El carburo de silicio (SiC) lleva décadas siendo uno de los principales componentes de la tecnología abrasiva. La excepcional dureza (9,5 en la escala de Mohs), la conductividad térmica y las propiedades abrasivas del SiC lo convierten en un componente clave para el tratamiento de materiales no metálicos duros y frágiles. No obstante, el verdadero valor de un grano de carburo de silicio solo se pone de manifiesto si se elige el tamaño de grano adecuado. Este único parámetro determina la tasa de eliminación de material, la calidad de la superficie y la rentabilidad general del proceso. Elegir un tamaño de grano incorrecto te supondrá un coste en forma de material de desecho, lentitud en el procesamiento y un rápido consumo de los medios abrasivos. Este artículo ofrece una visión general de los aspectos técnicos que hay que tener en cuenta a la hora de elegir el tamaño de grano correcto.
El principio fundamental: la geometría de la eliminación de material
Para elegir el grano adecuado, lo primero es comprender los principios de funcionamiento del grano. Cada grano de carburo de silicio actúa como una herramienta de corte con una forma geométrica específica que presenta puntas afiladas. El parámetro del tamaño del grano determina dos variables principales en esta ecuación:
1. Profundidad de corte (espesor de la viruta): Un grano de mayor tamaño sobresale más de la matriz de unión o soporte (dependiendo de si los abrasivos están aglomerados o en suspensión, como en el caso de las pastas o el granallado), lo que permite una mayor profundidad de corte. Se forman virutas más grandes, lo que requiere un mayor gasto de energía, pero elimina mayores volúmenes de material en cada punto de corte.
2. Carga mecánica por punto de corte: En una situación en la que la carga se mantiene constante, los granos gruesos distribuyen la carga en un número menor de puntos y, al hacerlo, generan cargas mecánicas muy elevadas. Esto provoca la fractura incluso de los materiales más duros. Los granos finos distribuyen la misma carga entre un gran número de micropuntos de corte, lo que a su vez produce una presión mecánica insuficiente para provocar una fractura; de ahí que se produzca una deformación plástica (arrastre y roce).
Interpretación de las especificaciones sobre el tamaño del grano
La terminología utilizada para especificar el tamaño del grano está normalizada, pero requiere una explicación. Las tres clasificaciones principales son la FEPA (Federación Europea de Fabricantes de Abrasivos), la ANSI (Instituto Nacional Estadounidense de Normalización) y la JIS (Norma Industrial Japonesa).
Macrogranos (FEPA F, ANSI): Se basan en el número de malla, que indica el número de aberturas por pulgada en la rejilla del tamiz. F60 significa que las partículas pasarán a través de un tamiz que tiene 60 aberturas por pulgada. Un número F más bajo (como F16) implica menos aberturas y partículas de mayor tamaño, mientras que un número F más alto (como F120) implica aberturas más grandes y partículas más pequeñas.
Microgranos (FEPA P, JIS): Se indican mediante el tamaño físico de la partícula en micrómetros (µm). Un micrograno F800 tiene un tamaño medio de partícula de 6,5 µm. En este caso, cuanto mayor es el número, más fino es el grano.
No solo es importante el tamaño de una partícula determinada, sino también la distribución del tamaño de las partículas (PSD). Cuanto más preciso sea el control de la PSD, mejores serán los resultados. En una PSD amplia, incluso un grano F24 grueso contendrá algunas partículas que pulirán y otras muchas que rayarán en profundidad y de forma inesperada. En cuanto a las aplicaciones de precisión, se debe prestar tanta atención a la especificación del PSD como al tamaño nominal.
Tabla comparativa del tamaño de los tamices abrasivos y la abertura de las mallas
| Tamaño de la malla | Apertura (mm) | Diámetro del alambre (mm) | Área abierta (%) |
| 5# | 4 | 1 | 64 |
| 5.5# | 3.55 | 0.9 | 63 |
| 6# | 3.35 | 0.8 | 65 |
| 6.5# | 3.15 | 0.8 | 63 |
| 7# | 2.8 | 0.71 | 63 |
| 7.5# | 2.5 | 0.63 | 64 |
| 8# | 2.36 | 0.56 | 65 |
| 9# | 2.24 | 0.56 | 64 |
| 10# | 2 | 0.5 | 64 |
| 10.5# | 1.9 | 0.5 | 63 |
| 11# | 1.8 | 0.45 | 64 |
| 12# | 1.7 | 0.45 | 63 |
| 12.5# | 1.6 | 0.45 | 61 |
| 13# | 1.5 | 0.4 | 62 |
| 14# | 1.4 | 0.4 | 60 |
| 14.5# | 1.32 | 0.4 | 59 |
| 15# | 1.25 | 0.4 | 57 |
| 16# | 1.18 | 0.4 | 56 |
| 16.5# | 1.12 | 0.355 | 58 |
| 17# | 1.06 | 0.355 | 56 |
| 18# | 1 | 0.355 | 54 |
| 18.5# | 0.95 | 0.315 | 55 |
| 19# | 0.9 | 0.315 | 54 |
| 20# | 0.85 | 0.315 | 53 |
| 22# | 0.8 | 0.28 | 52 |
| 24# | 0.75 | 0.28 | 53 |
| 25# | 0.71 | 0.28 | 51 |
| 27# | 0.67 | 0.28 | 50 |
| 29# | 0.63 | 0.25 | 51 |
| 30# | 0.6 | 0.25 | 50 |
| 32# | 0.56 | 0.224 | 51 |
| 34# | 0.53 | 0.224 | 49 |
| 35# | 0.5 | 0.224 | 48 |
| 38# | 0.475 | 0.18 | 53 |
| 39# | 0.45 | 0.18 | 51 |
| 40# | 0.425 | 0.16 | 53 |
| 42# | 0.4 | 0.16 | 51 |
| 44# | 0.375 | 0.16 | 49 |
| 45# | 0.355 | 0.14 | 51 |
| 47# | 0.335 | 0.14 | 50 |
| 48# | 0.315 | 0.14 | 48 |
| 50# | 0.3 | 0.14 | 46 |
| 54# | 0.28 | 0.14 | 44 |
| Tamaño de la malla | Apertura (mm) | Diámetro del alambre (mm) | Área abierta (%) |
| 57# | 0.265 | 0.125 | 43 |
| 60# | 0.25 | 0.125 | 44 |
| 65# | 0.236 | 0.125 | 43 |
| 68# | 0.224 | 0.125 | 41 |
| 70# | 0.212 | 0.215 | 40 |
| 75# | 0.2 | 0.125 | 38 |
| 78# | 0.19 | 0.125 | 36 |
| 80# | 0.18 | 0.125 | 35 |
| 85# | 0.17 | 0.1 | 36 |
| 90# | 0.16 | 0.1 | 35 |
| 100# | 0.15 | 0.1 | 36 |
| 110# | 0.14 | 0.09 | 37 |
| 115# | 0.132 | 0.09 | 35 |
| 120# | 0.125 | 0.09 | 34 |
| 125# | 0.118 | 0.063 | 42 |
| 130# | 0.112 | 0.063 | 41 |
| 140# | 0.106 | 0.063 | 39 |
| 150# | 0.1 | 0.063 | 38 |
| 160# | 0.095 | 0.063 | 36 |
| 170# | 0.09 | 0.063 | 35 |
| 180# | 0.085 | 0.056 | 36 |
| 190# | 0.08 | 0.056 | 35 |
| 200# | 0.075 | 0.05 | 34 |
| 210# | 0.071 | 0.056 | 31 |
| 220# | 0.067 | 0.05 | 34 |
| 230# | 0.063 | 0.045 | 34 |
| 240# | 0.06 | 0.045 | 33 |
| 260# | 0.056 | 0.045 | 33 |
| 270# | 0.053 | 0.04 | 33 |
| 290# | 0.05 | 0.036 | 34 |
| 300# | 0.048 | 0.036 | 35 |
| 325# | 0.045 | 0.036 | 31 |
| 340# | 0.042 | 0.036 | 31 |
| 360# | 0.04 | 0.03 | 31 |
| 400# | 0.038 | 0.0332 | 29 |
| 420# | 0.036 | 0.03 | 30 |
| 450# | 0.032 | 0.025 | 31 |
| 500# | 0.028 | 0.025 | 28 |
| 520# | 0.025 | 0.025 | 26 |
| 550# | 0.022 | 0.02 | 25 |
| 600# | 0.02 | 0.02 | 24 |
| 800# | 0.015 | 0.018 | 23 |
| 1000# | 0.01 | 0.015 | 20 |
La matriz de selección central: lógica específica del proceso
Las directrices fundamentales deben adaptarse a las características físicas del proceso industrial. El mismo grano F120 tendrá un comportamiento totalmente diferente si se utiliza en forma aglomerada (muela abrasiva o segmentos) o en forma suelta (suspensión).
1. Abrasivos aglomerados (muelas abrasivas, segmentos)
En este caso, el grano está fijado mediante un sistema de aglomeración. El proceso de selección es una interacción entre el arranque de material, el acabado superficial y el daño térmico.
Granulometrías gruesas (F16, F36): los caballos de batalla de las fundiciones y las acerías. Para operaciones de desbarbado a alta presión, acondicionamiento de lingotes pesados y eliminación de material cuando el acabado superficial no es importante. Su gran capacidad de evacuación de virutas evita la acumulación de residuos y genera menos calor en la pieza de trabajo, lo cual es esencial cuando se trabaja con materiales sensibles al calor. Ejemplo: limpieza de piezas fundidas de titanio o superaleaciones en las que la profundidad de la zona afectada por el calor (HAZ) debe ser muy reducida.
Granulometrías medias (F46-F80): Gama de uso general para el rectificado de superficies, cilíndrico y sin centros. Un ejemplo clásico sería un disco de carburo de silicio con aglomerante cerámico F60, utilizado para carburos cementados, fundiciones y metales no ferrosos (latón, aluminio). El grano es lo suficientemente friable como para autoafilarse, lo que garantiza que siempre presente aristas afiladas, al tiempo que es lo suficientemente grande como para eliminar material. Ejemplo: rectificado de árboles de levas de hierro fundido, en el que se equilibran el tiempo de ciclo y el acabado superficial en las zonas de apoyo.
Granulometrías finas (F100 – F220): Este es el ámbito del esmerilado de acabado. Se utiliza cuando los valores de Ra son inferiores a 0,4 µm. Es en este punto donde tiene lugar el proceso de microfractura. Un disco F180 de aglomerante blando montado en un rodillo de bronce o acero inoxidable produciría un acabado casi especular, en el que el material se elimina mediante microcorte y flujo plástico. Siempre existe el riesgo de vitrificación, ya que el aglomerante debe ser blando para liberar las partículas abrasivas desgastadas antes de que el roce provoque quemaduras.
2. Lapeado y pulido (polvo abrasivo)
Se trata de un proceso totalmente distinto. El grano se desplaza libremente, por acción hidrodinámica, entre un disco de lapeado y la pieza de trabajo.
Pulido con eliminación de material (F320 F600 / ~299 µm): El pulido con eliminación de material implica una fracturación controlada. Las partículas de carburo de silicio que ruedan crean hendiduras en la superficie, lo que da lugar a la aparición de grietas transversales y medianas que se cruzan y producen la eliminación de material. El objetivo principal de este proceso es la planarización rápida de la superficie y la eliminación del material sobrante generado por el proceso anterior (por ejemplo, el esmerilado fino). Una solución de lapeado inicial típica para obleas de silicio, caras de sellado cerámicas y sustratos de vidrio óptico es una pasta F400 sobre una placa de hierro fundido. Produce una superficie mate, sin brillo, con un SSD considerable.
Pulido de precisión (F800 F1200 / 6,53 µm): Una vez que el tamaño de las partículas desciende por debajo de la profundidad crítica de corte del material, el proceso pasa de la zona de fractura frágil a la dúctil. En lugar de provocar grietas profundas en la superficie, el abrasivo corta una ranura superficial y desplaza plásticamente el material hacia los lados. Esta técnica reduce significativamente el SSD al tiempo que elimina eficazmente la capa de daño que queda tras el lapeado. Se aplica carburo de silicio F1000 en una almohadilla de pulido de estaño o compuesta para pulir el sustrato cerámico avanzado hasta obtener una superficie libre de daños y ópticamente plana, como preparación para un posterior pulido químico-mecánico (CMP). En este caso, la distribución del tamaño de las partículas (PSD) debe ser extremadamente estrecha; incluso una sola partícula anómala de 15 µm en la suspensión de F1200 podría rayar de forma irreparable la superficie para su futuro uso en óptica láser.
4. Corte con hilo (con lechada)
El proceso tradicional se basa en la suspensión de abrasivos en un medio líquido que desplaza el alambre. Habitualmente, este modelo utiliza carburo de silicio F800 o F1000. Cabe destacar que el alambre en sí no corta nada, sino que son las partículas abrasivas las que realizan el trabajo. Es fundamental garantizar que las partículas abrasivas sean lo suficientemente grandes como para formar una ranura más ancha que el alambre y la película de lodo, con el fin de evitar que el alambre se enrede consigo mismo, pero lo suficientemente pequeñas como para reducir al mínimo la pérdida de ranura y los daños subsuperficiales. La aparición del corte con hilo de diamante ha dejado obsoleto este tipo de sistema de lodo y partículas abrasivas.
3. Chorro abrasivo
En este caso, la elección viene determinada por la energía cinética de la partícula y el perfil superficial deseado.
• Desbarbado y perfilado (F16, F36): Alta energía, grano de gran tamaño. El objetivo aquí no es el acabado, sino el anclaje mecánico. El decapado de la viga de acero del puente con carburo de silicio F20 da como resultado un perfil angular (75–125 µm), lo cual es crucial para el anclaje del recubrimiento por pulverización térmica o de la pintura industrial de alto espesor. La angularidad del tamaño del grano es fundamental; de lo contrario, si se utilizaran medios redondos, la superficie se martillaría en lugar de cortarse.
• Limpieza de superficies y acabados estéticos (F60, F120): Se utiliza a baja presión para tareas como el desbarbado, el acabado satinado y la limpieza de la capa de óxido sin alterar las dimensiones críticas. El grano F80 a 4060 PSI es ideal para preparar piezas complejas de fundición artística en bronce para su patinado, en las que se retira la capa de revestimiento para obtener un acabado plateado mate uniforme.
• Microchorro para herramientas (F320 F600): Consiste en el pulido de precisión de los bordes de las plaquitas de corte de carburo mediante boquillas de gran precisión. Un tamaño de partícula F500 permite obtener un radio muy preciso de 2030 µm en el filo de una herramienta sin afectar a su macrogeometría, al eliminar las microastillas que se producen durante el proceso de rectificado.
La interacción crítica: tamaño de los granos, material y daños en el subsuelo
La decisión más complicada está relacionada con el control del SSD en cerámica, semiconductores y materiales ópticos. El SSD consiste en una serie de grietas que se forman bajo la superficie del producto acabado. La profundidad de dichas grietas es aproximadamente proporcional al tamaño de los granos abrasivos utilizados en la penúltima fase del proceso.
De ello se deriva una regla fundamental: la cantidad de material eliminado en cada proceso posterior debe ser mayor que la profundidad del daño subsuperficial causado por el proceso anterior. Un ingeniero de procesos no diseña un tamaño de grano concreto, sino más bien una serie de tamaños de grano.
Una serie típica de operaciones de rectificado y pulido para una superficie de sellado mecánico de carburo de silicio sinterizado podría ser la siguiente:
1. Afilado F60: Rápida eliminación de material. Profundidad SSD de unos 3040 µm.
2. Esmerilado F220: Eliminación de material de 50 µm (eliminación de SSD del paso 1). Produce una superficie con un Ra de 0,4 µm y un SSD de aproximadamente 68 µm.
3. Pasa F400: Eliminación de 15 µm de material (eliminación del SSD del paso 2). Produce una superficie mate con un SSD de aproximadamente 23 µm.
4. Pulido F1200: Eliminación de 5 µm de material (eliminación de la SSD del paso 3). Produce una superficie especular con una SSD inferior a 1 µm.
Si no respetas el orden de las operaciones (por ejemplo, si intentas pulir justo después del esmerilado con F60), el trabajo será en vano, ya que lo único que conseguirás es redondear los picos de la topografía de las grietas profundas, pero nunca eliminarás las grietas.
Dos casos de interés sobre los usos del carburo de silicio
Caso 1: Esmerilado de materiales no ferrosos (aluminio y latón)
Aunque el carburo de silicio es la mejor opción de las dos muelas, en comparación con el óxido de aluminio —ya que este último tiene una alta afinidad química y se obstruye rápidamente—, la naturaleza del material dúctil exige una selección cuidadosa del tamaño de los granos.
La estructura gruesa y abierta del disco (F24F36) es imprescindible durante el desbaste para evitar el efecto de “atascamiento” provocado por la formación de virutas largas y pegajosas.
Al realizar operaciones de acabado, deben utilizarse muelas F80F100 con aglomerante friable y blando para garantizar la microfractura de los granos, lo que permite obtener aristas de corte afiladas para cortar el metal. El uso de un aglomerante fino pero duro es el error más común al realizar esta tarea.
Caso 2: Mecanizado de cerámicas avanzadas (alúmina, circonio, carburo de silicio)
La dureza de este material y su total falta de ductilidad hacen que el mecanizado solo pueda realizarse mediante fractura frágil, para luego pasar a un régimen de rectificado dúctil.
Desbaste: Aplica un grano F80F100 con aglutinante de resina. Paradójicamente, se trata de un grano “fino” en comparación con el mecanizado de metales. Si se utiliza un grano más grueso, como el F36, para esmerilar cerámica densa de grano fino, la presión puntual será tan elevada que provocará una fractura concoidea incontrolada del material en el borde y en el interior, lo que dará lugar a un debilitamiento catastrófico de la pieza.
Acabado: Este proceso viene determinado por completo por el proceso de transición dúctil. La profundidad crítica de corte para la cerámica de carburo de silicio puede ser de tan solo 0,1-0,2 µm. Requiere una muela abrasiva con grano F1200 o más fino, y una máquina de precisión ultrarrígida. El “grano” no es tanto una partícula abrasiva individual, sino más bien un conjunto de puntos que generan un campo de tensiones hidrostáticas que permite el flujo plástico.
Conclusión: Un enfoque sistemático para seleccionar el tamaño adecuado de grano
La elección del tamaño adecuado de grano de carburo de silicio para su proceso no es un arte, sino un procedimiento de ingeniería. Para reducir el riesgo, siga este enfoque estructurado:
1. Determinar los requisitos del producto final: acabado superficial (Ra en µm o Å), daños subsuperficiales (SSD) y requisitos de planitud y forma.
2. Determinar la cantidad de existencias que se va a retirar: desde el estado de la materia prima hasta el producto final.
3. Diseña tu secuencia de grano de forma inversa: Empieza por el último paso de pulido y selecciona el tamaño de grano adecuado que te proporcione el acabado y el SSD requeridos. A continuación, retrocede al paso de pulido anterior y elige el grano cuyo SSD pueda eliminarse de forma rentable en el último paso. Continúa con este diseño inverso hasta que se cumpla el requisito de eliminación de material.
4. Especifica los parámetros específicos del proceso correspondientes al grano seleccionado. Para garantizar que el grano funcione en el modo de eliminación adecuado (ya sea por fractura frágil o por flujo dúctil), elija el aglutinante y el grado adecuados (para operaciones de rectificado), el soporte y la placa (para operaciones de lapeado) o la presión y la forma de la boquilla (para operaciones de granallado).
5. Controlar estrictamente la distribución granulométrica: el tamaño nominal del grano no tiene ningún valor si no se controla su distribución. Un grano F600 de alta calidad con una distribución granulométrica estrecha ofrecerá un rendimiento mucho mejor que un grano F600 barato compuesto principalmente por partículas finas y agregados de gran tamaño, especialmente en materiales frágiles.
Debido a su extrema nitidez y dureza, el carburo de silicio es tanto un instrumento de cirugía de precisión como de brutalidad destructiva —dependiendo, por supuesto, del tamaño del grano—.
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