1. Introducción - ¿Qué tipo de materiales son los abrasivos?

Cuando hablamos ó pensamos en el término “cerámicos”, inmediatamente, lo asociamos a las artesanías, a la vajilla y a la porcelana. Sin embargo, dentro de los materiales de ingeniería las cerámicas o fases cerámicas abarcan una amplia variedad de sustancias. Para mencionar algunas: vidrio, ladrillos, piedra, concreto, porcelana esmaltada, materiales magnéticos no metálicos,

refractarios y entre muchos otros los abrasivos.

Todos estos materiales tienen un rasgo característico común. Son compuestos de metales y no metales.

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Vale decir, entonces, que la clasificación como material cerámico es amplia, a punto tal que se incluyen no solamente los óxidos y silicatos, sino también todos los materiales inorgánicos no metálicos como los carburos duros y grafitos.

La gran mayoría de los minerales cerámicos, pensándolos como fases, al igual que los metales, tienen estructuras cristalinas. En estas están presentes elementos metálicos y no metálicos con enlaces covalentes ó iónicos.

Haciendo un poco de memoria sobre las clases de Química, esto significa que son estructuras que no tienen muchos electrones libres. Los electrones están compartidos covalentemente entre átomos adyacentes ó bien son transferidos de un átomo a otro para

dar un enlace iónico.

Estos tipos de enlaces son los que dan a los materiales cerámicos una alta estabilidad. Como clase, la temperatura de fusión en promedio, es más alta que la de los materiales metálicos u orgánicos. Son más resistentes a la alteración química. En general son

malos conductores tanto eléctricos como térmicos.

Las estructuras cristalinas son bastante complejas; lo cual sumado a la mayor resistencia de sus enlaces químicos, hacen lentas a las reacciones químicas cerámicas.

De aquellos compuestos que nos interesan, como el Si C (carburo de silicio), las estructuras y propiedades se encuentran entre las de los materiales cerámicos y de los metálicos. Como compuesto tienen elementos semimetálicos.

Toda esta digresión nos debe llevar a tener presente los siguientes conceptos:• Los abrasivos como el Si C (carburo de silicio), el Al2O3 (óxido de aluminio – corindón) son compuestos cerámicos.

• Los materiales cerámicos son compuestos de metales y no metales.• Las propiedades de los materiales cerámicos son producto de sus estructuras cristalinas.

En general, están caracterizados por sus elevadas resistencias al corte, con lo cual no son dúctiles. Por ende, tienen:• Altas durezas y resistencias a la compresión.

• Alta sensibilidad a las fisuras.• Baja resistencias a la fractura.

La dureza y la resistencia son importantes en algunos casos.Para evaluar la dureza, actualmente se utilizan ensayos de microdureza. Para los cerámicos, la dureza – volveremos sobre este

concepto – se puede definir como la resistencia a la acción de ser rayado.Este concepto fue sobre el que se creó la escala de Mohs. “Método de rasguño de dureza Mohs”

Básicamente, se seleccionan (10) diez minerales que van desde el diamante con valor (10) diez, hasta el talco con valor (1) uno. Los valores se escogen con base en una muestra de un número más alto que pudiera rayar a uno con un número menor. Es decir,

el más alto raya al más bajo.En este punto, ya alguien deber estar cayendo en la cuenta del por qué aplicamos abrasivos (materiales cerámicos) para tallar un

vidrio (otro material cerámico). Además, si observamos la escala de dureza, detengamos nuestra atención en la ubicación del carburo de silicio, el corindón y el vidrio.

Al vidrio lo desbastamos con el carburo de silicio. Afinamos nuestro trabajo con el corindón y, finalmente, pulimos con óxido de cerio.

2. Materiales abrasivos

Ya hemos clasificado a los abrasivos como materiales cerámicos. También hemos dicho, que hay materiales, de este tipo, que presentan una gran dureza, lo cual los hace muy útiles para ser usados como tales. Estos servirán para cortar, afilar y pulir, siempre,

a otros materiales menos duros.

En nuestros trabajos ópticos, también en forma industrial, la alúmina fundida y el carburo de silicio son los más utilizados.

¿Qué se debe esperar para el trabajo de las partículas abrasivas?. Pues que sean duras y que presenten extremos cortantes afilados. Así se comportan los “granos” de polvos abrasivos que vertemos en cada mojada.

Definición de Abrasivos:

Los abrasivos son todos los materiales, productos químicos o naturales, cuya dureza es mayor que la del objeto a rayar.

Pueden ser en polvo, líquidos, mixtos, aglutinados con materiales de resinas sintéticas, aleaciones metálicas y/o montados en soportes flexibles, rígidos, oscilantes y/o giratorios.

Pueden ser producidos para allanar, alisar, pulir mármol, piedra, granito, cerámica, vidrio, madera, acero y materiales varios que precisen un acabado de sus superficies.

2.1 Obtención de los abrasivos:

Proceso Bayer para la alúmina:

Este proceso está basado en la reacción reversible de hidróxido de aluminio con hidróxido de sodio. La alúmina en polvo representa, aproximadamente, un 15% de la totalidad del uso de aluminio en la industria.

El material en bruto para la obtención de la alúmina es la bauxita la cual es, básicamente, alúminas hidratadas (Al2O3 n H2O, donde n= 1,2,3) con algunas impurezas de hierro y silicio.

Durante el proceso de purificación, la bauxita alúmina mineral es reaccionada para producir una solución para formar Na Al O2, al tiempo que las impurezas, por entonces solubles, son sedimentadas.

Paralelamente, la solución supersaturada de Na Al 02, es sedimentada con cristales intersticiales para iniciar la precipitación de hidróxido de aluminio puro. Este se calcina a, aproximadamente, 1400ºC para obtener alúmina alfa Al2 O 3.

El resultado es aglomerados de alúmina duros y de baja densidad. La desaglomeración extensiva y la reducción de tamaños de partículas a micro tamaños son los procesos finales mediante los cuales se obtienen los polvos para ser utilizados tal como los

conocemos.

El polvo de alúmina resultante es clasificado por el tamaño de partículas y el contenido de impurezas de óxido de sodio.

Existe otro proceso, de menor refinación. Donde también se parte de la bauxita. Esta es triturada y calcinada, para luego fundirla con un pequeño porcentaje de carbono, hierro y de Mg O2. Las temperaturas de fusión son entre 1900ºC a 2000ºC en un horno

eléctrico pro unas 36 horas para luego ser enfriada por aproximadamente una semana. Finalmente, el lingote es fracturado y triturado.

Proceso de Acheson para obtención de carburo de silicio:

Este proceso fue desarrollado allá por el 1900 tal de lograr, en forma económica, abrasivos cerámicos. Los carburos y las arenas silíceas son los materiales en bruto.

Se prepara una mezcla conductiva y, mediante, con un arco eléctrico se la enciende. La descarga sobre la fase gaseosa de la reacción libera gas SiO, de forma tal que resultan cristales de Si C que son bastos y de pureza variable. Dependen de su

localización durante la reacción.

Luego queda el proceso de refinación de esos cristales tal de obtener el polvo de carburo de silicio. Esto se hace mediante procesos batch (fusiones por lotes) de acuerdo a la refinación primaria, donde las condiciones de reacción difieren, hasta la obtención final de

los finos “microgrits” y ultra finos.

Comentario:

Con esta somera descripción de los procesos de obtención, he querido demostrar la dificultad de obtener los materiales con los cuales luego trabajamos.

Recuerden, en la introducción hablamos de temperaturas de fusión más altas que los metálicos ú orgánicos. Hablamos de alta estabilidad frente a las alteraciones químicas. Es decir, que su obtención requiere de una tecnología muy particular. No en vano, su

precio de venta es medianamente elevado.

3. Tamaño de grano

3.1 Determinación general

Además de la naturaleza química y cristalográfica también es de suma importancia el tamaño de grano ó, mejor dicho, de la distribución de los tamaños de grano.

Es lógico pensar que no se preparan polvos cuyos tamaños de grano tengan una misma forma y tamaño. Por ejemplo, que sean esferas exactamente iguales. Por el contrario, cada polvo está constituido por granos, cuyos tamaños se extienden sobre una zona

más o menos amplia.

Nos interesan los tamaños de grano comprendidos entre 0,1 µ y 100 µ.

En general, para todos los métodos de determinación o indicación de tamaño de grano se admite para los mismos una forma aproximadamente esférica, con lo cual es común ver que se hable de diámetro equivalente.

Para los polvos obtenidos mecánicamente, si los observamos al microscopio, tienen formas muy irregulares y angulosas. Recuerden, además, que hemos hablado de granos con bordes afilados y duros.

De todos los métodos para determinar el tamaño de grano, el que resulta directo, aunque muy laborioso es el examen microscópico. Este determina el tamaño real de los granos y del número de granos en una determinada magnitud. Pero, si imaginan una cantidad

de polvo a nivel industrial, este método resultaría antieconómico y se emplea, siempre, como método de control junto a otros.

Los métodos indirectos se basan, parcialmente, en la determinación de la superficie total en un polvo (absorción de sustancias colorantes ó velocidad de disolución) y, en parte, en la velocidad de caída de los granos en el seno de un líquido o en un gas. Estos

solventes, pueden estar en reposo o moverse en sentido opuesto a la dirección de caída (sedimentación).

Mientras la determinación de la superficie total arroja un valor medio del tamaño de grano, el análisis por sedimentación permite abarcar el total de la distribución de tamaños de granos. A su vez, permite dividir al polvo en fracciones y, por su tamaño, deducir la

composición de los mismos.

Características de los granos abrasivos:

• Dureza: como ya hemos visto, se puede definir como la resistencia a la acción del rayado. Recordemos el concepto de escala de Mohs donde se comienza por el diamante, que raya a todos, hasta el talco, que puede ser rayado por todos.

• Tenacidad: es la capacidad de los granos abrasivos de absorber energía. Esto significa que los granos resisten impactos bajo la acción de esfuerzos de choque y no pierden su capacidad de corte.

• Friabilidad: es la capacidad de los granos de fracturarse, cuando van perdiendo poder de corte, y durante el trabajo se crean nuevas aristas de corte y generan menos calor.

3.2 Propiedades de los granos abrasivos:

Hemos mencionado que los granos abrasivos de minerales triturados, calcinaciones, reacciones químicas, etc… se clasifican de acuerdo a su tamaño de grano.

Es a partir de dicho tamaño que se define su granulometría.

La granulometría mide el tamaño de grano. Lo determina inversamente. Esto significa que cuanto mayor es la numeración tanto menor será el tamaño de grano.

A partir de este concepto, podemos usar la siguiente relación entre aplicación y granulometría:

Desbaste pesado – granos : 16,24, 30, 26, 40 y 50 (No usado por nosotros).Desbaste leve – granos: 60, 80 y 100 (Más familiares a nuestros trabajos).

Semi terminado – granos: 120, 150 y 180.Terminado – granos: 220, 240, 280 y 320

Pulido – granos: 360, 400, 500, 600, 800, 1200 y 1500.

3.3 Granos y clasificación de polvos:

Los abrasivos manufacturados más comunes usan tamices o cedazos para medir los granos abrasivos. Ambos, los tamices y los tamaños de grano se encuentran normalizados.

Estas “medidas” se refieren a los “macrogrits” ó simplemente granos “grits”.

La firma KCA utiliza un proceso no estándar para la medición de los polvos abrasivos que es la clasificación acuosa. El proceso es llamado “elutriation” y se puede definir como: "Decantado por medio de lavado”.

Luego que un material ha sido clasificado para una medida específica, hay varios métodos diferentes que pueden ser usados para realizar el análisis del tamaño de partícula. Como consecuencia, el tamaño de partícula para una medida puede variar de una

manufactura a otra.

En el apartado “Normas” volveremos sobre estas diferencias.

No obstante, la designación de medidas de tamices tal como #280, #320,etc… puede ser utilizada para identificar polvos abrasivos.

Los términos “polvos” y “microgrits”, comúnmente, se refieren para cualquier tamaño de partículas más finas que el #240.

Cada medida de malla tiene un equivalente de designación de medida en micrones. Hay una regla muy importante: A medida que el número de medida en micrones (de la malla) es más bajo, la medida del material es más fino.

Fuente: www.kcabrasive.com

3.4 Tablas de medidas de grano

 

3.5 Clasificación de granos y polvo – Tabla de clasificación de polvos

3.6 Propiedades típicas de polvos especiales y granos:

4. Normas:

El problema que se nos presenta y, que también se presenta a nivel industrial, es que diferentes normas pueden causar confusiones.

Vamos a encarar el tema desde un punto de vista moderno y, refiriéndonos, a cuatro métodos usados como norma de clasificación.

• CAMI: fue usado en los Estados Unidos por la respectiva asociación de fabricantes. Como toda Norma, el sistema y sus procedimientos fueron diseñados para determinar la uniformidad de sus productos.

Esta Norma no tenía equivalencia hasta promediando los años 70. Por entonces, desde Europa se comenzó a comercializar productos hacia EEUU.

Frente a la oportunidad del negocio, nació la norma FEPA.

• FEPA: es la Federación Europea de Fabricantes de Productos Abrasivos. Como era de esperar, utiliza un procedimiento distinto a la clasificación granulométrica de la CAMI.

En un principio, se comenzó a identificar a la FEPA anteponiendo una letra P antes del tamaño de grano.Por ejemplo, P120 es un grano 120 de la norma FEPA.

Rápidamente, la norma tomó consideración comercial. La idea que se popularizó fue que era de excelente resultado y removía más material.

NORTON en su “Informativo Técnico – Mayo 2003 – Nº5” dice: […] Un análisis posterior reveló que a diferencia de comportamiento y resultados estaba basado en que los sistemas utilizaban diferentes normas y diferentes sistemas de medición de granos.

Es evidente que un grano más grueso debería cortar más y más rápido.Como de negocios se trata, algunos fabricantes optaron por usar una medida, si bien familiar con connotación comercial, el

MICRON. Una nueva norma, una nueva complicación.

• MICRA: deriva de la palabra Micrón. El término micrón resultó muy atractivo para los potenciales clientes. Decir de un producto 30 Micrones daba mayor cartel que usar un grano 360 del CAMI ó P500 de FEPA. ¡Pero eran lo mismo!

Volviendo a la oportunidad de negocios, desde Oriente tampoco se iban a quedar quietos.

• JMS: Japanese Industrial System. Sistema Industrial Japonés. Dice NORTON en su Informativo Técnico: […] sin ser tan frecuente y popular como FEPA y CAMI en el uso de la palabra micrón, el código JIS ayudó a escandalizar la situación […]

Como se aprecia el problema de las distintas normas es lo suficientemente extendido como para no vernos afectados.

En esta recopilación nos centraremos en la Norma FEPA.

Los granos abrasivos de Corindón y Carburo de Silicio se clasifican de acuerdo con la Norma FEPA 42-1984 R 1993 y para discos de Corte y Desbaste, son usuales los tamaños siguientes:

La Norma citada define los tamaños en función del número de mallas por pulgada lineal que contiene el Tamiz medio, utilizado en la clasificación. Cuanto más fino el grano, menor el tamaño del Tamiz y mayor el número en la escala.

El tamaño de los granos de una granulometría determinada no es uniforme sino que contiene unos porcentajes de mayor y menor tamaño alrededor del nominal. Así un # 80 contiene un porcentaje de # 70 y otro de # 90. De forma rápida, se acostumbra, sin

embargo, a definir un grano por el Tamaño Medio de Partícula. Por ejemplo, un grano # 36, tiene un Tamaño Medio de Partícula de 0.530 mm, mientras que para un grano # 80, el valor es de 0.180 mm.

Estas medidas indican que aproximadamente el 50 % de una muestra tomada de los granos citados, tiene de la dimensión que señalada, y que en cada caso existirán porcentajes más bastos y más finos que le tamaño medio.

• Granos de óxido de aluminio y carburo de silicio

FEPA – estándar 42 – 1984 R 1993: Medidas de granos para discos de desbaste y otras aplicaciones de abrasivos.

Los diámetros medios de los macrogrits presentados en la Tabla son estimados y sólo para información. El FEPA estándar “F” se define como un rango y no como un valor único.

La distribución de tamaño de partícula de los macrogrits, está determinado por tamizado, en tanto que los microgrits han sido medidos por sedimentación.

A la vista de la Norma FEPA y sus tamaños de grano, veamos ahora una aplicación que nos compete.La firma Washignton Milles tiene un producto que se denomina, comercialmente, DURALOM Microgrits con equivalencia a la norma

FEPA “F”.

• DURALOM ® Microgrits (Serie FEPA “F”)

Los límites de 3% y 94 % establecen la pendiente relativa de la curva de distribución de tamaños para una medida particular, determinada por fotosedimentación.

Por ejemplo, para el F400 la especificación antedicha se interpreta como:

• Tolerancia de tamaño de partícula media es de 16,3 µ a 18,3 µ• El Límite 3% = el 3% de la muestra puede ser grueso hasta 32 µ.• El Límite 94% = el 94% de la muestra puede ser fino hasta 8 µ.

Los límites 3% y 94% son los extremos y, en la práctica, esos límites son muy raros de obtener.En agregado a la equivalencia entre tamaños ópticos y la norma FEPA, se detalla a continuación una graduación más amplia de

polvos y que es aplicable:

Micrones

Hay designaciones comerciales que acompañan al número de tamaño con letras. Por ejemplo: M, MA, OP, CFP y AO.

Estas significan:

• M: microgrits• MA: micro alúmina

• OP: polvo para aplicaciones ópticas• CFP: formulación para acabados extra finos de cristal de cuarzo

• AO: óxido de aluminio• MACROGRITS: cualquier abrasivo de grano 240 ó más grueso

• MICROGRITS: cualquier abrasivo de grano 280 ó más fino

5. Equivalencias

No desarrollaremos la totalidad de las equivalencias, pero a los efectos de orientar la modalidad de hallar el tamaño de grano deseado, tomaremos parte de la “Tabla comparativa de granos de abrasivos según la marca” de Cielo Sur, la Norma FEPA y la

marca KC Abrasive Co.

6. Fuentes de consulta

Bibliografía:

• Cerámica de los metales – F. Skaupy – Editorial Reverté Edición 1972• Materiales para Ingeniería – Van Vlack – Editorial CECSA Edición 1984

• Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones – R. Flinn y P. Torjan – Editorial Mac Graw Hill – Edición 1979• Principios de Química – Lejaren Hiller y Rolfe Herber – Editorial Eudeba – Edición 1978

Links:

• www.kcabrasive.com• www.abraflex.com

• www.fepa-abrasive.org• www.washingtonmills.com