Абразивные материалы: виды и применение¶

Абразив (от лат. abrasio — соскабливание) — материал повышенной твёрдости, предназначенный для механической обработки поверхностей других материалов путём резания, истирания, шлифования или полирования. Абразивы применяются для удаления слоя материала с заготовки, придания ей заданной формы, шероховатости или размеров, а также для заточки режущего инструмента. Обработка абразивами является одним из древнейших технологических процессов; в современной промышленности она составляет значительную часть всех операций финишной обработки деталей.

¶Физическая сущность процесса

Абразивная обработка основана на микрорезании: каждое отдельное зерно абразива, внедряясь в поверхность обрабатываемого материала, снимает с неё тонкую стружку или оставляет царапину. Эффективность процесса зависит от соотношения твёрдости абразива и обрабатываемого материала — абразив должен быть твёрже последнего. Помимо твёрдости, важными характеристиками являются прочность зерна, его хрупкость (способность раскалываться для образования новых режущих кромок), теплостойкость и химическая инертность по отношению к обрабатываемому материалу.

¶Классификация абразивных материалов

¶По происхождению

Природные абразивы: алмаз, корунд, наждак, кварц, кремень, пемза, гранат, полевой шпат. В древности и средневековье использовались почти исключительно природные камни: песчаник, точильный камень, трепел.
Синтетические (искусственные) абразивы: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетический алмаз, кубический нитрид бора (эльбор, CBN), оксид хрома, оксид алюминия. С конца XIX века искусственные материалы постепенно вытесняют природные благодаря более стабильным свойствам и меньшей стоимости.

¶По химическому составу

Алмазные абразивы (природный и синтетический алмаз) — самые твёрдые из известных веществ (10 по шкале Мооса). Используются для обработки твёрдых сплавов, стекла, керамики, камня.
Корундовые (электрокорунд, монокорунд, наждак) — на основе оксида алюминия Al₂O₃. Основной абразив для обработки сталей и чугунов.
Карбидные (карбид кремния SiC — карборунд, карбид бора B₄C) — твёрже корунда, но хрупче; применяются для обработки чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов.
Бор-нитридные (кубический нитрид бора, эльбор) — по твёрдости близки к алмазу, но значительно превосходят его по теплостойкости (до 1400 °C против 800 °C у алмаза). Оптимальны для обработки закалённых сталей.
Мягкие абразивы (оксид хрома, оксид железа — крокус, пемза, мел, тальк) — применяются для финишного полирования и в составе полировальных паст.

¶По форме применения

Свободный абразив — порошок, суспензия или паста, подаваемые в зону обработки без жёсткой связки. Используется в пескоструйной обработке, ультразвуковой обработке, притирке, полировке.
Связанный абразив — зерно, закреплённое в связке (керамической, органической, магнезиальной, металлической) в виде кругов, головок, сегментов, брусков.
Абразив на гибкой основе — зерно, нанесённое на бумагу, ткань или плёнку: шлифовальная шкурка, абразивные ленты, диски.
Абразивные пасты и суспензии — зерно в жидкой или пастообразной среде (алмазные пасты, полировальные составы).

¶Основные виды абразивного инструмента

Шлифовальные круги — наиболее распространённый вид абразивного инструмента. Представляют собой тела вращения с абразивными зёрнами, скреплёнными связкой. Различают круги плоские, чашечные, тарельчатые, конические. Применяются на шлифовальных станках для черновой и чистовой обработки.

Абразивные бруски и сегменты — инструмент для хонингования (отделки цилиндров двигателей) и суперфиниширования. Обеспечивают высокую точность и низкую шероховатость поверхности.

Шлифовальная шкурка (наждачная бумага) — гибкий абразивный инструмент. Зерно наносится на бумажную или тканевую основу. Классифицируется по номеру зернистости: от крупной (Р12–Р60) для черновой обработки до микроскопической (Р2000–Р5000) для полировки.

Абразивные ленты — шкурка, замкнутая в кольцо; применяется в ленточно-шлифовальных станках.

Абразивные головки — инструмент малых размеров на металлическом хвостовике для бормашин и гравировальных аппаратов.

Абразивный порошок — применяется для пескоструйной обработки, гидроабразивной резки, притирки клапанов и в свободном виде.

¶Технологии абразивной обработки

Шлифование — обработка абразивным кругом на станке. Обеспечивает точность до 5–6 квалитета и шероховатость Ra 0,16–1,25 мкм.
Полирование — обработка мягкими абразивами для получения зеркальной поверхности с шероховатостью Ra менее 0,02 мкм.
Хонингование — отделка цилиндрических поверхностей брусками с возвратно-поступательным движением.
Суперфиниширование — финишная обработка с малым давлением и вибрацией инструмента.
Пескоструйная обработка — очистка поверхностей струёй абразива, подаваемой сжатым воздухом.
Гидроабразивная резка — разрезание материалов струёй воды с абразивными частицами под высоким давлением.
Ультразвуковая обработка — абразивная суспензия подаётся в зазор между инструментом и заготовкой, колеблющимися с ультразвуковой частотой.
Притирка — взаимная обработка двух поверхностей со свободным абразивом для достижения высокой точности прилегания.

¶Характеристики абразивных материалов

Зернистость — размер абразивных зёрен. По ГОСТ 3647-80 и международному стандарту FEPA обозначается номером, соответствующим размеру зерна в сотых долях миллиметра (например, зерно 40 — 0,4 мм) или буквенно-цифровым индексом для шкурок (P60, P120, P800).

Твёрдость — способность инструмента удерживать зерно в связке. Измеряется по шкале от мягких (М) до сверхтвёрдых (СТ) сочетаний.

Структура — соотношение объёмов абразивного зерна, связки и пор в инструменте. Открытая (пористая) структура лучше отводит тепло и стружку.

Связка — материал, удерживающий зёрна. Керамическая связка (на основе глины и полевого шпата) обеспечивает жёсткость и теплостойкость; органическая (бакелитовая, вулканитовая) — упругость; металлическая — прочность для алмазных и эльборовых инструментов.

¶Применение

Абразивы используются практически во всех отраслях промышленности: в машиностроении (обработка деталей двигателей, подшипников, режущего инструмента), металлургии (зачистка проката), строительстве (резка и шлифовка бетона, камня, керамической плитки), деревообработке, стекольной и ювелирной промышленности, стоматологии (боры), электронике (резка полупроводниковых пластин). В быту абразивные материалы применяются в виде наждачной бумаги, полировальных паст, чистящих порошков, пилок для ногтей.

¶История

Первые абразивные инструменты — точильные камни из песчаника — использовались ещё в каменном веке. В Древнем Египте для обработки твёрдых пород камня применяли кварцевый песок и корунд. Пемза была известна древним грекам и римлянам. В средние века широко использовались природный наждак и точильные сланцы. Изготовление первых шлифовальных кругов на керамической связке началось в Европе в 30-х годах XIX века. В 1891 году американский изобретатель Эдвард Ачесон получил карбид кремния (карборунд), что положило начало производству синтетических абразивов. В 1897 году французский химик Анри Муассан синтезировал электрокорунд. Синтетический алмаз впервые был получен в 1954 году в Швеции и США; советская технология синтеза алмазов была разработана в Институте физики высоких давлений АН СССР в 1960-х годах под руководством Леонида Верещагина.

¶Интересные факты

Твёрдость абразивов оценивается по шкале Мооса: алмаз — 10, корунд — 9, карбид кремния — 9,5.
В ювелирном деле для огранки алмазов используют только алмазный порошок, так как обработать алмаз можно лишь другим алмазом.
Обычный кварцевый песок — самый массовый абразив: его применяют в пескоструйных аппаратах и при резке камня.
Абразивная обработка — одна из самых энергоёмких операций: до 80 % энергии в шлифовании расходуется на тепло, а не на съём материала.