Ľudstvo vie o abrazívach už tisícročia. Ľudia používali kamene a piesok na tvarovanie a brúsenie nožov, kopije, hrotov šípov a háčikov. Prvým brusivom bol pieskovec, v ktorom zohrávali úlohu účinnej látky najmenšie zrnká kremeňa. Až do objavenia metód spracovania kovov tento brúsny materiál umožnil rozvoj celého ľudstva, odvtedy ľudia jednoducho nemali iné spôsoby, ako vyrobiť nástroje na prácu a zbrane.
Čo je to z fyzického hľadiska
Brúsivá sú zvyčajne veľmi tvrdé minerály, ktoré sa nachádzajú na hornom konci Mohsovej stupnice tvrdosti – od kremeňa po diamant. Ale aj mäkké materiály môžu vykonávať túto funkciu. Špongie, sóda bikarbóna a ovocné kôstky možno právom nazvať abrazívami. Stretávame sa s nimi denne a ich význam v každodennom živote človeka je veľký.
V akých procesoch sa dajú použiť?
Brúsny materiál sa tak často nazýva nie kvôli jeho fyzikálnym vlastnostiam, ale kvôli vlastnostiam použitia. Existuje niekoľko tried takýchto procesov. Najmä v pieskovacom stroji je možné použiť najväčšie množstvo materiálov, ktoré za normálnych podmienok nemajú výrazné abrazívne vlastnosti. Toto zariadenie využíva silný prúd vzduchu alebo vody, v ktorom sa malé častice niektorých látok pohybujú veľkou rýchlosťou. V niektorých prípadoch sa používa brúsna sieťka, ktorá hrá úlohu sekacieho filtra.
Pieskovacie stroje sa používajú na leštenie a konečnú úpravu dielov a hotových výrobkov. V tomto prípade je možné odobrať prakticky akýkoľvek abrazívny materiál: od škrupín orechov a semien ovocných plodín, ulít mäkkýšov a iných organických látok až po najmenšie kúsky ocele, trosky, skla alebo dokonca sódy bikarbóny.
Hlavné komponenty
Kremenný piesok je najobľúbenejším abrazívom na pieskovanie mostov a iných oceľových konštrukcií. V tomto prípade dochádza k veľmi účinnému odstraňovaniu hrdze, čo výrazne zvyšuje odolnosť inžinierskych konštrukcií. Tento proces vyžaduje abrazíva s vysokou hustotou. Čistenie kovových konštrukcií spravidla zahŕňa použitie stlačeného vzduchu. Pôsobí ako urýchľovač častíc a nemá žiadne ďalšie korozívne účinky.
V niektorých prípadoch však možno použiť aj vodu. Najmä pri čistení betónuštruktúry. Takmer všetky stavby postavené v pobrežnej zóne to pravidelne potrebujú. Faktom je, že na ich povrchu časom rastie hrubá vrstva soli a iných agresívnych zlúčenín. Sladká voda, do ktorej bol predtým pridaný príslušný materiál (abrazívum), ich nielen odstraňuje z betónu, ale vytvára aj „odsoľovanie“. Táto akcia opäť výrazne zvyšuje životnosť budov.
Leštenie hotových výrobkov
Leštenie je najdôležitejší proces, pri ktorom sú brúsne materiály veľmi žiadané. Na zdokonaľovanie hotových výrobkov alebo niektorých dielov sa spravidla používajú špeciálne pasty alebo mäkké kotúče, ako aj zlúčeniny na báze syntetických živíc. Dokonca aj jednoduchá brúsna špongia je žiadaná. Oxid céru, diamant, kremeň, oxid železa a oxidy chrómu sú dnes najčastejšie používané zlúčeniny.
Novakulit (hustá kremičitá hornina) je tiež dobrou surovinou na výrobu leštiacich materiálov. Oxid céru je najbežnejším minerálom používaným na leštenie skla. Táto zlúčenina ho nepoškriabe, ale dodá mu špeciálnu hladkosť a lesk. V posledných rokoch sa však na tento účel častejšie používajú karbid kremíka a syntetické diamanty. Na ich základe sa vyrába obzvlášť drahý a účinný brúsny pás. Veľmi dobre sa hodí na spracovanie obzvlášť „rozmarných“materiálov.
Používanie magnetických polí
V posledných rokoch sa v priemysle čoraz častejšie začína praktizovať proces brúsneho ostrenia. Toto nepoužíva vodu.pod tlakom a nie stlačeným vzduchom: najmenšie častice brusiva sa vznášajú v silnom magnetickom poli, ktoré tvorí "brúsny kotúč". Táto metóda sa používa v presnom strojárstve, pretože sa môže použiť na leštenie alebo ostrenie tých častí, ktoré sú zvyčajne príliš drahé a/alebo časovo náročné na spracovanie. Ako brúsivo sa najčastejšie používajú zlúčeniny hliníka s tými kovmi, ktoré majú túto vlastnosť.
Magnetoreologické metódy leštenia
Pri metóde reologického leštenia sa „fyzikálny“brúsny nástroj vôbec nepoužíva. Materiály sa miešajú s kvapalinami, v hrúbke ktorých sa pohybujú pod vplyvom elektrických polí. Táto metóda je veľmi podobná metóde opísanej vyššie a používa sa aj na niektorých dieloch v presnom strojárstve a podobných odvetviach.
Vo všeobecnosti sa v posledných rokoch vo výrobe čoraz častejšie používajú abrazíva vopred zmiešané s kvapalinami alebo syntetickými živicami. Dobrým príkladom je zmáčaná brúsna pasta GOI na báze oxidu chrómu. Je známa už dlho, no až v posledných rokoch sa jej venuje osobitná pozornosť. Dôvod je jednoduchý - nízka cena tejto zlúčeniny a jej vysoká účinnosť pri leštení. Brúsna pasta navyše jemne pôsobí na spracovávaný materiál bez toho, aby ho poškriabala alebo poškodila.
Abrazívne kotúče pre uhlové brúsky ("brúsky")
Používajú sa nielen na leštenie. Brúsivá môžu rezať aj obzvlášť tvrdé materiály. Na tento účel použite tenké brúsne kotúče vyrobené na báze oxidu hlinitého a fenoluihriská. V zriedkavých prípadoch sa používa kovový brúsny kotúč. Takéto nástroje sú nevyhnutné najmä pri ťažbe mramoru v lomoch. Faktom je, že tento minerál je veľmi hustý, je ťažké ho rezať bežnými pílami.
Ako sme už povedali, na pílenie sa používa oxid hlinitý, karbid kremíka, umelé diamanty a karbid bóru. Dá sa z nich vyrobiť brúsny kotúč, formujú sa z nich aj špeciálne píly na obzvlášť odolné materiály.
Hlavné nástroje používané v priemysle
Tieto zlúčeniny sú teda potrebné na ostrenie, leštenie, rezanie materiálov. Moderný priemysel najčastejšie používa brúsny nástroj umelého pôvodu. Dôvodom sú relatívne nízke náklady na syntetiku. Oveľa drahšie sú zlúčeniny prírodného pôvodu. Patria sem oxid hlinitý, ktorý sme už viackrát spomínali, ako aj karbid kremíka, oxid zirkoničitý a takzvané superabrazíva (diamant alebo nitrid bóru).
Výnimky sú zriedkavé a sú zastúpené najmä korundom. Je veľmi drahý a jeho použitie vo výrobe je dosť obmedzené. V ešte zriedkavejších prípadoch sa používajú prírodné diamanty, ktoré nie sú vhodné na rezanie pre ich extrémne malé rozmery alebo štrukturálne chyby.
Evolúcia priemyselných brusív
História priemyselných brusív pre brúsne kotúče začala prírodnými minerálmi – kremeňom a kremíkom, ako aj korundom. Mimochodom, to bolo po prvýkrát, čo dostalo meno "šmirgľový". Bol to prvý barabrazívne. Odmietanie prírodných minerálov začalo v prvej polovici dvadsiateho storočia a bolo takmer úplne ukončené jeho koncom. A tu nešlo len o vysoké náklady na prírodné materiály. Faktom je, že všetky majú striktne definované vlastnosti, ktoré sa nedajú nijako zmeniť. Syntetické brúsivá, vytvorené za určitých podmienok, môžu byť úplne iné a vhodnejšie na riešenie niektorých atypických úloh.
Napríklad pomocou nových technológií možno vytvoriť zlúčeninu s tvarom častíc pripomínajúcim čip. Tento materiál je ideálny na nanášanie leštiacich kotúčov na povrch. Okrem toho môžu vznikať úplne nové materiály spojením napríklad oxidu titánu so zlúčeninami hliníka. Tieto abrazíva sú ideálne pre obzvlášť tvrdé povrchy.
Kedy nastal „brúsny prielom“v tomto odvetví?
Modernú výrobu brúsiv, vrátane výroby brúsnych kotúčov a šmirgľových koží, je ťažké opísať pre množstvo ochranných známok a patentov, ktoré v mnohých prípadoch popisujú ten istý produkt. Riešenie takýchto kolízií je jednoduché – kvôli najmenším rozdielom v chemickom zložení si môžete zaregistrovať novú ochrannú známku. Čo je však základom pre syntetické brúsivá a kedy dostal priemysel príležitosť použiť ich v masovom meradle?
Skutočne významnou udalosťou bol objav karbidu kremíka, minerálu, ktorý sa v prírode nenachádza. Vytvorenie syntetického oxidu hlinitého v 90. rokoch 19. storočia len podnietilo začiatok výskumu v tejto oblasti. Do konca 20. rokov 20. storočiasyntetický oxid hlinitý, karbid kremíka, granát a korund boli hlavné priemyselné brusivá.
Skutočný prielom však nastal v roku 1938. Vtedy bolo možné získať chemicky čistý oxid hlinitý, ktorý okamžite našiel najširšie uplatnenie v strojárstve. Čoskoro sa ukázalo, že zmes zirkónu a oxidu hlinitého je ideálna pre náročné rezanie obzvlášť tvrdých kovov. Ide o skutočne jedinečný brúsny prášok: zachováva si vysoký výkon, ale je relatívne lacný. Dnes dlaň stále drží syntetický oxid hlinitý, ktorý si zachoval pôvodnú mikrokryštalickú štruktúru bauxitových surovín. Týmto spôsobom vznikol najmä jedinečný Cubitron™ a tiež brúsivá na báze keramiky pod značkou SolGel™.
O „najlepších priateľkách dievčat“
Prírodný diamant je najstarší brúsny kameň. Populárnym sa stal v roku 1930. Boli na to dva dôvody. Po prvé, do toho roku bol objem ťažby diamantov jednoducho zanedbateľný a fyzicky nedokázal pokryť rastúce potreby odvetvia. Po druhé, kvôli akútnemu pocitu hroziacej vojny mnohé krajiny začali naliehavo hľadať spôsoby, ako spracovať karbid volfrámu pomocou strojov. Táto látka sa stále používa pri výrobe jadier pre projektily prebíjajúce pancier.
Problémom bola neskutočná tvrdosť tohto materiálu, ktorú abrazívne spracovanie jednoducho nepobralo. Štúdia vykonaná v 60. rokoch spoločnosťou General Electric Companyviedol k vývoju syntetických diamantov. Nakoniec výskum v tejto oblasti vedie k objavu kubického nitridu bóru, CBN. Táto diamantovo tvrdá zmes je široko používaná pri výrobe iných brusív, pretože dokáže doslova rozdrviť tvrdú oceľ na prach.
Samozrejme, všetky tieto abrazívne látky majú okrem všetkých svojich úžasných vlastností jednu obrovskú nevýhodu – cenu. Nedávnou výnimkou je brusivo Abral, syntetizované európskym koncernom Pechiney. Táto spoločnosť vyvinula akúsi „náhradu diamantov“, ktorá síce nie je nižšia ako tvrdosť, no výrazne vyhráva na cene.
Neboli to však len samotné brúsivá, ktoré poháňali toto odvetvie vpred. Veľký význam mali materiály použité ako základ pre ich aplikáciu. Najmä keď bol vytvorený bakelit, bolo možné vyrábať ľahšie, ale odolnejšie brúsne kotúče. Brúsili rovnomernejšie a abrazíva sa lepšie rozmiestnili v ich vnútornom objeme. Výsledkom bola výrazne lepšia manipulácia s materiálom.
Smirkový papier
Smirkové kože používajú ako základ umelé a prírodné tkaniny, fólie a dokonca aj obyčajný papier vystužený tkanými vláknami. V niektorých prípadoch sa "brúsny papier" získava impregnáciou tkaniny roztokom na báze fenolových živíc alebo vody (samozrejme s pridaním abrazív). Je možné získať aj brúsnu špongiu. Takéto nástroje sú široko známe takmer každému, stretávame sa s nimi neustále adenne.
Popísali sme veľa aplikácií týchto materiálov. Faktom ale je, že s väčšinou z nich sa bežný priemerný človek v živote vôbec nestretne. Takže veľa ľudí vie o brúsnych kameňoch, brúsnych kameňoch alebo rovnakom brúsnom papieri, niekto použil brúsnu sieť. Málokto ale pozná konkrétne druhy látok, ktoré používajú napríklad výrobcovia ložísk či kvalitných nožov zo supertvrdých ocelí. Tie druhé, mimochodom, je takmer nemožné brúsiť doma. „Ostričky“pre nich potrebujú veľmi špeciálne.
Aké aplikácie sú vhodné pre to či ono brúsivo?
Pre špecifické potreby sú potrebné superabrazíva, ktoré sme už stručne spomenuli vyššie. Sú tiež prezentované vo forme šmirgľových koží, brúsnych kefiek, kotúčov a kruhov. Takže pri výrobe nožov zo štandardných ocelí výrobcovia používajú oxid hlinitý a karbid kremíka. Hromadná výroba si na druhej strane zvyčajne vyžaduje rozsiahlejšie využitie pieskovacích strojov: nehrdzavejúca oceľ, guličkové ložiská a hromadné spracovanie najmä tvrdých drevín. Priemyselníci však vo väčšine prípadov zostávajú verní „starému dobrému“oxidu hlinitému. Tento brúsny prášok je lacný, ale vysoko účinný.
Nakoniec
Brúsivá priamo alebo nepriamo zohrávajú úlohu pri výrobe takmer všetkého, s čím sa ľudia denne stretávajú. Najmä bez nich nie je možné vytvoriť puzdrá z eloxovaného hliníka, ktorétak obľúbený u fanúšikov „jablkových“produktov. Nezabúdajte, že jednoduchá „brúska“na brúsny kameň alebo aj obyčajný brúsny papier je plodom činnosti mnohých generácií vedcov a remeselníkov, ktorí v priebehu rokov zbierali a systematizovali svoje poznatky.
Spoločnosti, ktoré vyrábajú rôzne druhy brusív, brúsnych kotúčov a šmirgľových koží, využívajú teoretické poznatky, ktoré sú prítomné v mnohých súvisiacich odvetviach. Riadia sa údajmi získanými pri štúdiu keramiky, široko praktizujú aplikovanú chémiu, fyziku a metalurgiu. Brúsivá budú vždy užitočné, sú kľúčovým prvkom moderného výrobného cyklu mnohých podnikov.
