Abrasif
Un abrasif est un matériau, souvent un minéral , utilisé pour façonner ou finir une œuvre par frottement qui entraîne l’usure de la pièce. Si la finition d’un matériau signifie souvent le polir pour obtenir une surface lisse et réfléchissante, cela peut également impliquer de rendre rugueuse la substance abrasée comme dans les finitions satinées, mates ou perlées.
Les abrasifs sont extrêmement courants et sont très largement utilisés dans une grande variété d’ applications industrielles , domestiques et technologiques . Cela donne lieu à une grande variation dans la composition physique et chimique des abrasifs ainsi que dans la forme de l’abrasif. Les utilisations courantes des abrasifs comprennent le meulage, le polissage, le polissage, l’affûtage, la coupe, le perçage, l’affûtage et le ponçage. Par souci de simplicité, le terme « minéral » dans cet article sera utilisé de manière vague pour désigner à la fois les minéraux et les substances similaires, qu’elles soient artificielles ou non.
Les limes agissent par abrasion mais ne sont pas classées comme des abrasifs car elles sont constituées de barres métalliques profilées . Cependant, les limes diamantées sont une forme d’abrasif enrobé (car ce sont des tiges métalliques recouvertes de poudre de diamant).
Les abrasifs provoquent une forme de blessure appelée abrasion ou même excoriation. Les abrasions peuvent survenir à la suite d’un contact violent avec des surfaces telles que le béton , la pierre, le bois , la moquette et les routes , bien que ces surfaces ne soient pas destinées à être utilisées comme abrasifs.
Mécanique de l’abrasion
Les abrasifs dépendent généralement d’une différence de dureté entre l’abrasif et le matériau sur lequel on travaille, l’abrasif étant la plus dure des deux substances. Cependant, cela n’est pas nécessaire, car deux matériaux solides qui frottent l’un contre l’autre de manière répétée auront tendance à s’user l’un l’autre (comme les semelles de chaussures plus souples qui usent les marches en bois ou en pierre au fil des décennies ou des siècles ou les glaciers qui abrasent les vallées de pierre).
En règle générale, les matériaux utilisés comme abrasifs sont soit des minéraux durs (évalués à 7 ou plus sur l’ échelle de dureté minérale de Mohs ) soit des pierres synthétiques, dont certaines peuvent être chimiquement et physiquement identiques à des minéraux naturels mais qui ne peuvent pas être qualifiés de minéraux car ils ne sont pas apparus naturellement (bien qu’utile à des fins de comparaison, l’échelle de Mohs n’a qu’une valeur limitée pour les ingénieurs des matériaux car il s’agit d’une échelle arbitraire, ordinale et irrégulière). Le diamant , un abrasif courant, est présent à la fois naturellement et est produit industriellement, tout comme le corindon , qui est présent naturellement mais qui est aujourd’hui plus couramment fabriqué à partir de bauxite . Cependant, même des minéraux plus tendres comme le carbonate de calcium sont utilisés comme abrasifs, comme « agents de polissage » dans le dentifrice.
Ces minéraux sont soit broyés, soit sont déjà d’une taille suffisamment petite (allant de grains macroscopiques pouvant atteindre environ deux millimètres à des grains microscopiques d’environ 0,001 millimètre de diamètre) pour permettre leur utilisation comme abrasif. Ces grains, communément appelés grit, présentent des bords rugueux, se terminant souvent par des points qui vont diminuer la surface en contact et augmenter la pression de contact localisée . L’abrasif et le matériau à travailler sont mis en contact tout en étant en mouvement relatif l’un par rapport à l’autre. La force appliquée à travers les grains provoque la rupture de fragments du matériau travaillé tout en lissant simultanément le grain abrasif et/ou en provoquant le détachement du grain du reste de l’abrasif.
Certains facteurs qui affecteront la rapidité avec laquelle une substance est abrasée comprennent :
- Différence de dureté entre les deux substances : un abrasif beaucoup plus dur coupera plus vite et plus profondément
- Taille des grains (taille des grains) : les grains plus gros couperont plus rapidement car ils couperont également plus profondément
- Adhérence entre grains, entre grains et support, entre grains et matrice : détermine la rapidité avec laquelle les grains sont perdus par l’abrasif et la rapidité avec laquelle les grains frais, le cas échéant, sont exposés
- Force de contact : plus de force entraînera une abrasion plus rapide
- Chargement : l’abrasif usé et les matériaux de travail rejetés ont tendance à remplir les espaces entre les grains abrasifs, réduisant ainsi l’efficacité de coupe tout en augmentant la friction.
- Utilisation de lubrifiant/liquide de refroidissement/fluide de travail des métaux : Peut évacuer les copeaux (empêchant le chargement), transporter la chaleur (ce qui peut affecter les propriétés physiques de la pièce ou de l’abrasif), diminuer la friction (avec le substrat ou la matrice), suspendre le matériau de travail usé et les abrasifs permettant une finition plus fine, conduire les contraintes à la pièce.
Minéraux abrasifs
Les abrasifs peuvent être classés en naturels ou synthétiques. En ce qui concerne les pierres à aiguiser, les pierres naturelles ont longtemps été considérées comme supérieures, mais les progrès de la technologie des matériaux font que cette distinction devient moins nette. De nombreux abrasifs synthétiques sont en fait identiques à un minéral naturel , la seule différence étant que le minéral synthétique a été fabriqué plutôt qu’extrait d’une mine. Les impuretés présentes dans le minéral naturel peuvent le rendre moins efficace.
Certains abrasifs naturels sont :
- Calcite (carbonate de calcium)
- Émeri (corindon impur)
- Poussière de diamant (les diamants synthétiques sont largement utilisés)
- Novaculite
- Poussière de pierre ponce
- Sable
Certains minéraux abrasifs (tels que l’alumine de zircone) sont présents naturellement mais sont suffisamment rares ou suffisamment plus difficiles/coûteux à obtenir pour qu’une pierre synthétique soit utilisée industriellement. Ces abrasifs artificiels et d’autres comprennent :
- Borazon (nitrure de bore cubique ou CBN)
- Céramique
- Corindon (alumine ou oxyde d’aluminium)
- Glace carbonique
- Poudre de verre
- Carbure de silicium (carborundum)
- Alumine de zircone
Abrasifs fabriqués
Les abrasifs sont façonnés à diverses fins. Les abrasifs naturels sont souvent vendus sous forme de pierres taillées, généralement sous la forme d’un bloc rectangulaire. Les abrasifs naturels et synthétiques sont couramment disponibles dans une grande variété de formes, souvent sous forme d’abrasifs agglomérés ou appliqués, notamment des blocs, des courroies, des disques, des roues, des feuilles, des tiges et des grains en vrac.
Abrasifs agglomérés
Un abrasif aggloméré est composé d’un matériau abrasif contenu dans une matrice, bien que l’abrasif à base d’oxyde d’aluminium très fin puisse comprendre un matériau fritté. Cette matrice est appelée liant et est souvent une argile , une résine, un verre ou un caoutchouc . Ce mélange de liant et d’abrasif est généralement façonné en blocs, bâtons ou roues. L’abrasif le plus couramment utilisé est l’oxyde d’aluminium. Le carbure de silicium, le carbure de tungstène et le grenat sont également courants . Les pierres à aiguiser artificielles sont souvent un abrasif lié et sont facilement disponibles sous forme de bloc à deux faces, chaque face étant un grain de qualité différente.
Les meules sont des cylindres qui tournent à grande vitesse. Autrefois, elles fonctionnaient avec une pédale ou une manivelle, mais l’introduction des moteurs électriques a rendu nécessaire la construction de la meule pour résister à une plus grande contrainte radiale afin d’éviter que la meule ne se désagrège pendant qu’elle tourne. Des problèmes similaires se posent avec les meules de coupe qui sont souvent renforcées structurellement avec des fibres imprégnées. Une vitesse relative élevée entre l’abrasif et la pièce à usiner rend souvent nécessaire l’utilisation d’un lubrifiant d’une certaine sorte. Traditionnellement, on les appelait liquides de refroidissement car ils étaient utilisés pour empêcher l’accumulation de chaleur par friction qui pourrait endommager la pièce à usiner (comme ruiner la trempe d’une lame). Certaines recherches suggèrent que la propriété de transport de chaleur d’un lubrifiant est moins importante lorsqu’il s’agit de métaux, car le métal conduira rapidement la chaleur de la surface de travail. Plus importants sont leurs effets sur la diminution des contraintes de traction tout en augmentant certaines contraintes de compression et en réduisant les « contraintes thermiques et mécaniques pendant la formation des copeaux ».
Différentes formes sont également utilisées comme têtes sur les outils rotatifs utilisés dans les travaux de précision, tels que le modélisme.
Les abrasifs agglomérés doivent être rectifiés et dressés après utilisation. Le dressage consiste à nettoyer les déchets (copeaux et abrasifs détachés) de la surface et à exposer les grains frais. Selon l’abrasif et la manière dont il a été utilisé, le dressage peut consister à le placer simplement sous l’eau courante et à le brosser avec une brosse dure pour une pierre tendre ou à le meuler contre un autre abrasif, comme l’oxyde d’aluminium utilisé pour dresser une meule.
Le retouchage redonne à l’abrasif sa forme de surface d’origine. Les meules et les pierres ont tendance à s’user de manière inégale, laissant la surface de coupe plus plate (dite « bombée » s’il s’agit d’une pierre plate) ou n’ayant plus le même diamètre sur toute la face de coupe. Cela entraînera une abrasion inégale et d’autres difficultés.
Abrasifs appliqués
Un abrasif appliqué comprend un abrasif fixé sur un matériau de support tel que du papier , du tissu, du caoutchouc , de la résine, du polyester ou même du métal , dont beaucoup sont flexibles. Le papier de verre est un abrasif appliqué très courant. Les abrasifs appliqués sont généralement les mêmes minéraux que ceux utilisés pour les abrasifs agglomérés. Un agent de liaison (souvent une sorte d’ adhésif ou de résine) est appliqué sur le support pour fournir une surface plane sur laquelle le grain est ensuite collé. Un support tissé peut également utiliser un agent de remplissage (là encore, souvent une résine) pour fournir une résilience supplémentaire.
Les abrasifs appliqués peuvent être façonnés pour être utilisés dans des ponceuses rotatives et orbitales, pour s’enrouler autour de blocs de ponçage, comme tampons à main, comme boucles fermées pour une utilisation sur des meuleuses à bande, comme surfaces de frappe sur des boîtes d’allumettes, sur des plaques diamantées et des aciers diamantés. Les outils diamantés , bien que destinés à la coupe, sont souvent de nature abrasive.
Autres abrasifs et leurs utilisations
Le sable, les billes de verre, les granulés de métal et la glace sèche peuvent tous être utilisés pour un procédé appelé sablage (ou similaire, comme l’utilisation de billes de verre appelée « grenaillage »). La glace sèche se sublimera, ce qui signifie qu’il ne restera plus d’abrasif résiduel par la suite.
Le composé de coupe utilisé sur la peinture automobile est un exemple d’abrasif en suspension dans un liquide, une pâte ou une cire, comme le sont certains liquides de polissage pour l’argenterie et les supports optiques . Le liquide, la pâte ou la cire agit comme un agent liant qui maintient l’abrasif attaché au tissu qui est utilisé comme support pour déplacer l’abrasif sur la pièce. Sur les voitures en particulier, la cire peut servir à la fois d’agent protecteur en empêchant l’exposition de la peinture du métal à l’air et également d’agent de remplissage optique pour rendre les rayures moins visibles. Le dentifrice contient du carbonate de calcium ou de la silice comme « agent de polissage » pour éliminer la plaque dentaire et d’autres matières des dents, car la dureté du carbonate de calcium est inférieure à celle de l’émail des dents mais supérieure à celle de l’agent contaminant.
La poudre rouge très fine était couramment utilisée pour broyer le verre, étant quelque peu remplacée par la céramique moderne , et est toujours utilisée dans la fabrication de bijoux pour une finition hautement réfléchissante.
Les produits de nettoyage peuvent également contenir des abrasifs en suspension dans une pâte ou une crème. Ils sont choisis pour être raisonnablement sûrs sur certaines surfaces en linoléum, carrelage , métal ou pierre. Cependant, de nombreuses surfaces stratifiées et poêles en céramique sont facilement endommagés par ces composés abrasifs. Même la vaisselle ou les ustensiles de cuisine en céramique/poterie peuvent endommager ces surfaces, en particulier le fond de la vaisselle qui est souvent non émaillé en partie ou en totalité et agit simplement comme un autre abrasif lié.
Les casseroles et poêles métalliques sont souvent récurés avec des nettoyants abrasifs, généralement sous la forme de la crème ou de la pâte susmentionnée ou de laine d’acier.
La peau humaine est également soumise à une abrasion sous forme d’exfoliation. Les abrasifs utilisés pour cela peuvent être beaucoup plus doux et exotiques que ceux utilisés à d’autres fins et peuvent inclure des éléments comme l’amande et la farine d’avoine. La dermabrasion et la microdermabrasion sont désormais des procédures cosmétiques assez courantes qui utilisent des abrasifs minéraux.
Les disques compacts et les DVD rayés peuvent parfois être réparés en les polissant avec un composé très fin, le principe étant qu’une multitude de petites rayures seront plus transparentes optiquement qu’une seule grande rayure. Cependant, cette opération nécessite une certaine habileté et finira par éroder entièrement le revêtement protecteur du disque (surtout si la rayure d’origine est profonde), après quoi la surface des données sera détruite si l’abrasion continue.
Choix de l’abrasif
La forme, la taille et la nature de la pièce ainsi que la finition souhaitée influenceront le choix de l’abrasif utilisé. Une meule abrasive agglomérée peut être utilisée pour affûter un couteau dans le commerce (produisant une émouture creuse), mais un particulier peut ensuite affûter le même couteau avec une pierre à aiguiser naturelle ou un abrasif enduit encore plus souple (comme un papier de verre) collé sur une surface douce et antidérapante pour faciliter l’obtention d’une émouture convexe. De même, un miroir en laiton peut être coupé avec un abrasif aggloméré, sa surface peut être aplatie avec un abrasif enduit pour obtenir une forme de base, puis des grains d’abrasif plus fins peuvent être appliqués successivement pour aboutir à une pâte de cire imprégnée de rouge pour laisser une sorte de « finition sans grain » appelée, dans ce cas, « finition miroir ».
De plus, différentes formes d’adhésif peuvent rendre plus difficile l’abrasion de certaines zones de la pièce. Des risques pour la santé peuvent résulter de toute poussière produite (qui peut être atténuée grâce à l’utilisation d’un lubrifiant) qui pourrait conduire à une silicose (lorsque l’abrasif ou la pièce à usiner est un silicate ) et du choix de tout lubrifiant. Outre l’eau, les huiles sont les lubrifiants les plus courants. Ceux-ci peuvent présenter des risques d’inhalation, des risques de contact et, comme la friction produit nécessairement de la chaleur, des risques liés aux matières inflammables.
Un abrasif trop dur ou trop grossier peut enlever trop de matière ou laisser des rayures indésirables. En plus d’être inesthétique, le grattage peut avoir d’autres effets plus graves. Une abrasion excessive ou la présence de rayures peuvent :
- diminuer ou détruire l’utilité (comme dans le cas d’optiques et de disques compacts rayés ou d’un couteau émoussé) ;
- piéger la saleté, l’eau ou tout autre matériau ;
- augmenter la surface (permettant une plus grande réactivité chimique telle qu’une augmentation de la rouille qui est également affectée par la matière emprisonnée dans les rayures) ;
- éroder ou pénétrer un revêtement (tel qu’une peinture ou un revêtement résistant aux produits chimiques ou à l’usure) ;
- provoquer l’usure trop rapide d’un objet (comme une lame ou une pierre précieuse) ;
augmenter la friction (comme dans les roulements et les pistons à pierres précieuses).
Un abrasif plus fin ou plus doux aura tendance à laisser des rayures beaucoup plus fines qui peuvent même être invisibles à l’œil nu (une « finition sans grain ») ; un abrasif plus doux peut même ne pas abraser de manière significative un certain objet. Un abrasif plus doux ou plus fin prendra plus de temps à couper car il a tendance à couper moins profondément qu’un matériau plus grossier et plus dur. De plus, l’abrasif plus doux peut devenir moins efficace plus rapidement à mesure qu’il est lui-même abrasé. Cela permet d’utiliser des abrasifs fins pour le polissage du métal et des lentilles, où la série de rayures de plus en plus fines a tendance à prendre un aspect beaucoup plus brillant ou réfléchissant ou une plus grande transparence. Des abrasifs très fins peuvent être utilisés pour recouvrir le cuir des rasoirs. Cependant, le but du décapage n’est pas d’abraser le matériau mais de redresser la bavure sur un bord. Différentes modifications chimiques ou structurelles peuvent être apportées pour altérer les propriétés de coupe de l’abrasif.
D’autres considérations très importantes sont le prix et la disponibilité. Le diamant, longtemps considéré comme la substance la plus dure qui existe, est en réalité plus mou que la fullérite et les nanotiges de diamant agrégées encore plus dures, qui ont toutes deux été synthétisées en laboratoire mais aucun procédé commercial n’a encore été développé. Le diamant lui-même est cher en raison de sa rareté et du coût de sa synthèse. La bauxite est un minerai très courant qui, associé à la dureté raisonnablement élevée du corindon, contribue à faire du corindon un abrasif courant et peu coûteux.
Il faut réfléchir à la tâche souhaitée et à l’utilisation d’un abrasif suffisamment dur. D’un côté, l’utilisation d’un abrasif trop dur gaspille de l’argent en l’usant alors qu’un abrasif moins cher et moins dur suffirait. À l’inverse, si elle est trop douce, l’abrasion n’a pas lieu en temps opportun, ce qui gaspille effectivement l’abrasif ainsi que les coûts associés à la perte de temps.
Autres cas d’abrasion
Outre les utilisations susmentionnées de façonnage et de finition, les abrasifs peuvent également être utilisés pour préparer les surfaces à l’application d’une sorte de peinture ou d’adhésif. Une surface trop lisse peut empêcher la peinture et les adhésifs d’adhérer aussi fortement qu’une surface irrégulière pourrait le permettre. Les kits de réparation de pneus gonflables (qui, sur les vélos notamment, sont en fait des pièces pour la chambre à air plutôt que le pneu) nécessitent l’utilisation d’un abrasif pour que la colle autovulcanisante adhère fortement.
Par inadvertance, les personnes qui utilisent des couteaux sur des planches à découper en verre ou en métal abrasent leurs lames. La pression exercée sur le bord du couteau peut facilement créer des coupures microscopiques (ou même macroscopiques) dans la planche. Cette coupe est une source immédiate de matériau abrasif ainsi qu’un canal rempli de cet abrasif à travers lequel le bord glisse. Pour cette raison, sans égard aux bienfaits pour la santé, les planches de bois sont bien plus souhaitables. Un phénomène similaire se produit avec les coupeurs de verre. Les coupe-verres sont dotés de lames circulaires conçues pour rouler et non glisser. Ils ne doivent jamais revenir sur une coupure déjà effectuée.
Une abrasion indésirable peut résulter de la présence de carbone dans les moteurs à combustion interne . Alors que les particules plus petites sont facilement transportées par le système de lubrification, les particules de carbone plus grosses peuvent abraser des composants ayant des tolérances étroites. Le carbone provient du chauffage excessif de l’huile moteur ou d’une combustion incomplète. Cette suie peut contenir des fullerènes qui sont connus pour leur extrême dureté, et leur petite taille et leur quantité limitée qui tendraient à limiter leur effet.
