивная и пескоструйная обработка, ультразвуковая обработка, хонингование (обработка отверстий), полирование и супершлифование (применяется для высокоточных механизмов, приборов, и т.п.).

Абразивы играют исключительную роль в современной промышленной обработке прочных и твердых материалов, участвуя в создании большинства производимых человеком изделий. При этом лишь малая их часть может быть задействована в эффективной, быстрой и качественной обработке закаленной стали и использоваться в операциях связанных с ее шлифовкой, в том числе и в заточке.