Ludzkość od tysiącleci wie o materiałach ściernych. Ludzie używali kamieni i piasku do kształtowania i ostrzenia noży, włóczni, grotów strzał i haczyków na ryby. Pierwszym ścierniwem był piaskowiec, w którym rolę substancji czynnej odgrywały najmniejsze ziarna kwarcu. Do czasu odkrycia metod obróbki metalu ten materiał ścierny umożliwiał rozwój całej ludzkości, od tego czasu ludzie po prostu nie mieli innych sposobów na wytwarzanie narzędzi do pracy i broni.
Co to jest z fizycznego punktu widzenia
Zazwyczaj materiały ścierne to bardzo twarde minerały, które znajdują się na górnym końcu skali twardości Mohsa – od kwarcu po diament. Ale nawet miękkie materiały mogą pełnić tę funkcję. Gąbki, sodę oczyszczoną i pestki owoców można słusznie nazwać materiałami ściernymi. Spotykamy się z nimi codziennie, a ich znaczenie w codziennym życiu człowieka jest ogromne.
W jakich procesach można ich używać?
Materiał ścierny jest często nazywany tak nie ze względu na jego właściwości fizyczne, ale ze względu na cechy użytkowe. Istnieje kilka klas takich procesów. W szczególności w piaskarce można zastosować największą ilość materiałów, które w normalnych warunkach nie mają wyraźnych właściwości ściernych. Sprzęt ten wykorzystuje potężny strumień powietrza lub wody, w którym małe cząsteczki niektórych substancji poruszają się z dużą prędkością. W niektórych przypadkach stosowana jest siatka ścierna, która pełni rolę filtra rozdrabniającego.
Maszyny do piaskowania są używane do polerowania i wykańczania części i gotowych produktów. W tym przypadku można zabrać praktycznie każdy materiał ścierny: od łupin orzechów i nasion roślin owocowych, łupin mięczaków i innej materii organicznej po najdrobniejsze kawałki stali, żużlu, szkła, a nawet sody oczyszczonej.
Główne komponenty
Piasek kwarcowy jest najpopularniejszym materiałem ściernym do piaskowania mostów i innych konstrukcji stalowych. W takim przypadku następuje bardzo skuteczne usuwanie rdzy, co znacznie zwiększa trwałość konstrukcji inżynierskich. Ten proces wymaga materiałów ściernych o dużej gęstości. Z reguły do czyszczenia konstrukcji metalowych stosuje się sprężone powietrze. Działa jako akcelerator cząstek i nie ma dodatkowego działania korozyjnego.
Jednak w niektórych przypadkach można również użyć wody. Szczególnie podczas czyszczenia betonuStruktury. Niemal wszystkie konstrukcje budowane w strefie przybrzeżnej okresowo tego potrzebują. Faktem jest, że z czasem na ich powierzchni narasta gruba warstwa soli i innych agresywnych związków. Świeża woda, do której wcześniej dodano odpowiedni materiał (ścierniwo) nie tylko usuwa je z betonu, ale także powoduje „odsalanie”. Ponownie, ta akcja znacząco wydłuża żywotność budynków.
Polerowanie gotowych produktów
Polerowanie to najważniejszy proces, w którym istnieje duże zapotrzebowanie na materiały ścierne. Z reguły do udoskonalania gotowych produktów lub niektórych części stosuje się specjalne pasty lub miękkie dyski, a także związki na bazie żywic syntetycznych. Potrzebna jest nawet zwykła gąbka ścierna. Tlenek ceru, diament, kwarc, tlenek żelaza i tlenki chromu to obecnie najczęściej stosowane związki.
Nowakulit (gęsta skała krzemionkowa) jest również dobrym surowcem do produkcji materiałów polerskich. Tlenek ceru jest najczęściej używanym minerałem do polerowania szkła. Mieszanka ta nie rysuje jej, ale nadaje jej wyjątkową gładkość i połysk. Jednak w ostatnich latach coraz częściej do tego celu stosuje się węglik krzemu i diamenty syntetyczne. Na ich podstawie powstaje szczególnie droga i skuteczna taśma ścierna. Bardzo dobrze nadaje się do przetwarzania szczególnie „kapryśnych” materiałów.
Korzystanie z pól magnetycznych
W ostatnich latach coraz częściej w branży zaczyna się praktykować proces ostrzenia ściernego. To nie używa wody.pod ciśnieniem, a nie sprężonym powietrzem: najmniejsze cząstki ścierniwa unoszą się w silnym polu magnetycznym, które tworzy „ściernicę”. Ta metoda jest stosowana w inżynierii precyzyjnej, ponieważ może być stosowana do polerowania lub ostrzenia tych części, które zwykle są zbyt drogie i/lub czasochłonne w obróbce. Jako materiał ścierny najczęściej stosuje się związki aluminium z tymi metalami, które mają tę właściwość.
Metody polerowania magnetoreologiczne
W przypadku reologicznej metody polerowania „fizyczne” narzędzie ścierne nie jest w ogóle używane. Materiały są mieszane z cieczami, w których grubości poruszają się pod wpływem pól elektrycznych. Ta metoda jest bardzo podobna do opisanej powyżej i jest również stosowana w niektórych częściach w inżynierii precyzyjnej i podobnych branżach.
Ogólnie rzecz biorąc, w ostatnich latach w produkcji coraz częściej stosuje się materiały ścierne wstępnie zmieszane z płynami lub żywicami syntetycznymi. Dobrym przykładem jest zwilżona pasta ścierna GOI na bazie tlenku chromu. Znany jest od dawna, ale dopiero w ostatnich latach poświęcono mu szczególną uwagę. Powód jest prosty - niski koszt tej pasty i jej wysoka skuteczność w polerowaniu. Ponadto pasta ścierna delikatnie oddziałuje na obrabiany materiał, nie rysując go ani nie uszkadzając.
Ściernice do szlifierek kątowych („szlifierki”)
Służą nie tylko do polerowania. Materiały ścierne mogą również ciąć szczególnie twarde materiały. W tym celu użyj cienkich ściernic wykonanych na bazie tlenku glinu i fenoluboiska. W rzadkich przypadkach stosuje się metalową tarczę ścierną. Takie narzędzia są niezbędne w szczególności przy wydobywaniu marmuru w kamieniołomach. Faktem jest, że ten minerał jest bardzo gęsty, trudno go ciąć zwykłymi piłami.
Jak już powiedzieliśmy, do piłowania używa się tlenku glinu, węglika krzemu, sztucznych diamentów i węglika boru. Można z nich wykonać krążek ścierny, są również używane do formowania specjalnych pił do szczególnie wytrzymałych materiałów.
Główne narzędzia używane w przemyśle
Zatem związki te są niezbędne do ostrzenia, polerowania, cięcia materiałów. Współczesny przemysł najczęściej używa narzędzia ściernego sztucznego pochodzenia. Powodem tego jest stosunkowo niski koszt syntetyków. Związki pochodzenia naturalnego są znacznie droższe. Należą do nich tlenek glinu, o którym wielokrotnie wspominaliśmy, a także węglik krzemu, dwutlenek cyrkonu oraz tzw. superścierne (azotek diamentu lub boru).
Wyjątki są rzadkie i są reprezentowane głównie przez korund. Jest bardzo drogi, a jego zastosowanie w produkcji jest dość ograniczone. W jeszcze rzadszych przypadkach stosuje się diamenty naturalne, które nie nadają się do cięcia ze względu na ich wyjątkowo małe rozmiary lub wady strukturalne.
Ewolucja przemysłowych materiałów ściernych
Historia przemysłowych materiałów ściernych do ściernic rozpoczęła się od naturalnych minerałów – kwarcu i krzemu oraz korundu. Nawiasem mówiąc, to ten ostatni po raz pierwszy otrzymał nazwę „szmergiel”. To był pierwszy barścierny. Odrzucanie naturalnych minerałów rozpoczęło się w pierwszej połowie XX wieku i zostało prawie całkowicie zakończone pod jego koniec. I tutaj chodziło nie tylko o wysokie koszty materiałów naturalnych. Faktem jest, że wszystkie mają ściśle określone właściwości, których nie można w żaden sposób zmienić. Ścierniwa syntetyczne, tworzone w określonych warunkach, mogą być zupełnie inne i lepiej nadają się do rozwiązywania niektórych nietypowych zadań.
Na przykład dzięki nowym technologiom można stworzyć związek o kształcie cząsteczki przypominającym chip. Materiał ten jest idealny do nakładania tarcz polerskich na powierzchnię. Ponadto można stworzyć zupełnie nowe materiały, łącząc np. tlenek tytanu ze związkami glinu. Te materiały ścierne są idealne do szczególnie twardych powierzchni.
Kiedy nastąpił „przełom w zakresie materiałów ściernych” w branży?
Współczesna produkcja materiałów ściernych, w tym produkcja ściernic i skórek szmerglowych, jest trudna do opisania ze względu na masę znaków towarowych i patentów, które w wielu przypadkach opisują ten sam produkt. Rozwiązanie takich kolizji jest proste – ze względu na najmniejsze różnice w składzie chemicznym można zarejestrować nowy znak towarowy. Ale jaka jest podstawa syntetycznych materiałów ściernych i kiedy przemysł uzyskał możliwość wykorzystania ich na masową skalę?
Naprawdę znaczącym wydarzeniem było odkrycie węglika krzemu, minerału nie występującego w naturze. Stworzenie syntetycznego tlenku glinu w latach 90. XIX wieku tylko pobudziło początek badań w tej dziedzinie. Pod koniec lat dwudziestychGłównymi materiałami ściernymi w przemyśle były syntetyczny tlenek glinu, węglik krzemu, granat i korund.
Ale prawdziwy przełom nastąpił w 1938 roku. Wtedy to stało się możliwe otrzymanie chemicznie czystego tlenku glinu, który natychmiast znalazł najszersze zastosowanie w inżynierii mechanicznej. Wkrótce stało się jasne, że mieszanka tlenku cyrkonu i tlenku glinu jest idealna do wymagających prac związanych z cięciem szczególnie twardych metali. To naprawdę wyjątkowy proszek ścierny: zachowuje wysoką wydajność, ale jest stosunkowo tani. Dziś palmę nadal utrzymuje syntetyczny tlenek glinu, który zachował pierwotną mikrokrystaliczną strukturę surowców boksytowych. W szczególności w ten sposób powstał unikalny Cubitron™, a także materiały ścierne na bazie ceramiki pod marką SolGel™.
O „najlepszych przyjaciółkach dziewcząt”
Diament naturalny jest najstarszym kamieniem ściernym. Stał się popularny w 1930 roku. Były ku temu dwa powody. Po pierwsze, do tego roku wielkość wydobycia diamentów była po prostu znikoma i fizycznie nie mogła pokryć rosnących potrzeb przemysłu. Po drugie, ze względu na dotkliwe poczucie zbliżającej się wojny, wiele krajów zaczęło pilnie szukać sposobów obróbki węglika wolframu za pomocą maszyn. Substancja ta jest nadal używana do produkcji rdzeni do pocisków przeciwpancernych.
Problemem była nierealistyczna twardość tego materiału, której obróbka ścierna po prostu nie wymagała. Badanie przeprowadzone w latach 60. przez General Electric Companydoprowadziły do rozwoju diamentów syntetycznych. Ostatecznie badania w tej dziedzinie prowadzą do odkrycia sześciennego azotku boru, CBN. Ta twarda jak diament mieszanka jest szeroko stosowana w produkcji innych materiałów ściernych, ponieważ może dosłownie szlifować twardą stal na pył.
Oczywiście wszystkie te substancje ścierne, oprócz wszystkich swoich wspaniałych właściwości, mają jedną ogromną wadę – koszt. Niedawnym wyjątkiem jest ścierniwo Abral, zsyntetyzowane przez europejski koncern Pechiney. Firma ta opracowała rodzaj „zamiennika diamentów”, który choć nie ustępuje im twardością, znacznie wygrywa ceną.
Ale nie tylko same materiały ścierne napędzały branżę. Duże znaczenie miały materiały użyte jako podstawa ich aplikacji. W szczególności, kiedy powstał Bakelite, stało się możliwe wytwarzanie lżejszych, a jednocześnie trwalszych ściernic. Mieliły się bardziej równomiernie, a ścierniwa były lepiej rozłożone w ich wewnętrznej objętości. Zaowocowało to znacznie lepszą obsługą materiałów.
Papier ścierny
Skóry szmerglowe wykorzystują sztuczne i naturalne tkaniny, folie, a nawet zwykły papier wzmocniony tkanymi włóknami jako bazę. W niektórych przypadkach „papier ścierny” otrzymuje się poprzez impregnację tkaniny roztworem na bazie żywic fenolowych lub wody (oczywiście z dodatkiem materiałów ściernych). Można również uzyskać gąbkę ścierną. Takie narzędzia są powszechnie znane niemal każdemu, spotykamy się z nimi stale icodziennie.
Opisaliśmy wiele zastosowań tych materiałów. Ale faktem jest, że przeciętny człowiek w ogóle nie spotyka się z większością z nich w swoim życiu. Tak więc wiele osób wie o kamieniach szlifierskich, osełkach lub o tym samym papierze ściernym, ktoś użył siatki ściernej. Jednak niewiele osób zna konkretne rodzaje substancji, które są stosowane na przykład przez producentów łożysk lub wysokiej jakości noży wykonanych z supertwardych stali. Nawiasem mówiąc, te ostatnie są prawie niemożliwe do wyostrzenia w domu. „Ostrzałki” dla nich potrzebują czegoś wyjątkowego.
Które zastosowania są odpowiednie dla tego czy innego materiału ściernego?
Do konkretnych potrzeb potrzebne są superścierne, o których już pokrótce wspomnieliśmy powyżej. Są również prezentowane w postaci skórek szmerglowych, pędzli ściernych, krążków i kółek. Tak więc w produkcji noży ze standardowych gatunków stali producenci stosują tlenek glinu i węglik krzemu. Z kolei produkcja masowa wymaga zwykle szerszego wykorzystania piaskarek: stali nierdzewnej, łożysk kulkowych i masowej obróbki szczególnie twardego drewna. Jednak w większości przypadków przemysłowcy pozostają wierni „staremu dobremu” tlenku glinu. Ten proszek ścierny jest tani, ale bardzo skuteczny.
Wreszcie
Materiały ścierne, bezpośrednio lub pośrednio, odgrywają rolę w produkcji prawie wszystkiego, z czym ludzie mają do czynienia na co dzień. W szczególności bez nich niemożliwe jest wykonanie obudów z anodowanego aluminium, któretak popularny wśród fanów produktów „jabłkowych”. Nie zapominaj, że zwykła „szlifierka” do kamienia ściernego czy nawet zwykły papier ścierny to owoc działalności wielu pokoleń naukowców i rzemieślników, którzy przez lata zbierali i usystematyzowali swoją wiedzę.
Firmy produkujące różnego rodzaju materiały ścierne, ściernice i skórki szmerglowe wykorzystują wiedzę teoretyczną obecną w wielu powiązanych branżach. Kierują się danymi uzyskanymi podczas badania ceramiki, szeroko praktykowanej chemii stosowanej, fizyki i metalurgii. Materiały ścierne zawsze się przydadzą, są kluczową cechą nowoczesnego cyklu produkcyjnego wielu przedsiębiorstw.
