1
1. Introduccin - Qu tipo de materiales son los abrasivos?Cuando
hablamos pensamos en el trmino cermicos, inmediatamente, lo
asociamos a las artesanas, a la vajilla y a la porcelana. Sin
embargo, dentro de los materiales de ingeniera las cermicas o fases
cermicas abarcan una amplia variedad de sustancias. Para mencionar
algunas: vidrio, ladrillos, piedra, concreto, porcelana esmaltada,
materiales magnticos no metlicos, refractarios y entre muchos otros
los abrasivos.
Todos estos materiales tienen un rasgo caracterstico comn. Son
compuestos de metales y no metales.
www.kcabrasive.com INCLUDEPICTURE
"http://www.cielosur.com/gerardo2/foto1.jpg" \* MERGEFORMATINET
Fuente:
Vale decir, entonces, que la clasificacin como material cermico
es amplia, a punto tal que se incluyen no solamente los xidos y
silicatos, sino tambin todos los materiales inorgnicos no metlicos
como los carburos duros y grafitos.
La gran mayora de los minerales cermicos, pensndolos como fases,
al igual que los metales, tienen estructuras cristalinas. En estas
estn presentes elementos metlicos y no metlicos con enlaces
covalentes inicos.
Haciendo un poco de memoria sobre las clases de Qumica, esto
significa que son estructuras que no tienen muchos electrones
libres. Los electrones estn compartidos covalentemente entre tomos
adyacentes bien son transferidos de un tomo a otro para dar un
enlace inico.
Estos tipos de enlaces son los que dan a los materiales cermicos
una alta estabilidad. Como clase, la temperatura de fusin en
promedio, es ms alta que la de los materiales metlicos u orgnicos.
Son ms resistentes a la alteracin qumica. En general son malos
conductores tanto elctricos como trmicos.
Las estructuras cristalinas son bastante complejas; lo cual
sumado a la mayor resistencia de sus enlaces qumicos, hacen lentas
a las reacciones qumicas cermicas.
De aquellos compuestos que nos interesan, como el Si C (carburo
de silicio), las estructuras y propiedades se encuentran entre las
de los materiales cermicos y de los metlicos. Como compuesto tienen
elementos semimetlicos.Toda esta digresin nos debe llevar a tener
presente los siguientes conceptos: Los abrasivos como el Si C
(carburo de silicio), el Al2O3 (xido de aluminio corindn) son
compuestos cermicos. Los materiales cermicos son compuestos de
metales y no metales. Las propiedades de los materiales cermicos
son producto de sus estructuras cristalinas.En general, estn
caracterizados por sus elevadas resistencias al corte, con lo cual
no son dctiles. Por ende, tienen: Altas durezas y resistencias a la
compresin. 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 cermicos, la dureza volveremos sobre este
concepto se puede definir como la resistencia a la accin de ser
rayado.Este concepto fue sobre el que se cre la escala de Mohs.
Mtodo de rasguo de dureza MohsBsicamente, 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 nmero ms alto que pudiera rayar a uno con un nmero
menor. Es decir, el ms alto raya al ms bajo.En este punto, ya
alguien deber estar cayendo en la cuenta del por qu aplicamos
abrasivos (materiales cermicos) para tallar un vidrio (otro
material cermico). Adems, si observamos la escala de dureza,
detengamos nuestra atencin en la ubicacin del carburo de silicio,
el corindn y el vidrio.Al vidrio lo desbastamos con el carburo de
silicio. Afinamos nuestro trabajo con el corindn y, finalmente,
pulimos con xido de cerio.
2. Materiales abrasivosYa hemos clasificado a los abrasivos como
materiales cermicos. Tambin hemos dicho, que hay materiales, de
este tipo, que presentan una gran dureza, lo cual los hace muy
tiles para ser usados como tales. Estos servirn para cortar, afilar
y pulir, siempre, a otros materiales menos duros.
En nuestros trabajos pticos, tambin en forma industrial, la
almina fundida y el carburo de silicio son los ms utilizados.
Qu se debe esperar para el trabajo de las partculas abrasivas?.
Pues que sean duras y que presenten extremos cortantes afilados. As
se comportan los granos de polvos abrasivos que vertemos en cada
mojada.
Definicin de Abrasivos:Los abrasivos son todos los materiales,
productos qumicos o naturales, cuya dureza es mayor que la del
objeto a rayar.
Pueden ser en polvo, lquidos, mixtos, aglutinados con materiales
de resinas sintticas, aleaciones metlicas y/o montados en soportes
flexibles, rgidos, oscilantes y/o giratorios.
Pueden ser producidos para allanar, alisar, pulir mrmol, piedra,
granito, cermica, vidrio, madera, acero y materiales varios que
precisen un acabado de sus superficies.
2.1 Obtencin de los abrasivos:Proceso Bayer para la almina:Este
proceso est basado en la reaccin reversible de hidrxido de aluminio
con hidrxido de sodio. La almina en polvo representa,
aproximadamente, un 15% de la totalidad del uso de aluminio en la
industria.
El material en bruto para la obtencin de la almina es la bauxita
la cual es, bsicamente, alminas hidratadas (Al2O3 n H2O, donde n=
1,2,3) con algunas impurezas de hierro y silicio.
Durante el proceso de purificacin, la bauxita almina mineral es
reaccionada para producir una solucin para formar Na Al O2, al
tiempo que las impurezas, por entonces solubles, son
sedimentadas.
Paralelamente, la solucin supersaturada de Na Al 02, es
sedimentada con cristales intersticiales para iniciar la
precipitacin de hidrxido de aluminio puro. Este se calcina a,
aproximadamente, 1400C para obtener almina alfa Al2 O 3.
El resultado es aglomerados de almina duros y de baja densidad.
La desaglomeracin extensiva y la reduccin de tamaos de partculas a
micro tamaos son los procesos finales mediante los cuales se
obtienen los polvos para ser utilizados tal como los conocemos.
El polvo de almina resultante es clasificado por el tamao de
partculas y el contenido de impurezas de xido de sodio.
Existe otro proceso, de menor refinacin. Donde tambin se parte
de la bauxita. Esta es triturada y calcinada, para luego fundirla
con un pequeo porcentaje de carbono, hierro y de Mg O2. Las
temperaturas de fusin son entre 1900C a 2000C en un horno elctrico
pro unas 36 horas para luego ser enfriada por aproximadamente una
semana. Finalmente, el lingote es fracturado y triturado.
Proceso de Acheson para obtencin de carburo de silicio:Este
proceso fue desarrollado all por el 1900 tal de lograr, en forma
econmica, abrasivos cermicos. Los carburos y las arenas silceas son
los materiales en bruto.
Se prepara una mezcla conductiva y, mediante, con un arco
elctrico se la enciende. La descarga sobre la fase gaseosa de la
reaccin libera gas SiO, de forma tal que resultan cristales de Si C
que son bastos y de pureza variable. Dependen de su localizacin
durante la reaccin.
Luego queda el proceso de refinacin 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 refinacin
primaria, donde las condiciones de reaccin difieren, hasta la
obtencin final de los finos microgrits y ultra finos.
Comentario:Con esta somera descripcin de los procesos de
obtencin, he querido demostrar la dificultad de obtener los
materiales con los cuales luego trabajamos.
Recuerden, en la introduccin hablamos de temperaturas de fusin
ms altas que los metlicos orgnicos. Hablamos de alta estabilidad
frente a las alteraciones qumicas. Es decir, que su obtencin
requiere de una tecnologa muy particular. No en vano, su precio de
venta es medianamente elevado.
3. Tamao de grano3.1 Determinacin generalAdems de la naturaleza
qumica y cristalogrfica tambin es de suma importancia el tamao de
grano , mejor dicho, de la distribucin de los tamaos de grano.
Es lgico pensar que no se preparan polvos cuyos tamaos de grano
tengan una misma forma y tamao. Por ejemplo, que sean esferas
exactamente iguales. Por el contrario, cada polvo est constituido
por granos, cuyos tamaos se extienden sobre una zona ms o menos
amplia.
Nos interesan los tamaos de grano comprendidos entre 0,1 y 100
.
En general, para todos los mtodos de determinacin o indicacin de
tamao de grano se admite para los mismos una forma aproximadamente
esfrica, con lo cual es comn ver que se hable de dimetro
equivalente.
Para los polvos obtenidos mecnicamente, si los observamos al
microscopio, tienen formas muy irregulares y angulosas. Recuerden,
adems, que hemos hablado de granos con bordes afilados y duros.
De todos los mtodos para determinar el tamao de grano, el que
resulta directo, aunque muy laborioso es el examen microscpico.
Este determina el tamao real de los granos y del nmero de granos en
una determinada magnitud. Pero, si imaginan una cantidad de polvo a
nivel industrial, este mtodo resultara antieconmico y se emplea,
siempre, como mtodo de control junto a otros.
Los mtodos indirectos se basan, parcialmente, en la determinacin
de la superficie total en un polvo (absorcin de sustancias
colorantes velocidad de disolucin) y, en parte, en la velocidad de
cada de los granos en el seno de un lquido o en un gas. Estos
solventes, pueden estar en reposo o moverse en sentido opuesto a la
direccin de cada (sedimentacin).
Mientras la determinacin de la superficie total arroja un valor
medio del tamao de grano, el anlisis por sedimentacin permite
abarcar el total de la distribucin de tamaos de granos. A su vez,
permite dividir al polvo en fracciones y, por su tamao, deducir la
composicin de los mismos.
Caractersticas de los granos abrasivos: Dureza: como ya hemos
visto, se puede definir como la resistencia a la accin 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
energa. Esto significa que los granos resisten impactos bajo la
accin 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
qumicas, etc se clasifican de acuerdo a su tamao de grano.
Es a partir de dicho tamao que se define su granulometra.
La granulometra mide el tamao de grano. Lo determina
inversamente. Esto significa que cuanto mayor es la numeracin tanto
menor ser el tamao de grano.
A partir de este concepto, podemos usar la siguiente relacin
entre aplicacin y granulometra:
Desbaste pesado granos : 16,24, 30, 26, 40 y 50 (No usado por
nosotros).Desbaste leve granos: 60, 80 y 100 (Ms familiares a
nuestros trabajos).Semi terminado granos: 120, 150 y 180.Terminado
granos: 220, 240, 280 y 320Pulido granos: 360, 400, 500, 600, 800,
1200 y 1500.
3.3 Granos y clasificacin de polvos:Los abrasivos manufacturados
ms comunes usan tamices o cedazos para medir los granos abrasivos.
Ambos, los tamices y los tamaos de grano se encuentran
normalizados.
Estas medidas se refieren a los macrogrits simplemente granos
grits.
La firma KCA utiliza un proceso no estndar para la medicin de
los polvos abrasivos que es la clasificacin 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
especfica, hay varios mtodos diferentes que pueden ser usados para
realizar el anlisis del tamao de partcula. Como consecuencia, el
tamao de partcula para una medida puede variar de una manufactura a
otra.
En el apartado Normas volveremos sobre estas diferencias.
No obstante, la designacin de medidas de tamices tal como #280,
#320,etc puede ser utilizada para identificar polvos abrasivos.
Los trminos polvos y microgrits, comnmente, se refieren para
cualquier tamao de partculas ms finas que el #240.
Cada medida de malla tiene un equivalente de designacin de
medida en micrones. Hay una regla muy importante: A medida que el
nmero de medida en micrones (de la malla) es ms bajo, la medida del
material es ms fino.
Fuente: www.kcabrasive.com
3.4 Tablas de medidas de grano
3.5 Clasificacin de granos y polvo Tabla de clasificacin de
polvos
3.6 Propiedades tpicas de polvos especiales y granos:
4. Normas:El problema que se nos presenta y, que tambin se
presenta a nivel industrial, es que diferentes normas pueden causar
confusiones.
Vamos a encarar el tema desde un punto de vista moderno y,
refirindonos, a cuatro mtodos usados como norma de
clasificacin.
CAMI: fue usado en los Estados Unidos por la respectiva
asociacin de fabricantes. Como toda Norma, el sistema y sus
procedimientos fueron diseados para determinar la uniformidad de
sus productos.Esta Norma no tena equivalencia hasta promediando los
aos 70. Por entonces, desde Europa se comenz a comercializar
productos hacia EEUU.
Frente a la oportunidad del negocio, naci la norma FEPA.
FEPA: es la Federacin Europea de Fabricantes de Productos
Abrasivos. Como era de esperar, utiliza un procedimiento distinto a
la clasificacin granulomtrica de la CAMI.
En un principio, se comenz a identificar a la FEPA anteponiendo
una letra P antes del tamao de grano.Por ejemplo, P120 es un grano
120 de la norma FEPA.
Rpidamente, la norma tom consideracin comercial. La idea que se
populariz fue que era de excelente resultado y remova ms
material.
NORTON en su Informativo Tcnico Mayo 2003 N5 dice: [] Un anlisis
posterior revel que a diferencia de comportamiento y resultados
estaba basado en que los sistemas utilizaban diferentes normas y
diferentes sistemas de medicin de granos.
Es evidente que un grano ms grueso debera cortar ms y ms
rpido.Como de negocios se trata, algunos fabricantes optaron por
usar una medida, si bien familiar con connotacin comercial, el
MICRON. Una nueva norma, una nueva complicacin.
MICRA: deriva de la palabra Micrn. El trmino micrn result muy
atractivo para los potenciales clientes. Decir de un producto 30
Micrones daba mayor cartel que usar un grano 360 del CAMI 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 Japons. Dice
NORTON en su Informativo Tcnico: [] sin ser tan frecuente y popular
como FEPA y CAMI en el uso de la palabra micrn, el cdigo JIS ayud a
escandalizar la situacin []
Como se aprecia el problema de las distintas normas es lo
suficientemente extendido como para no vernos afectados.
En esta recopilacin nos centraremos en la Norma FEPA.
Los granos abrasivos de Corindn 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 tamaos siguientes:
La Norma citada define los tamaos en funcin del nmero de mallas
por pulgada lineal que contiene el Tamiz medio, utilizado en la
clasificacin. Cuanto ms fino el grano, menor el tamao del Tamiz y
mayor el nmero en la escala.
El tamao de los granos de una granulometra determinada no es
uniforme sino que contiene unos porcentajes de mayor y menor tamao
alrededor del nominal. As un # 80 contiene un porcentaje de # 70 y
otro de # 90. De forma rpida, se acostumbra, sin embargo, a definir
un grano por el Tamao Medio de Partcula. Por ejemplo, un grano #
36, tiene un Tamao Medio de Partcula 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 dimensin que sealada, y
que en cada caso existirn porcentajes ms bastos y ms finos que le
tamao medio.
Granos de xido de aluminio y carburo de silicio
FEPA estndar 42 1984 R 1993: Medidas de granos para discos de
desbaste y otras aplicaciones de abrasivos.
Los dimetros medios de los macrogrits presentados en la Tabla
son estimados y slo para informacin. El FEPA estndar F se define
como un rango y no como un valor nico.
La distribucin de tamao de partcula de los macrogrits, est
determinado por tamizado, en tanto que los microgrits han sido
medidos por sedimentacin.
A la vista de la Norma FEPA y sus tamaos de grano, veamos ahora
una aplicacin 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 lmites de 3% y 94 % establecen la pendiente relativa de la
curva de distribucin de tamaos para una medida particular,
determinada por fotosedimentacin.
Por ejemplo, para el F400 la especificacin antedicha se
interpreta como:
Tolerancia de tamao de partcula media es de 16,3 a 18,3 El Lmite
3% = el 3% de la muestra puede ser grueso hasta 32 . El Lmite 94% =
el 94% de la muestra puede ser fino hasta 8 .
Los lmites 3% y 94% son los extremos y, en la prctica, esos
lmites son muy raros de obtener.En agregado a la equivalencia entre
tamaos pticos y la norma FEPA, se detalla a continuacin una
graduacin ms amplia de polvos y que es aplicable:
Micrones
Hay designaciones comerciales que acompaan al nmero de tamao con
letras. Por ejemplo: M, MA, OP, CFP y AO.
Estas significan:
M: microgrits MA: micro almina OP: polvo para aplicaciones
pticas CFP: formulacin para acabados extra finos de cristal de
cuarzo AO: xido de aluminio MACROGRITS: cualquier abrasivo de grano
240 ms grueso MICROGRITS: cualquier abrasivo de grano 280 ms
fino
5. Equivalencias
No desarrollaremos la totalidad de las equivalencias, pero a los
efectos de orientar la modalidad de hallar el tamao de grano
deseado, tomaremos parte de la Tabla comparativa de granos de
abrasivos segn la marca de Cielo Sur, la Norma FEPA y la marca KC
Abrasive Co.
6. Fuentes de consulta
Bibliografa:
Cermica de los metales F. Skaupy Editorial Revert Edicin 1972
Materiales para Ingeniera Van Vlack Editorial CECSA Edicin 1984
Materiales de Ingeniera y sus Aplicaciones R. Flinn y P. Torjan
Editorial Mac Graw Hill Edicin 1979 Principios de Qumica Lejaren
Hiller y Rolfe Herber Editorial Eudeba Edicin 1978
Links: