Abrasivi naturali e artificiali
Gli abrasivi sono noti fin dall’antichità e sono caratterizzati da elevata durezza, bassa fragilità e natura cristallina . L’uso degli abrasivi risale ai primi tempi in cui l’uomo sfregava una pietra dura contro un’altra per modellare un’arma o uno strumento. I disegni dell’antico Egitto mostrano abrasivi utilizzati per lucidare gioielli e vasi.
Sono 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.
![abrasivi abrasivi](https://chimicamo.org/wp-content/uploads/2012/01/abrasivi.jpg)
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.
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 sono 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.
Abrasivi artificiali
Gli abrasivi artificiali sono composti che hanno una composizione simile a quella dei corrispondenti abrasivi naturali, più rari e spesso costosi. Si ottengono per fusione di polveri in forni elettrici. Tra gli abrasivi artificiali 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, è 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 è 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, è 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.