Абразивные материалы

Абразивные материалы — это вещества, обладающие высокой твёрдостью и используемые для механической обработки поверхностей (шлифования, полирования, резки, заточки) путём снятия с них тонкого слоя материала. Абразивы применяются как в виде свободных зёрен (порошков, паст, суспензий), так и в виде закреплённых частиц на гибкой или жёсткой основе (шлифовальные круги, шкурки, бруски, ленты). Основными характеристиками абразивных материалов являются твёрдость, абразивная способность, зернистость, прочность и термостойкость.

История

Использование абразивных материалов восходит к доисторическим временам. Первобытные люди применяли песок, пемзу и мелкозернистые породы для заточки каменных орудий и обработки кости. В Древнем Египте для шлифовки камня и изготовления зеркал использовали кварцевый песок и корунд. В Древней Греции и Риме для полировки мрамора и металлов применяли наждак (смесь корунда с магнетитом).

В Средние века развитие металлообработки привело к созданию точильных камней из песчаника и сланца. В XVIII веке с началом промышленной революции возникла потребность в более эффективных абразивах. В 1893 году американский химик Эдвард Ачесон впервые синтезировал карбид кремния (карборунд), а в 1897 году — электрокорунд, что положило начало производству искусственных абразивов. В XX веке были разработаны сверхтвёрдые абразивные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора, а также синтетические полирующие составы.

Классификация

Абразивные материалы классифицируют по нескольким признакам.

По происхождению

• Природные (естественные): алмаз, корунд, наждак, гранат, кварц, кремень, пемза, диатомит, мел, трепел. Добываются в месторождениях и подвергаются минимальной обработке (дробление, сортировка).
• Искусственные (синтетические): электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, кубический нитрид бора (эльбор, боразон), синтетический алмаз, оксид алюминия, оксид хрома. Создаются в промышленных условиях методами плавки, спекания, химического синтеза.

По твёрдости

• Сверхтвёрдые: алмаз (10 по шкале Мооса), кубический нитрид бора (9,8–9,9).
• Твёрдые: карбид кремния (9,5–9,6), электрокорунд (9,0–9,2), корунд (9,0), карбид бора (9,3–9,5).
• Средней твёрдости: гранат (6,5–7,5), кварц (7,0), кремень (7,0).
• Мягкие: пемза (5,0–6,0), мел (1,0–2,0), диатомит (1,0–1,5), оксид хрома (5,0–6,0).

По зернистости

Зернистость — размер абразивных зёрен, определяемый ситовым анализом. В России и странах СНГ используется ГОСТ 3647-80, где номер зернистости соответствует размеру ячейки сита в сотых долях миллиметра. Основные группы:

• Шлифзерно (крупное): от № 200 до № 16 (2000–160 мкм) — для обдирки, черновой обработки.
• Шлифпорошки: от № 12 до № 3 (125–30 мкм) — для чистового шлифования.
• Микропорошки: от М63 до М3 (63–3 мкм) — для доводки, полирования.
• Тонкие микропорошки: от М1 и мельче (1 мкм и менее) — для суперфинишной обработки, оптики.

По форме и способу применения

• Свободные абразивы: порошки, пасты, суспензии, абразивные ленты, шкурки.
• Закреплённые абразивы: шлифовальные круги, бруски, сегменты, головки, диски, отрезные круги, хонинговальные бруски.

Основные виды абразивных материалов

Электрокорунд

Электрокорунд — искусственный абразивный материал на основе оксида алюминия (Al₂O₃), получаемый плавкой бокситов или глинозёма в электродуговых печах. Различают несколько марок:

• Нормальный электрокорунд (14А, 15А, 16А): содержит 92–95% Al₂O₃, используется для обработки стали, чугуна, цветных металлов.
• Белый электрокорунд (22А, 23А, 24А): содержит 98–99% Al₂O₃, обладает высокой твёрдостью и хрупкостью, применяется для чистовой обработки закалённых сталей, инструментальных материалов.
• Монокорунд (43А, 44А): состоит из отдельных кристаллов корунда, обеспечивает высокую стойкость и качество обработки.
• Хромистый электрокорунд (33А, 34А): легирован оксидом хрома, используется для шлифования нержавеющих и жаропрочных сталей.

Карбид кремния

Карбид кремния (SiC) — искусственный абразив, получаемый в электрических печах из кварцевого песка и кокса. Отличается высокой твёрдостью (уступает только алмазу и кубическому нитриду бора) и остротой зёрен. Делится на:

• Чёрный карбид кремния (53С, 54С): содержит 96–98% SiC, используется для обработки чугуна, цветных металлов, керамики, стекла, камня.
• Зелёный карбид кремния (63С, 64С): содержит 98–99% SiC, более чистый и твёрдый, применяется для обработки твёрдых сплавов, титана, кремния, а также для хонингования и суперфиниширования.

Сверхтвёрдые абразивные материалы

• Алмаз (природный и синтетический): самый твёрдый природный материал. Синтетические алмазы производят при высоких давлениях и температурах. Используются для шлифования и резки твёрдых сплавов, стекла, керамики, камня, а также в буровых коронках. Алмазные пасты и порошки применяются для доводки и полирования.
• Кубический нитрид бора (КНБ, эльбор, боразон): по твёрдости близок к алмазу, но значительно превосходит его по термостойкости (до 1400°C) и химической инертности к железу. Оптимален для обработки сталей, особенно закалённых и быстрорежущих, а также чугуна. В России выпускается под марками «Эльбор» и «Кубонит».

Природные абразивы

• Корунд: природный оксид алюминия, часто содержит примеси. Используется для шлифования стекла, оптики, в часовой промышленности.
• Наждак: смесь корунда с магнетитом, гематитом и кварцем. Применяется для изготовления шлифовальной шкурки и точильных камней.
• Гранат: минерал с твёрдостью 6,5–7,5, даёт острое зерно. Используется в шлифовальной шкурке для обработки дерева, кожи, мягких металлов.
• Пемза: пористое вулканическое стекло, мягкий абразив. Применяется для полировки металлов, дерева, пластмасс, в бытовых чистящих средствах.

Применение

Абразивные материалы используются практически во всех отраслях промышленности и в быту.

• Металлообработка: шлифование, полирование, заточка режущего инструмента, хонингование, суперфиниширование, отрезка заготовок.
• Строительство и обработка камня: резка и шлифовка бетона, гранита, мрамора, кирпича; абразивоструйная очистка поверхностей.
• Деревообработка: шлифование древесины, шпона, фанеры; удаление старого лака.
• Стекольная и оптическая промышленность: шлифовка и полировка линз, зеркал, стеклопакетов.
• Электронная промышленность: резка полупроводниковых пластин (кремний, сапфир), полировка подложек.
• Бытовая сфера: наждачная бумага, точильные камни, чистящие порошки и пасты (например, на основе оксида хрома).
• Медицина: алмазные боры и диски для стоматологии, микрохирургические инструменты.

Технологии и оборудование

Для обработки абразивными материалами применяют различные станки и инструменты:

• Шлифовальные станки: плоскошлифовальные, круглошлифовальные, внутришлифовальные, бесцентровые.
• Отрезные станки: с абразивными кругами для резки металла, камня, бетона.
• Хонинговальные станки: для финишной обработки цилиндрических отверстий.
• Суперфинишные станки: для получения поверхностей с шероховатостью Ra до 0,01 мкм.
• Пескоструйные (абразивоструйные) аппараты: для очистки поверхностей струёй абразивного порошка (кварцевый песок, купершлак, никельшлак, гранатовый песок).
• Ручной инструмент: шлифовальные машинки (болгарки), ленточные шлифмашины, вибрационные шлифмашины, точила.

Техника безопасности

Работа с абразивными материалами сопряжена с рядом опасностей:

• Образование мелкодисперсной пыли (абразивной и металлической), которая может вызывать респираторные заболевания (силикоз, пневмокониоз). Требуется использование респираторов и вытяжной вентиляции.
• Высокая скорость вращения абразивных кругов (до 80 м/с и более). Разрушение круга может привести к травмам. Обязательны защитные кожухи, испытания кругов на прочность, использование средств индивидуальной защиты (очки, щитки).
• Термические ожоги от искр и разогретой обрабатываемой поверхности.
• Шум, превышающий допустимые нормы, требует применения средств защиты слуха.

Интересные факты

• Самый крупный в мире искусственный алмаз массой 10,2 карата был выращен в 2015 году в Китае.
• В России впервые в мире был разработан и внедрён в промышленность кубический нитрид бора (эльбор) в 1960-х годах.
• Абразивная обработка позволяет достичь шероховатости поверхности, сравнимой с длиной световой волны (менее 0,1 мкм).
• В древности для полировки драгоценных камней использовали толчёный алмаз, смешанный с оливковым маслом.

Источники

1. ГОСТ 3647-80 «Материалы шлифовальные. Классификация. Зернистость и зерновой состав».
2. Абразивные материалы и инструменты: Справочник / Под ред. И. А. Голубкова. — М.: Машиностроение, 1986.
3. Маслов Е. Н. Теория шлифования материалов. — М.: Машиностроение, 1974.
4. Технология абразивной обработки: Учебное пособие / В. А. Носенко, В. С. Ковальчук. — М.: Высшая школа, 1990.
5. Энциклопедия полимеров и композитов. Том 1. — М.: Химия, 2008.