Ciertas aleaciones metálicas son susceptibles de deformarse, hasta 10 veces sus dimensiones iniciales, sin fracturarse, después de haber conseguido afinar el tamaño de grano hasta dimensiones inferiores a las 5 micras.
Los materiales conformados superplásticamente son más fá ciles de mecanizar y, cuando se obtienen a partir de polvos finos prealeados, muestran una uniformidad química y estructural notables.
Al igual que las aleaciones metálicas, ciertas cerámicas pueden conformarse y forjarse superplásticamente obteniéndose cerámicas estructurales con mejores propiedades mecánicas que las obtenidas por métodos convencionales.
A continuación reseñamos los tipos de ceramicas superplasticas más destacables.
Cerámicas estructurales de forja superplástica
Investigaciones han demostrado que ciertas piezas cerámicas se pueden forjar superplásticamente obteniéndose productos libres, prácticamente, de defectos, de elevada densidad, con superficies lisas (buenos acabados superficiales), que precisan de un pequeño o ningún mecanizado. Con este procedimiento resulta eliminado cualquier defecto en el proceso de sinterizado mejorándose, en consecuencia, las propiedades mecánicas, especialmente la fatiga del material. Así pues, en todos los sentidos, las piezas forjadas superplásticamente son mucho más precisas y resistentes que las obtenidas por fusión.
A este respecto cabe señalar que, algunos investigadores han forjado en estado pastoso, en matriz abierta y bajo condiciones superplásticas (1.600°C y 5*10-3 Sg-1 de velocidad de deformación) un lingote cerámico de magnesia (OMg) dopada con N4Si3 (nitruro de silicio), obteniéndose un producto de características comparables a las de las aleaciones metálicas conformadas superplásticamente.
La evaluación preliminar de sus propiedades mecánicas (resistencia mecánica superior a los 65 kg/mm2) ha dado por resultado una superioridad a las de todas las cerámicas de nitruro de silicio conocidas. Algunas aleaciones con finos tamaños de grano e incluso materiales compuestos de matriz metálica pueden deformarse fácilmente si se eligen las temperaturas adecuadas y se controlan las gamas de velocidades de deformación.
Debido al forjado superplástico de ciertas aleaciones se suprimen, conforme se ha señalado, las operaciones finales de mecanizado y acabado (lo que implica menores costes), siendo un proceso ampliamente utilizado para la forja de piezas de superaleaciones a base de Ni y Ti, aplicables a las zonas calientes de las turbinas de gas.
Esta misma técnica parece ser adecuada para la obtención de piezas cerámicas tales como, discos de turbinas de gas, cojinetes, válvulas, herramientas de corte y elementos análogos.
Por ejemplo, se estima que sería más rentable y de superiores características la obtención de la pista de rodadura de un cojinete de calidad, si se parte de un conformado superplástico en caliente que si se produce por el mecanizado con diamante.
En el mismo orden de ideas, se ha desarrollado una «composita» completamente nueva a base de fibra de CSi y matriz de magnesia y aluminatos, material compuesto que cuando se forja superplásticamente tiene una superior resistencia a las altas temperaturas (por encima de los 1.300 °C), que las compositas obtenidas por los métodos convencionales a base de fibras de CSi
Cerámicas superplásticas con resistencias elevadas
Por otro lado, diversos laboratorios están ensayando con una cerámica superplástica, que puede ser deformada (alargada) a más de dos veces su longitud inicial sin cambio de sus propiedades físicas.
Se trata de una cerámica de circonia (ZrO2) parcialmente estabilizada (PS2), que se obtiene por recocido, en horno, de la ZrO2 con Itrio, el cual le comunica viscosidad a la circonia. Se ha estirado una muestra de 4 cm hasta alcanzar los 8,8 cm de longitud. El material después de la deformación alcanza una dureza superior a la de la cerámica más dura (N4Si3), aproximándose a la del diamante.
Las propiedades deslizantes de lo s planos de finísimos cristales (partículas) son los responsables de la superplasticidad del material. Al estirarse la cerámica sus cristales quedan preparados para sufrir una transformación estructural, sin alterar su tamaño ni sus propiedades físicas.
Se estima que las cerámicas superplásticas podrán procesarse, prácticamente, como las aleaciones metálicas. Los usos potenciales de las cerámicas superplásticas incluyen componentes de motores de explosión y equipamiento de reactores nucleares.
Deformación plástica de la espinela
Debemos insistir en que, la forja superplástica de las cerámicas tenaces puede constituir uno de los procesos de mayor porvenir durante los próximos años, ya que permitiría producir piezas cerámicas de forma limpia, que no precisan de mecanizado. Últimos avances consisten en la deformación superplástica de los finos granos de la espinela (MgO/Al2O3).
Lo fundamental en el proceso de forjado de la espinela es la obtención de una solución, sobresaturada, de finísimos granos de la cerámica en cuestión por lo que, éstos no pueden formar microgrietas en los bordes de los granos cuando se le aplica un esfuerzo al elemento cerámico. Por otra parte, los granos más grandes únicamente pueden aliviar las tensiones por el agrietamiento en la superficie de contacto. Los planos de granos muy finos tienden a deslizarse bajo pequeños esfuerzos continuos, lo que hace el proceso más viable económicamente; elevadas tensiones continuadas podrían romper las matrices forjadas.
En los ensayos, la espinela se deforma bajo tensiones elevadas con velocidades de deformación de 10-5 a 10-3 Sg-l y temperaturas entre 1450 °C y 1612°C. La espinela se vuelve dúctil para bajas velocidades de deformación (bajas velocidades de aplicación de la tensión) y elevadas temperaturas, especialmente a temperaturas próximas a la de fusión.
Aunque se obtienen alargamientos varias veces superiores a la longitud primitiva de la probeta, la forma y tamaño de los cristales permanece equiaxial e igual.
La forja superplástica de la espinela ha sido ya ensayada para tratar de mejorar su fiabilidad a causa de los fallos por defectos estructurales.