Abraziv

Abrazivii sunt substanțe naturale sau artificiale de mare duritate utilizate în prelucrarea mecanică. Utilizarea lor a fost cunoscută încă din cele mai vechi timpuri, dovadă fiind depozitele de smirghel din insula greacă Naxos și depozitele de piatră ponce din insulele Eoliene . Caracteristicile care disting un abraziv sunt duritatea ridicată, fragilitatea foarte scăzută și natura cristalină . Au nenumărate utilizări pentru nenumărate materiale, în funcție de suportul care se modifică, unele aplicații sunt: ​​ascuțirea, tăierea, săpunurile abrazive, pastele abrazive etc.

Cei mai cunoscuți abrazivi naturali sunt cuarț , corindon , silice , piatră ponce , gresie , diamant , smirghel , pământ de diatomee , granat . Printre cele artificiale se numără oxizii de aluminiu , crom , fier , azidă de bor , carbură de siliciu , sticlă , carbură de bor .

Utilizarea abrazivilor se poate face sub formă de pulbere; aplicat pe foi de hârtie sau pânză; sau sinterizate pentru a forma roți sau pietre abrazive.

Caracteristici

Duritate

Cea mai importantă caracteristică a abrazivilor este duritatea și există diferite metode de măsurare a acesteia. Cea mai veche este reprezentată de scara Mohs , ușor de aplicat și specifică mineralelor: constă în succesiunea a 10 specii de minerale în care următorul este capabil să zgârie mineralul care o precede. Această scală este aproximativă și neliniară, astfel încât au fost introduse și alte scale de duritate, inclusiv scala Knoop , care exprimă măsurarea durității în kg / mm ² și este deosebit de potrivită pentru materiale fragile și foarte dure.

Măsurarea durității se efectuează cu ajutorul durometrelor, un instrument care apasă un vârf de diamant cu o anumită presiune (pentru a nu fi deformabil) în materialul a cărui duritate este căutată. Raportul numeric dintre sarcina aplicată (greutatea în kg) și secțiunea maximă a inciziei (lungimea în mm) produce valoarea durității (kg / mm²).

Compoziție chimică

Un alt factor important de luat în considerare este natura chimică, deoarece caracterizează comportamentul abrazivului în funcție de materialul de contact. Deoarece suntem în condiții de lucru cu temperatură ridicată și energie cinetică și, prin urmare, sunt favorizate toate reacțiile chimice endotermice.

Un exemplu este reacția care apare atunci când carbura de siliciu intră în contact cu fierul: A SiC + 4Fe → FeSi + Fe ₃ C

Mai mult, atât fierul, cât și carbura de siliciu sunt oxidabile cu atmosfera normală. Prin urmare, pe lângă duritate, trebuie luată în considerare și natura chimică a abrazivului, prin urmare, făcând referire la cazul menționat anterior; carbura de siliciu nu este utilizată pentru materialele feroase, dar este excelentă pentru sticlă. Pe de altă parte, alumina nu este potrivită pentru măcinarea sticlei, dar este excelentă pentru fier.

Referindu-se întotdeauna la alumină, oxigenul conținut în atmosferă ajută la operațiile de măcinare; deoarece formarea oxidului de fier împiedică aschierea detașată să se lipească de metal sau de abraziv în sine; dimpotrivă, gazele inerte precum argonul, azotul și dioxidul de carbon împiedică abraziunea. În general, sulful și compușii clorurați au o acțiune antioxidantă împotriva metalelor și, prin urmare, sunt utilizați în procesele abrazive pentru acestea din urmă.

Rezistență sau aglomerare

Un alt factor de o importanță considerabilă este rezistența mecanică sau rezistența unui abraziv, la cei obținuți sintetic acest parametru este variabil fără a modifica în mod excesiv compoziția chimică a abrazivului; în cazul aluminei se poate face mai tenace prin adăugarea de dioxid de titan sau zirconiu . Dimpotrivă, pentru cele naturale este necesar să se caute altul sau depozite cu compoziții diferite. Rezistența mecanică este un factor care nu trebuie subestimat, deoarece, în timpul operațiilor de măcinare, granulele abrazive se pot aplatiza sau rotunji, făcând abrazivul în sine mai puțin eficient. Pentru a evita acest lucru, se caută o duritate care să permită granulelor abrazive să se rupă cu crearea consecventă de noi margini, în cele din urmă, se urmărește detașarea granulelor până acum epuizate pentru a permite apariția altora noi încă intacte și potrivite pentru procesare ; în cazul substraturilor flexibile cu substanțe abrazive sub formă de pulbere, acesta este încredințat și lipiciilor sau rășinilor care țin abrazivul substratului.

Din aceasta deducem că în timpul operațiunilor de abraziune se produc căldură și așchii / praf provenind de la materialul abraziv și materialul abrazat. Pentru a reduce căldura, care favorizează reacțiile chimice și pentru a îndepărta așchii produse, se folosesc lubrifianți . Cea mai veche este apa, dar acum este folosită rar în puritate și numai pentru prelucrarea sticlei, ceramicii și materialelor plastice; pentru celelalte procese se utilizează amestecuri de apă și aditivi antioxidanți sau amestecuri apă / ulei sau amestecuri de uleiuri. Cele mai eficiente uleiuri sunt uleiurile de origine minerală sau uleiurile animale, dar adesea amestecurile acestora sunt utilizate în funcție de necesitățile și costurile operaționale. Mai mult, în cazul prelucrării metalelor, se utilizează aditivi organici clorurați sau sulfurați pentru a preveni re-sudarea particulelor de metal îndepărtate.

În cele din urmă, pentru prelucrarea materialelor moi, se utilizează lubrifianți cu ceruri solide și grăsimi, care evită înfundarea abrazivului, adică acoperirea suprafeței abrazive de către materialul abrazat pentru a forma un strat care împiedică contactul cu granulele abrazivului. iar materialul procesat.

Cereale

Un ultim factor de influență, dar nu în ultimul rând, este bobul unui abraziv, adică diametrul mediu al particulelor sau boabelor sale. Boabele unui abraziv sunt clasificate pe o scară internațională în care fiecare valoare a scalei corespunde unei anumite valori medii a boabelor și numărului de ochiuri pe centimetru liniar al sitei utilizate pentru screeningul boabelor. Pentru boabele extrem de fine (<50 µm) se utilizează metoda de sedimentare a apei. În această scară internațională, valoarea bobului este invers proporțională cu diametrul mediu al bobului, adică o valoare mare a bobului corespunde unui diametru al boabelor mai fine.

Bobul afectează finețea prelucrării și rugozitatea suprafeței, deoarece acești parametri sunt guvernați de viteza de funcționare (în cazul unei roți, viteza de rotație) și de bob; un bob mai mare (boabe cu diametru mai mic) corespunde unei rugozități mai mici și unei finețe mai mari, precum și unei viteze mari de funcționare.

Rugozitatea unei suprafețe sau gradul de finisare se determină cu profilometrul sau rugometrul care măsoară abaterea punctelor suprafeței reale comparativ cu o suprafață netedă ideală, exprimată ca deviație pătrată medie a rădăcinii în μm ( pătrat mediu al rădăcinii RMS). Prin urmare, o finețe mai mare corespunde unei valori mai mici a profilometrului.

Abrazivi de origine naturală

Spuse ca atare, deoarece se găsesc în natură sub formă de minerale sau roci; având în vedere că după extracție, pentru a fi utilizabile industrial, acestea sunt supuse unor procese chimice, de măcinare și de selecție.

Diamant

Același subiect în detaliu: Diamant .

Împreună cu borazonă , este una dintre cele mai dure substanțe cunoscute. Pentru uz industrial, pietrele mai puțin valoroase sunt selectate și utilizate în stare brută sau sub formă de pulbere. Printre diversele calități ale diamantelor cele mai utilizate sunt Bort , Ballas și carbonado . Diferența dintre ele este delimitată de natura cristalină și de cantitatea și calitatea impurităților prezente în ceea ce privește carbonul. Cel mai utilizat industrial este Bort, care este de culoare gri sau negru și are o structură microcristalină foarte continuă. În general, numele bort este adesea folosit pentru a indica orice formă de diamant industrial. Diamantul, ca abraziv, este utilizat pentru prelucrarea diamantelor ornamentale, la curățarea și lipirea metalelor, la tăierea și finisarea siliciului pentru semiconductori și, în general, pentru toată prelucrarea materialelor dure care necesită un finisaj ridicat; ca rubinele pentru lasere sau carbura de tungsten. Diamantul poate fi utilizat în aglomeratele ceramice sau metalice sau încorporat în rășini, pentru a fi utilizat pe roți de rectificat, ferăstraie și sonde pentru găurire. În aceste ultime procese, aglomeratul de diamant este prezent sub formă de tabletă numai pe partea de lucru a sculei, deoarece o duritate ridicată corespunde unei fragilități ridicate și costului materialului în sine. În cele din urmă, diamantul poate fi utilizat în puritate ca inserție în scule pentru rectificat, în scule de strunjire, în durometre, pentru tăietoare de sticlă etc.

Corindon

Același subiect în detaliu: Corund .

Oxidul de aluminiu anhidru Al ₂ O ₃ (trioxid de dialiluminiu), are o culoare cenușie cu o structură cristalină, este adesea bogat în impurități ale altor pietre dure (hematit, magnetit, rubine, safire etc.) și, prin urmare, trebuie să fie supus proceselor de rafinare. Cea mai obișnuită utilizare este prelucrarea ochelarilor optici.

Şmirghel

Același subiect în detaliu: Emery (mineral) .

Este o calitate a corindonului care conține cantități mari de hematit (Fe ₂ O ₃ ) și magnetit (Fe ₃ O ₄ ) care sunt prezente între 50% și 30% conferind o rezistență ridicată materialului în sine, dar reducând duritatea acestuia (duritate mohs = 8,5 / 8). Emery este utilizat pe scară largă în crearea de abrazivi flexibili și în operații de lipire. De asemenea, găsește o utilizare importantă în crearea de materiale antiderapante.

Granate

Același subiect în detaliu: granat .

Grup de minerale nesosilicate cu aspect cristalin și cu culori variind de la roșu, la verde, până la incolor. Formula chimică generală X ₃ Y ₂ (SiO ₄ ) ₃ . Situl X este de obicei ocupat de un cation divalent (Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , Fe ²⁺ ) și locul Y de cationi trivalenți (Al ³⁺ , Fe ³⁺ , Cr ³⁺ ) într-o structură octaedrică sau tetraedrică . Utilizat pe scară largă la crearea materialelor abrazive flexibile și a materialelor antiderapante; ca pulbere slabă, acestea sunt utilizate în prelucrarea sticlei și sablarea . Utilizarea lor extinsă se datorează faptului că în timpul prelucrării au fisuri de tip concoidal care duc la formarea de noi margini ale pielii.

Cuarţ

Același subiect în detaliu: Cuarț .

Piatra cristalină și incoloră, SiO ₂ , are o duritate Mohs de 7 și este extrem de abundentă în natură. De asemenea, se caracterizează printr-o fractură concoidală , care duce la formarea consecventă a unor noi margini potrivite pentru abraziune. Se folosește pentru producerea de abrazivi flexibili și ca pulbere se adaugă unor detergenți ; are o utilizare importantă în operațiile de sablare a materialelor metalice și în curățarea sticlei și a metalelor.

Gresii

Același subiect în detaliu: Gresie .

Roci sedimentare care includ un număr mare de minerale, incompatibile în compoziție. Sunt primele pietre utilizate pentru crearea pietrelor de măcinat , dar acum abandonate deoarece au fost înlocuite cu materiale sintetice a căror compoziție și consistență pot fi verificate.

Piatră ponce

Același subiect în detaliu: piatră ponce .

Piatra poroasa de origine vulcanica folosita inca din cele mai vechi timpuri. În zilele noastre se folosește mai ales sub formă de pulbere la ambalarea detergenților de uz casnic și pentru curățarea metalelor.

Diatomita

Același subiect în detaliu: Diatomitul .

Stâncă formată în principal din fosilizarea scheletelor diatomeelor ​​(alge unicelulare) și a altor ființe unicelulare. Diatomitul are o greutate specifică mică și o duritate Mohs de 5; utilizarea lor este în principal ambalarea de materiale, paste, lustruiri.

Abrazivi de origine sintetică

Abrazivii sintetici înlocuiesc aproape în totalitate abrazivii naturali. Acest lucru se datorează faptului că, în mod industrial, este necesar un produs cu caracteristici cât mai constante posibil și care să asigure anumite performanțe. Mai mult, sinterizarea în laborator permite încorporarea de aditivi sau minerale care nu ar fi prezenți în mod normal în abraziv, prin controlul procentului; sau invers pentru a obține materiale pure.

Diamant sintetic

Am încercat să-l sintetizăm pentru a obține un produs mai pur și mai puțin costisitor decât cel obținut cu tehnici de extracție. Prima industrie care a reușit a fost General Electric în 1955, creând o gamă de presiuni (50-100 Kbar) și temperaturi (1300-1800 ° C) în jurul unui eșantion de catalizatori care conțin grafit, în aceste condiții carbonul este stabil în cristalizare și formarea consecventă a diamantului. Cei mai utilizați catalizatori sunt cromul , manganul , taliul și metalele din grupa a opta, întrucât în ​​aceste condiții se află în stare topită, cu excepția taliului. Un studiu asupra acestor catalizatori ai reacției grafit-diamant a fost efectuat abia mai târziu în 1963 de către Strong HM

Alumină

Același subiect în detaliu: Alumina .

Abrazivii pe bază de alumină sunt obținuți din bauxită extrem de pură (> 50% Al) sau din aluminiu Bayer calcinat, adică o alumină produsă prin procesul Bayer și având o puritate de 99,5 / 99,6%. Bauxita poate fi utilizată ca sinter sau topită într-un cuptor electric cu adaos de fier și cărbune; care contribuie la reducerea impurităților prin crearea de oxid de fier și silice, impuritățile sunt îndepărtate ca aliaj de fier-siliciu. Alumina astfel obținută are o culoare maro, în timp ce alumina Bayer calcinată este supusă topirii fără adăugarea de fier sau carbon, obținându-se un produs alb. În general, alumina nu este utilizată în puritate, dar se utilizează aditivi care îi cresc tenacitatea, cum ar fi dioxidul de titan (TiO ₂ ), oxidul de zirconiu (ZrO ₂ ) și oxidul de crom (Cr ₂ O ₃ ). De exemplu, o alumină care conține o cantitate mare de dioxid de titan (3-4%) este extrem de dură și este preferată în procesele în care este necesar să se îndepărteze cantități mari de material. În principal, alumina este utilizată la crearea abrazivilor rigizi pentru tăierea și măcinarea metalelor, ceramicii și materialelor polimerice. Alumina este utilizată rar ca pulbere în operațiile de sablare, lustruire și curățare.

Carbură de siliciu

Același subiect în detaliu: carbură de siliciu .

Producția se realizează prin ardere, într-un cuptor electric, în exces de cărbune și silice extrem de pură; obținându-se astfel carbura de silice (SiC), o piatră cu aspect cristalin cu culori variate de la verde la negru, caracterizând calitatea sa. Are o duritate Mohs de 9,5, dar este, de asemenea, extrem de fragilă, astfel încât este utilizat pentru prelucrarea materialelor cu rezistență redusă, precum fontă, sticlă, metale neferoase, carburi metalice, pietre ornamentale, cauciuc și rasinoase. De obicei îl găsim sub formă de abrazivi flexibili sau rigizi.

Carbură de bor

Același subiect în detaliu: carbură de bor .

De asemenea, în acest proces, reacția chimică se efectuează în interiorul cuptorului electric în care anhidrida borică reacționează cu excesul de cărbune. Produsul obținut (carbură de bor = B ₄ C) este o piatră neagră lucioasă cu o duritate foarte apropiată de un diamant. Se folosește ca pulbere în prelucrarea pietrelor semiprețioase și a ochelarilor optici, pe lângă operațiile de lipire și lustruire; pentru a fi folosit ca un abraziv rigid, acesta trebuie sintetizat în bare, care sunt utilizate la roți de rectificat și la ascuțirea sculelor.

Nitrură de bor

Același subiect în detaliu: nitrură de bor .

Nitrură de bor hexagonală

Se obține prin reacția simplă a elementelor la temperatura camerei, de exemplu B ₂ O ₃ + 2NH ₃ → 2BN + 3H ₂ O, sau prin sinteză. Se obține un compus cu o structură hexagonală similară cu grafitul, care este supus la temperaturi și presiuni ridicate (1500-2000 ° C la 45000-90000 atm).

Azotură de bor cubic (CBN)

A doua cea mai dură substanță după diamant. Este folosit in metal lepuirea ^[3] și în meteoriti lame de tăiat ^[4] . Spre deosebire de diamant, acesta nu conține atomi de carbon și acest lucru îl face potrivit pentru prelucrarea metalelor. De asemenea, rezistă la temperaturi mult mai ridicate decât abrazivii pe bază de diamant. ^[1]

Notă

Alte proiecte

• Wikționarul conține dicționarul lema « Abrasive »
• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe Abrasivo

linkuri externe

• ( EN ) Abrasive , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Cercetătorii sintetizează Nanorods de diamant agregat, mai greu decât diamantul , pe physorg.com.

Portalul chimiei : portalul științei compoziției, proprietăților și transformărilor materiei