Abrasivo

Un abrasivo es un material, a menudo un mineral , que se utiliza para dar forma o acabado a una pieza mediante frotamiento ^{[ 1 ],} lo que provoca el desgaste de parte de la pieza por fricción . Si bien el acabado de un material suele implicar pulirlo para obtener una superficie lisa y reflectante, el proceso también puede incluir el rugosado, como en los acabados satinados, mate o granulados . En resumen, las cerámicas que se utilizan para cortar, desbastar y pulir otros materiales más blandos se conocen como abrasivos.

Los abrasivos son muy comunes y se utilizan ampliamente en una gran variedad de aplicaciones industriales, domésticas y tecnológicas. Esto da lugar a una gran variación en su composición física y química, así como en su forma. Algunos usos comunes de los abrasivos incluyen el rectificado , el pulido, el abrillantado , el afilado , el corte , la perforación , el afilado , el lapeado y el lijado (véase mecanizado abrasivo ). (Para simplificar, en este artículo el término «mineral» se utilizará de forma general para referirse tanto a minerales como a sustancias similares, sean o no artificiales).

Las limas no son abrasivas; eliminan material no por raspado ni frotamiento, sino por la acción cortante de dientes afilados tallados en la superficie de la lima, muy parecidos a los de una sierra . Sin embargo, las limas de diamante son un tipo de abrasivo recubierto (ya que son varillas de metal recubiertas con polvo de diamante).

Generalmente, los abrasivos se basan en la diferencia de dureza entre el abrasivo y el material sobre el que se trabaja, siendo el abrasivo la sustancia más dura. Sin embargo, esto no es estrictamente necesario, ya que dos materiales sólidos que se frotan repetidamente 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 erosionan los valles rocosos.

Por lo general, los materiales utilizados como abrasivos son minerales duros (clasificados en 7 o más en la escala de Mohs de dureza mineral ) o piedras sintéticas, algunas de las cuales pueden ser química y físicamente idénticas a los minerales que se encuentran en la naturaleza, pero que no pueden llamarse minerales porque no se originaron 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 encuentra tanto en la naturaleza como se produce industrialmente, al igual que el corindón , que se encuentra en la naturaleza pero que hoy en día se fabrica más comúnmente a partir de bauxita . ^{[ 2 ]} Sin embargo, incluso minerales más blandos como el carbonato de calcio se utilizan como abrasivos, por ejemplo, como "agentes pulidores" en la pasta de dientes.

Estos minerales están triturados o tienen un tamaño suficientemente pequeño (desde granos macroscópicos de hasta 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, a menudo terminando en puntas que disminuyen la superficie de contacto y aumentan la presión de contacto localizada . El abrasivo y el material a trabajar se ponen en contacto mientras se mueven uno respecto al otro. La fuerza aplicada a través de los granos provoca que se desprendan fragmentos del material trabajado, al tiempo que alisa el grano abrasivo o hace que este se separe del resto del abrasivo.

Algunos factores que influyen en la rapidez con la que se desgasta una sustancia son:

• Diferencia de dureza entre las dos sustancias: un abrasivo mucho más duro cortará más rápido y más profundamente.
• Tamaño del grano (tamaño de la arena): los granos más grandes cortarán más rápido, ya que también cortan más profundamente.
• Adhesión entre granos, entre granos y soporte, entre granos y matriz: determina la rapidez con la que se pierden los granos del abrasivo y la prontitud con la que se exponen los granos nuevos, si los hay.
• Fuerza de contacto: una mayor fuerza provocará una abrasión más rápida.
• Carga: el abrasivo desgastado y el material de trabajo desechado tienden a llenar los espacios entre los granos abrasivos, lo que reduce la eficiencia de corte y aumenta la fricción.
• Uso de lubricante/refrigerante/fluido para el mecanizado de metales: Puede eliminar las virutas (evitando la acumulación de material), transportar el calor (que puede afectar las propiedades físicas de la pieza de trabajo o del abrasivo), disminuir la fricción (con el sustrato o la matriz), suspender el material de trabajo desgastado y los abrasivos, lo que permite un acabado más fino, y transmitir la tensión a la pieza de trabajo.

Los abrasivos se pueden clasificar en naturales o sintéticos. En el caso de las piedras de afilar , las naturales se han considerado tradicionalmente superiores, pero los avances en la tecnología de materiales están difuminando esta distinción. Muchos abrasivos sintéticos son prácticamente idénticos a un mineral natural, diferenciándose únicamente en que el mineral sintético se fabrica en lugar de extraerse de una mina. Las impurezas en el mineral natural pueden reducir su eficacia.

Algunos abrasivos que se encuentran en la naturaleza son:

• Calcita (carbonato de calcio)
• Esmeril (corindón impuro)
• Polvo de diamante (se utilizan ampliamente diamantes sintéticos)
• Novaculita
• Piedra pómez
• Óxido de hierro(III)
• Arena
• Corundo
• Granate
• Arenisca
• Piedra podrida (Trípoli)
• feldespato en polvo
• estaurolita

Algunos minerales abrasivos (como la alúmina de circonia ) se encuentran en la naturaleza, pero son lo suficientemente raros o lo suficientemente difíciles o costosos de obtener como para que se utilice una piedra sintética a nivel industrial. Estos y otros abrasivos artificiales incluyen:

• Borazón ( nitruro de boro cúbico o CBN)
• Cerámico
• Óxido de aluminio cerámico
• Óxido de hierro cerámico
• Corindón (alúmina u óxido de aluminio )
• hielo seco
• Polvo de vidrio
• Abrasivo de acero
• Carburo de silicio (carborundo)
• alúmina de circonio
• Carburo de boro
• escorias

Los abrasivos se moldean para diversos fines. Los abrasivos naturales suelen venderse como piedras labradas, generalmente en forma de bloque rectangular. Tanto los abrasivos naturales como los sintéticos se encuentran comúnmente en una amplia variedad de formas, a menudo aglomeradas o recubiertas, incluyendo bloques, cintas, discos, ruedas, láminas, varillas y granos sueltos.

Abrasivos aglomerados

Un abrasivo aglomerado se compone de un material abrasivo contenido en una matriz , aunque el óxido de aluminio muy fino puede contener material sinterizado . Esta matriz se denomina aglutinante y suele ser arcilla , resina , vidrio o caucho . Esta mezcla de aglutinante y abrasivo se suele moldear en bloques, barras o ruedas. El abrasivo más común 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 de abrasivo aglomerado y se encuentran fácilmente disponibles en forma de bloque de doble cara, cada una con un grado de grano diferente.

Las muelas abrasivas son cilindros que giran a alta velocidad. Si bien antes se accionaban con un pedal o una manivela, la introducción de los motores eléctricos ha hecho necesario construir la muela para que soporte una mayor tensión radial y así evitar que se rompa al girar. Problemas similares surgen 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 suele requerir el uso de algún tipo de lubricante. Tradicionalmente, se les llamaba refrigerantes, ya que se utilizaban 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 conduce rápidamente el calor de la superficie de trabajo. Más importantes son sus efectos en 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 virutas. ^{[ 3 ]}

También se utilizan diversas formas como cabezales en herramientas rotativas empleadas en trabajos de precisión, como el modelismo a escala .

Los abrasivos aglomerados deben ser rectificados y acondicionados después de su uso. El acondicionador consiste en limpiar los residuos (virutas y abrasivo suelto) de la superficie y exponer partículas nuevas. Dependiendo del abrasivo y de su uso, el acondicionador puede consistir simplemente en colocar el abrasivo bajo el grifo y cepillarlo con un cepillo rígido en el caso de una piedra blanda, o bien, en frotarlo contra otro abrasivo, como el óxido de aluminio que se utiliza para acondicionar una muela abrasiva.

El rectificado consiste en devolver al abrasivo su forma superficial original. Las muelas y las piedras tienden a desgastarse de forma irregular, lo que provoca que la superficie de corte deje de ser plana (se dice que se ahueca si se trata de una piedra plana) o que su diámetro no sea uniforme. Esto conlleva una abrasión desigual y otros problemas.

Abrasivos recubiertos

Un abrasivo recubierto consta de 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 recubierto muy común. Los abrasivos recubiertos suelen estar compuestos de los mismos minerales que 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 posteriormente se adhiere el grano. Un soporte tejido también puede utilizar un agente de relleno (de nuevo, a menudo una resina) para proporcionar mayor resistencia.

Los abrasivos recubiertos 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 lijadoras 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 abrasivas.

Otros abrasivos y sus usos

Arena, perlas de vidrio, gránulos metálicos, escoria de cobre y hielo seco pueden utilizarse en un proceso llamado chorro de arena (o similar, como el uso de perlas de vidrio, que se denomina "chorro de perlas"). El hielo seco se sublima sin dejar residuos abrasivos.

El compuesto abrasivo utilizado en la pintura automotriz es un ejemplo de abrasivo suspendido en un líquido, pasta o cera, al igual que algunos líquidos de pulido para cubertería y medios ópticos . El líquido, pasta o cera actúa como un agente aglutinante que mantiene el abrasivo adherido al paño, el cual se utiliza como soporte para mover el abrasivo sobre la pieza de trabajo. En los automóviles, en particular, la cera puede servir como agente protector al evitar la exposición de la pintura o el metal al aire y también como relleno óptico para hacer que los arañazos sean menos visibles. La pasta de dientes contiene carbonato de calcio o sílice como "agente pulidor" para eliminar la placa y otras sustancias 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 rojo en polvo muy fino se utilizaba habitualmente para pulir vidrio, aunque ha sido sustituido en cierta medida por la cerámica moderna, y todavía se utiliza en la fabricación de joyas para conseguir un acabado muy reflectante.

Los productos de limpieza también pueden contener abrasivos suspendidos en una pasta o crema. Estos se eligen para que sean razonablemente seguros en algunas superficies de linóleo , baldosas , metal o piedra. Sin embargo, muchas superficies laminadas y estufas con superficie cerámica se dañan fácilmente con estos compuestos abrasivos. Incluso la vajilla o los utensilios de cocina de cerámica pueden dañar estas superficies, en particular la base, que a menudo no está esmaltada en parte o en su totalidad y actúa simplemente como otro abrasivo adherido. ^{[ 4 ]}

Las ollas y estufas de metal a menudo se frotan con limpiadores abrasivos, generalmente en forma de la crema o pasta mencionada anteriormente, o de lana de acero y estropajos no tejidos que retienen abrasivos de grano fino.

La piel humana también se somete a abrasión en forma de exfoliación. Los abrasivos para este fin pueden ser mucho más suaves y exóticos que para otros propósitos, e incluyen ingredientes como almendras y avena . ^{[ 5 ]} La dermoabrasión y la microdermoabrasión son procedimientos cosméticos bastante comunes que utilizan abrasivos minerales.

En ocasiones , los discos compactos y DVD rayados pueden repararse puliéndolos con un compuesto muy fino. El principio es que múltiples arañazos pequeños serán más transparentes ópticamente que un único arañazo grande. Sin embargo, esto requiere cierta habilidad y, con el tiempo, provocará la erosión total de la capa protectora del disco (sobre todo si el arañazo original es profundo). En ese caso, la superficie de datos se destruirá si la abrasión continúa.

Los polvos de carburo de silicio se utilizan comúnmente como materiales abrasivos en diversos procesos de mecanizado, incluyendo rectificado, corte por chorro de agua y arenado . ^{[ 6 ]} Estos polvos son eficaces para el rectificado fino o el pulido basto de semiconductores , cerámicas y materiales ferrosos. ^{[ 7 ]}

La forma, el tamaño y la naturaleza de la pieza de trabajo, así como el acabado deseado, influirán en la elección del abrasivo. Una muela abrasiva aglomerada puede utilizarse para afilar comercialmente un cuchillo (produciendo un vaciado cóncavo ), pero una persona puede afilar el mismo cuchillo con una piedra de afilar natural o incluso con un abrasivo flexible recubierto (como papel de lija) adherido a una superficie suave y antideslizante para facilitar la obtención de un vaciado convexo. Del mismo modo, un espejo de latón puede cortarse con un abrasivo aglomerado, aplanarse su superficie con un abrasivo recubierto para lograr una forma básica y, posteriormente, aplicarse abrasivos de grano más fino sucesivamente, culminando en una pasta de cera impregnada con óxido para obtener un acabado liso, denominado en este caso "acabado espejo".

Además, las diferentes formas del adhesivo pueden dificultar el desgaste de ciertas áreas de la pieza de trabajo. El polvo producido puede generar riesgos para la salud (lo cual puede mitigarse mediante el uso de un lubricante), lo que podría provocar silicosis (cuando el abrasivo o la pieza de trabajo es un silicato ). La elección del lubricante también depende de la calidad. Además del agua, los aceites son los lubricantes más comunes. Estos pueden presentar riesgos por inhalación, riesgos por contacto y, dado que la fricción produce calor, riesgos por materiales inflamables. ^{[ 8 ]}

Un abrasivo demasiado duro o grueso puede eliminar demasiado material o dejar marcas de arañazos indeseadas. Además de ser antiestéticas, las rayaduras pueden tener otros efectos más graves. La abrasión excesiva o la presencia de arañazos pueden:

• disminuir o destruir la utilidad (como en el caso de rayar lentes ópticas y discos compactos o desafilar cuchillos );
• atrapar suciedad, agua u otro material;
• aumentar la superficie (lo que permite una mayor reactividad química, como una mayor oxidación , que también se ve afectada por la materia atrapada en los arañazos);
• erosionar o penetrar un recubrimiento (como una pintura o un recubrimiento químico o resistente al desgaste);
• hacer que un objeto se desgaste demasiado rápido (como una hoja o una piedra preciosa);
• aumentar la fricción (como en los cojinetes de rubí y los pistones ).

Un abrasivo más fino o suave tenderá a dejar marcas de rayado mucho más finas que incluso pueden ser invisibles a simple vista (un "acabado sin grano"); un abrasivo más suave puede incluso no desgastar significativamente un objeto determinado. Un abrasivo más suave o 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 propio 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 una apariencia mucho más brillante o reflectante o una mayor transparencia . Los abrasivos muy finos pueden usarse para recubrir la correa de una navaja de afeitar , sin embargo, el propósito del asentado no es desgastar el material sino enderezar la rebaba en un filo. 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 que las nanobarras de diamante agregadas , ambas sintetizadas 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 su síntesis. La bauxita es un mineral muy común que, junto con la dureza relativamente alta del corindón, contribuye a que este último sea un abrasivo común y económico.

Es fundamental considerar la tarea a realizar y utilizar un abrasivo con la dureza adecuada. Por un lado, usar un abrasivo excesivamente duro supone un desperdicio de dinero, ya que se desgasta rápidamente cuando bastaría con uno más económico y menos duro. Por otro lado, si el abrasivo es demasiado blando, la abrasión no se produce de forma oportuna, lo que supone un desperdicio del abrasivo y de los costes adicionales derivados de la pérdida de tiempo.

Además de los usos mencionados para dar forma y acabado, los abrasivos también pueden utilizarse 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 la misma fuerza que una superficie irregular. Los kits de reparación de neumáticos inflables (que, en el caso de las bicicletas, son parches para la cámara de aire en lugar del neumático) requieren el uso de un abrasivo para que el cemento autovulcanizante se adhiera firmemente.

Sin darse cuenta, quienes usan cuchillos sobre tablas de cortar de vidrio o metal desgastan sus hojas. La presión en el filo puede crear fácilmente cortes microscópicos (o incluso macroscópicos) en la tabla. Este corte es una fuente constante de material abrasivo, así como un canal lleno de este abrasivo por donde se desliza el filo. Por esta razón, y sin considerar los beneficios para la salud, las tablas de madera son mucho más recomendables. Algo similar ocurre con los cortadores de vidrio . Estos tienen hojas circulares diseñadas para rodar, no para deslizarse. Nunca deben volver a cortar una superficie ya cortada.

La presencia de carbono en los motores de combustión interna puede provocar abrasión indeseada . Si bien las partículas más pequeñas son fácilmente transportadas por el sistema de lubricación, las partículas de carbono más grandes pueden desgastar componentes con tolerancias ajustadas . El carbono se origina por el calentamiento excesivo del aceite del motor o por una combustión incompleta . Este hollín puede contener fullerenos , conocidos por su extrema dureza, y su pequeño tamaño y cantidad limitada tienden a limitar su efecto.

• Abrasión (mecánica)
• Chorro abrasivo
• Erosión
• Abrasivo de acero
• tribología
• Tener puesto

• "Abrasivos"  . Nueva Enciclopedia de Collier . 1921.
• Metal and Composite Finishing Inc., Información técnica sobre abrasivos