Lidstvo ví o brusivech po tisíciletí. Lidé používali kameny a písek k tvarování a broušení nožů, oštěpů, hrotů šípů a rybářských háčků. Prvním brusivem byl pískovec, v němž roli účinné látky plnila nejmenší zrnka křemene. Až do objevení metod zpracování kovů umožňoval tento abrazivní materiál rozvoj celého lidstva, od té doby lidé prostě neměli jiné způsoby, jak vyrobit nástroje pro práci a zbraně.
Co to je z fyzického hlediska
Brusiva jsou obvykle velmi tvrdé minerály, které se nacházejí na horním konci Mohsovy stupnice tvrdosti – od křemene po diamant. Tuto funkci ale mohou plnit i měkké materiály. Houby, jedlá soda a ovocné pecky mohou být právem nazývány abraziva. Setkáváme se s nimi denně a jejich význam v každodenním životě člověka je velký.
V jakých procesech je lze použít?
Brusný materiál se tak často nazývá ne kvůli jeho fyzikálním vlastnostem, ale kvůli vlastnostem použití. Existuje několik tříd takových procesů. Zejména v pískovacím stroji lze použít největší množství materiálů, které za normálních podmínek nemají výrazné abrazivní vlastnosti. Toto zařízení využívá silný proud vzduchu nebo vody, ve kterém se malé částice některých látek pohybují velkou rychlostí. V některých případech se používá abrazivní síťka, která hraje roli sekacího filtru.
Pískovací stroje se používají k leštění a povrchové úpravě dílů a hotových výrobků. V tomto případě lze odebrat prakticky jakýkoli abrazivní materiál: od skořápek ořechů a semen ovocných plodin, skořápek měkkýšů a další organické hmoty až po nejmenší kousky oceli, strusky, skla nebo dokonce jedlé sody.
Hlavní součásti
Křemenný písek je nejoblíbenějším abrazivem pro pískování mostů a jiných ocelových konstrukcí. V tomto případě dochází k velmi účinnému odstraňování rzi, což výrazně zvyšuje odolnost inženýrských konstrukcí. Tento proces vyžaduje brusiva s vysokou hustotou. Čištění kovových konstrukcí zpravidla zahrnuje použití stlačeného vzduchu. Působí jako urychlovač částic a nemá žádné další korozivní účinky.
V některých případech však lze použít i vodu. Zejména při čištění betonustruktur. Téměř všechny stavby postavené v pobřežní zóně ji pravidelně potřebují. Faktem je, že na jejich povrchu časem narůstá silná vrstva soli a dalších agresivních sloučenin. Sladká voda, do které byl předem přidán příslušný materiál (abrazivo), je nejen odstraní z betonu, ale také způsobí „odsolování“. Tato akce opět výrazně prodlužuje životnost budov.
Leštění hotových výrobků
Leštění je nejdůležitější proces, při kterém jsou brusiva velmi žádaná. K zdokonalování hotových výrobků nebo některých dílů se zpravidla používají speciální pasty nebo měkké kotouče a také směsi na bázi syntetických pryskyřic. Dokonce i jednoduchá brusná houba je žádaná. Oxid ceru, diamant, křemen, oxid železa a oxidy chrómu jsou dnes nejčastěji používané sloučeniny.
Novakulit (hustá křemičitá hornina) je také dobrou surovinou pro výrobu leštících materiálů. Oxid ceru je nejběžnějším minerálem používaným k leštění skla. Tato sloučenina jej nepoškrábe, ale dodává mu zvláštní hladkost a lesk. V posledních letech se však pro tento účel častěji používají karbid křemíku a syntetické diamanty. Na jejich základě se vyrábí zvláště drahý a účinný brusný pás. Velmi dobře se hodí pro zpracování zvláště "vrtošivých" materiálů.
Pomocí magnetických polí
V posledních letech se v průmyslu stále častěji začíná praktikovat proces abrazivního ostření. Toto nepoužívá vodu.pod tlakem a nikoli stlačeným vzduchem: nejmenší částice brusiva se vznášejí v silném magnetickém poli, které tvoří "brusný kotouč". Tato metoda se používá v přesném strojírenství, protože ji lze použít k leštění nebo ostření těch dílů, které jsou obvykle příliš drahé a/nebo časově náročné na zpracování. Jako brusivo se nejčastěji používají sloučeniny hliníku s těmi kovy, které tuto vlastnost mají.
Magnetoreologické metody leštění
U metody reologického leštění se „fyzikální“brusný nástroj vůbec nepoužívá. Materiály se mísí s kapalinami, v jejichž tloušťce se pohybují vlivem elektrických polí. Tato metoda je velmi podobná metodě popsané výše a také se používá na některých součástech v přesném strojírenství a podobných odvětvích.
Obecně se v posledních letech při výrobě stále více používají brusiva předem smíchaná s kapalinami nebo syntetickými pryskyřicemi. Dobrým příkladem je smáčená brusná pasta GOI na bázi oxidu chrómu. Je známá již dlouho, ale až v posledních letech se jí dostává zvláštní pozornosti. Důvod je jednoduchý – nízká cena této směsi a její vysoká účinnost při leštění. Kromě toho brusná pasta jemně působí na zpracovávaný materiál, aniž by jej poškrábala nebo poškodila.
Brusné kotouče pro úhlové brusky ("brusky")
Slouží nejen k leštění. Brusivo může řezat i zvláště tvrdé materiály. K tomu použijte tenké brusné kotouče vyrobené na bázi oxidu hlinitého a fenoluhřiště. Ve vzácných případech se používá kovový brusný kotouč. Takové nástroje jsou nepostradatelné zejména při těžbě mramoru v lomech. Faktem je, že tento minerál je velmi hustý, je obtížné jej řezat běžnými pilami.
Jak jsme již řekli, k řezání se používá oxid hlinitý, karbid křemíku, umělé diamanty a karbid boru. Lze z nich vyrobit brusný kotouč, také se z nich tvoří speciální pily na obzvláště odolné materiály.
Hlavní nástroje používané v průmyslu
Tyto sloučeniny jsou tedy nezbytné pro ostření, leštění a řezání materiálů. Moderní průmysl nejčastěji používá brusný nástroj umělého původu. Důvodem jsou relativně nízké náklady na syntetiku. Sloučeniny přírodního původu jsou mnohem dražší. Patří mezi ně oxid hlinitý, který jsme opakovaně zmiňovali, dále karbid křemíku, oxid zirkoničitý a takzvaná superabraziva (diamant nebo nitrid boru).
Výjimky jsou vzácné a jsou zastoupeny především korundem. Je velmi drahý a jeho použití ve výrobě je značně omezené. V ještě vzácnějších případech se používají přírodní diamanty, které nejsou vhodné pro řezání z důvodu extrémně malých rozměrů nebo strukturálních vad.
Evoluce průmyslových brusiv
Historie průmyslových brusiv pro brusné kotouče začala přírodními minerály – křemenem a křemíkem a také korundem. To byl mimochodem ten druhý, který poprvé dostal jméno „smirkový“. Byl to první barabrazivní. Odmítání přírodních minerálů začalo v první polovině dvacátého století a bylo téměř zcela dokončeno jeho koncem. A tady nešlo jen o vysoké náklady na přírodní materiály. Faktem je, že všechny mají přísně definované vlastnosti, které nelze nijak změnit. Syntetická brusiva, vytvořená za určitých podmínek, mohou být zcela odlišná a vhodnější pro řešení některých atypických úkolů.
Například pomocí nových technologií lze vytvořit sloučeninu s tvarem částic připomínajícím čip. Tento materiál je ideální pro nanášení leštících kotoučů na povrch. Zcela nové materiály lze navíc vytvořit kombinací například oxidu titanu se sloučeninami hliníku. Tato brusiva jsou ideální pro obzvláště tvrdé povrchy.
Kdy nastal „abrazivní průlom“v tomto odvětví?
Moderní výrobu brusiv, včetně výroby brusných kotoučů a smirek, je obtížné popsat kvůli množství ochranných známek a patentů, které v mnoha případech popisují stejný produkt. Řešení takových kolizí je jednoduché – kvůli nejmenším rozdílům v chemickém složení si můžete zaregistrovat novou ochrannou známku. Co je ale základem pro syntetická brusiva a kdy dostal průmysl příležitost je používat v masovém měřítku?
Skutečně významnou událostí byl objev karbidu křemíku, minerálu, který se v přírodě nenachází. Vytvoření syntetického oxidu hlinitého v 90. letech 19. století pouze podnítilo začátek výzkumu v této oblasti. Do konce 20. let 20. stoletísyntetický oxid hlinitý, karbid křemíku, granát a korund byly hlavní průmyslová brusiva.
Skutečný průlom však přišel v roce 1938. Tehdy bylo možné získat chemicky čistý oxid hlinitý, který okamžitě našel nejširší uplatnění ve strojírenství. Brzy se ukázalo, že směs oxidu zirkoničitého a oxidu hlinitého je ideální pro náročné obrábění zvláště tvrdých kovů. Jedná se o skutečně unikátní brusný prášek: zachovává si vysoký výkon, ale je relativně levný. Dnes dlaň stále drží syntetický oxid hlinitý, který si zachoval původní mikrokrystalickou strukturu bauxitových surovin. Tímto způsobem vznikl zejména unikátní Cubitron™ a také brusiva na keramické bázi pod značkou SolGel™.
O „nejlepších kamarádkách dívek“
Přírodní diamant je nejstarší brusný kámen. To se stalo populární v roce 1930. Byly pro to dva důvody. Za prvé, až do tohoto roku byl objem těžby diamantů prostě zanedbatelný a fyzicky nemohl pokrýt rostoucí potřeby průmyslu. Za druhé, kvůli akutnímu pocitu blížící se války začalo mnoho zemí naléhavě hledat způsoby, jak zpracovat karbid wolframu pomocí strojů. Tato látka se stále používá při výrobě jader pro projektily prorážející pancíř.
Problémem byla neskutečná tvrdost tohoto materiálu, kterou abrazivní zpracování prostě nepobralo. Studie provedená v 60. letech společností General Electric Companyvedl k vývoji syntetických diamantů. Nakonec výzkum v této oblasti vede k objevu kubického nitridu boru, CBN. Tato diamantově tvrdá směs je široce používána při výrobě jiných brusiv, protože dokáže doslova rozdrtit tvrdou ocel na prach.
Samozřejmě, že všechny tyto abrazivní látky mají kromě všech svých úžasných vlastností jednu obrovskou nevýhodu – cenu. Nedávnou výjimkou je brusivo Abral, syntetizované evropským koncernem Pechiney. Tato společnost vyvinula jakousi "náhradu diamantů", která, i když není horší než oni v tvrdosti, výrazně vítězí v ceně.
Nebyla to však jen samotná brusiva, která hnala průmysl kupředu. Velmi důležité byly materiály použité jako základ pro jejich aplikaci. Zejména, když byl vytvořen bakelit, bylo možné vyrábět lehčí, ale odolnější brusné kotouče. Brousily rovnoměrněji a abraziva se lépe rozkládala v jejich vnitřním objemu. To vedlo k výrazně lepší manipulaci s materiálem.
Smirkový papír
Smirkové kůže používají jako základ umělé a přírodní tkaniny, fólie a dokonce i obyčejný papír vyztužený tkanými vlákny. V některých případech se "smirkový papír" získává impregnací tkaniny roztokem na bázi fenolových pryskyřic nebo vody (samozřejmě s přídavkem brusiv). Lze také získat brusnou houbu. Takové nástroje jsou široce známé téměř každému, setkáváme se s nimi neustále adenně.
Popsali jsme mnoho aplikací těchto materiálů. Faktem ale je, že s většinou z nich se průměrný průměrný člověk v životě vůbec nesetká. Takže mnoho lidí ví o brusných kamenech, brouscích nebo stejných brusných papírech, někdo použil brusnou síť. Málokdo ale zná konkrétní druhy látek, které používají například výrobci ložisek nebo kvalitních nožů ze supertvrdých ocelí. Ty druhé se mimochodem doma téměř nedají naostřit. "Ostřiče" pro ně potřebují velmi speciální.
Jaké aplikace jsou vhodné pro to či ono brusivo?
Pro specifické potřeby jsou potřeba superabraziva, o kterých jsme se již krátce zmínili výše. Jsou také prezentovány ve formě smirkových kůží, brusných kartáčů, kotoučů a kruhů. Takže při výrobě nožů ze standardních ocelí výrobci používají oxid hlinitý a karbid křemíku. Hromadná výroba naproti tomu obvykle vyžaduje rozsáhlejší použití pískovacích strojů: nerez, kuličková ložiska a hromadné zpracování zejména tvrdých dřevin. Ve většině případů však průmyslníci zůstávají věrni „starému dobrému“oxidu hlinitému. Tento brusný prášek je levný, ale vysoce účinný.
Konečně
Brusiva přímo či nepřímo hrají roli při výrobě téměř všeho, s čím se lidé denně potýkají. Zejména bez nich nelze vytvořit pouzdra z eloxovaného hliníku, kterátolik oblíbený u fanoušků „jablečných“produktů. Nezapomínejte, že obyčejná brusná kamenná „bruska“nebo i obyčejný smirkový papír je plodem činnosti mnoha generací vědců a řemeslníků, kteří v průběhu let sbírali a systematizovali své znalosti.
Společnosti, které vyrábějí různé druhy brusiv, brusných kotoučů a smirkových kůží, využívají teoretické znalosti, které jsou přítomny v mnoha příbuzných odvětvích. Řídí se údaji získanými při studiu keramiky, široce praktikují aplikovanou chemii, fyziku a metalurgii. Brusivo bude vždy užitečné, je klíčovým prvkem moderního výrobního cyklu mnoha podniků.
