Carburo de silicio negro frente a carburo de silicio verde: ¿en qué se diferencian?

El carburo de silicio (SiC) es uno de los materiales abrasivos más populares que se conocen hoy en día debido a su dureza y afilado. Sin embargo, si consultas el catálogo de cualquier distribuidor de abrasivos, verás que no existe ningún carburo de silicio que sea un producto homogéneo. Por el contrario, este material se presenta en dos tipos principales: el carburo de silicio negro y el carburo de silicio verde. Pueden parecer bastante similares, ya que ambos son duros. Se obtienen mediante la fusión de arena de sílice y carbono a alta temperatura, seguida de una cristalización espontánea. Sin embargo, sus diferencias son demasiado grandes como para elegir el tipo más adecuado para una operación concreta. En este artículo se analizarán estas diferencias en cuatro aspectos principales.

Cómo se fabrican 

Tanto el carburo de silicio negro como el verde se fabrican en hornos de resistencia eléctrica (también conocidos como hornos Acheson), en los que se calienta una mezcla de arena de sílice de alta calidad y coque de petróleo hasta alcanzar temperaturas de unos 2000°C. El proceso químico clave que interviene en la fabricación de ambos materiales es idéntico:

SiO₂ + 3C → SiC + 2CO

La única diferencia en la producción de ambos materiales radica en la calidad de las materias primas utilizadas y en las condiciones del horno. El carburo de silicio negro se fabrica utilizando arena de sílice ligeramente impura junto con serrín, lo que da lugar a un menor contenido de SiC en el producto. El carburo de silicio verde, por su parte, se fabrica a partir de arena de cuarzo más pura en condiciones especiales, en las que a veces también se utiliza sal. La diferencia en las materias primas utilizadas es la base de todas las demás diferencias.

Dureza

La dureza suele ser la primera característica que se suele preguntar cuando se habla de abrasivos; y, aunque ambos abrasivos tienen valores de dureza similares, sigue habiendo cierta diferencia. Tanto el carburo de silicio negro como el verde presentan valores de dureza de entre 9,2 y 9,6 en la escala de Mohs de dureza mineral, por lo que son más duros que el corindón (óxido de aluminio) y solo superados por materiales abrasivos como el carburo de boro y el diamante.

La variedad verde del carburo de silicio suele ser más dura que la negra; además, en los ensayos de microdureza, el valor será ligeramente superior debido a su mayor nivel de pureza y a una estructura cristalina más uniforme. En esencia, esto significa que los granos de SiC verde presentarán una fractura más definida y un filo más afilado durante su aplicación. El valor de dureza del carburo de silicio negro es muy elevado y más que suficiente para la mayoría de los fines de rectificado y corte, aunque sus valores pueden fluctuar ligeramente debido a las impurezas presentes en la estructura cristalina.

Pureza

Y es aquí donde ambos materiales muestran sus mayores diferencias. El carburo de silicio negro tiene una composición de SiC de aproximadamente el 90De % a 98%, mientras que el resto del material está compuesto por carbono libre, dióxido de silicio, óxido de hierro y otras impurezas que son restos de los materiales iniciales. Y son precisamente estas impurezas las que dan al SiC negro su aspecto característico: oscuro, con un color negro metálico o negro azulado.

El proceso de producción del carburo de silicio verde se basa en el uso de arena de cuarzo y materiales de carbono mucho más puros, lo que hace que el contenido de SiC en el material sea de entre el 98,51 % y el 99,1 %, o incluso superior. Son precisamente estas menores cantidades de silicio libre y otras impurezas las que hacen que el carburo de silicio verde adquiera un color verde claro o esmeralda. Y, por supuesto, una mayor pureza se traduce en una mejor calidad de los granos abrasivos, unas propiedades más predecibles y una menor tendencia al sobrecalentamiento durante el procesamiento de algunos materiales.

Dado que la pureza influye en las propiedades físicas del abrasivo, se convierte en el parámetro clave que determina “la calidad” de los dos carburos de silicio y explica el mayor coste del verde.

Resistencia

En el ámbito de la tecnología de abrasivos, la dureza se refiere a la resistencia a la fractura al entrar en contacto con una pieza de trabajo opuesta, y es precisamente ahí donde el carburo de silicio negro destaca por sus ventajas.

El carburo de silicio negro es más resistente que el carburo de silicio verde. La presencia de una mayor cantidad de impurezas y tensiones internas en el material permite que el grano resista mejor los impactos y no se fragmente al entrar en contacto con la pieza de trabajo. En este caso, el carburo de silicio negro resulta ideal para el rectificado de materiales que implican esfuerzo mecánico (baja resistencia a la tracción, hierro fundido y metales no ferrosos), en los que mantener el filo y evitar la rotura de los granos es más importante que conservar el máximo afilado.

El carburo de silicio verde es más puro y está más cristalizado, por lo que es mucho más frágil que el material anterior. Esto implica que se fractura con mayor facilidad, lo que, de hecho, es una característica del material muy apreciada en algunos casos. El grano de SiC verde se rompe y crea un nuevo filo muy afilado, lo que se denomina «autoafilado» y permite el uso del SiC verde en procesos de rectificado de precisión, en los que mantener un filo afilado es más importante que la durabilidad, mientras que en este último caso aumenta la tasa de desgaste de los granos.

Ámbitos de aplicación

Dadas estas diferencias en cuanto a dureza, pureza y resistencia, no es difícil comprender por qué cada tipo de carburo de silicio tiene su propia aplicación.

El carburo de silicio negro es el material más versátil. Su resistencia y su precio más bajo lo convierten en una opción ideal para:

1. Esmerilado y acabado de hierro fundido, metales no ferrosos (por ejemplo, latón, cobre y aluminio), así como de materiales no metálicos (vidrio, cerámica, caucho y piedra)

2. Fabricación de abrasivos aglomerados (muelas abrasivas, piedras de afilar y papeles de lija para uso general)

3. El chorro de arena y otras operaciones que requieren resistencia a los impactos más que un filo muy afilado

4. Productos refractarios y aditivos metalúrgicos, en los que un contenido aún mayor de carburo de silicio no encarece el precio de forma significativa, pero ofrece una excelente resistencia térmica y química.

5. Corte por chorro de agua y otras operaciones de chorro de arena

Debido a su mayor pureza y a su capacidad para autoafilarse, el carburo de silicio verde se utiliza principalmente en aplicaciones exigentes:

1. Esmerilado de materiales duros y quebradizos, como el carburo cementado, el cristal óptico, la cerámica y las piedras preciosas

2. Aplicaciones de bruñido y lapeado que requieren un acabado superficial muy fino

3. Para la fabricación de muelas abrasivas de alta precisión que se utilizan para rectificar herramientas y fresas, en particular herramientas de metal duro

4. En las industrias de semiconductores y electrónica, debido a los requisitos de pureza

5. Aplicaciones de cerámicas refractarias y técnicas en las que la pureza desempeña un papel fundamental

En resumen, si solo necesitas esmerilar materiales metálicos y buscas algo duradero, el carburo de silicio negro será la mejor opción. Por el contrario, cuando se esmerilan materiales duros y quebradizos que requieran un acabado superficial de alta precisión, o si la pureza del material desempeña un papel importante en el proceso, el carburo de silicio verde será una mejor opción, a pesar de su elevado coste.

Elegir entre ellos

A la hora de elegir entre carburo de silicio negro y verde, hay algunas preguntas útiles que conviene plantearse:

1. ¿Qué material se está mecanizando? Los materiales más blandos y resistentes (hierro fundido, metales no ferrosos) suelen combinarse mejor con el SiC negro. Los materiales más resistentes y frágiles (carburos, cerámicas, vidrio) requieren SiC verde.

2. ¿En qué medida influye el afilado del filo en la durabilidad de la veta? Si se valoran más propiedades como el autoafilado y un buen acabado, sería mejor optar por el verde. De lo contrario, sería mejor decantarse por el negro.

3. ¿Qué proceso presenta una mayor sensibilidad a la contaminación? Las aplicaciones de alta pureza (algunos procesos de fabricación óptica y electrónica) requieren SiC «verde».

4. ¿De cuánto dinero disponemos? El SiC negro suele ser más barato, ya que el coste de la materia prima es menor y su purificación resulta más sencilla.

Conclusión

Aunque tanto el carburo de silicio negro como el verde tienen una composición y unas estructuras cristalinas similares, las diferencias entre ambos en cuanto a pureza, dureza y tenacidad los convierten en materiales ideales para su uso en diversas aplicaciones. Mientras que el carburo de silicio negro es tenaz y económico, lo que lo convierte en la opción preferida entre los materiales abrasivos para procesos de mecanizado y rectificado de metales, el carburo de silicio verde, con su alta pureza y sus propiedades de autoafilado, es el material preferido para el rectificado de precisión de materiales duros y frágiles. Reconocer la diferencia entre el carburo de silicio negro y el verde, en lugar de considerar que todos los carburos de silicio son iguales, es fundamental a la hora de seleccionar un material abrasivo.