QUÍMICA DE LOS MATERIALES

Andrés de Jesús Bautista Ortega

¿Qué es un material abrasivo?Se le llama así a cualquier tipo de sustancia mineral empleada en procesos artesanales e industriales para

trabajar a otros materiales o piezas determinadas mediante diferentes procesos mecánicos, con el fin de

darle otro acabado, textura y/o forma.

Los productos abrasivos actúan arrancando material del sustrato por fricción.

El material duro (mineral abrasivo) al enfrentarse a una superficie a tratar, que debe presentar una menor

dureza, presenta diferentes tipos de movimientos que unidos a la velocidad de trabajo y la presión producirán

un ataque sobre la superficie, dando origen a la eliminación de material superficial y su conformado; así

como la formación de surcos y arañazos.

Usos de estos materialesCaracterísticas como la dureza, tamaño de grano, liga

y estructura tienen importancia fundamental en la elección del material adecuado;

Dependiendo del objetivo del proceso de lijado, la elección del material abrasivo es fundamental para la

obtención de un buen resultado, si se usara un material abrasivo erróneo, el esfuerzo realizado sería inútil y

expondría a la pieza a un gran riesgo de sufrir daños. Es cuando escogemos el material abrasivo adecuado cuando

vamos a conseguir un resultado final ideal en el producto acabado.

Tipos de abrasivosComúnmente se utilizan dos tipos de abrasivos para dar

acabados generales a los materiales de dureza baja a mediana, usándose en los casos de alta a extrema dureza abrasivos específicos para estos trabajos. Se describen a

continuación cuatro sustancias que son empleadas mayormente.

Alundum

Carborundo (SiC)El carburo de silicio o carborundum es usado normalmente para trabajar materiales con una carga de ruptura menor a 35 daN/mm2 (350MPa).

Este material no es usado para el rectificado de aceros, aun presentando una dureza superior al alumdum.

Es su tenacidad, lo que evita que los granos se rompan, recuperando la capacidad de corte, por otra parte si se ven redondeados por la fricción, lo que ocasiona los problemas antes mencionados.

Diamante natural o sinterizadoDebido a su extrema dureza es utilizado para trabajar materiales extremadamente duros o para lograr acabados excepcionales.

A menudo se utiliza en joyería mediante la aplicación de resinas que ya llevan incorporado el diamante, a la vez que conlleva distintos grados de diamante; desde el 600 y 1200 para pulidos normales, pasando por medias como 1400 para pulidos muy buenos, hasta los 100000 para pulidos extraordinarios.

Además existen pastas y resinas de diamantes que se emplean en el mismo proceso en los diferentes grits.

Nitruro de boro cúbico (CBN)Al igual que el diamante presenta una dureza elevada, así como elevada tenacidad apropiada para rectificados poco convencionales

Posee una alta resistencia al calor, lo que le permite usarse a elevadas velocidades de corte.

Los compuestos cerámicos modernos de CBN que lo contienen en un 40% hasta 60 %, contienen un cerámico que lo protege del deterioro químico, así como otras con un aglutinante metálico que le ayuda a mejorar su tenacidad.

Usos CB7015 Calidad CBN con

recubrimiento PVD con aglutinante cerámico para torneado continuo y cortes intermitentes ligeros en aceros templados.

CB7025 Calidad CBN con aglutinante cerámico para cortes intermitentes y alta exigencia de tenacidad para tornear aceros templados.

CB7050 Calidad de alto contenido CBN con aglutinante metálico para cortes intermitentes pesados en aceros templados y para acabado de fundición gris. Con recubrimiento PVD.

Las propiedades del CBN hacen que sea un material ideal para el torneado en acabados de aceros templados con una dureza superior a 45 Hrc, mientras que por encima de los 55Hnc el CBN es el único material que puede sustituir a los métodos tradicionales de rectificado.

Otros materialesalgunos materiales abrasivos más comunes para el lijado son:

-Arena de sílice: actualmente ya casi no se usa, pero fue uno de los tipos básicos de material abrasivo en los procesos de lijado.-Granada (Garnet Sand): la arena de granada es muy usada en los trabajos de madera y para suministrar un acabado de alta calidad para mobiliario y pequeñas piezas de madera.-Esmeril: compuestos por una mezcla de minerales que lo convierten en un abrasivo muy potente. Estas sustancias son usadas casi exclusivamente para el lijado, siendo muy apropiadas para lijar piezas de metal.

-Carbeto de Silíceo (Silicon Carbide): uno de los materiales abrasivos más variables. Puede ser encontrado en granulado bastante grueso. Es muy utilizado en aplicaciones en húmedo.-Óxido de Aluminio: Adecuado tanto para el lijado de madera como de metales. También se encuentra en granulado bastante grueso, incluso en micro-granulado.-Cerámica de Óxido de Aluminio: conocido con el nombre comercial de Cubitrón, que es una marca registra de la compañía 3M. Se usa en abrasivos de cobertura o en soporte. Es un abrasivo muy poderoso creado para resistir el uso continuo.

sandblastsignifica "chorro de arena" o "arenado" y consiste en un sistema de lanzamiento de materiales abrasivos con aire a presión sobre cualquier superficie rígida, para remover oxido, escama de laminación, pintura vieja, cualquier tipo de recubrimiento de las superficies preparándolas para la aplicación de un recubrimiento. Así mismo para uso artístico en vidrio, madera, acrílico, cerámica, etc. Limpieza de barcos, puentes, estructuras. Principales abrasivos, son: Arena silica, Oxido de Aluminio, Carburo de silicio, Bicarbonato de Sodio, Perla de vidrio, entre otros.

Entre los principales usos y aplicaciones mas comunes del Sand Blast están:

• Dar acabados en madera, acero, resina y plástico.• Limpieza de muros de ladrillo y piedra.• Remoción de grafitis.• Limpieza de estructuras metálicas.• Preparación de superficies para aplicación de recubrimientos.• Quitar pintura y otros acabados.• Remover oxidación e impurezas.• Esmerilar vidrio y acrílico.• Matizar metales no ferrosos.• Pulir materiales opacos.• Limpiar moldes permanentes para fundición.• Limpiar impurezas de soldadura.• Limpieza de maquinaria.• Trabajos artísticos y hobbies.

PropiedadesLas propiedades de las sustancias son fundamentales

para poder elegir el abrasivo adecuado para trabajar un sustrato determinado.

Se han de considerar las siguientes propiedades.

DurezaPropiedad que se denomina como la resistencia de un material a ser penetrado por otro material en una escala de valores entre 1 y 10 llamada Escala de Mohs, donde el valor más alto lo comprende el diamante.

El abrasivo que se ha de emplear, debe ser más duro que el que se ha de trabajar, esto con el fin de remover una capa superficial de el material sin sufrir un desgaste excesivo.

A continuación las escalas de durezas más empleadas.

Escala de MohsMohs eligió diez minerales, a los que asignó un determinado número equiparable a su grado de dureza, estableciendo así una escala creciente. Empezó por el talco, que recibió el número 1, y terminó con el diamante, al que asignó el número 10. Cada mineral raya a los que tienen asignado un número inferior a él, y lo rayan aquéllos que tienen un número superior al suyo.

Esta técnica es aún utilizada en geología debido a su sencillez para determinar la dureza mediante métodos simples.

Tabla de dureza de MohsDureza Mineral Se raya con / raya a Composición química

1 Talco Se puede rayar fácilmente con la uña Mg3Si4O10(OH)2

2 YesoSe puede rayar con la uña con más dificultad

CaSO4·2H2O

3 CalcitaSe puede rayar con una moneda de cobre

CaCO3

4 FluoritaSe puede rayar con un cuchillo de acero

CaF2

5 ApatitaSe puede rayar difícilmente con un cuchillo

Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)l

6 OrtoclasaSe puede rayar con una lija para el acero

KAlSi3O8

7 Cuarzo Raya el vidrio SiO2

8 TopacioRayado por herramientas de carburo de wolframio

Al2SiO4(OH-,F-)2

9 CorindónRayado por herramientas de carburo de silicio

Al2O3

10 DiamanteEl más duro, no se altera con nada excepto con otro diamante.

C

Dureza RockwellEl ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la resistencia de un material a ser penetrado.

Se utilizan diferentes escalas, así como diferentes cargas y penetradores, siendo los más comunes esferas de acero templado y pulido o puntas de diamante con un ángulo bien definido, el cual se utiliza para los materiales más duros.

Prueba de durezaEl ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kgf a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material.

Escala de RosiwalLa escala de Rosiwal debe su nombre al ilustre geólogo austriaco Augusto Karl Rosiwal. La escala Rosiwal basa su medición en valores absolutos, a diferencia de la escala de Mohs cuyos valores son relativos, y cuyo interés queda útil en la investigación de campo (in situ).

Mide en escalas absoluta la dureza de los minerales, se expresa como la resistencia a la abrasión medidas en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000.

Tabla de valores RosiwalValor MOHS

Mineral

Valor ROSIWALComposición

químicaDureza 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

1 Talco####

Mg3Si4O10(OH)2

2 Yeso#######

# CaSO4·2H2O

3 Calcita#######

#####

CaCO3

4 Fluorita#######

#####

CaF2

5 Apatito#######

######

Ca5(PO4)3(OH–,Cl–,F–)

6 Ortoclasa#######

#######

####

KAlSi3O8

7 Cuarzo#######

#######

#######

# SiO2

8 Topacio#######

#######

#######

### Al2SiO4(OH–,F–)2

9 Corindón#######

#######

#######

#######

Al2O3

### ### ### ###

Escala de KnoopEl test de dureza de Knoop es una prueba de micro dureza, un examen realizado para determinar la dureza mecánica especialmente de materiales muy quebradizos o láminas finas, donde solo se pueden hacer hendiduras pequeñas para realizar la prueba. El test consiste en presionar en un punto con un diamante piramidal sobre la superficie pulida del material a probar con una fuerza conocida, para un tiempo de empuje determinado, y la hendidura resultante se mide usando un microscopio.La prueba fue desarrollada por Frederick Knoop y sus colegas del National Bureau of Standards (actualmente el NIST) de EE. UU. en 1939, y fue definido por el estándar de la ASTM D1474.

Valores de dureza en la escala Knoop para diferentes materiales y abrasivosVidrio común 300-500 Carburo de

titanio1800-3200

Acero templado 700-1300 Carburo de silicio 2100-3000

carburo de tungsteno

1800-2400 Carburo de boro* 2800

Oxido de aluminio*

2000-3000 Nitruro cúbico de boro*

4000-5000

Nitruro de titanio 2000 Diamante* 7000-8000

Resistencia al desgasteDebido al rose continuo entre pieza y abrasivo la resistencia al desgaste se vuelve un factor importante, puesto que la fricción se ve convertida en un aumento en la cantidad de calor, lo que puede significar una potencial alteración a la integridad física, dimensional y micro-estructural de la pieza.

FriabilidadSe entiende como un factor del material para formar nuevas aristas una vez que se ha roto, se puede entender como una ventaja para que el mismo pueda seguir funcionando en excelentes condiciones.

TenacidadSe puede entender como una capacidad del material para resistir la rotura y la deformación. También es la capacidad de absorber la energía antes de romperse, en otras palabras, es la resistencia a la fragmentación del grano.

Capacidad de corteLas incisiones que realice el abrasivo sobre la superficie

depende de lo afiladas que estén las aristas del grano, así mismo como de la velocidad del trabajo, la dureza del

disco y de un haz de factores que influyen en la capacidad de corte de un material.

Constitución y fabricaciónGeneralmente, los abrasivos están dispuestos de tal manera que se les permita realizar la función determinada, de modo que se colocan los diferentes materiales que conforman un abrasivo dispuestos en diferentes capas.

No son materiales fáciles de fabricar, puesto que se requieren diferentes materiales que cumplen una función determinada.

Soporte El soporte es la base sobre

la cual se ha de aplicar el abrasivo, puede ser papel, film plástico, telas o fibras.Habitualmente se utilizan papeles, siendo la gama desde el tipo A para trabajos que requieren mayor flexibilidad y poca resistencia hasta los de tipo E en operaciones de mayor desgaste.

El adhesivoEl mineral debe quedar sujeto al soporte y además se deben fijar los granos entre sí. Se usan dos capas de adhesivo para ello. El adhesivo depende de la aplicación para la que se oriente el producto. Así, adhesivos naturales no se empleará en el lijado en húmedo, mientras que para esos procesos se suele recomendar adhesivos formados a partir de resinas sintéticas de origen epoxídico o fenólico. Estas últimas se caracterizan por su gran resistencia al agua y su excelente poder de adhesión.Los adhesivos sintéticos son menos flexibles que los naturales. Por eso en operaciones de acabado se suele recomendar abrasivos con este tipo de adhesivo.

El mineralEl mineral es uno de los factores clave que definen el tipo de material que se emplea, las cualidades de los minerales más empleados se representan en la tabla 2. El Óxido de aluminio es el más extendido. Aúna una gran dureza (9,4 Escala Mohs), con una gran tenacidad y resistencia al choque. Tiene tendencia a arromarse formando perfiles redondeados que provocan rayas anchas y poco profundas y por eso se recomienda su uso con materiales blandos. El Carburo de Silicio tiene una dureza de 9,4, pero a diferencia del óxido de aluminio su tenacidad es muy baja, rompiéndose fácilmente y dando la formación de nuevas aristas que dan rayas estrechas y profundas.

Existen otros minerales como el esmeril (que se usa cada vez menos), las mezclas de óxido de aluminio y zirconio o los nuevos materiales de origen cerámico que se emplean en procesos que requieran un gran arranque de materia. En función de la aplicación que se desee se puede elegir un mineral u otro.La última capa en los productos abrasivos, la capa antiembazante ha supuesto en los últimos años un gran avance. Se trata de una fina capa de una sal organometálica de zinc (estereáto de zinc). Este recubrimiento actúa como un lubricante sólido que minimiza el embazamiento del disco. En definitiva, la misión principal de la capa de estereato de zinc es evitar el embazamiento alargando la vida útil del disco.

Factores que influyen en el acabadoConstrucción SOPORTE; este condiciona el acabado, si es un soporte rígido no se

amoldará a la superficie, y será el plato el que marque la zona a lijar, en cambio si es flexible se amoldará más fácilmente.

ADHESIVO; este se usa dependiendo del tipo de tratado, mientras que los adhesivos sintéticos se usan para lijados al agua o en seco, los naturales solo se usan en seco y suelen emplearse solo para acabados.

TAMAÑO DE MINERAL; se usan para trabajos que requieran arranque de materia se recomiendan granos de numeración baja (gruesos) mientras que si es para un acabado fino o de matizado se recomiendan granos finos.

DISPOCISIÓN DEL MATERIAL; al igual que el tamaño condiciona el acabado, la disposición del grano es de suma importancia; abrasivos con disposición abierta de grano han de ser empleados para trabajos que requieran de desbaste, mientras que los de grano cerrado se usan más para acabados finales.

Factores que influyen en el acabadoempleo

VELOCIDAD; es un factor importante, pues si aumenta la velocidad de trabajo, aumentará la velocidad de corte, aunque no es recomendable si se quiere alargar la vida útil del material, así como evitar rugosidades demasiado elevadas.

PRESIÓN; puede aumentar la capacidad de corte aunque más bien es la velocidad el factor determinante. Un trabajo a altas presiones solo consigue reducir la vida útil del material.

PLATOS; la dureza del plato está relacionada con la capacidad de corte a la vez de la rugosidad de la superficie

FibrasMateriales que se caracterizan por el uso de fibras sintéticas (nylon) entrelazadas, en las que se añade un adhesivo el cual las une con el mineral.

Por ser un material de grano abierto mejora la ventilación reduciendo el embasamiento, también presenta una gran flexibilidad que le permite adaptarse a la superficie sin penetrar de más en ella.

Mayormente se emplean a mano, aunque también existen discos para su uso a máquina.

Generalmente se utilizan en acabados ya con agua o con un gel matizante.

Otros tipos de abrasivos tridimensionales Cepillos de púas; Su principal ventaja es que quitan

pintura y recubrimientos sin embazarse, adaptándose fácilmente a la superficie y sin dañar la chapa.

Discos de baja abrasión; Su principal ventaja es que quitan pintura y recubrimientos sin embazarse, adaptándose fácilmente a la superficie y sin dañar la chapa.

Esponjas abrasivas; Las esponjas abrasivas son especialmente útiles para el lijado manual en seco de zonas de difícil acceso

Abrasivos estructurados Consiste en la colocación de

mineral abrasivo sobre la superficie de un disco almohadillado, con la peculiaridad de que el mineral se sitúa en forma de diminutas estructuras piramidales; su fabricación ha sido posible gracias a una novedosa técnica de fabricación denominada micro-replicación que permite la formación de diminutas estructuras sobre una superficie dotando a esta superficie de nuevas propiedades y aplicaciones.

Características principales En este tipo de estructuras

se consigue un comportamiento en el lijado extremadamente homogéneo, dando un acabado libre de marcas circulares. El desgaste uniforme de este material debido a una deposición homogénea y progresiva se traduce en una vida útil extremadamente larga

Las ventajas más claras de estos productos son:

-Rápido matizado, ahorro considerable de tiempo.-Lijado muy homogéneo, no quedan marcas circulares.-Reducción de arañazos anteriores, reducción de tiempos de pulido.-Desgaste homogéneo de la superficie, desgaste del disco lento.

Desgaste progresivo de las pirámides de discos Trizact. A medida que aumenta el desgaste aparece más abrasivo (zona amarilla).

MicroabrasivosSe presentan imperfecciones en las capas superficiales que pueden traducirse como defectos en la refracción de luz, la aparición de zonas veladas y sin brillo porque la luz no se refleja de forma homogénea.Microabrasivos convencionalesLos microabrasivos convencionales son aquellos abrasivos de pequeño tamaño que se presentan soportados sobre una superficie de papel muy fina o sobre una pieza de plástico en forma de film muy flexible.Microabrasivos en pasta (pulimentos)El material abrasivo también puede presentarse en una suspensión de aceites minerales, disolventes y agua, formando una especie de gel con la que se pueden reducir las marcas derivadas del uso de abrasivos convencionales para la retirada de defectos