Forjar

Ingot de metal caliente siendo cargado en una forja de martillo

Un billete en una prensa de forja abierta

La forja es un proceso de fabricación que consiste en dar forma al metal utilizando fuerzas de compresión localizadas. Los golpes se dan con un martillo (a menudo un martillo mecánico) o un dado. La forja a menudo se clasifica según la temperatura a la que se realiza: forja en frío (un tipo de trabajo en frío), forja en tibio o forja en caliente (un tipo de trabajo en caliente). Para los dos últimos, el metal se calienta, generalmente en una fragua. Las piezas forjadas pueden variar en peso desde menos de un kilogramo hasta cientos de toneladas métricas. La forja ha sido realizada por herreros durante milenios; los productos tradicionales eran utensilios de cocina, ferretería, herramientas manuales, armas blancas, címbalos y joyas. Desde la Revolución Industrial, las piezas forjadas son ampliamente utilizadas en mecanismos y máquinas donde un componente requiere alta resistencia; dichas piezas forjadas generalmente requieren un procesamiento adicional (como el mecanizado) para lograr una pieza terminada. Hoy en día, la forja es una importante industria mundial.

Historia

La forja es uno de los procesos metalúrgicos más antiguos que se conocen. Tradicionalmente, la forja la realizaba un herrero usando un martillo y un yunque, aunque la introducción de la energía hidráulica en la producción y el trabajo del hierro en el siglo XII permitió el uso de grandes martillos perforadores o martillos mecánicos que aumentaron la cantidad y el tamaño del hierro que se podía producir. y forjado. La herrería o fragua ha evolucionado a lo largo de los siglos para convertirse en una instalación con procesos de ingeniería, equipos de producción, herramientas, materias primas y productos para satisfacer las demandas de la industria moderna.

En los tiempos modernos, la forja industrial se realiza con prensas o con martillos accionados por aire comprimido, electricidad, hidráulica o vapor. Estos martillos pueden tener pesos alternativos de miles de libras. Los martillos mecánicos más pequeños, de 500 lb (230 kg) o menos de peso alternativo y las prensas hidráulicas también son comunes en las herrerías artísticas. Algunos martillos de vapor siguen en uso, pero se volvieron obsoletos con la disponibilidad de otras fuentes de energía más convenientes.

Ventajas y desventajas

La forja puede producir una pieza más resistente que una pieza fundida o mecanizada equivalente. A medida que se moldea el metal durante el proceso de forjado, la textura de su grano interno se deforma para seguir la forma general de la pieza. Como resultado, la variación de textura es continua en toda la pieza, dando lugar a una pieza con características de resistencia mejoradas. Además, las piezas forjadas pueden lograr un costo total más bajo que la fundición o la fabricación. Si se tienen en cuenta todos los costos en los que se incurre en el ciclo de vida de un producto, desde la adquisición hasta el tiempo de entrega y el reprocesamiento, y se tienen en cuenta los costos de desechos, el tiempo de inactividad y otras consideraciones de calidad, los beneficios a largo plazo de las piezas forjadas pueden superar los beneficios a corto plazo. Ahorro de costos a largo plazo que podrían ofrecer las fundiciones o fabricaciones.

Algunos metales se pueden forjar en frío, pero el hierro y el acero casi siempre se forjan en caliente. El forjado en caliente evita el endurecimiento por trabajo que resultaría del conformado en frío, lo que aumentaría la dificultad de realizar operaciones secundarias de mecanizado en la pieza. Además, aunque el endurecimiento por trabajo puede ser deseable en algunas circunstancias, otros métodos de endurecimiento de la pieza, como el tratamiento térmico, son generalmente más económicos y más controlables. Las aleaciones que son aptas para el endurecimiento por precipitación, como la mayoría de las aleaciones de aluminio y titanio, pueden forjarse en caliente y luego endurecerse.

La forja de producción implica un importante gasto de capital en maquinaria, herramientas, instalaciones y personal. En el caso de la forja en caliente, se requiere un horno de alta temperatura (a veces denominado forja) para calentar lingotes o palanquillas. Debido al tamaño de los macizos martillos y prensas de forja y las piezas que pueden producir, así como a los peligros inherentes al trabajo con metal caliente, con frecuencia se requiere un edificio especial para albergar la operación. En el caso de operaciones de estampación, se deben tomar medidas para absorber el impacto y la vibración generados por el martillo. La mayoría de las operaciones de forjado utilizan troqueles de formación de metal, que deben mecanizarse con precisión y tratarse térmicamente con cuidado para dar forma correcta a la pieza de trabajo, así como para resistir las tremendas fuerzas involucradas.

Procesos

Una sección transversal de una barra de conexión forjada que ha sido grabado para mostrar el flujo de granos

Hay muchos tipos diferentes de procesos de forjado disponibles; sin embargo, se pueden agrupar en tres clases principales:

• Dibujo: aumentos de longitud, disminuciones de sección transversal
• Montaje: disminuciones de longitud, aumentos de sección transversal
• Apriete en la compresión cerrada muere: produce flujo multidireccional

Los procesos de forjado comunes incluyen: forjado por laminación, estampado, dentado, forjado con matriz abierta, forjado con matriz de impresión (forjado con matriz cerrada), forjado en prensa, forjado en frío, forjado en caliente automático y recalcado.

Temperatura

Todos los siguientes procesos de forjado se pueden realizar a varias temperaturas; sin embargo, generalmente se clasifican según si la temperatura del metal está por encima o por debajo de la temperatura de recristalización. Si la temperatura está por encima de la temperatura de recristalización del material, se considera forja en caliente; si la temperatura está por debajo de la temperatura de recristalización del material pero por encima del 30 % de la temperatura de recristalización (en una escala absoluta), se considera forja en caliente; si está por debajo del 30% de la temperatura de recristalización (generalmente temperatura ambiente), entonces se considera forja en frío. La principal ventaja de la forja en caliente es que se puede hacer de manera más rápida y precisa, y a medida que el metal se deforma, los efectos del endurecimiento por trabajo se anulan mediante el proceso de recristalización. La forja en frío generalmente da como resultado el endurecimiento por trabajo de la pieza.

Estampado

La forja por estampación es un proceso de forja en el que se levanta un martillo y luego se "deja caer" en la pieza de trabajo para deformarla según la forma de la matriz. Hay dos tipos de forjado por estampación: forjado por estampación con matriz abierta y forjado por estampación con matriz de impresión (o matriz cerrada). Como su nombre lo indica, la diferencia está en la forma del troquel, ya que el primero no encierra completamente la pieza de trabajo, mientras que el segundo sí lo hace.

Forjado en matriz abierta

Forja de gota abierta (con dos dies) de un enigma para ser procesada en una rueda

Un gran cilindro de 80 toneladas de acero caliente en una prensa de forja abierta, listo para la fase molesta de forja

La forja de matriz abierta también se conoce como forja de herrero. En la forja de matriz abierta, un martillo golpea y deforma la pieza de trabajo, que se coloca sobre un yunque estacionario. La forja de troquel abierto recibe su nombre del hecho de que los troqueles (las superficies que están en contacto con la pieza de trabajo) no encierran la pieza de trabajo, lo que permite que fluya excepto donde los troqueles hacen contacto. Por lo tanto, el operador necesita orientar y colocar la pieza de trabajo para obtener la forma deseada. Los troqueles suelen tener una forma plana, pero algunos tienen una superficie de forma especial para operaciones especializadas. Por ejemplo, un troquel puede tener una superficie redonda, cóncava o convexa o ser una herramienta para formar agujeros o ser una herramienta de corte. Las piezas forjadas de matriz abierta se pueden trabajar en formas que incluyen discos, cubos, bloques, ejes (incluidos ejes escalonados o con bridas), manguitos, cilindros, planos, hexagonales, redondos, placas y algunas formas personalizadas. La forja con matriz abierta se presta para tiradas cortas y es adecuada para trabajos de forja artística y personalizados. En algunos casos, se puede emplear la forja con matriz abierta para dar forma rugosa a los lingotes a fin de prepararlos para las operaciones posteriores. La forja de matriz abierta también puede orientar el grano para aumentar la resistencia en la dirección requerida.

Ventajas de la forja en matriz abierta

• Reducción de las posibilidades de los vacíos
• Mejor resistencia a la fatiga
• Microestructura mejorada
• Flujo de grano continuo
• Tamaño del grano fino
• Mayor fuerza
• Mejor respuesta al tratamiento térmico
• Mejora de la calidad interna
• Mayor fiabilidad de propiedades mecánicas, ductilidad y resistencia al impacto

"Cogging" es la deformación sucesiva de una barra a lo largo de su longitud utilizando una forja de matriz abierta. Se utiliza comúnmente para trabajar una pieza de materia prima al espesor adecuado. Una vez que se logra el grosor adecuado, el ancho adecuado se logra a través de "bordes". "Borde" es el proceso de concentrar material utilizando una matriz abierta de forma cóncava. El proceso se llama "bordear" porque generalmente se lleva a cabo en los extremos de la pieza de trabajo. "Fullering" es un proceso similar que adelgaza las secciones de la forja utilizando un troquel de forma convexa. Estos procesos preparan las piezas para futuros procesos de forjado.

• 

  Edging

• 

  Fullering

Forjado en matriz de impresión

La forja con matriz de impresión también se denomina "forja con matriz cerrada". En la forja con matriz de impresión, el metal se coloca en una matriz que se asemeja a un molde, que se une a un yunque. Por lo general, el dado del martillo también tiene forma. Luego, el martillo se deja caer sobre la pieza de trabajo, lo que hace que el metal fluya y llene las cavidades del dado. El martillo generalmente está en contacto con la pieza de trabajo en la escala de milisegundos. Según el tamaño y la complejidad de la pieza, el martillo se puede dejar caer varias veces en rápida sucesión. El exceso de metal se exprime de las cavidades del troquel, formando lo que se conoce como "flash". El flash se enfría más rápidamente que el resto del material; este metal frío es más resistente que el metal del troquel, por lo que ayuda a evitar que se forme más rebaba. Esto también obliga al metal a llenar completamente la cavidad del troquel. Después de la forja, se elimina el flash.

En la forja comercial con matriz de impresión, la pieza de trabajo generalmente se mueve a través de una serie de cavidades en una matriz para pasar de un lingote a la forma final. La primera impresión se utiliza para distribuir el metal en la forma rugosa de acuerdo con las necesidades de las cavidades posteriores; esta impresión se llama "bordear", "fullering" o "doblar" impresión. Las siguientes cavidades se denominan "bloqueo" cavidades, en las que la pieza se trabaja en una forma que se parece más al producto final. Estas etapas generalmente imparten a la pieza de trabajo curvas generosas y filetes grandes. La forma final se forja en un "final" o "finalizador" cavidad de impresión. Si solo hay que hacer una tirada corta de piezas, entonces puede ser más económico que el troquel carezca de una cavidad de impresión final y en su lugar mecanizar las características finales.

La forja con matriz de impresión se ha mejorado en los últimos años mediante una mayor automatización que incluye calentamiento por inducción, alimentación mecánica, posicionamiento y manipulación, y el tratamiento térmico directo de las piezas después de la forja. Una variación de la forja con matriz de impresión se denomina "forja sin flash" o "forja con matriz cerrada verdadera". En este tipo de forjado, las cavidades del troquel están completamente cerradas, lo que evita que la pieza de trabajo forme rebabas. La principal ventaja de este proceso es que se pierde menos metal por evaporación. Flash puede representar del 20 al 45% del material de partida. Las desventajas de este proceso incluyen un costo adicional debido a un diseño de matriz más complejo y la necesidad de una mejor lubricación y colocación de la pieza de trabajo.

Existen otras variaciones de la formación de piezas que integran la forja con matriz de impresión. Un método incorpora la fundición de una preforma de forja a partir de metal líquido. El yeso se retira después de que se haya solidificado, pero mientras aún está caliente. Luego se termina en un troquel de una sola cavidad. Se recorta el reborde, luego se templa la pieza. Otra variación sigue el mismo proceso descrito anteriormente, excepto que la preforma se produce mediante la deposición por pulverización de gotas de metal en colectores conformados (similar al proceso Osprey).

La forja con troquel cerrado tiene un alto costo inicial debido a la creación de troqueles y al trabajo de diseño requerido para crear cavidades de troquel que funcionen. Sin embargo, tiene costos recurrentes bajos para cada parte, por lo que las piezas forjadas se vuelven más económicas con un mayor volumen de producción. Esta es una de las principales razones por las que las piezas forjadas de matriz cerrada se utilizan a menudo en las industrias automotriz y de herramientas. Otra razón por la que las piezas forjadas son comunes en estos sectores industriales es que las piezas forjadas generalmente tienen una relación resistencia-peso un 20 por ciento más alta en comparación con las piezas fundidas o mecanizadas del mismo material.

Diseño de piezas forjadas y utillajes con matriz de impresión

Los troqueles de forja suelen estar hechos de acero de alta aleación o acero para herramientas. Los troqueles deben ser resistentes al impacto y al desgaste, mantener la resistencia a altas temperaturas y tener la capacidad de soportar ciclos de calentamiento y enfriamiento rápidos. Para producir un troquel mejor y más económico, se mantienen los siguientes estándares:

• Los dies parte a lo largo de un plano plano único y plano siempre que sea posible. Si no, el plano de separación sigue el contorno de la parte.
• La superficie de separación es un plano a través del centro de la forja y no cerca de un borde superior o inferior.
• Se proporciona un borrador adecuado; generalmente por lo menos 3° para aluminio y 5° a 7° para acero.
• Se usan filetes y radios genéticos.
• Las costillas son bajas y anchas.
• Las diversas secciones están equilibradas para evitar la diferencia extrema en el flujo de metal.
• La ventaja completa se toma de líneas de flujo de fibra.
• Las tolerancias dimensionales no están más cerca de lo necesario.

La formación de barriles ocurre cuando, debido a la fricción entre la pieza de trabajo y el troquel o el punzón, la pieza de trabajo se abulta en su centro de tal manera que parece un barril. Esto lleva a que la parte central de la pieza de trabajo entre en contacto con los lados del troquel antes que si no hubiera fricción presente, creando un aumento mucho mayor en la presión requerida para que el punzón termine el forjado.

Las tolerancias dimensionales de una pieza de acero producida mediante el método de forjado con matriz de impresión se describen en la siguiente tabla. Las dimensiones a lo largo del plano de separación se ven afectadas por el cierre de los troqueles y, por lo tanto, dependen del desgaste del troquel y del espesor de la rebaba final. Las dimensiones que están completamente contenidas dentro de un solo segmento de troquel o la mitad se pueden mantener con un nivel de precisión significativamente mayor.

Se utiliza un lubricante al forjar para reducir la fricción y el desgaste. También se utiliza como barrera térmica para restringir la transferencia de calor de la pieza de trabajo al troquel. Finalmente, el lubricante actúa como un compuesto de separación para evitar que la pieza se pegue en los troqueles.

Prensa de forja

El forjado a presión funciona aplicando lentamente una presión o fuerza continua, que difiere del impacto casi instantáneo del forjado con martillo. La cantidad de tiempo que los troqueles están en contacto con la pieza de trabajo se mide en segundos (en comparación con los milisegundos de las forjas con martillo). La operación de forjado en prensa se puede realizar en frío o en caliente.

La principal ventaja del forjado a presión, en comparación con el forjado con martillo, es su capacidad para deformar la pieza de trabajo completa. La forja con martillo en caída generalmente solo deforma las superficies de la pieza de trabajo en contacto con el martillo y el yunque; el interior de la pieza de trabajo permanecerá relativamente sin deformarse. Otra ventaja del proceso incluye el conocimiento de la velocidad de deformación de la nueva pieza. Al controlar la tasa de compresión de la operación de forjado en prensa, se puede controlar la tensión interna.

Hay algunas desventajas en este proceso, la mayoría derivadas de que la pieza de trabajo está en contacto con los troqueles durante un período de tiempo tan prolongado. La operación es un proceso lento debido a la cantidad y longitud de los pasos. La pieza de trabajo se enfriará más rápido porque los troqueles están en contacto con la pieza de trabajo; las matrices facilitan drásticamente más transferencia de calor que la atmósfera circundante. A medida que la pieza de trabajo se enfría, se vuelve más fuerte y menos dúctil, lo que puede provocar grietas si la deformación continúa. Por lo tanto, los troqueles calentados generalmente se usan para reducir la pérdida de calor, promover el flujo superficial y permitir la producción de detalles más finos y tolerancias más estrechas. Es posible que también sea necesario recalentar la pieza de trabajo.

Cuando se realiza con alta productividad, el forjado a presión es más económico que el forjado a martillo. La operación también crea tolerancias más estrechas. En la forja con martillo, gran parte del trabajo lo absorbe la maquinaria; cuando en forja en prensa, el mayor porcentaje de trabajo se utiliza en la pieza de trabajo. Otra ventaja es que la operación se puede utilizar para crear piezas de cualquier tamaño porque no hay límite para el tamaño de la máquina de forjado a presión. Las nuevas técnicas de forjado en prensa han sido capaces de crear un mayor grado de integridad mecánica y de orientación. Debido a la limitación de la oxidación a las capas exteriores de la pieza, se producen niveles reducidos de microfisuras en la pieza acabada.

La forja en prensa se puede utilizar para realizar todo tipo de forja, incluida la forja con matriz abierta y con matriz de impresión. La forja con prensa de matriz de impresión generalmente requiere menos tiro que la forja por estampación y tiene una mejor precisión dimensional. Además, las piezas forjadas en prensa a menudo se pueden hacer en un solo cierre de los troqueles, lo que permite una fácil automatización.

Forja trastornada

La forja recalcada aumenta el diámetro de la pieza de trabajo al comprimir su longitud. Basado en el número de piezas producidas, este es el proceso de forja más utilizado. Algunos ejemplos de piezas comunes producidas mediante el proceso de forjado recalcado son válvulas de motor, acoplamientos, pernos, tornillos y otros sujetadores.

La forja recalcada generalmente se realiza en máquinas especiales de alta velocidad llamadas prensas de manivela. Las máquinas generalmente se configuran para trabajar en el plano horizontal, para facilitar el intercambio rápido de piezas de trabajo de una estación a la siguiente, pero el recalcado también se puede realizar en una prensa de manivela vertical o en una prensa hidráulica. La pieza de trabajo inicial suele ser alambre o varilla, pero algunas máquinas pueden aceptar barras de hasta 25 cm (9,8 in) de diámetro y una capacidad de más de 1000 toneladas. La máquina de recalcado estándar emplea troqueles divididos que contienen múltiples cavidades. Los troqueles se abren lo suficiente para permitir que la pieza de trabajo se mueva de una cavidad a la siguiente; Luego, los troqueles se cierran y la herramienta de encabezado, o pistón, se mueve longitudinalmente contra la barra, volcandola dentro de la cavidad. Si se utilizan todas las cavidades en cada ciclo, se producirá una pieza terminada en cada ciclo, lo que hace que este proceso sea ventajoso para la producción en masa.

Estas reglas deben seguirse al diseñar piezas para forjarlas:

• La longitud de metal sin soporte que se puede alterar en un solo golpe sin doblar nocivo debe limitarse a tres veces el diámetro de la barra.
• Las longitudes de stock superiores a tres veces el diámetro se puede alterar con éxito, siempre y cuando el diámetro del malestar no sea más de 1,5 veces el diámetro del stock.
• En un malestar que requiere longitud de stock superior a tres veces el diámetro del stock, y donde el diámetro de la cavidad no es más de 1,5 veces el diámetro del stock, la longitud de metal no soportado más allá de la cara del die no debe exceder el diámetro de la barra.

Forjado en caliente automático

El proceso automático de forjado en caliente consiste en introducir barras de acero del tamaño de un molino (normalmente de 7 m (23 pies) de largo) en un extremo de la máquina a temperatura ambiente y los productos forjados en caliente emergen del otro extremo. Todo esto ocurre rápidamente; las piezas pequeñas se pueden hacer a una velocidad de 180 partes por minuto (ppm) y las más grandes se pueden hacer a una velocidad de 90 ppm. Las piezas pueden ser sólidas o huecas, redondas o simétricas, de hasta 6 kg (13 lb) y hasta 18 cm (7,1 in) de diámetro. Las principales ventajas de este proceso son su alta tasa de producción y su capacidad para aceptar materiales de bajo costo. Se requiere poca mano de obra para operar la maquinaria.

No se produce rebaba, por lo que el ahorro de material es de entre un 20 y un 30 % con respecto al forjado convencional. El producto final tiene una temperatura constante de 1050 °C (1920 °F), por lo que el enfriamiento por aire dará como resultado una pieza que aún se puede mecanizar fácilmente (la ventaja es que no se requiere recocido después de la forja). Las tolerancias suelen ser de ±0,3 mm (0,012 in), las superficies están limpias y los ángulos de inclinación son de 0,5 a 1°. La vida útil de la herramienta es casi el doble que la de la forja convencional porque los tiempos de contacto son del orden de 0,06 segundos. La desventaja es que este proceso solo es factible en piezas simétricas y costos más pequeños; la inversión inicial puede superar los $10 millones, por lo que se requieren grandes cantidades para justificar este proceso.

El proceso comienza calentando la barra de 1200 a 1300 °C (2190 a 2370 °F) en menos de 60 segundos usando bobinas de inducción de alta potencia. Luego se desincrusta con rodillos, se corta en piezas en bruto y se transfiere a través de varias etapas de formación sucesivas, durante las cuales se recalca, se preforma, se forja final y se perfora (si es necesario). Este proceso también se puede combinar con operaciones de formación en frío de alta velocidad. Generalmente, la operación de conformado en frío realizará la etapa de acabado para que se puedan obtener las ventajas del trabajado en frío, mientras se mantiene la alta velocidad del forjado automático en caliente.

Ejemplos de piezas fabricadas mediante este proceso son: cojinetes de cubo de rueda, engranajes de transmisión, pistas de cojinetes de rodillos cónicos, bridas de acoplamiento de acero inoxidable y anillos de cuello para cilindros de gas propano líquido (LP). Los engranajes de transmisión manual son un ejemplo de forjado en caliente automático utilizado junto con el trabajo en frío.

Forja en rollo

La forja por laminación es un proceso en el que se reduce el grosor del material de barra redonda o plana y se aumenta la longitud. La forja con rodillos se realiza utilizando dos rodillos cilíndricos o semicilíndricos, cada uno de los cuales contiene una o más ranuras perfiladas. Se inserta una barra calentada en los rodillos y, cuando toca un punto, los rodillos giran y la barra adquiere forma progresiva a medida que pasa por la máquina. Luego, la pieza se transfiere al siguiente conjunto de ranuras o se le da la vuelta y se vuelve a insertar en las mismas ranuras. Esto continúa hasta que se logra la forma y el tamaño deseados. La ventaja de este proceso es que no hay rebaba e imparte una estructura de grano favorable en la pieza de trabajo.

Ejemplos de productos fabricados con este método incluyen ejes, palancas cónicas y ballestas.

Forjado en forma de red y casi en forma de red

Este proceso también se conoce como forjado de precisión. Fue desarrollado para minimizar el costo y el desperdicio asociados con las operaciones posteriores al forjado. Por lo tanto, el producto final de una forja de precisión necesita poco o ningún mecanizado final. Los ahorros de costos se obtienen mediante el uso de menos material y, por lo tanto, menos desechos, la disminución general de la energía utilizada y la reducción o eliminación del mecanizado. La forja de precisión también requiere menos tiro, de 1° a 0°. La desventaja de este proceso es su costo, por lo tanto, solo se implementa si se puede lograr una reducción significativa de costos.

Forja en frío

La forja de forma casi neta es más común cuando las piezas se forjan sin calentar el bloque, la barra o la palanquilla. El aluminio es un material común que se puede forjar en frío dependiendo de la forma final. La lubricación de las piezas que se están formando es fundamental para aumentar la vida útil de los troqueles de acoplamiento.

Forjado por inducción

A diferencia de los procesos anteriores, el forjado por inducción se basa en el tipo de estilo de calentamiento utilizado. Muchos de los procesos anteriores se pueden utilizar junto con este método de calentamiento.

Forja multidireccional

La forja multidireccional consiste en formar una pieza de trabajo en un solo paso en varias direcciones. El conformado multidireccional tiene lugar a través de medidas constructivas de la herramienta. El movimiento vertical del ariete de la prensa se redirige mediante cuñas que distribuyen y redireccionan la fuerza de la prensa de forja en direcciones horizontales.

Forjado isotérmico

La forja isotérmica es un proceso mediante el cual los materiales y la matriz se calientan a la misma temperatura (iso- que significa "igual"). El calentamiento adiabático se utiliza para ayudar en la deformación del material, lo que significa que las velocidades de deformación están muy controladas. Esta técnica se usa comúnmente para forjar aluminio, que tiene una temperatura de forja más baja que los aceros. Las temperaturas de forjado para el aluminio son de alrededor de 430 °C (806 °F), mientras que los aceros y las superaleaciones pueden oscilar entre 930 y 1260 °C (1710 y 2300 °F).

Beneficios:

• Formas de red cercanas que conducen a menores requisitos de mecanizado y por lo tanto menores tasas de desguace
• Reproducibilidad de la parte
• Debido a la baja pérdida de calor máquinas más pequeñas se puede utilizar para hacer la forja

Desventajas:

• Los costes más altos de materiales para manejar temperaturas y presiones
• Se requieren sistemas de calefacción uniformes
• Ambientes protectores o vacío para reducir la oxidación de los moldes y el material
• Tasas de producción bajas

Materiales y aplicaciones

Billetes sólidos forjados de acero (incandescentemente deslumbrante) cargados en un gran horno de cámara industrial, para recalentar

Forja de acero

Dependiendo de la temperatura de formación, el acero forjado se puede dividir en:

• Forja caliente de acero
  • Temperaturas de forja por encima de la temperatura de recrystallization entre 950–1250 °C
  • Buena formabilidad
  • Bajas fuerzas formadoras
  • Fuerza constante de tracción de las piezas de trabajo
• Forja de acero caliente
  • Temperaturas de forja entre 750–950 °C
  • Menos o sin escalar en la superficie de la pieza de trabajo
  • Tolerancias más estrechas alcanzables que en forja caliente
  • Formabilidad limitada y fuerzas de formación superior que para forja caliente
  • Fuerzas de formación inferiores que en frío
• Forja fría de acero
  • Temperaturas de forja a las condiciones de la habitación, autocalentando hasta 150 °C debido a la energía que forma
  • Tolerancias más estrechas alcanzables
  • Sin escalar en la superficie de la pieza de trabajo
  • Aumento de la fuerza y disminución de la ductilidad debido al endurecimiento de la tensión
  • Es necesaria una baja formabilidad y fuerzas de formación elevada

Para los procesos industriales, las aleaciones de acero se forjan principalmente en caliente. El latón, el bronce, el cobre, los metales preciosos y sus aleaciones se fabrican mediante procesos de forja en frío; cada metal requiere una temperatura de forja diferente.

Forja de aluminio

• Forja de aluminio se realiza a un rango de temperatura entre 350-550 °C
• Las temperaturas de forja por encima de 550 °C son demasiado cercanas a la temperatura sólida de las aleaciones y llevan en conjunto con diferentes cepas efectivas a superficies de piezas desfavorables y potencialmente a una fusión parcial así como la formación de pliegues.
• Temperaturas de forja debajo 350 °C reduce la formabilidad aumentando el estrés de rendimiento, lo que puede llevar a los mueres sin llenar, agrietiendo en la superficie de la pieza de trabajo y aumentar las fuerzas de la muerte

Debido al estrecho rango de temperatura y la alta conductividad térmica, la forja de aluminio solo se puede realizar en una ventana de proceso particular. Para proporcionar buenas condiciones de formación es necesaria una distribución homogénea de la temperatura en toda la pieza de trabajo. Por lo tanto, el control de la temperatura de la herramienta tiene una gran influencia en el proceso. Por ejemplo, al optimizar las geometrías de las preformas, se puede influir en las deformaciones locales efectivas para reducir el sobrecalentamiento local y lograr una distribución de temperatura más homogénea.

Aplicación de piezas forjadas de aluminio

Las aleaciones de aluminio de alta resistencia tienen la resistencia a la tracción de las aleaciones de acero de resistencia media y, al mismo tiempo, brindan importantes ventajas de peso. Por lo tanto, las piezas forjadas de aluminio se utilizan principalmente en la industria aeroespacial, automotriz y en muchos otros campos de la ingeniería, especialmente en aquellos campos donde se necesitan los más altos estándares de seguridad contra fallas por abuso, por golpes o esfuerzos vibratorios. Tales piezas son, por ejemplo, pistones, piezas de chasis, componentes de dirección y piezas de freno. Las aleaciones más utilizadas son AlSi1MgMn (EN AW-6082) y AlZnMgCu1,5 (EN AW-7075). Alrededor del 80% de todas las piezas forjadas de aluminio están hechas de AlSi1MgMn. La aleación de alta resistencia AlZnMgCu1,5 se utiliza principalmente para aplicaciones aeroespaciales.

Forja de magnesio

• El forja de magnesio ocurre a un rango de temperatura entre 290-450 °C

Las aleaciones de magnesio son más difíciles de forjar debido a su baja plasticidad, baja sensibilidad a las tasas de deformación y temperatura de formación estrecha. El uso de forjado en caliente con troquel semiabierto con una prensa de forjado de tres correderas (TSFP) se ha convertido en un método de forjado recientemente desarrollado para la aleación de Mg-Al AZ31, comúnmente utilizada en la formación de soportes para aeronaves. Se ha demostrado que este método de forjado mejora las propiedades de tracción, pero carece de un tamaño de grano uniforme. Aunque la aplicación de aleaciones de magnesio aumenta entre un 15 y un 20 % cada año en la industria aeroespacial y automotriz, forjar aleaciones de magnesio con matrices especializadas es costoso y un método inviable para producir piezas para un mercado masivo. En cambio, la mayoría de las piezas de aleación de magnesio para la industria se producen mediante métodos de fundición.

Equipo

Hidraulic drop-hammer

a) Flujo material de un disco forjado convencionalmente; b) Flujo material de un disco forjado de impactor

El tipo más común de equipo de forja es el martillo y el yunque. Los principios detrás del martillo y el yunque todavía se utilizan hoy en día en los equipos de martillo de caída. El principio detrás de la máquina es simple: levante el martillo y déjelo caer o empújelo hacia la pieza de trabajo, que descansa sobre el yunque. Las principales variaciones entre los martillos de caída están en la forma en que se acciona el martillo; los más comunes son los martillos de aire y de vapor. Los martillos de caída suelen operar en posición vertical. La razón principal de esto es el exceso de energía (energía que no se usa para deformar la pieza de trabajo) que no se libera cuando el calor o el sonido deben transmitirse a la base. Además, se necesita una base de máquina grande para absorber los impactos.

Para superar algunas deficiencias del martillo, se utiliza la máquina de contragolpe o impactador. En una máquina de contragolpe, tanto el martillo como el yunque se mueven y la pieza de trabajo se mantiene entre ellos. Aquí el exceso de energía se convierte en retroceso. Esto permite que la máquina trabaje en horizontal y tenga una base más pequeña. Otras ventajas incluyen menos ruido, calor y vibración. También produce un patrón de flujo claramente diferente. Ambas máquinas se pueden utilizar para forjado con matriz abierta o con matriz cerrada.

Prensas de forja

Una prensa de forja, a menudo llamada simplemente prensa, se usa para forjar con prensa. Hay dos tipos principales: prensas mecánicas e hidráulicas. Las prensas mecánicas funcionan mediante el uso de levas, manivelas y/o palancas para producir un preajuste (una fuerza predeterminada en un lugar determinado de la carrera) y una carrera reproducible. Debido a la naturaleza de este tipo de sistema, se dispone de diferentes fuerzas en diferentes posiciones de carrera. Las prensas mecánicas son más rápidas que las hidráulicas (hasta 50 golpes por minuto). Sus capacidades van desde 3 a 160 MN (300 a 18.000 toneladas cortas-fuerza). Las prensas hidráulicas usan presión de fluido y un pistón para generar fuerza. Las ventajas de una prensa hidráulica sobre una prensa mecánica son su flexibilidad y mayor capacidad. Las desventajas incluyen una máquina más lenta, más grande y más costosa de operar.

Todos los procesos de forjado por laminación, recalcado y forjado en caliente automático utilizan maquinaria especializada.