Materiales abrasivos: Tipos, propiedades, características y usos

¿Qué son los abrasivos?

Los abrasivos son sustancias, tanto naturales como sintéticas, que se utilizan para moler, pulir, raspar, fregar, limpiar o eliminar de cualquier otro modo material sólido, generalmente mediante la acción de frotamiento (como en una muela) pero también por impacto (granallado a presión).

Los datos sobre el descubrimiento, uso temprano, adaptación y desarrollo de abrasivos antes del siglo XX son pocos.

De la escasa y más temprana información disponible, parece que la ciencia de los abrasivos comenzó cuando, para crear herramientas, los humanos seleccionaron ciertas rocas sobre otras debido a sus propiedades útiles.

Existe evidencia de que algún tipo de máquina de pulir aserró piedras ya en el 4000 AC en Egipto.

La expansión real del uso de abrasivos coincidió con el comienzo de la metalurgia en el Medio Oriente alrededor del 2000 a. C. El primer uso confirmado de abrasivos para moler metal proviene de una daga de acero encontrada junto con una piedra de afilar que data del 1500 a. C.

Las sustancias abrasivas naturales y manufacturadas juegan un papel importante en el modelado y acabado de numerosos productos con una amplia variedad de aplicaciones.

Propiedades y características de los abrasivos

Las propiedades físicas más importantes de los materiales que califican como abrasivos son dureza, tenacidad (o rigidez), forma y tamaño de grano, carácter de fractura (o hendidura) y pureza (o uniformidad).

Para fabricar productos abrasivos aglomerados, como muelas abrasivas, las consideraciones adicionales incluyen la estabilidad a altas temperaturas y las características de unión de las superficies de grano.

Los factores económicos de costo y disponibilidad son siempre importantes.

Ninguna propiedad singular es primordial para ningún uso. Algunas aplicaciones requieren una dureza y una tenacidad extremas, como en los diamantes para brocas.

Para otros usos, los factores de mayor importancia son la dureza, la capacidad de descomponerse lentamente y, en el proceso, desarrollar bordes cortantes frescos cuando los granos se desgastan.

En el papel de lija de granate, por ejemplo, no son deseables granos muy escindibles, friables o extremadamente duros.

Para otros usos, la dureza extrema puede ser objetable, como abrasivos para dentífricos y jabones limpiacristales.

Para usos de eficiencia en aplicaciones críticas, los diferentes tipos de abrasivos rara vez pueden ser completamente intercambiables.

Aunque tanto el cuarzo triturado como el granate se utilizan en el papel de lija, los dos abrasivos no son intercambiables en sus aplicaciones.

En el análisis final, la elección de un abrasivo de alto grado depende de la calidad y cantidad de trabajo realizado por el abrasivo por unidad de costo.

El costo inicial de un abrasivo artificial puede ser mucho mayor que el de un abrasivo natural, pero el mineral artificial puede funcionar mejor más rápido, por lo que el costo final es menor.

Por esta razón, los abrasivos artificiales han reemplazado en gran medida a los abrasivos naturales.

Clasificación de los abrasivos

Los abrasivos se pueden dividir en dos clases generales, naturales y artificiales industriales.

Abrasivos naturales

Los abrasivos naturales son todas las rocas y minerales utilizados con fines abrasivos sin cambios químicos o físicos que no sean triturar, dar forma o adherir en formas adecuadas.

Los ejemplos más comunes incluyen: diamantes, granates, diatomita, trípoli, piedra pómez y pumicita, arena de sílice y cuarzo.

Abrasivos artificiales o industriales

Los abrasivos artificiales o manufacturados se obtienen por acción térmica o química de metales o materias primas minerales.

Los productos manufacturados se pueden sustituir por la mayoría de los productos naturales, generalmente a un costo inicial más alto, pero con mayor eficiencia.

Este no es siempre el caso. Por ejemplo, no existe un sustituto de granate fabricado satisfactoriamente para hacer papel y telas abrasivas revestidas.

En el caso de algunos abrasivos, como las piedras de cazar, y otros cuyo uso está disminuyendo, la producción de sustitutos manufacturados no ha resultado económicamente atractiva.

Para un producto de bajo precio, como granalla de acero de granallado a presión, se puede sustituir el óxido de aluminio fundido y el carburo de silicio.

El uso de muchos abrasivos naturales como arena y cuarzo ha disminuido seriamente debido a la regulación gubernamental de la sílice cristalina libre (un carcinógeno).

Los abrasivos silíceos se han sustituido por abrasivos fabricados.

La transición no ha sido una pérdida neta para la industria minera porque prácticamente todos los abrasivos manufacturados están hechos de materias primas minerales.

Tipos de productos abrasivos

Granos abrasivos sueltos

Los granos abrasivos se producen a partir de una amplia variedad de materiales para su uso como granos y para su incorporación a otros productos.

Los granos abrasivos son productos importantes y son el punto de partida para hacer formas adheridas, abrasivos revestidos, herramientas abrasivas, pulidores, limpiadores, pastas de esmerilado y otros compuestos.

El granate, el pedernal y el chert se utilizan para pulir arena de sílice y otros granos minerales naturales como el corindón.

También se emplean granos manufacturados como alúmina fundida, carburo de silicio y perdigones de acero.

Cada uso tiene sus propios requisitos especiales.

Todos los granos, excepto los perdigones de acero, tienen una dureza Mohs de 7 o más.

Además de la dureza, son importantes las propiedades físicas de tenacidad, forma de grano, tamaño de grano, uniformidad y gravedad específica.

Los granos deben ser duros para que no se desintegren fácilmente bajo el impacto. Para algunos usos, los granos redondeados se consideran deseables.

 Para otros, se prefieren los bordes cortantes afilados.

Siempre es deseable la uniformidad del tamaño de grano y otras propiedades físicas.

Cuanto mayor sea la gravedad específica, mayor será la fuerza de impacto para granos de igual tamaño.

Abrasivos adheridos

Los granos abrasivos, de tamaño reducido, se adhieren y presionan o moldean en una amplia variedad de abrasivos adheridos, como muelas abrasivas, piedras de afilar y medios de volteo.

Los abrasivos en tales productos eran originalmente corindón o esmeril.

El uso de abrasivos naturales ha disminuido considerablemente con la introducción de abrasivos de horno eléctrico (óxido de aluminio y carburo de silicio).

Los cinco tipos principales de abrasivos aglomerados, según el tipo de unión y el método de fabricación, son los siguientes:

1. Muelas vitrificadas con unión arcilla-feldespato que se fabrican en hornos de cerámica. Debido a su alta rigidez y estabilidad dimensional, las muelas aglomeradas vitrificadas se prefieren para operaciones de rectificado de precisión. No se ven afectados por el agua, los ácidos, los aceites y las variaciones de temperatura ordinarias.
2. Ruedas de resina con un enlace de resina sintética dura. Se trata de ruedas de alta velocidad que se utilizan en fundiciones y talleres de soldadura, y para el acondicionamiento de palanquilla. También se utilizan en operaciones de corte y lijado de roscas.
3. Ruedas de caucho, unidas con caucho natural o sintético. Estos son algo elásticos por naturaleza. Se utilizan para rectificar pistas de bolas, la mayoría de las ruedas de alimentación sin centros y para operaciones de enganche portátiles donde el acabado es una consideración importante. Los discos de corte adheridos con caucho se pueden hacer muy delgados.
4. Ruedas de goma laca utilizadas para producir altos acabados en artículos como árboles de levas y rollos de papel.
5. Uniones de silicato para aplicaciones en las que el calor generado durante la molienda debe mantenerse al mínimo. Las muelas aglomeradas con silicato son de acción suave y se utilizan en herramientas con filo abrasivo de todo tipo.

Abrasivos revestidos

Los abrasivos recubiertos consisten en granos abrasivos de tamaño cementados a un papel, tela tejida, película de poliéster o respaldo de fibra vulcanizada.

El papel de lija se recubría originalmente con arena de sílice, pero hoy en día se usa cuarzo triturado en papel de tipo sílice porque sus granos tienen bordes cortantes mucho más afilados.

Los principales abrasivos utilizados para este propósito son óxido de aluminio, carburo de silicio, alúmina-zirconia, alúmina Sol-Gel, cuarzo triturado y granate.

La mayoría de las telas de esmeril están ahora recubiertas con carburo de silicio u óxido de aluminio.

El papel de sílex en los Estados Unidos está recubierto con cuarzo triturado, pero en Europa se usa el verdadero sílex.

Granos y polvos para jabón, limpiadores y abrillantadores

Muchos materiales diferentes, en su mayoría naturales, pero algunos manufacturados se utilizan para hacer jabones, limpiadores y abrillantadores.

El feldespato, la piedra pómez y la pumicita, la arena, el cuarzo molido, el trípoli, la tierra de diatomeas, la arcilla y la harina de madera son ingredientes de los jabones de manos y desengrasantes.

 El precio bajo es a menudo el factor principal en la selección del abrasivo. Ocasionalmente, el abrasivo es un factor importante en la formulación y el uso de un producto.

Un limpiador doméstico no debe contener cuarzo ni ningún mineral de dureza igual o superior a la del vidrio o los esmaltes, casi todos con una dureza Mohs de 6 o menos.

De lo contrario, la superficie de vidrio o esmalte se rayaría fácilmente.

Dichos limpiadores no deben contener carbonato cálcico, sulfato cálcico u otros compuestos de cal fácilmente reactivos porque la cal reacciona con la mayoría de los jabones para formar sustancias insolubles que son difíciles de eliminar de las superficies de vidrio o esmalte.

Usos y aplicaciones de los abrasivos

Los abrasivos se utilizan para cortar, moler, alisar y perforar todo tipo de material, incluido acero, madera, fibra de vidrio, plástico, etc.

Existe una amplia gama de aplicaciones para abrasivos, tanto industriales como herramientas de taller para el hogar.

En resumen, los abrasivos se utilizan para:

• Ruedas de corte: se utilizan para cortar acero. Por lo general, se utilizan en dos tipos de máquinas: amoladoras angulares manuales y sierras de corte o sierras de caída montadas en banco.
• Lijado: para suavizar las superficies. Esto es importante para los carpinteros que desean evitar astillas y superficies rugosas en la carpintería doméstica. Los discos de lijado a menudo funcionarán, si tienes una amoladora.
• Alisado: es un proceso más intensivo de alisado de metales, que involucra discos de acero o de metal.
• El afilado: afila objetos, como cuchillos.
• El pulido: hace que la superficie se vea bonita y brillante. Es posible que desee pulir su automóvil para que se vea brillante y nuevo, ¡de vez en cuando!
• La perforación: Las brocas hechas con diamante sirven para hacer posos petroleros y en la exploración minera.

En el taller casero, los abrasivos se utilizan con mayor frecuencia para trabajar metales y carpintería. La mayoría de las cosas que fabrica o en las que trabaja requerirán cortar, esmerilar y terminar para obtener un producto final suave y fuerte, ¡y nada de esto se puede hacer sin abrasivos!

Si bien las herramientas abrasivas pueden durar años, los implementos como los discos de lijado que se utilizan para llevar a cabo las abrasiones tienen un uso limitado y deben reemplazarse, según la cantidad de uso.