Abrasivi: sostanze di grande durezza usati nelle lavorazioni meccaniche

L’uso degli abrasivi è noto fin dall’antichità e sono caratterizzati da elevata durezza, bassa fragilità e natura cristallina .

Vengono impiegati per  tagliare, pulimentare, livellare, smerigliare superfici e pezzi in metallo, in lega o in vetro, pietra, o marmo; poiché questi, e in special modo le leghe, presentano elevata durezza, gli abrasivi devono essere costituiti da materiali di durezza, tenacità, resistenza all’usura superiori, che si mantengono tali anche alle alte temperature provocate dall’abrasione.

Gli abrasivi sono usati sotto forma di granuli a spigoli vivi, di varia dimensione, o in polvere: possono essere impiegati in miscela con grassi semidensi, con saponi o in sospensione con acqua; per stampaggio se ne possono ottenere mole o navette. Granuli più o meno fini, incollati su tele e carta costituiscono la tela smeriglio e la carta vetrata. I fattori che determinano la durezza di una sostanza possono essere ricondotti alla struttura cristallina, e in particolare si può affermare che:

1)        La durezza aumenta con il diminuire della distanza fra le particelle del reticolo

2)     A parità di distanza tra le particelle e a parità di tipo di struttura l’aumento di legami fra le particelle determina aumento di durezza

3)     Se si tratta di minerali, la durezza è anche dovuta al numero delle cariche positive o negative che tengono uniti gli ioni della molecola.

Gli abrasivi naturali sono il corindone e il quarzo, la pietra pomice, la farina fossile e il diamante

Il corindone è ossido di alluminio puro, cristallizzato. Il corindone naturale è incolore, dotato di lucentezza adamantina, ha durezza 9 nella scala di Mohs.

Tracce minime di cromo e ferro impartiscono al corindone un colore rosso (rubino), tracce di ferro e di titanio gli conferiscono un colore azzurro intenso (zaffiro) : il corindone così colorato è considerato pietra preziosa per eccellenza. Altre varietà di corindone colorato usato come gemma sono lo smeraldo orientale, l’acquamarina, il topazio e l’ametista orientale.

Il corindone comune si presenta in masse compatte di colore bruno-opaco; frantumato serve per fare mole, carte e tele abrasive, o viene usato come polvere. Lo smeriglio è una varietà granulare scura, compatta in cui, oltre ad Al2O3 compaiono ematite Fe2O3 e magnetite Fe3O4 e silicati vari: è materiale di largo uso per la levigazione di vetri ( vetri smerigliati), di metalli e anche di pietre preziose e semipreziose.

Il quarzo, le quarziti e i vari silicati (durezza 6-7-8) vengono usati come abrasivi; ridotti in polvere fine o granuli di varia grossezza vengono applicati su carte robuste (carte vetrata) o tele. Le polveri fini impastate con acqua servono per lucidare marmi, pietre, pavimenti e per pulimentare metalli. I metalli preziosi (argento e oro: durezza 2.5-3) trattati con polvere fine di quarzo acquistano il caratteristico aspetto setoso (oro satinato); se invece la granulometria della polvere è superiore, la superficie del metallo, nobile e tenero, viene graffiata dai granuli duri (oro sabbiato).

La pietra pomice è un silicato di sodio, potassio e alluminio ed è una roccia effusiva degasata e perciò poco friabile. E’ materiale comune usato nelle polveri e nei liquidi arasivi di uso corrente casalingo e industriale: l’azione abrasiva è in questo caso limitata alla asportazione delle patine di ossidi o di sporco presente sui metalli. Pomice in polvere viene aggiunta alle paste saponose usate per detergere e raschiare via la morchia untuosa dalle mani dei meccanici (pasta lavamani)

La farina fossile è un abrasivo ad azione ancora più blanda di quella della pomice ed è usata per pulimentare superfici di metalli teneri.

Il diamante (durezza 10) serve per perforare rocce, per tagliare vetri e cristalli, per tagliare gli stessi diamanti e le pietre preziose dure; la polvere di diamante è usata per lucidare. Poiché solo una piccolissima parte dei diamanti estratti ha caratteri di limpidezza, colore e purezza tali da permettere la utilizzazione come gemma e la maggior parte, di colore scuro o nero ( varietà microcristallina detta Bort) o di colore chiaro ma ghiacciato e con vistose inclusioni carboniose, quello che viene usato come abrasivo non è costoso.

Gli abrasivi artificiali sono composti a molecola simile a quella dei corrispondenti prodotti naturali, più rari e spesso costosi. Si ottengono per fusione di polveri in forni elettrici. Tra questi troviamo il corindone artificiale, il diamante artificiale, il carburo di boro, il boral, il carborundo e il nitruro di boro.

Il corindone artificiale è ottenuto da bauxite puraq o al massimo con tracce di SiO2

Il diamante artificiale si ottiene dalla grafita fusa in forno elettrico sotto forti pressioni; i diamanti artificiali sono sempre piuttosto costosi e di piccole dimensioni.

Il carburo di boro (B12C3) ( durezza 9.3) la cui formula è solo indicativa non essendo definito il rapporto boro-carbonio. Il prodotto, oltre alla durezza che si richiede a un abrasivo, presenta grande inerzia chimica. Si ottiene per riduzione del B2O3 con carbone al forno elettrico o per sintesi diretta.

Si usa da solo o in miscela con SiC (10%) come abrasivo in lavorazioni meccaniche, nella rifinitura di vetri ( vetro smerigliato), nella pulimentazione delle pietre dure. Per la sua alta capacità di catturare neutroni, viene impiegato in campo nucleare sotto forma di dischi, tubi o barre rivestiti di acciaio.

Il boral è una soluzione acido di B4C in alluminio, usata per barre di regolazione di reattori.

Il carborundum è un carburo di silicio SiC che si prepara fondendo in forno elettrico coke di petrolio e silice pura in proporzioni stechiometriche a una temperatura di oltre 2000 °C secondo la reazione:

SiO2 + 3 C = SiC + 2 CO

Ai due componenti fondamentali si aggiungono segature di legno per facilitare la miscelazione e NaCl per eliminare le impurezze dei metalli eventualmente presenti nella sabbia ( Fe,Al ecc) come cloruri volatili. Il prodotto viene lavato con H2SO4 per eliminare impurezze basiche e poi con NaOH per neutralizzare i residui acidi, e poi lavato con acqua. Il carborundum cristallino, puro, durissimo, viene usato come abrasivo in luogo del diamante.

L’azoturo di boro o nitruro di boro BN presenta un reticolo cristallino esagonale con proprietà simili alla grafite ed è usato come lubrificante; la forma cubica ha invece struttura e durezza simili a quella del diamante: questa fase detta borazone è quella usata come abrasivo.

Il borazone è l’unico materiale in grado di incidere il diamante (oltre al diamante stesso).  Si ottiene  dalla reazione tra l’ossido di boro e l’ammoniaca per dare nitruro di boro ed acqua:

B2O3 + 2 NH3 = 2 BN + 3 H2O

Il borazone è usato in applicazioni industriali per modellare strumenti, dal momento che può sopportare temperature oltre i 2000 °C, di molto superiori a quelle di un diamante puro (871 °C). Altri impieghi sono la progettazione di gioielleria, taglio di vetri e lacerazione di diamanti.

 

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Author: Chimicamo

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