Los abrasivos son el material, afilado y duro utilizado para desgastar la superficie de materiales más blandos y menos resistentes. Dentro de este término se incluyen sustancias tanto naturales como sintéticas, que van desde partículas relativamente blandas utilizadas en limpiadores domésticos y pulidores de joyería hasta el material más duro conocido, el diamante. Los abrasivos son indispensables para la fabricación de casi todos los productos hechos hoy en día.
Los abrasivos se utilizan en forma de ruedas de esmeril, papeles de lija, piedras de afilar, pulimentos, discos de corte, medios de acabado en masa de vibración y tambor, granallado, piedras de pulpa, molinos de bolas y aún otros herramientas y productos. Solo a través del uso de abrasivos la industria puede producir los componentes altamente precisos y las superficies ultrasuaves requeridas en la fabricación de automóviles, aviones y vehículos espaciales, electrodomésticos mecánicos y eléctricos, y herramientas y máquinas.
Este artículo analiza los materiales principales utilizados en abrasivos, las propiedades de esos materiales y su procesamiento en productos industriales. La mayoría de los productos abrasivos están hechos de cerámica, que incluye algunos de los materiales más duros conocidos. Los orígenes de la dureza (y otras propiedades) en los materiales cerámicos se describen en el artículo composición y propiedades de la cerámica.
Historia
El uso de abrasivos se remonta al hombre primitivo que frotaba una piedra dura contra otra para dar forma a un arma o una herramienta. La Biblia menciona una piedra llamada shamir que muy probablemente era esmeril, un abrasivo natural todavía en uso hoy en día. Dibujos antiguos egipcios muestran abrasivos siendo utilizados para pulir joyas y jarrones. Una estatua de un esclavo escita, llamada «El Molinero», en la Galería Uffizi en Florencia, muestra una piedra de afilar natural de forma irregular usada para afilar un cuchillo.
La arena y trozos de piel flexible fueron el papel de lija del hombre primitivo. Más tarde, los artesanos intentaron fijar granos abrasivos a respaldos flexibles con adhesivos rudimentarios. Un documento chino del siglo XIII describe el uso de gomas naturales para fijar trozos de concha marina al pergamino. Alrededor de dos siglos más tarde, los suizos comenzaron a recubrir vidrio triturado en un respaldo de papel.
Los abrasivos de arena y vidrio primitivos carecían de nitidez, y para el siglo XIX, los productos abrasivos primitivos como la arenisca natural que se había formado en la «rueda de esmeril» ya no cumplían con las necesidades de la industria en desarrollo. En 1873, Swen Pulson, trabajando en la Compañía de Cerámica Norton y Hancock, Worcester, Mass., EE. UU., ganó una jarra de cerveza apostando que podría hacer una rueda de esmeril combinando esmeril con arcilla de alfarero y cocinándolos en un horno. Pulson tuvo éxito en su tercer intento; este incidente señaló el fin de los productos insatisfactorios unidos con pegamento y silicato y el nacimiento de la rueda de esmeril vitrificada.
Justo antes del comienzo del siglo XX, cuando los abrasivos naturales como el esmeril, la corindón y la almandina no cumplían con las demandas de la industria, el inventor estadounidense Edward G. Acheson descubrió un método para hacer carburo de silicio en hornos eléctricos, y científicos de la Ampere Electro-Company química en Ampere, Nueva Jersey, EE. UU., desarrollaron alúmina. En 1955, la compañía General Electric logró fabricar diamantes sintéticos. Al igual que otros abrasivos sintéticos, el diamante sintetizado resultó superior en muchas aplicaciones al producto natural, que se había utilizado en ruedas de esmeril desde 1930.
Antes utilizados solo cuando era necesaria una precisión dimensional precisa y superficies lisas, los abrasivos se han convertido en una herramienta industrial ampliamente aplicada. Velocidades de rueda de esmeril más altas, máquinas de esmerilado más potentes y abrasivos mejorados han aumentado constantemente su papel.
Materiales abrasivos: su composición y propiedades
Los materiales utilizados para fabricar abrasivos pueden clasificarse ampliamente como naturales o sintéticos. Los abrasivos naturales incluyen diamante, corindón y esmeril; se encuentran en depósitos naturales y pueden ser extraídos y procesados para su uso con poca alteración. Los abrasivos sintéticos, por otro lado, son el producto de un considerable procesamiento de materias primas o precursores químicos; incluyen carburo de silicio, diamante sintético y alúmina (una forma sintética de corindón). La mayoría de los abrasivos naturales han sido reemplazados por materiales sintéticos porque casi todas las aplicaciones industriales demandan propiedades consistentes. Con la excepción del diamante natural, la mayoría de los abrasivos naturales son demasiado variables en sus propiedades.
Una de las propiedades más importantes necesarias en un material abrasivo es la dureza. Simplemente, el abrasivo debe ser más duro que el material que se va a esmerilar, pulir o eliminar. La dureza de los diversos materiales abrasivos puede medirse en una serie de escalas, incluida la prueba de dureza de Mohs, la prueba de dureza de Knoop y la prueba de dureza de Vickers. La escala de Mohs, descrita por primera vez en 1812, mide la resistencia a la indentación según qué material rayará a otro. Esta escala, que asigna números a minerales naturales, ha sido ampliamente aceptada y es utilizada por mineralogistas. Las pruebas de dureza de Knoop y Vickers emplean dispositivos de indentación en forma de pirámide de diamante y miden la indentación hecha por los diamantes en un material de prueba dado. La prueba de Vickers fue diseñada principalmente para metales. Sin embargo, con la prueba de Knoop, la dureza de materiales extremadamente frágiles como el vidrio e incluso los diamantes se puede medir sin dañar ni el penetrador ni la pieza de prueba.
La tenacidad o la resistencia del cuerpo también son características significativas para la función abrasiva. Idealmente, una sola partícula abrasiva se reafilia por sí misma mediante la descomposición de su borde de corte o trabajo desafilado, lo que expone otro borde de corte dentro de la misma partícula. En los abrasivos sintéticos, es posible lograr cierto grado de control sobre esta propiedad al variar la forma del grano durante la operación de trituración o dimensionamiento, al hacer cambios en la pureza del abrasivo, aleando abrasivos y controlando la estructura cristalina dentro de los granos abrasivos. Así, se pueden desarrollar abrasivos para satisfacer las condiciones de operación encontradas en una variedad de aplicaciones.
La interacción entre el abrasivo y el material que se está moliendo evita el uso de un abrasivo como un medio universal. Por ejemplo, cuando se usa carburo de silicio en acero o alúmina en vidrio, ocurre alguna reacción que aún no se ha definido claramente pero que resulta en un embotamiento rápido y una acción abrasiva ineficiente. La resistencia a la abrasión es el nombre dado a esta tercera propiedad muy significativa.
La tabla enumera materiales abrasivos naturales y sintéticos prominentes.
Fabricación en formas útiles
Preparación y dimensionamiento
Todos los abrasivos, con la excepción de los polvos finos que aparecen naturalmente como el talco, deben ser triturados al tamaño de partícula requerido para su uso. Los tamaños en uso varían desde 4 granos, que mide aproximadamente 6 milímetros (1/4 de pulgada) de diámetro, hasta tan finos como 900 granos, que mide aproximadamente seis micrones (0.00024 pulgadas) o aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano. En algunos casos, se requieren polvos aún más finos cuando se utilizan para el pulido de superficies libres de arañazos en lentes ópticas de alta calidad y espejos para telescopios de alta potencia.
Para los tamaños más gruesos, el grano triturado se mide mediante una serie de tamices de prueba según lo establecido en la mayoría de los países por estándares gubernamentales. Para tamaños de 240 granos y más pequeños, el tamaño de los granos generalmente se mide mediante una prueba de tasa de sedimentación.
Los métodos de trituración tienen un efecto significativo en la acción de corte y la resistencia de los granos abrasivos. Por ejemplo, las altas presiones de trituración tienden a crear granos astillados, afilados y débiles. Estos penetran fácilmente y eliminan material a una velocidad rápida, y sus bordes de corte se desgastan fácilmente para el reafilado. Esta forma es necesaria en muchos productos abrasivos recubiertos.
Cuando se va a utilizar una rueda de esmeril o una correa abrasiva recubierta para moler grandes cantidades de material bajo presiones fuertes, un grano abrasivo más regular y resistente se mantiene durante más tiempo. El borde afilado no es tan necesario porque se utilizan presiones fuertes que afectan la penetración del abrasivo en el material que se está moliendo.
Fabricación de productos abrasivos
Ruedas de esmeril
El producto abrasivo más importante fabricado es la rueda de esmeril. Hecha de grano abrasivo y un aglutinante, o «unión», es una herramienta de corte que se afila automáticamente. A medida que los granos en la periferia se vuelven opacos, se desprenden de la superficie de la rueda de esmeril y se exponen bordes de corte frescos y afilados. La capacidad de reafilado está controlada por la naturaleza del aglutinante utilizado y la proporción de abrasivo a aglutinante, medida por volumen.
Formación y cocción
En la fabricación de ruedas de esmeril, los abrasivos del tamaño adecuado y los materiales de unión se pesan y mezclan en una máquina mezcladora de potencia. Cuando la mezcla está completamente mezclada, se distribuyen cantidades medidas de la mezcla de abrasivo y unión de manera uniforme en moldes de acero. El molde se coloca en una prensa hidráulica potente, y la mezcla se comprime al tamaño de la rueda deseado, permitiendo un poco más de tamaño en las dimensiones para operaciones de acabado. Las presiones varían con el tamaño de la rueda y pueden ser de hasta varios cientos de toneladas. Algunos afeitados y conformación de las ruedas se hacen antes de que se horneen o cocinen.
La mayoría de las ruedas de esmeril fabricadas tienen una unión cerámica vitrificada, hecha de arcillas y feldespatos. La llamada rueda vitrificada se cuece en hornos de alta temperatura a temperaturas de 1,260° C (2,300° F). Se utilizan hornos eléctricos, de aceite y de gas. La longitud de la «quema» varía con el tamaño de la rueda y puede ser de hasta dos semanas.
El 35–40 por ciento restante de las ruedas de esmeril fabricadas tienen uniones tipo orgánico que utilizan resinas, caucho o goma laca como material de unión. Estas ruedas se hornean a temperaturas de entre 150° y 200° C (300° y 400° F). La temperatura más baja permite la inclusión de anillos de acero, casquillos roscados moldeados o refuerzos de fibra de vidrio, que se hornean en la rueda y la hacen más resistente a la rotura por presión lateral. Los casquillos ayudan a mantener la rueda en su lugar en ciertas máquinas de esmerilado.
Las ruedas orgánicas se pueden hacer mucho más delgadas que las ruedas vitrificadas, y se utilizan en lugar de hojas de sierra de metal para cortar una gran variedad de materiales.
Alineación, clasificación y prueba
Casi todas las ruedas de esmeril deben terminarse después de haber sido horneadas o cocidas. En un proceso llamado alineación, las ruedas se cortan al tamaño final y se eliminan las capas externas vidriadas resultantes del horno, haciendo que los lados de la rueda sean paralelos y el tamaño del agujero del husillo sea preciso; al mismo tiempo, la superficie de trabajo de la rueda se afila. Las ruedas se alinean usando cortadores de acero cónicos, frotando en camas de bolas de acero y moliendo con ruedas de esmeril.
La clasificación de las ruedas asegura que tengan la resistencia adecuada al desgaste. El grado o dureza, determinado por la cantidad de unión, permite que la rueda de esmeril se mantenga afilada y de corte libre en una variedad de condiciones. Las ruedas de esmeril utilizadas para operaciones de esmerilado pesado son «más duras» y están hechas con mayores cantidades de unión, lo que retiene las partículas abrasivas por más tiempo en condiciones severas como las que se encuentran en molinos de acero y fundiciones. En el taller donde se afilan herramientas de corte industriales, se requieren ruedas más blandas, con menos unión por unidad de abrasivo, para que, tan pronto como los granos abrasivos comiencen a desafilarse y se desarrolle la posibilidad de acumular calor en la sensible herramienta de corte que se está esmerilando, la rueda se vuelva a afilar y elimine los granos desafilados.
Finalmente, las ruedas de esmeril se verifican para asegurarse de que estén balanceadas para garantizar que funcionen sin vibraciones. Las ruedas de esmeril de seis pulgadas de diámetro o más grandes suelen ser sometidas a pruebas de velocidad. La rueda se hace girar a una velocidad al menos un 50 por ciento mayor que la velocidad de operación máxima permitida. Esta es una medida no destructiva de la resistencia al estallido de la rueda.
Los mismos procesos básicos se utilizan en la fabricación de ladrillos abrasivos, palos y formas formadas. Estos se utilizan como bloques de frotamiento, piedras de afilar, piedras de asentar y medios abrasivos conformados para pulir o acabar en masa.
Papeles de lija
Los papeles de lija (abrasivos recubiertos) son el siguiente producto abrasivo más importante. Consisten, básicamente, en una sola capa de partículas abrasivas adheridas a un material de respaldo flexible mediante un adhesivo. La acción de corte de los productos abrasivos recubiertos está determinada por el abrasivo utilizado, el tamaño del grano, la densidad o espaciado del grano, la resistencia del adhesivo y la flexibilidad del material de respaldo.
Recubrimiento
La fabricación comienza con rollos enormes de material de respaldo, ya sea papel, tela o una combinación de ambos. El respaldo se alimenta a la máquina fabricante donde se aplica la primera capa de adhesivo. A continuación, se aplica la capa de abrasivo, ya sea por gravedad o electrostáticamente. El método electrostático orienta el tipo de abrasivo plateado, con los extremos afilados hacia afuera. El proceso también puede controlar el espaciado de los granos. Esto es una ventaja en que el espaciado amplio ayuda a aliviar los problemas de carga al esmerilar materiales blandos, fibrosos o pegajosos.
Después de ser recubiertos con la capa abrasiva, el producto se coloca en largas guirnaldas en las que se seca parcialmente. Luego se pasa por otra operación de dimensionamiento y se aplica una segunda capa de adhesivo. El producto se coloca, se deja secar completamente y se enrolla en rollos de gran diámetro.
Los adhesivos utilizados para unir el abrasivo al respaldo son solubles en agua, resistentes al agua o una combinación de ambos. Los tipos solubles en agua se utilizan para operaciones de esmerilado en seco y para lijar en casa, y ocasionalmente en operaciones comerciales de lijado de madera. Los tipos de resina o resina sobre pegamento actualmente en uso tienen la flexibilidad asociada con los tipos solubles. El tipo de resina pura es el mejor para operaciones severas; sus propiedades son tales que el calor del esmerilado aumenta la resistencia del adhesivo y, por lo tanto, aumenta la vida útil del papel de lija.
Corte y corte
Los rollos de abrasivo recubiertos se cortan en tiras del tamaño de la correa de lijado o se cortan en círculos para discos de lijar. Las operaciones de corte se realizan generalmente en máquinas automáticas en las que una cuchilla oscilante o giratoria corta las piezas a una longitud fija o en una serie de piezas del mismo tamaño. Al cortar, las tiras se ponen al borde, permitiendo así que la prensa de corte corte a través del respaldo sin desgastar el abrasivo.
Las hojas de papel de lija se suelen cortar de rollos de papel, pero también se fabrican hojas de papel de lija directamente de las tiras recubiertas. Las hojas de papel de lija se clasifican automáticamente en paquetes de papel de lija. Algunas se doblan por la mitad, y los paquetes se sellan y se etiquetan automáticamente para el cliente.
Problemas de seguridad
Los abrasivos representan un peligro para la salud, especialmente durante el proceso de fabricación. Las nubes de polvo pueden ser perjudiciales para los pulmones, y los materiales utilizados en la fabricación de abrasivos pueden ser corrosivos o tóxicos. Las precauciones deben tomarse para asegurar que el polvo se capture de manera efectiva y que los trabajadores estén adecuadamente protegidos. Además, el uso de herramientas abrasivas conlleva riesgos de seguridad y debe manejarse con cuidado y respetando las medidas de seguridad adecuadas.
El uso de abrasivos es una parte esencial de la fabricación moderna y abarca una amplia gama de aplicaciones, desde el pulido de joyas hasta la fabricación de componentes de automóviles y aviones. La fabricación de productos abrasivos implica una serie de procesos que van desde la trituración y dimensionamiento de los materiales abrasivos hasta la fabricación de productos finales como ruedas de esmeril y papeles de lija. La selección del material abrasivo, su dureza, tenacidad y resistencia al desgaste son aspectos clave en el diseño y fabricación de productos abrasivos que se adapten a una variedad de aplicaciones industriales. La seguridad es una preocupación importante en la fabricación y uso de abrasivos, y se deben tomar precauciones adecuadas para proteger la salud de los trabajadores y garantizar un entorno de trabajo seguro.
