Materiały ścierne – rodzaje, właściwości, zastosowanie

Materiały ścierne działają jak narzędzie wieloostrzowe – tysiące twardych ziaren usuwa materiał przez mikroskrawanie. O właściwym wyborze decydują trzy elementy: ziarno, spoiwo i nośnik. Ziarno musi być twardsze od obrabianej powierzchni, forma wyrobu powinna pasować do rodzaju pracy, a gradację dobiera się od grubych ziaren do drobnych.

Na czym polega obróbka ścierna?

Podczas szlifowania pojedyncze ziarna ścierne wciskają się w powierzchnię i odcinają niewielkie fragmenty materiału. Każde ziarno działa jak nieregularne ostrze, a ich duża liczba pozwala jednocześnie usuwać naddatek, wyrównywać powierzchnię albo przygotowywać ją do polerowania.

Warunkiem skrawania jest większa twardość ziarna niż obrabianego przedmiotu. Dla porównania elektrokorund ma twardość około 2100 w skali Knoopa, węglik krzemu około 2480, a diament około 7000. Typowe stale konstrukcyjne osiągają około 200–700 w tej skali, dlatego wymienione ziarna mogą skutecznie usuwać ich warstwę.

Sama twardość nie rozstrzyga jednak o przydatności narzędzia. Liczą się także odporność ziarna na pękanie, sposób jego zużywania, spoiwo, nośnik i granulacja.

Z czego składa się materiał ścierny?

Materiał ścierny nie jest wyłącznie proszkiem lub ziarnem. Gotowy wyrób łączy kilka elementów, z których każdy wpływa na sposób pracy:

• Ziarno – właściwy materiał tnący, na przykład elektrokorund, węglik krzemu, ziarno ceramiczne albo diament.
• Spoiwo – substancja utrzymująca ziarna na podłożu lub łącząca je w sztywną bryłę.
• Nośnik – papier, płótno, fibra, włóknina albo masa żywiczna i ceramiczna, która nadaje wyrobowi określoną formę.
• Nasyp – układ ziaren na nośniku, który może być otwarty albo zamknięty.

Nasyp zamknięty pokrywa podłoże niemal całkowicie. Zapewnia intensywne skrawanie i często stosuje się go przy stali. Nasyp otwarty ma przerwy między ziarnami, więc lepiej odprowadza urobek i mniej się zapycha. Sprawdza się między innymi przy drewnie, aluminium i tworzywach, które mogą zalepiać zbyt gęsto pokryty materiał.

Zmiana jednego elementu zmienia charakter wyrobu. Papier P120, krążek fibrowy P120 i ściernica o podobnej granulacji nie zachowują się tak samo. Mają inną sztywność, sposób chłodzenia, odporność na nacisk i przeznaczenie.

W praktyce spotyka się kilka rodzajów spoiw:

• Spoiwo żywiczne – elastyczne i odporne na obciążenia, często stosowane w tarczach oraz dyskach do pracy maszynowej.
• Spoiwo ceramiczne – sztywne, używane w ściernicach do precyzyjnego szlifowania.
• Spoiwo gumowe – pozwala uzyskać bardziej elastyczne narzędzia do wykańczania i obróbki precyzyjnej.
• Spoiwo klejowe – utrzymuje ziarno na papierze, płótnie lub fib­rze w wyrobach nasypowych.

Rodzaje ziaren i ich właściwości

W obróbce przemysłowej metali dominują ziarna syntetyczne, ponieważ można kontrolować ich kształt, twardość i powtarzalność. Ziarna naturalne, takie jak granat, szmergiel czy krzemień, nadal znajdują zastosowanie w wybranych pracach, lecz mają bardziej zróżnicowane właściwości.

Elektrokorund i cyrkon

Elektrokorund, czyli tlenek glinu, jest uniwersalnym ziarnem do obróbki stali węglowej i konstrukcyjnej. Występuje w papierach, pasach, krążkach, dyskach fibrowych oraz ściernicach.

Odmiana cyrkonowa lepiej znosi duży nacisk i intensywne zdzieranie. Podczas pracy zużywa się w sposób odsłaniający nowe krawędzie, dlatego często wybiera się ją do usuwania nadlewów i wygładzania spoin.

Ziarno ceramiczne

Ścierniwo ceramiczne pracuje dobrze przy stali nierdzewnej i stopach odpornych na wysoką temperaturę. Jego przewagą jest mikrokruszenie. Tępe fragmenty ziarna odłamują się, odsłaniając nowe krawędzie skrawające. Narzędzie zachowuje wydajność przy dużym obciążeniu i ogranicza ryzyko polerowania zamiast skrawania.

Do stali nierdzewnej należy używać wyrobów przeznaczonych do tego materiału. Zanieczyszczenia żelazem, a także niektóre pozostałości po pracy na stali węglowej, mogą prowadzić do korozji wżerowej. Dlatego narzędzie używane do nierdzewki powinno być wolne od cząstek żelaza.

Węglik krzemu, CBN i diament

Węglik krzemu jest bardzo twardy, ale bardziej kruchy niż elektrokorund. Dobrze sprawdza się przy żeliwie, kamieniu, szkle, lakierach, tworzywach i części metali nieżelaznych.

CBN wykorzystuje się głównie do stali hartowanych. Diament jest najtwardszym z wymienionych ziaren, lecz nie jest uniwersalnym rozwiązaniem do każdego metalu. W kontakcie z żelazem przy wysokiej temperaturze może zużywać się niekorzystnie, dlatego stosuje się go przede wszystkim do węglików spiekanych, ceramiki, betonu i innych materiałów bardzo twardych.

Formy wyrobów ściernych

Materiały nasypowe

Do tej grupy należą papiery, płótna, pasy bezkońcowe, krążki na rzep i dyski fibrowe. Ziarno jest przyklejone do elastycznego nośnika, dzięki czemu narzędzie może dopasować się do płaskiej lub lekko zaokrąglonej powierzchni.

Dysk fibrowy jest sztywniejszy i odporniejszy od zwykłego papieru. Zakłada się go na szlifierkę kątową z talerzem oporowym. Służy między innymi do usuwania spoin, rdzy i nierówności metalu. Krążek na rzep pracuje z kolei na szlifierce mimośrodowej, a pas bezkońcowy na szlifierce taśmowej.

Materiały spojone

W wyrobach spojonych ziarno znajduje się w zwartej masie żywicznej, ceramicznej lub gumowej. Tak powstają między innymi tarcze do cięcia, tarcze do szlifowania, ściernice trzpieniowe i garnkowe. Są sztywne i przeznaczone do kontrolowanego usuwania większej ilości materiału.

Do cięcia używa się obwodu tarczy, natomiast tarcza do szlifowania pracuje powierzchnią czołową zgodnie z instrukcją producenta. Nie należy stosować tarczy do cięcia do bocznego szlifowania, ponieważ nie jest do tego przeznaczona.

Ściernice lamelkowe

Ściernica lamelkowa łączy sztywny talerz z ułożonymi promieniowo listkami materiału nasypowego. Usuwa materiał agresywniej niż papier, ale pozostawia łagodniejszą powierzchnię niż klasyczna ściernica. Przy obróbce spoin może ograniczyć liczbę koniecznych zmian narzędzia.

Włókniny ścierne

Włóknina jest trójwymiarową strukturą z włókien syntetycznych, w których osadzono ziarno. Dopasowuje się do kształtu powierzchni i usuwa niewielką ilość materiału, dlatego służy do gratowania, matowania, czyszczenia oraz satynowania.

W przeciwieństwie do agresywnego papieru włóknina zwykle nie zmienia istotnie wymiaru obrabianego elementu. To dobry wybór do gotowych powierzchni, także ze stali nierdzewnej, pod warunkiem użycia wersji wolnej od zanieczyszczeń żelazem.

Pasty i luźne ścierniwa

Pasty, mleczka i proszki zawierają ziarno w medium płynnym, półpłynnym albo w postaci sypkiej. Stosuje się je na końcu procesu, gdy powierzchnia jest już wyrównana. Pasta z odpowiednim padem lub futrem usuwa drobne rysy i pozwala uzyskać połysk, lecz nie zastąpi narzędzia do zdzierania.

Jak czytać gradację FEPA?

W wyrobach nasypowych wielkość ziarna określa się zwykle oznaczeniem FEPA P. Wyższy numer oznacza drobniejsze ziarno. Niskie wartości, takie jak P36 czy P60, służą do szybkiego usuwania naddatku. P80–P120 nadają się do wyrównywania, a P180 i wyżej do przygotowania powierzchni pod dalsze wykończenie.

Nie należy przeskakiwać bez potrzeby między odległymi gradacjami. Drobne ziarno może wygładzić część powierzchni, ale nie zawsze usunie głębokie rysy po zdzieraniu. Dlatego przechodzi się stopniowo od grubych do coraz drobniejszych ziaren.

Jak dobrać materiał ścierny do zadania?

Dobór zacznij od ilości materiału, którą trzeba usunąć, oraz od kształtu powierzchni. Następnie dopasuj formę wyrobu do maszyny, wybierz ziarno pod obrabiany materiał i dopiero wtedy ustal gradację.

Przy typowej obróbce metalowej kolejność prac wygląda następująco:

1. Zdzieranie – usuń duży naddatek tarczą spojoną, lamelkową albo narzędziem z ziarnem cyrkonowym lub ceramicznym.
2. Wyrównywanie – przejdź na dysk fibrowy, krążek lub pas z odpowiednią gradacją, aby usunąć ślady po pierwszym etapie.
3. Satynowanie – użyj włókniny, gdy powierzchnia ma zachować wymiar i uzyskać jednową strukturę.
4. Polerowanie – zastosuj pastę i odpowiedni pad dopiero po usunięciu głębszych rys.

Do wygładzania spoiny na stali nierdzewnej najczęściej wybiera się ściernicę lamelkową lub dysk fibrowy z ziarnem ceramicznym, następnie krążek o drobniejszej gradacji i włókninę przeznaczoną do nierdzewki. Zwykła tarcza używana wcześniej do stali węglowej może przenieść cząstki żelaza i zwiększyć ryzyko korozji wżerowej. Liczy się więc nie tylko gradacja, ale też czystość całego toru obróbki.

Przed rozpoczęciem pracy sprawdź zgodność średnicy, prędkości obrotowej i sposobu mocowania z instrukcją narzędzia. Uszkodzone tarcze, pęknięte ściernice i zużyte dyski należy wycofać z użycia. Podstawą pozostają okulary lub przyłbica, ochrona słuchu i ograniczenie narażenia na pył odpowiednio do wykonywanej pracy.

Najprostsza reguła doboru brzmi: forma wyrobu określa sposób pracy, rodzaj ziarna dobiera się do materiału, a gradację do oczekiwanego wykończenia. W procesie wieloetapowym przechodź od zdzierania przez wyrównywanie do satynowania lub polerowania, zamiast próbować wykonać wszystkie czynności jednym narzędziem.