האנושות יודעת על חומרי שוחקים כבר אלפי שנים. אנשים השתמשו באבנים ובחול כדי לעצב ולהשחיז סכינים, חניתות וראשי חץ וקוסות דגים. החומר השוחק הראשון היה אבן חול, שבה תפקידו של החומר הפעיל שיחק על ידי גרגרי הקוורץ הקטנים ביותר. עד לגילוי שיטות עיבוד מתכות, החומר השוחק הזה איפשר את התפתחות האנושות כולה, שכן אז לאנשים פשוט לא היו דרכים אחרות ליצור כלים לעבודה ולנשק.
מה זה מנקודת מבט פיזית
בדרך כלל, חומרים שוחקים הם מינרלים קשים מאוד הממוקמים בקצה העליון של סולם קשיות Mohs - מקוורץ ועד יהלום. אבל אפילו חומרים רכים יכולים לבצע פונקציה זו. ספוגים, סודה לשתייה ובורות פירות יכולים להיקרא בצדק חומרים שוחקים. אנו פוגשים אותם מדי יום, וחשיבותם בחיי היומיום של אדם רבה.
באילו תהליכים ניתן להשתמש בהם?
חומר שוחק נקרא לעתים קרובות כך לא בגלל תכונותיו הפיזיקליות, אלא בגלל תכונות השימוש. ישנם מספר סוגים של תהליכים כאלה. בפרט, במכונת התזת חול, ניתן להשתמש במספר החומרים הגדול ביותר, אשר בתנאים רגילים אין להם תכונות שוחקות מובהקות. ציוד זה משתמש בזרם עוצמתי של אוויר או מים, שבו חלקיקים קטנים של חומרים מסוימים נעים במהירות רבה. במקרים מסוימים, נעשה שימוש ברשת שוחקת, הממלאת את התפקיד של מסנן מסוק.
מכונות התזת חול משמשות לליטוש וגימור של חלקים ומוצרים מוגמרים. במקרה זה, ניתן לקחת למעשה כל חומר שוחק: מקליפות של אגוזים וזרעים של גידולי פירות, קליפות של רכיכות וחומרים אורגניים אחרים ועד לחתיכות הקטנות ביותר של פלדה, סיגים, זכוכית או אפילו סודה לשתייה.
רכיבים עיקריים
חול קוורץ הוא חומר השפשוף הפופולרי ביותר להתזת גשרים ומבני פלדה אחרים. במקרה זה, מתרחשת הסרת חלודה יעילה מאוד, מה שמגדיל באופן משמעותי את העמידות של מבנים הנדסיים. תהליך זה דורש חומרי שוחקים בצפיפות גבוהה. ככלל, ניקוי מבני מתכת כרוך בשימוש באוויר דחוס. הוא פועל כמאיץ חלקיקים ואין לו השפעה קורוזיבית נוספת.
עם זאת, במקרים מסוימים, ניתן להשתמש גם במים. במיוחד בעת ניקוי בטוןמבנים. כמעט כל המבנים שנבנו באזור החוף זקוקים לכך מעת לעת. העובדה היא ששכבה עבה של מלח ותרכובות אגרסיביות אחרות צומחת על פני השטח שלהם עם הזמן. מים מתוקים, שקודם לכן הוסיפו להם החומר המתאים (חומר שוחק), לא רק מסירים אותם מהבטון, אלא גם מייצרים "התפלה". שוב, פעולה זו מגדילה משמעותית את חיי הבניינים.
ליטוש מוצרים מוגמרים
ליטוש הוא התהליך החשוב ביותר בו יש ביקוש רב לחומרי שוחק. ככלל, משחות מיוחדות או דיסקים רכים, כמו גם תרכובות המבוססות על שרפים סינתטיים, משמשים לשכלול מוצרים מוגמרים או חלקים מסוימים. אפילו ספוג שוחק פשוט מבוקש. תחמוצת סריום, יהלום, קוורץ, תחמוצת ברזל ותחמוצות כרום הן התרכובות הנפוצות ביותר כיום.
Novaculite (סלע סיליקטי צפוף) הוא גם חומר גלם טוב לייצור חומרי ליטוש. תחמוצת סריום הוא המינרל הנפוץ ביותר המשמש לליטוש זכוכית. תרכובת זו אינה שורטת אותו, אלא מעניקה לו חלקות וברק מיוחדים. אולם בשנים האחרונות נעשה שימוש תכוף יותר בסיליקון קרביד ויהלומים סינתטיים למטרה זו. על בסיסם מיוצרת חגורת שוחקים יקרה ויעילה במיוחד. הוא מתאים מאוד לעיבוד חומרים "קפריזיים" במיוחד.
שימוש בשדות מגנטיים
בשנים האחרונות, לעתים קרובות יותר ויותר בתעשייה מתחילים לתרגל תהליך של השחזה שוחקת. זה לא משתמש במים.בלחץ ולא באוויר דחוס: החלקיקים הקטנים ביותר של חומרי שוחקים מרחפים בשדה מגנטי רב עוצמה, היוצר את "גלגל השחזה". שיטה זו משמשת בהנדסת דיוק, שכן ניתן להשתמש בה כדי ללטש או להשחיז את אותם חלקים שבדרך כלל יקרים מדי ו/או גוזלים זמן לעיבוד. כחומר שוחק, נעשה לרוב שימוש בתרכובות אלומיניום עם מתכות בעלות תכונה זו.
שיטות ליטוש מגנטוריאולוגיות
בשיטת הליטוש הריאולוגי, לא נעשה שימוש כלל בכלי השוחקים ה"פיזיים". חומרים מעורבבים עם נוזלים, שבעובים הם נעים בהשפעת שדות חשמליים. שיטה זו דומה מאוד לזו שתוארה לעיל, והיא משמשת גם בחלקים מסוימים בהנדסת דיוק ובתעשיות דומות.
באופן כללי, בשנים האחרונות נעשה שימוש יותר ויותר בייצור בחומרים שוחקים המעורבבים מראש עם נוזלים או שרפים סינתטיים. דוגמה טובה היא משחת שוחקת רטובה של GOI המבוססת על תחמוצת כרום. הוא ידוע כבר זמן רב, אך רק בשנים האחרונות הוא זוכה לתשומת לב מיוחדת. הסיבה פשוטה - העלות הנמוכה של התרכובת הזו ויעילותה הגבוהה בליטוש. בנוסף, המשחה השוחקת פועלת בעדינות על החומר המעובד מבלי לשרוט או לפגוע בו.
גלגלים שוחקים למשחזות זווית ("מטחנות")
הם משמשים לא רק לליטוש. חומרים שוחקים יכולים גם לחתוך חומרים קשים במיוחד. לשם כך, השתמש בגלגלי שחיקה דקים העשויים על בסיס תחמוצת אלומיניום ופנולימגרשים. במקרים נדירים, נעשה שימוש בדיסק שוחק מתכת. כלים כאלה הם הכרחיים, במיוחד, בהפקת שיש במחצבות. העובדה היא שהמינרל הזה צפוף מאוד, קשה לחתוך אותו עם מסורים רגילים.
כפי שכבר אמרנו, תחמוצת אלומיניום, סיליקון קרביד, יהלומים מלאכותיים ובורון קרביד משמשים לניסור. ניתן להשתמש בהם להכנת דיסק שוחקים, הם משמשים גם ליצירת מסורים מיוחדים לחומרים עמידים במיוחד.
כלים עיקריים המשמשים לתעשייה
לכן, תרכובות אלה נחוצות עבור חידוד, ליטוש, חיתוך חומרים. התעשייה המודרנית משתמשת לרוב בכלי שוחקים ממקור מלאכותי. הסיבה לכך היא העלות הנמוכה יחסית של חומרים סינתטיים. תרכובות ממקור טבעי הן הרבה יותר יקרות. אלה כוללים תחמוצת אלומיניום, שאותה הזכרנו שוב ושוב, וכן סיליקון קרביד, זירקוניום דו חמצני ומה שנקרא חומרי סופר-שוחק (יהלום או בורון ניטריד).
חריגים נדירים ומיוצגים בעיקר על ידי קורונדום. הוא יקר מאוד, והשימוש בו בייצור מוגבל למדי. במקרים נדירים אף יותר, נעשה שימוש ביהלומים טבעיים שאינם מתאימים לחיתוך עקב גודלם הקטן ביותר או פגמים מבניים.
האבולוציה של חומרים שוחקים תעשייתיים
ההיסטוריה של חומרי שיוף תעשייתיים לטחינת גלגלים החלה במינרלים טבעיים - קוורץ וסיליקון, כמו גם קורונדום. היה זה האחרון, אגב, לראשונה שקיבל את השם "אמרי". זה היה הבר הראשוןמְשַׁפשֵׁף. דחיית המינרלים הטבעיים החלה במחצית הראשונה של המאה העשרים והושלמה כמעט לחלוטין עד סיומה. והנקודה כאן הייתה לא רק העלות הגבוהה של חומרים טבעיים. העובדה היא שלכולם יש מאפיינים מוגדרים בקפדנות שלא ניתן לשנות בשום אופן. חומרים שוחקים סינתטיים, שנוצרו בתנאים מסוימים, יכולים להיות שונים לחלוטין ומתאימים יותר לפתרון כמה משימות לא טיפוסיות.
לדוגמה, באמצעות טכנולוגיות חדשות, ניתן ליצור תרכובת בעלת צורת חלקיקים הדומה לשבב. חומר זה אידיאלי להנחת גלגלי ליטוש על פני השטח. בנוסף, ניתן ליצור חומרים חדשים לחלוטין בשילוב למשל תחמוצת טיטניום עם תרכובות אלומיניום. חומרים שוחקים אלה אידיאליים עבור משטחים קשים במיוחד.
מתי התרחשה "פריצת הדרך השוחקת" בתעשייה?
ייצור מודרני של חומרים שוחקים, לרבות ייצור גלגלי שחיקה ועורות אמרי, קשה לתיאור בשל המוני הסימנים המסחריים והפטנטים, המתארים במקרים רבים את אותו מוצר. הפתרון להתנגשויות כאלה הוא פשוט - בגלל ההבדלים הקטנים ביותר בהרכב הכימי, אתה יכול לרשום סימן מסחרי חדש. אבל מה הבסיס לחומרי שיוף סינתטיים, ומתי קיבלה התעשייה את ההזדמנות להשתמש בהם בקנה מידה המוני?
אירוע משמעותי באמת היה גילויו של סיליקון קרביד, מינרל שלא נמצא בטבע. יצירת אלומינה סינתטית בשנות ה-90 רק עוררה את תחילת המחקר בתחום זה. עד סוף שנות ה-20אלומינה סינתטית, סיליקון קרביד, נופך וקורונדום היו חומרי השיוף התעשייתיים העיקריים.
אבל פריצת הדרך האמיתית הגיעה ב-1938. אז התאפשר להשיג תחמוצת אלומיניום טהורה מבחינה כימית, שמצאה מיד את היישום הרחב ביותר בהנדסת מכונות. עד מהרה התברר שתערובת של זירקוניה ואלומינה היא אידיאלית לעבודות חיתוך תובעניות במתכות קשות במיוחד. זוהי אבקת שוחקים ייחודית באמת: היא שומרת על ביצועים גבוהים, אך זולה יחסית. כיום, כף היד עדיין מוחזקת על ידי תחמוצת אלומיניום סינתטית, ששמרה על המבנה המיקרו-גבישי המקורי של חומרי גלם בוקסיט. בפרט, ה-Cubitron™ הייחודי נוצר בדרך זו, כמו גם חומרים שוחקים מבוססי קרמיקה תחת המותג SolGel™.
על "החברות הכי טובות של בנות"
יהלום טבעי הוא האבן השוחקת העתיקה ביותר. זה הפך פופולרי בשנת 1930. היו לכך שתי סיבות. ראשית, עד לאותה שנה, היקף כריית היהלומים היה פשוט זניח ולא יכול היה לכסות פיזית את הצרכים ההולכים וגדלים של התעשייה. שנית, בשל התחושה החריפה של מלחמה מתקרבת, מדינות רבות החלו לחפש בדחיפות דרכים לעבד טונגסטן קרביד באמצעות מכונות. חומר זה עדיין משמש בייצור ליבות עבור קליעים חודרי שריון.
הבעיה הייתה הקשיות הלא מציאותית של החומר הזה, שעיבוד שוחק פשוט לא לקח. מחקר שנערך בשנות ה-60 על ידי חברת ג'נרל אלקטריקהוביל לפיתוח יהלומים סינתטיים. בסופו של דבר, מחקר בתחום זה מוביל לגילוי של בורון ניטריד מעוקב, CBN. תרכובת קשיחה יהלומים זו נמצאת בשימוש נרחב בייצור של חומרי שוחקים אחרים, מכיוון שהיא יכולה ממש לטחון פלדות קשות לאבק.
כמובן שלכל החומרים השוחקים הללו, בנוסף לכל התכונות הנפלאות שלהם, יש חיסרון עצום אחד - העלות. יוצא דופן לאחרונה הוא אבראל שוחקים, מסונתז על ידי הקונצרן האירופי Pechiney. חברה זו פיתחה מעין "תחליף ליהלומים", שאמנם אינו נחות מהם בקשיחות, אך זוכה משמעותית במחיר.
אבל לא רק החומרים השוחקים עצמם הם שהניעו את התעשייה קדימה. חשיבות רבה הייתה לחומרים ששימשו כבסיס ליישומם. במיוחד, כאשר נוצרה בקליט, ניתן היה לייצר גלגלי שחיקה קלים אך עמידים יותר. הם טחנו בצורה אחידה יותר, והחומרים השוחקים פוזרו טוב יותר בנפח הפנימי שלהם. זה הביא לטיפול טוב יותר בחומרים.
נייר חול
עורות אמרי משתמשים בבדים מלאכותיים וטבעיים, סרטים ואפילו נייר רגיל מחוזק בסיבים ארוגים כבסיס. במקרים מסוימים, "נייר זכוכית" מתקבל על ידי הספגה של בד בתמיסה המבוססת על שרפים פנולים או מים (בתוספת חומרי שוחקים כמובן). ניתן להשיג גם ספוג שוחק. כלים כאלה ידועים כמעט לכולם, אנו נתקלים בהם ללא הרףיומי.
תיארנו יישומים רבים של חומרים אלה. אבל העובדה היא שאדם ממוצע לא פוגש את רובם בחייו כלל. אז, אנשים רבים יודעים על אבני שחיקה, אבני שחיקה או אותו נייר זכוכית, מישהו השתמש ברשת שוחקת. אבל מעטים האנשים שמכירים את סוגי החומרים הספציפיים שבהם משתמשים, למשל, על ידי יצרני מיסבים או סכינים איכותיות העשויות מפלדות סופר קשות. את האחרונים, אגב, כמעט בלתי אפשרי לחדד בבית. "משחזים" בשבילם צריכים מיוחדים מאוד.
אילו יישומים מתאימים לחומר שוחק זה או אחר?
לצרכים ספציפיים, יש צורך בחומרי סופר שוחקים, שכבר הזכרנו בקצרה לעיל. הם מוצגים גם בצורה של עורות אמרי, מברשות שוחקות, דיסקים ועיגולים. אז, בייצור של סכינים מדרגות פלדה סטנדרטיות, יצרנים משתמשים בתחמוצת אלומיניום ובסיליקון קרביד. ייצור המוני, לעומת זאת, מצריך לרוב שימוש נרחב יותר במכונות התזת חול: נירוסטה, מיסבים כדוריים ועיבוד המוני של עצים קשים במיוחד. עם זאת, ברוב המקרים, התעשיינים נשארים נאמנים לתחמוצת האלומיניום ה"ישנה והטובה". אבקה שוחקת זו זולה אך יעילה ביותר.
סוף סוף
חומרי שוחקים, במישרין או בעקיפין, ממלאים תפקיד בייצור של כמעט כל מה שאנשים מתמודדים איתו על בסיס יומי. בפרט, בלעדיהם, אי אפשר ליצור מארזים עשויים אלומיניום אנודייז, אשרכל כך פופולרי בקרב חובבי מוצרי "תפוח". אל תשכח ש"מטחנת" אבן שוחקת פשוטה או אפילו נייר זכוכית רגיל היא פרי פעילותם של דורות רבים של מדענים ובעלי מלאכה שאספו וסידרו את הידע שלהם לאורך השנים.
חברות המייצרות סוגים שונים של חומרי שיוף, גלגלי שחיקה ועורות אמרי, משתמשות בידע התיאורטי הקיים בתעשיות קשורות רבות. הם מונחים על ידי הנתונים שהושגו במהלך לימוד הקרמיקה, מתרגלים באופן נרחב כימיה יישומית, פיזיקה ומטלורגיה. חומרים שוחקים תמיד יהיו שימושיים, הם מאפיין מפתח במחזור הייצור המודרני של ארגונים רבים.
