Estira i estira sense trencar
2006/01/01 Urdanpilleta, Marta - Ingeniaritzan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria
A Bèlgica hi ha un vell acudit sobre els holandesos que diuen que van inventar tirar d'una moneda i que així van aconseguir fer el primer cable d'Amsterdam a Rotterdam. És clar que l'acudit és un abús perquè no hi ha metall que s'allargui tant. No obstant això, al marge de la cobdícia d'alguns, és sorprenent la quantitat de material metàl·lic que es pot allargar.
La majoria dels materials metàl·lics s'allarguen entre el 50% i el 100%, fins a un màxim de doble longitud, però no tots. Alguns materials poden allargar-se molt més, entre el 200% i el 1.000%. I un aliatge de plom i estany pot allargar-se un 7.000%, és a dir, setanta vegades més. Pensem que tenim una cullereta per a postres feta amb aquest aliatge, perquè si tirem de totes dues cares alhora, aconseguiria una longitud de 10 metres. No és d'estranyar que aquest material sigui denominat superplástico.
El terme superplástico indica que aquests materials tenen una enorme capacitat d'estirament. Encara que siguin metalls, són 'molt tous' dins d'un rang de temperatures i tenen una petita tensió suficient per a estirar-se. Normalment, el material s'allarga més fàcilment per sobre de la meitat de la temperatura de fusió. Per exemple, l'aliatge de níquel té una temperatura de fusió d'uns 1.300 °C, sent la major superplasticidad a uns 950 °C.
L'estudi microscòpic dels metalls permet observar com es produeix aquest fenomen. Recordem que en general els materials metàl·lics són policristalinos, és a dir, estan constituïts per petits cristal·lins. Dins de cada cristal·lí, els àtoms estan ordenats de manera periòdica. La grandària d'aquests cristal·lins varia molt depenent de la forma en què es formi aquesta estructura metàl·lica: alguns metalls tenen cristal·lines microscòpiques, uns altres tenen una grandària mil·limètrica o centímetre, i alguns fragments de metall són monocristalls, és a dir, tota la peça és un únic cristall.
Doncs bé, en els superplásticos la grandària d'aquests cristalitos és petit, només unes micres (una micra és la mil·lèsima part d'un mil·límetre), i la clau del seu estirament està en aquesta petita petitesa dels cristalls: al llarg de la deformació els cristalls no augmenten. Recordeu que el metall ha d'escalfar-se per a tenir un comportament superplástico, i segons la física de base, aquest escalfament amplia els cristalitos i els fa més grans. Però això no ocorre amb els metalls superplásticos, ja que l'estructura microscòpica manté certa grandària del cristall.
La grandària dels cristal·lins no canvia en estirar el material, sinó que canvia la grandària i la posició d'aquests cristalls. A més, normalment són materials bifàsics, ja que el metall superplástico està format per dos tipus de cristalls de diferent composició química. Finalment, hi ha altres factors, potser més tècnics: per exemple, els cristalls han de poder girar en angle gran.
Aplicació industrial
Era necessari en la indústria, especialment en la indústria aeronàutica. En aquest camp s'utilitzen principalment aliatges de titani, alumini i níquel, combinant conformat superplástico i soldadura de difusió per a produir peces de morfologia complexa. La combinació de tots dos procediments permet obtenir les peces en una sola operació, reduint el cost del material i reduint el temps de producció en comparació amb les tècniques convencionals. Les peces obtingudes presenten un excel·lent acabat superficial i són molt lleugeres. No obstant això, aquesta tècnica també presenta desavantatges com que el material de partida és car i que el gruix de les peces acabades no és uniforme.
Hi ha moltes maneres de treballar amb superplásticos, potser la tècnica més comuna és l'anomenada conformació d'inflat. Aquest procediment té la forma de bufat de vidre: en un aparell estanc, en una làmina superplástica situada al costat d'un motlle s'introdueix gas argó a una pressió no gaire elevada i la làmina adopta la forma del motlle. Les màquines de pressió extrema són les habituals en la indústria, però per a tractar metalls superplásticos basten 10 megapascales, és a dir, aproximadament cent vegades la pressió atmosfèrica.
El fet que no es necessiti molta pressió no significa que es tracti d'un procés instantani. Per a allargar un tros de metall s'escalfa a la temperatura òptima i triguen molts minuts, a vegades hores. Per tant, perquè el procediment tingui un interès industrial, la velocitat de deformació ha de ser el més elevada possible per a reduir el temps de producció. A aquesta velocitat també influeix la grandària dels cristal·lins. En general, com més petits són els cristal·lins, major és la velocitat de deformació. Per tant, les característiques microscòpiques del metall superplástico són molt importants a l'hora de tractar aquest material. Són materials específics molt difícils de realitzar i per tant cars.
En la indústria sovint s'utilitza la soldadura de difusió juntament amb el conformat superplástico. Va començar a expandir-se en la dècada de 1960 i actualment s'utilitza principalment en la indústria aeronàutica, nuclear i en la tecnologia espacial. Aquest procés consisteix en la difusió del material superplástico entre dos o més materials iguals, amb una pressió moderada i una temperatura elevada. Com a conseqüència, després d'una petita deformació macroscòpica, les dues peces s'uneixen. Per a millorar la qualitat de la unió es pot donar una petita pressió al gas.
Euskal Herria
Mitjançant aquesta tècnica es poden obtenir diferents tipus de geometries. Combinant la conformació industrial amb simulacions de dispositius d'ordre de deformació, en l'actualitat s'estan desenvolupant nombroses aplicacions, controlant cada vegada millor tots els paràmetres. Aquesta tecnologia s'aplica també a empreses del País Basc. Per exemple, l'empresa aeronàutica ITP, situada al Parc Tecnològic de Zamudio, fabrica motors d'avió mitjançant conformat superplástico, amb un important esforç en I+D en aquest camp.
El futur de la superplasticidad sembla interessant i a mesura que es controlen millor els paràmetres de la deformació es van creant noves aplicacions. La superplasticidad d'alta velocitat també ha generat esperança. És possible que en el futur es pugui aplicar en tècniques no desenvolupades. La veritat és que la superplasticidad encara té un llarg camí per recórrer.
L'autora d'aquest article, Marta Urdanpilleta, ha realitzat una tesi per a investigar la superplasticidad a través de la col·laboració dels centres tecnològics ITP i CEIT.
