Un abrasivo es un material, a menudo un mineral , que se utiliza para dar forma o terminar una pieza de trabajo mediante el roce [1], lo que provoca que parte de la pieza de trabajo se desgaste por fricción . Si bien terminar un material a menudo significa pulirlo para obtener una superficie lisa y reflectante, el proceso también puede implicar darle rugosidad, como en acabados satinados, mate o con cuentas . En definitiva, 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 esmerilado , pulido, pulido , bruñido , corte , taladrado , afilado , lapeado y lijado (ver mecanizado abrasivo ). (Para simplificar, "mineral" en este artículo se utilizará de manera vaga para referirse tanto a minerales como a sustancias similares a los minerales, ya sean artificiales o no).
Las limas no son abrasivas; eliminan el material no rayando o frotando, sino mediante la acción cortante de dientes afilados que han sido cortados en la superficie de la lima, muy parecidos a los de una sierra . Sin embargo, las limas de diamante son una forma de abrasivo recubierto (ya que son varillas de metal recubiertas con polvo de diamante).
Los abrasivos generalmente dependen de una diferencia de dureza entre el abrasivo y el material sobre el que se trabaja, siendo el abrasivo la más dura de las dos sustancias. Sin embargo, no es estrictamente necesario, ya que dos materiales sólidos cualesquiera que se froten repetidamente entre sí tenderán a desgastarse; Los ejemplos incluyen suelas de zapatos más suaves que desgastan los escalones de madera o piedra durante décadas o siglos o los glaciares erosionan 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 como lo eran antes. no surge de forma natural. (Aunque 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 naturalmente pero que hoy en día se fabrica más comúnmente a partir de bauxita . [2] Sin embargo, minerales aún 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 tienen un tamaño suficientemente pequeño (desde granos macroscópicos de hasta aproximadamente 2 mm hasta granos microscópicos de aproximadamente 0,001 mm de diámetro) para permitir su uso como abrasivo. Estos granos, comúnmente llamados arena, tienen bordes ásperos, que a menudo terminan en puntos 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 rompan, al tiempo que alisa el grano abrasivo y/o hace que el grano se suelte del resto del abrasivo.
Algunos factores que afectarán la rapidez con la que se desgasta una sustancia incluyen:
Los abrasivos se pueden clasificar en 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 materiales están haciendo que esta distinción se vuelva menos clara. Muchos abrasivos sintéticos son efectivamente idénticos a un mineral natural, diferenciándose únicamente 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 de forma natural, pero son lo suficientemente raros o lo suficientemente más difíciles o costosos de obtener como para que se utilice industrialmente una piedra sintética. Estos y otros abrasivos artificiales incluyen:
Los abrasivos tienen formas para diversos fines. Los abrasivos naturales se venden a menudo como piedras labradas, normalmente en forma de bloque rectangular. Tanto los abrasivos naturales como los sintéticos suelen estar disponibles en una amplia variedad de formas, y a menudo vienen como abrasivos aglomerados o recubiertos, incluidos bloques, correas, discos, ruedas, láminas, varillas y granos sueltos.
Un abrasivo aglomerado está compuesto por un material abrasivo contenido dentro de una matriz , aunque un abrasivo de óxido de aluminio muy fino puede comprender material sinterizado . Esta matriz se llama aglutinante y suele ser una arcilla , una resina , un vidrio o un caucho . A esta mezcla de aglutinante y abrasivo generalmente se le da forma de bloques, palos o ruedas. El abrasivo más 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 suelen ser un abrasivo aglomerado y están disponibles como un bloque de dos caras, cada una de las cuales tiene un grado de grano diferente.
Las muelas abrasivas son cilindros que giran a alta velocidad. Si bien alguna vez se trabajó con un pedal o una manivela, la introducción de motores eléctricos ha hecho necesario construir la rueda para soportar una mayor tensión radial para evitar que la rueda se separe mientras gira. Surgen problemas similares con los discos de corte , que a menudo están reforzados 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 les llamaba refrigerantes porque 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 trata de metales, ya que el metal conducirá rápidamente el calor desde la superficie de trabajo. Más importantes son sus efectos al disminuir 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 utilizadas en trabajos de precisión, como el modelado a escala .
Los abrasivos aglomerados deben rectificarse y rectificarse después de su uso. El revestimiento es la limpieza del material de desecho (virutas y abrasivo suelto) de la superficie y la exposición de arena fresca. Dependiendo del abrasivo y de cómo se usó, el rectificado puede implicar simplemente colocar el abrasivo bajo agua corriente y cepillarlo con un cepillo rígido para una piedra blanda o moler el abrasivo contra otro abrasivo, como el óxido de aluminio que se usa para rectificar una muela abrasiva. .
Truing consiste en devolver el abrasivo a su forma original de la superficie. Las ruedas y las piedras tienden a desgastarse de manera desigual, lo que deja la superficie de corte ya no plana (se dice que está "recortada" si se pretende que sea una piedra plana) o ya no tiene el mismo diámetro en 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 suelen ser los mismos minerales que se utilizan para los abrasivos aglomerados. Se aplica un agente adhesivo (a menudo algún tipo de adhesivo o resina) al respaldo para proporcionar una superficie plana a la que luego se adhiere la arena. Un respaldo tejido también puede usar un agente de relleno (nuevamente, a menudo una resina) para proporcionar resistencia adicional.
Los abrasivos revestidos pueden tener forma para usarse en lijadoras rotativas y orbitales, para envolverse alrededor de bloques de lijado, como almohadillas manuales, como bucles cerrados para usar en lijadoras de banda , como superficies de impacto en cajas de cerillas , en placas de diamante y aceros diamantados. Las herramientas de diamante , aunque sirven para cortar, suelen ser de naturaleza abrasiva.
Se pueden usar arena, perlas de vidrio, gránulos metálicos, escoria de cobre y hielo seco para un proceso llamado chorro de arena (o similar, como el uso de perlas de vidrio, que es "granallado"). El hielo seco se sublimará sin dejar residuos abrasivos.
El compuesto de corte utilizado en pintura para automóviles es un ejemplo de abrasivo suspendido en un líquido, pasta o cera, al igual que algunos líquidos de pulido para cubiertos y medios ópticos . El líquido, pasta o cera actúa como un agente aglutinante que mantiene el abrasivo adherido al paño que se utiliza como respaldo para mover el abrasivo a través de la pieza de trabajo. En los automóviles en particular, la cera puede servir como agente protector al evitar la exposición de la pintura del metal al aire y también actuar como relleno óptico para hacer que los rayones sean menos visibles. La pasta de dientes contiene carbonato de calcio o sílice como "agente pulidor" 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 colorete 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 de cerámica o los utensilios de cocina pueden dañar estas superficies, particularmente el fondo de la vajilla, que a menudo no está esmaltado en parte o en su totalidad y actúa simplemente como otro abrasivo aglomerado. [4]
Las ollas y estufas de metal a menudo se fregan con limpiadores abrasivos, típicamente 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 abrasión en forma de exfoliación. Los abrasivos para esto 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 discos compactos y DVD rayados a veces se pueden reparar puliéndolos con un compuesto muy fino, siendo el principio que una multitud de pequeños rayones serán ópticamente más transparentes que un solo rayo grande. Sin embargo, esto requiere algo de habilidad y eventualmente causará que la capa protectora del disco se erosione por completo (especialmente si el rasguño original es profundo), momento en el cual, la superficie de los datos se destruirá si la abrasión continúa.
Los polvos de carburo de silicio se utilizan comúnmente como materiales abrasivos en diversos procesos de mecanizado, incluido el rectificado, el corte con chorro de agua y el pulido con chorro de arena . [6] Estos polvos son eficaces para el pulido fino o pulido rugoso de semiconductores , cerámicas y materiales ferrosos. [7]
La forma, tamaño y naturaleza de la pieza de trabajo y el acabado deseado influirán en la elección del abrasivo utilizado. Se puede usar una muela abrasiva aglomerada para afilar comercialmente un cuchillo (produciendo un afilado hueco ), pero luego una persona puede afilar el mismo cuchillo con una piedra de afilar natural o incluso con un abrasivo recubierto flexible (como un papel de lija) adherido a una superficie suave, Superficie antideslizante para facilitar la consecución de un molido convexo. De manera similar, un espejo de latón se puede cortar con un abrasivo aglomerado, se puede aplanar su superficie con un abrasivo recubierto para lograr una forma básica y luego se le aplican grados más finos de abrasivo sucesivamente, culminando en una pasta de cera impregnada con colorete para dejar una especie de " acabado sin grano", llamado, en este caso, "acabado de espejo".
Además, las diferentes formas de adhesivo pueden dificultar el desgaste de ciertas áreas de la pieza de trabajo. Pueden surgir riesgos para la salud por el 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 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 necesariamente produce calor, riesgos de materiales inflamables. [8]
Un abrasivo demasiado duro o demasiado áspero puede eliminar demasiado material o dejar marcas de rayado no deseadas. Además de ser antiestético, rascarse puede tener otros efectos más graves. La abrasión excesiva o la presencia de rayones pueden:
Un abrasivo más fino o más suave tenderá a dejar marcas de rayado mucho más finas que incluso pueden ser invisibles a simple vista (un "acabado sin grano"); Es posible que un abrasivo más suave ni siquiera desgaste 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 utilizar abrasivos finos en el pulido de metales y lentes donde la serie de rayones cada vez más finos tiende a adquirir una apariencia mucho más brillante o reflectante o una mayor transparencia . Se pueden usar abrasivos muy finos para recubrir el asentador de una navaja de afeitar ; sin embargo, el propósito del asentador 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, en realidad es más blando que la fullerita y que las nanobarras de diamante agregadas aún más duras , ambas sintetizadas en laboratorios, pero aún no se ha desarrollado ningún proceso comercial. El diamante en sí es caro debido a la 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 al estatus del corindón como abrasivo común y económico.
Se debe pensar en la tarea deseada sobre el uso de un abrasivo adecuadamente duro. Por un lado, utilizar un abrasivo excesivamente duro desperdicia dinero al desgastarlo cuando sería suficiente un abrasivo más barato y menos duro. En el otro extremo, si la sustancia abrasiva es demasiado blanda, la abrasión no se produce de manera oportuna, desperdiciando efectivamente el abrasivo así como cualquier costo acumulado asociado con la pérdida de tiempo.
Aparte de los usos antes mencionados de modelado y acabado, también se pueden utilizar abrasivos 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, sobre todo en las bicicletas, son en realidad parches para la cámara de aire y no para el neumático) requieren el uso de un abrasivo para que el cemento autovulcanizante se adhiera con fuerza.
Sin darse cuenta, las personas que usan cuchillos sobre tablas de cortar de vidrio o metal desgastan las hojas de sus cuchillos. La presión en el filo del cuchillo puede crear fácilmente cortes microscópicos (o incluso macroscópicos) en el tablero. Este corte es una fuente lista de material abrasivo, así como un canal lleno de este abrasivo a través del cual se desliza el borde. Por este motivo, 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 deslizarse. Nunca deben volver sobre un corte ya efectuado.
La presencia de carbón en los motores de combustión interna puede provocar una abrasión no deseada . Si bien el sistema de lubricación transporta fácilmente las partículas más pequeñas, 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 fullerenos que se caracterizan por su extrema dureza, y su tamaño pequeño y cantidad limitada que tenderían a limitar su efecto.
