Un abrasivo es un material, a menudo un mineral , que se utiliza para dar forma o acabar una pieza de trabajo mediante el frotamiento [1], lo que hace que parte de la pieza de trabajo se desgaste por fricción . Si bien el acabado de un material a menudo significa pulirlo para obtener una superficie lisa y reflectante, el proceso también puede implicar el desbaste, como en los acabados satinados, mate o granulados . En resumen, las cerámicas que se utilizan para cortar, moler y pulir otros materiales más blandos se conocen como abrasivos.
Los abrasivos son extremadamente comunes y se utilizan ampliamente en una amplia variedad de aplicaciones industriales, domésticas y tecnológicas. Esto da lugar a una gran variación en la composición física y química de los abrasivos, así como en la forma del abrasivo. Algunos usos comunes de los abrasivos incluyen el esmerilado , pulido, abrillantado , afilado , corte , taladrado , afilado , lapeado y lijado (véase mecanizado abrasivo ). (Para simplificar, en este artículo se utilizará el término "mineral" de manera imprecisa para referirse tanto a minerales como a sustancias similares a minerales, ya sean artificiales o no).
Las limas no son abrasivos; eliminan material no rascando ni frotando, sino mediante la acción de corte de dientes afilados que se han cortado en la superficie de la lima, de forma muy similar a los de una sierra . Sin embargo, las limas de diamante son una forma de abrasivo revestido (ya que son varillas de metal revestidas con polvo de diamante).
Los abrasivos generalmente dependen de una diferencia de dureza entre el abrasivo y el material con el que se trabaja, siendo el abrasivo el más duro de las dos sustancias. Sin embargo, no es estrictamente necesario, ya que dos materiales sólidos que se frotan repetidamente entre sí tienden a desgastarse mutuamente; por ejemplo, las suelas de zapatos más blandas desgastan los escalones de madera o piedra a lo largo de décadas o siglos o los glaciares desgastan los valles de piedra.
Por lo general, los materiales utilizados como abrasivos son minerales duros (clasificados en 7 o más en la escala de dureza mineral de Mohs ) o son piedras sintéticas, algunas de las cuales pueden ser química y físicamente idénticas a los minerales naturales pero que no pueden llamarse minerales porque no surgieron de forma natural. (Si bien es útil para fines comparativos, la escala de Mohs tiene un valor limitado para los ingenieros de materiales, ya que es una escala arbitraria, ordinal e irregular). El diamante , un abrasivo común, por ejemplo, se produce tanto de forma natural como industrial, al igual que el corindón , que se produce de forma natural pero que hoy en día se fabrica más comúnmente a partir de bauxita . [2] Sin embargo, incluso los minerales más blandos como el carbonato de calcio se utilizan como abrasivos, como "agentes de pulido" en la pasta de dientes.
Estos minerales están triturados o ya son de un tamaño suficientemente pequeño (desde granos macroscópicos de unos 2 mm hasta granos microscópicos de unos 0,001 mm de diámetro) para permitir su uso como abrasivo. Estos granos, comúnmente llamados granalla, tienen bordes ásperos, que a menudo terminan en puntas que disminuirán el área de superficie en contacto y aumentarán la presión de contacto localizada . El abrasivo y el material a trabajar se ponen en contacto mientras están en movimiento relativo entre sí. La fuerza aplicada a través de los granos hace que los fragmentos del material trabajado se desprendan, al mismo tiempo que alisa el grano abrasivo y/o hace que el grano se separe del resto del abrasivo.
Algunos factores que afectarán la rapidez con la que se desgasta una sustancia incluyen:
Los abrasivos se pueden clasificar como naturales o sintéticos. Cuando se habla de piedras de afilar , las piedras naturales se han considerado superiores durante mucho tiempo, pero los avances en la tecnología de los materiales están haciendo que esta distinción se vuelva menos clara. Muchos abrasivos sintéticos son prácticamente idénticos a un mineral natural, diferenciándose solo en que el mineral sintético ha sido fabricado en lugar de extraído. Las impurezas en el mineral natural pueden hacerlo menos efectivo.
Algunos abrasivos naturales son:
Algunos minerales abrasivos (como la alúmina de circonio ) se encuentran en la naturaleza, pero son lo suficientemente escasos o lo suficientemente difíciles o costosos de obtener como para que se utilice una piedra sintética de manera industrial. Estos y otros abrasivos artificiales incluyen:
Los abrasivos se moldean para diversos fines. Los abrasivos naturales suelen venderse como piedras labradas, normalmente en forma de bloque rectangular. Los abrasivos tanto naturales como sintéticos suelen estar disponibles en una amplia variedad de formas, a menudo como abrasivos aglomerados o revestidos, incluidos bloques, bandas, discos, ruedas, láminas, varillas y granos sueltos.
Un abrasivo aglomerado está compuesto de un material abrasivo contenido dentro de una matriz , aunque el abrasivo de óxido de aluminio muy fino puede incluir material sinterizado . Esta matriz se llama aglutinante y a menudo es una arcilla , una resina , un vidrio o un caucho . Esta mezcla de aglutinante y abrasivo normalmente se moldea en bloques, barras o ruedas. El abrasivo más común utilizado es el óxido de aluminio. También son comunes el carburo de silicio, el carburo de tungsteno y el granate . Las piedras de afilar artificiales a menudo son un abrasivo aglomerado y están fácilmente disponibles como un bloque de dos caras, cada cara con un grado diferente de grano.
Las muelas abrasivas son cilindros que giran a alta velocidad. Si bien antes se trabajaba con un pedal o una manivela, la introducción de los motores eléctricos ha hecho necesario construir la muela para que resista una mayor tensión radial para evitar que la muela se deshaga mientras gira. Surgen problemas similares con las muelas de corte , que a menudo están reforzadas estructuralmente con fibras impregnadas. La alta velocidad relativa entre el abrasivo y la pieza de trabajo a menudo hace necesario el uso de algún tipo de lubricante. Tradicionalmente, se los llamaba refrigerantes , ya que se usaban para evitar la acumulación de calor por fricción que podría dañar la pieza de trabajo (como arruinar el temple de una hoja). Algunas investigaciones sugieren que la propiedad de transporte de calor de un lubricante es menos importante cuando se trabaja con metales, ya que el metal conducirá rápidamente el calor desde la superficie de trabajo. Más importantes son sus efectos sobre la disminución de las tensiones de tracción al tiempo que aumentan algunas tensiones de compresión y reducen las "tensiones térmicas y mecánicas durante la formación de viruta". [3]
También se utilizan diversas formas como cabezales en herramientas rotativas que se emplean en trabajos de precisión, como el modelismo a escala .
Los abrasivos aglomerados deben rectificarse y afilarse después de su uso. El afilamiento consiste en limpiar el material de desecho (virutas y abrasivo suelto) de la superficie y dejar expuesta la granalla fresca. Según el abrasivo y el modo en que se haya utilizado, el afilamiento puede consistir simplemente en colocar el abrasivo bajo el agua corriente y cepillarlo con un cepillo rígido para una piedra blanda o en pulirlo contra otro abrasivo, como el óxido de aluminio que se utiliza para afilar una muela de amolar.
El rectificado consiste en devolver al abrasivo su forma superficial original. Las ruedas y las piedras tienden a desgastarse de manera desigual, lo que hace que la superficie de corte ya no sea plana (se dice que está "convexa" si se supone que es una piedra plana) o que ya no tenga el mismo diámetro en toda la cara de corte. Esto provocará una abrasión desigual y otras dificultades.
Un abrasivo revestido comprende un abrasivo fijado a un material de soporte como papel , tela , caucho, resina, poliéster o incluso metal , muchos de los cuales son flexibles. El papel de lija es un abrasivo revestido muy común. Los abrasivos revestidos son más comúnmente los mismos minerales que se utilizan para los abrasivos aglomerados. Se aplica un agente aglutinante (a menudo algún tipo de adhesivo o resina) al soporte para proporcionar una superficie plana a la que luego se adhiere la granalla. Un soporte tejido también puede utilizar un agente de relleno (de nuevo, a menudo una resina) para proporcionar resistencia adicional.
Los abrasivos revestidos pueden moldearse para su uso en lijadoras rotativas y orbitales, para envolver bloques de lijado, como almohadillas manuales, como bucles cerrados para su uso en amoladoras de banda , como superficies de impacto en cajas de cerillas , en placas de diamante y aceros de diamante. Las herramientas de diamante , aunque se utilizan para cortar, suelen ser de naturaleza abrasiva.
Se puede utilizar arena, perlas de vidrio, bolitas de metal, escoria de cobre y hielo seco para un proceso llamado arenado (o similar, como el uso de perlas de vidrio, que se conoce como "granallado"). El hielo seco se sublima sin dejar residuos abrasivos.
El compuesto de corte utilizado en la pintura de automóviles es un ejemplo de un abrasivo suspendido en un líquido, pasta o cera, al igual que algunos líquidos de pulido para platería y medios ópticos . El líquido, la pasta o la cera actúan como un agente aglutinante que mantiene el abrasivo adherido al paño que se utiliza como soporte para mover el abrasivo a través de la pieza de trabajo. En los automóviles en particular, la cera puede servir como un agente protector al evitar la exposición de la pintura del metal al aire y también actuar como un relleno óptico para hacer que los rayones sean menos visibles. La pasta de dientes contiene carbonato de calcio o sílice como un "agente de pulido" para eliminar la placa y otras materias de los dientes, ya que la dureza del carbonato de calcio es menor que la del esmalte dental , pero mayor que la del agente contaminante.
El polvo rojo muy fino se usaba comúnmente para moler vidrio, siendo reemplazado en cierta medida por la cerámica moderna, y todavía se usa en la fabricación de joyas para obtener un acabado altamente reflectante.
Los productos de limpieza también pueden contener abrasivos suspendidos en una pasta o crema. Se eligen por ser razonablemente seguros en algunas superficies de linóleo , baldosas , metal o piedra. Sin embargo, muchas superficies laminadas y estufas con cubierta de cerámica se dañan fácilmente con estos compuestos abrasivos. Incluso la vajilla o los utensilios de cocina de cerámica/alfarería pueden dañar estas superficies, en particular la base de la vajilla, que a menudo no está esmaltada en parte o en su totalidad y actúa simplemente como otro abrasivo aglomerado. [4]
Las ollas y estufas de metal a menudo se limpian con limpiadores abrasivos, generalmente en forma de la crema o pasta antes mencionada o de lana de acero y estropajos no tejidos que contienen abrasivos de grano fino.
La piel humana también está sujeta a la abrasión en forma de exfoliación. Los abrasivos para este fin pueden ser mucho más suaves y exóticos que para otros fines y pueden incluir cosas como almendras y avena . [5] La dermoabrasión y la microdermoabrasión son ahora procedimientos cosméticos bastante comunes que utilizan abrasivos minerales.
Los CD y DVD rayados a veces se pueden reparar puliéndolos con un compuesto muy fino, ya que el principio es que una multitud de pequeños arañazos serán más transparentes ópticamente que un único arañazo grande. Sin embargo, esto requiere cierta habilidad y, con el tiempo, provocará que la capa protectora del disco se erosione por completo (especialmente si el arañazo original es profundo), momento en el que la superficie de los datos se destruirá si la abrasión continúa.
Los polvos de carburo de silicio se utilizan comúnmente como materiales abrasivos en varios procesos de mecanizado, incluidos el pulido, el corte con chorro de agua y el arenado . [6] Estos polvos son eficaces para el pulido fino o grueso de semiconductores , cerámicas y materiales ferrosos. [7]
La forma, el tamaño y la naturaleza de la pieza de trabajo y el acabado deseado influirán en la elección del abrasivo utilizado. Se puede utilizar una muela abrasiva aglomerada para afilar comercialmente un cuchillo (produciendo un afilado hueco ), pero una persona puede afilar luego el mismo cuchillo con una piedra de afilar natural o incluso un abrasivo recubierto flexible (como un papel de lija) pegado a una superficie suave y antideslizante para facilitar la obtención de un afilado convexo. De manera similar, se puede cortar un espejo de latón con un abrasivo aglomerado, aplanar su superficie con un abrasivo recubierto para lograr una forma básica y luego aplicar grados más finos de abrasivo sucesivamente hasta culminar en una pasta de cera impregnada con rojo para dejar una especie de "acabado sin grano" llamado, en este caso, "acabado de espejo".
Además, las distintas formas de adhesivo pueden dificultar la abrasión de determinadas zonas de la pieza de trabajo. Pueden surgir riesgos para la salud a partir del polvo producido (que puede mejorarse mediante el uso de un lubricante), que podría provocar silicosis (cuando el abrasivo o la pieza de trabajo es un silicato ), y de la elección de cualquier lubricante. Además del agua, los aceites son los lubricantes más comunes. Estos pueden presentar riesgos de inhalación, riesgos de contacto y, como la fricción produce necesariamente calor, riesgos de materiales inflamables. [8]
Un abrasivo demasiado duro o demasiado grueso puede eliminar demasiado material o dejar marcas de rayaduras no deseadas. Además de ser antiestético, las rayaduras pueden tener otros efectos más graves. La abrasión excesiva o la presencia de rayaduras pueden:
Un abrasivo más fino o más suave tenderá a dejar marcas de rayaduras mucho más finas que pueden incluso ser invisibles a simple vista (un "acabado sin grano"); un abrasivo más suave puede incluso no desgastar significativamente un determinado objeto. Un abrasivo más suave o más fino tardará más en cortar, ya que tiende a cortar menos profundamente que un material más grueso y duro. Además, el abrasivo más suave puede volverse menos efectivo más rápidamente a medida que el abrasivo se desgasta. Esto permite que los abrasivos finos se utilicen en el pulido de metales y lentes donde la serie de rayaduras cada vez más finas tiende a adquirir un aspecto mucho más brillante o reflectante o una mayor transparencia . Se pueden utilizar abrasivos muy finos para recubrir la correa de una navaja de afeitar de garganta cortante , sin embargo, el propósito del afilado no es desgastar el material sino enderezar la rebaba de un borde. La etapa final del afilado de espadas japonesas se llama pulido y puede ser una forma de superacabado .
Se pueden realizar diferentes modificaciones químicas o estructurales para alterar las propiedades de corte del abrasivo. [9]
Otras consideraciones muy importantes son el precio y la disponibilidad. El diamante, considerado durante mucho tiempo la sustancia más dura que existe, es en realidad más blando que la fullerita e incluso las nanobarras de diamante agregadas , que son aún más duras; ambas se han sintetizado en laboratorios, pero aún no se ha desarrollado ningún proceso comercial. El diamante en sí es caro debido a su escasez en la naturaleza y al coste de sintetizarlo. La bauxita es un mineral muy común que, junto con la dureza razonablemente alta del corindón, contribuye a que este último sea un abrasivo común y económico.
Se debe pensar en la tarea deseada sobre el uso de un abrasivo de dureza adecuada. Por un lado, el uso de un abrasivo excesivamente duro desperdicia dinero al desgastarlo cuando un abrasivo más barato y menos duro sería suficiente. Por otro lado, si la sustancia abrasiva es demasiado blanda, la abrasión no se produce de manera oportuna, lo que efectivamente desperdicia el abrasivo y los costos acumulados asociados con la pérdida de tiempo.
Además de los usos mencionados anteriormente para dar forma y acabado, los abrasivos también se pueden utilizar para preparar superficies para la aplicación de algún tipo de pintura o adhesivo. Una superficie excesivamente lisa puede impedir que la pintura y los adhesivos se adhieran con tanta fuerza como lo permitiría una superficie irregular. Los kits de reparación de neumáticos inflables (que, en el caso de las bicicletas en particular, son en realidad parches para la cámara interior en lugar de para el neumático) requieren el uso de un abrasivo para que el cemento autovulcanizante se adhiera con fuerza.
Sin darse cuenta, las personas que utilizan cuchillos sobre tablas de cortar de vidrio o metal están desgastando las hojas de sus cuchillos. La presión en el filo del cuchillo puede crear fácilmente cortes microscópicos (o incluso macroscópicos) en la tabla. Este corte es una fuente fácil de material abrasivo, así como un canal lleno de este abrasivo a través del cual se desliza el filo. Por esta razón, y sin tener en cuenta los beneficios para la salud, las tablas de madera son mucho más deseables. Algo similar ocurre con los cortadores de vidrio . Los cortadores de vidrio tienen hojas circulares que están diseñadas para rodar, no para deslizarse. Nunca deben volver a trazar un corte ya efectuado.
La presencia de carbón en los motores de combustión interna puede provocar una abrasión no deseada . Mientras que las partículas más pequeñas son transportadas fácilmente por el sistema de lubricación, las partículas de carbón más grandes pueden desgastar componentes con tolerancias estrechas . El carbón surge del calentamiento excesivo del aceite del motor o de una combustión incompleta . Este hollín puede contener fulerenos , que se caracterizan por su extrema dureza, y su pequeño tamaño y cantidad limitada, lo que tendería a limitar su efecto.
