Forja – Proceso, clasificación y métodos

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La forja es un proceso de fabricación que da forma a los metales mediante el martilleo, el prensado o el laminado. Sus orígenes se remontan a Mesopotamia, ya en el año 4000 a.C. El proceso evolucionó de forma natural a partir del simple martilleo, ya que los primeros humanos descubrieron que calentar el metal facilitaba su moldeado. Los herreros utilizaban hornos para calentar los metales, lo que les permitía fabricar armas y herramientas como espadas y aperos agrícolas.

A lo largo de los siglos, la forja ha experimentado importantes avances para satisfacer las demandas de las industrias modernas. Entremos en materia.

¿Qué es la forja?

La forja es un proceso de fabricación que utiliza calor y alta presión para dar al metal la forma deseada. Cuando se calienta a temperaturas elevadas, el metal en bruto se vuelve maleable. Los fabricantes pueden emplear la fuerza manual, prensas hidráulicas y otros equipos especializados para dar forma al metal con relativa facilidad.

Hoy en día, la mayoría de los productos forjados se fabrican con prensas accionadas eléctricamente. Sin embargo, algunos artículos especiales, como los cuchillos de acero de Damasco, se siguen fabricando con métodos manuales tradicionales.

Algunos de los metales más utilizados en forja son el acero aleado, el aluminio, el latón, el acero al carbono, el cobre, el acero dúplex, el níquel, el acero inoxidable, el titanio y el acero para herramientas. Por lo general, los metales que no son muy quebradizos pueden someterse a procesos de forja. Por otro lado, materiales como el hierro fundido, ciertos aceros con alto contenido en carbono y otras aleaciones frágiles no son aptos para el forjado debido a su incapacidad para soportar cargas de impacto.

Las piezas forjadas ofrecen numerosas ventajas, como una estructura de grano refinada, mayor resistencia a la fatiga y mayor solidez. Además, el producto final está libre de defectos como porosidad, grietas y sopladuras.

La forja puede diseñarse para producir piezas en serie sin utilizar metal sobrante. Se utiliza mucho en industrias orientadas a la seguridad y el rendimiento, como la aeroespacial, la del automóvil y la del petróleo y el gas, para componentes críticos como cigüeñales, válvulas de alta presión, rótulas, levas y engranajes.

Pasos del proceso de forja

El calor y la alta presión ablandan la mayoría de los metales, lo que permite que la forja sea eficaz con una amplia gama de materiales. Sin embargo, como las propiedades de los distintos metales varían, el proceso de forja debe adaptarse en consecuencia. Exploremos un proceso de forja típico para comprender sus pasos principales:

Diseño y fabricación de la matriz

Los procesos modernos de forja utilizan matrices para mejorar la exactitud, la precisión y la velocidad de las piezas producidas. El diseño y la fabricación de las matrices es el primer paso del proceso de forja. Una buena matriz puede proporcionar ventajas como un mejor flujo del grano, un buen acabado superficial, menos mermas, una mayor precisión dimensional y una calidad de producción constante.

Preparación de la palanquilla/troquel

Las palanquillas o lingotes con secciones transversales variables sirven de materia prima para el proceso de forja. En función de las especificaciones del producto, se cortan las longitudes necesarias de las secciones transversales adecuadas y se incorporan a la línea de producción de forja.

Calentamiento

No tiene sentido golpear un metal que está frío. En este paso, el metal se calienta, normalmente en un horno, hasta su temperatura de forja. El temperatura de forja para el acero oscila entre 850 y 1150 grados Celsius, mientras que la temperatura ideal de forja para el aluminio es de hasta 500 grados Celsius. Las temperaturas específicas de calentamiento y remojo para el proceso de forja se determinan en función del tipo de metal que se utilice.

Forja

El metal calentado se traslada a la matriz, donde se presiona para darle forma. Pueden ser necesarias varias pasadas por varias matrices para conseguir la forma final. Además, la pieza puede requerir un recalentamiento entre prensas.

Tratamiento térmico

La mayoría de los componentes se someten a un tratamiento térmico tras la forja para mejorar propiedades mecánicas específicas, como la resistencia y la dureza. Los procesos de tratamiento térmico que se utilizan normalmente son el recocido, el revenido, el temple, la normalización, el tratamiento por disolución y la cementación en caja.

Enfriamiento

El enfriamiento presenta una excelente oportunidad para mejorar propiedades como la resistencia y la estructura del grano. Empleando diversos mecanismos y velocidades de enfriamiento, se puede promover el desarrollo de las características deseables en los componentes forjados.

Acabado

El componente puede requerir operaciones de acabado, como mecanizado, recorte y tratamiento superficial, antes de que sea apto para su uso. Además, propiedades como la resistencia a la corrosión y el atractivo estético pueden mejorarse aplicando revestimientos específicos durante esta fase.

Cómo clasificar los procesos de forja

La investigación y los avances constantes en metalurgia han llevado al desarrollo de diversas variaciones del proceso de forja. Hoy en día, se utiliza una amplia gama de técnicas de forja para conseguir diferentes combinaciones de propiedades en el producto final. Para comprender mejor los distintos tipos de procesos de forja, emplearemos dos métodos de clasificación principales. Los procesos de forja pueden clasificarse por –

Clasificación por temperatura

Existen tres tipos principales de procesos de forja clasificados por temperatura: forja en frío, forja en caliente o forja en caliente.

Forja en caliente

La forja en caliente es el procedimiento original de forja en el que el metal se calienta a una temperatura que supera su temperatura de recristalización. Esta temperatura suele ser entre 0,3 y 0,4 veces el punto de fusión de los metales puros, mientras que es aproximadamente la mitad para las aleaciones. A esta temperatura elevada, la microestructura del metal alivia cualquier tensión interna y forma nuevos granos, mejorando así propiedades mecánicas como la resistencia y la ductilidad.

Una vez que el metal alcanza esta temperatura, se aplica una fuerza de compresión para moldearlo con la forma deseada. Los productos forjados en caliente requieren niveles más bajos de fuerza de compresión, ya que el material se deforma más fácilmente a temperaturas más altas.

Sin embargo, la forja en caliente tiene varias desventajas. Ofrece menor precisióny la final acabado superficial es más rugoso en comparación con otros procesos. Además, la pieza de trabajo es susceptible a los defectos como la oxidación, la descarburación y los daños por quemaduras.

Forja en caliente

En la forja en caliente, el metal se calienta por encima de la temperatura ambiente manteniéndose muy por debajo de la temperatura de recristalización. El calor hace que el metal sea más maleable. En comparación con la forja en caliente, la forja templada da como resultado un superficie más lisa y una mayor precisión., pero también presenta una mayor resistencia a la deformación. En consecuencia, mayores fuerzas de compresión son necesarias para dar forma al metal en la forja en tibio que en la forja en caliente.

Forja en frío

Un proceso de forja realizado a temperatura ambiente se denomina forja en frío. En este proceso, el metal no se calienta; en su lugar, se aplican fuerzas de compresión para dar forma al material directamente. Esta técnica produce acabados superficiales superiores, alta precisión dimensional, y piezas listas para su uso inmediato. Además, la forja en frío es una de las procesos más sencillos de automatizar.

Sin embargo, el proceso requiere prensas de alto tonelaje, ya que son necesarias importantes fuerzas de compresión. Además, la pieza propensa a agrietarse debido a su baja plasticidad a bajas temperaturas.

Por utillaje y equipo utilizado

También podemos utilizar el utillaje y el equipo para clasificar los procesos de forja. Tradicionalmente, los herreros utilizaban equipos rudimentarios como martillos y yunques para forjar metales. Con el tiempo, las ruedas hidráulicas accionaron grandes fuelles, permitiendo bloomerías para alcanzar temperaturas de horno más elevadas.

Posteriormente, con la Revolución Industrial, se introdujeron las prensas y recalcadoras mecánicas e hidráulicas, que utilizaban matrices para producir formas más complejas mediante forja. Además, durante este periodo se desarrolló la mecanización de la forja con rodillos, que empleaban rodillos robustos para crear componentes alargados con secciones transversales variables.

Tipos de métodos de forja

El proceso de forja se ramifica en varios métodos dependiendo de factores como la disposición del proceso, los tipos de piezas producidas, el nivel de automatización y el tipo de equipo utilizado. En esta sección, integraremos estos factores para ofrecer una visión general de algunos de los procesos de forja más populares utilizados en la actualidad. Los métodos que cubriremos incluyen los siguientes:

Forja por caída

La forja por caída es un proceso de fabricación en el que se lanza un martillo de caída sobre una pieza desde una altura determinada. La pieza se coloca sobre un yunque estacionario. Las fuerzas generadas por los múltiples impactos comprimen gradualmente la pieza hasta darle la forma deseada.

La forja por estampación puede clasificarse en dos tipos: forja en molde abierto y forja en molde cerrado. En la forja con matriz abierta, no hay ninguna matriz colocada por encima de la pieza; en su lugar, el martillo entra en contacto directo con la superficie de la pieza. Una variación del proceso de forja con matriz abierta se conoce como dentado donde el material se fija en su lugar mediante garras metálicas, mientras los manipuladores (troqueles metálicos) se acercan desde dos o cuatro direcciones para alterar su forma.

Por el contrario, la forja con matriz cerrada encapsula la pieza dentro de la matriz. La forja en coquilla cerrada también se conoce como forja en coquilla de impresión. La forma final deseada puede fundirse en una o en las dos matrices (superior e inferior). Cuando el martillo golpea la matriz superior, fuerza al metal que se está forjando a llenar la cavidad de la matriz.

El proceso de contragolpe es una variación de la técnica de forja por caída. A diferencia del proceso de forja por caída, que se basa en la gravedad, el proceso de contragolpe utiliza aire o aceite a alta presión para acelerar las cavidades de las matrices de forja unas hacia otras. El material metálico colocado entre las matrices absorbe las intensas fuerzas de impacto generadas por las matrices aceleradoras, lo que le permite adaptarse a la forma de las matrices.

Forja en prensa

La forja en prensa utiliza un principio similar al de la forja por caída; sin embargo, en lugar de basarse en el impacto, utiliza una fuerza continua que dura más tiempo. Es un apriete controlado en lugar de un impacto repentino.

El impacto de la forja por caída no deforma el núcleo de la pieza metálica; los efectos se limitan a la capa superficial. En cambio, la presión continua que se aplica en la forja en prensa provoca una deformación plástica en todo el volumen de la pieza. Las prensas de forja pueden utilizar un proceso de forja en frío o en caliente.

Forja en caliente

La forja por recalcado, también conocida como descabezado, utiliza una serie de matrices para deformar o recalcar un extremo de una pieza. Este proceso se utiliza habitualmente para aumentar la sección transversal de barras redondas en un extremo para formar artículos como clavos, pernos y tornillos.

La barra redonda se sujeta mediante matrices de sujeción, mientras otra matriz avanza hacia el extremo expuesto, lo comprime y altera su forma.

Forja en caliente automática

El método de forja en caliente automática proporciona una medio rápido y eficaz de producir en masa piezas en bruto o productos acabados a partir de barras de acero. En un lado del tren automático de forja en caliente, se introducen en la máquina barras de acero con longitudes especificadas. Estas barras se calientan por inducción, se descalcifican, se cortan y se forjan en productos acabados en cuestión de segundos en la máquina de forja.

Las piezas pueden someterse a varias etapas de conformado mientras están dentro de la máquina. La salida de la máquina de forja a veces se envía a forja en frío o de precisión para obtener sus ventajas en el producto acabado.

Forja de rodillos

La forja por laminación, similar a la forja automática, es un proceso de forja especializado que puede producir piezas con una sección transversal única a gran escala.

La forja con rodillos implica dos rodillos opuestos que reciben barras largas con una sección transversal plana o redonda. A medida que la barra pasa por el hueco entre los rodillos, se comprime, lo que provoca una reducción del grosor y un aumento de la longitud del material.

Una vez atravesada, la pieza puede invertirse y pasar de nuevo por el mismo juego de rodillos o por otro diferente si el producto final requiere varias etapas.

La forja con rodillos puede ser de tipo en caliente o en frío. La forja en caliente requiere fuerzas de compresión más ligeras. El proceso de forja con rodillos da como resultado una excelente estructura del grano de la pieza.

Forja de anillos laminados

El proceso de forja de anillos laminados produce anillos metálicos sin soldadura del proceso de forja. El proceso comienza perforando una culata cilíndrica por el centro para crear una forma de donut. En este centro hueco se coloca un rodillo loco. A continuación, la pieza se hace girar y se manipula utilizando dos juegos diferentes de rodillos.

Un rodillo impulsor presiona la pieza entre sí y el rodillo loco, aumentando gradualmente el tamaño del agujero del donut. Los rodillos axiales, situados en la parte superior e inferior, comprimen las superficies del donut para reducir su grosor (o altura cilíndrica).

El producto final es un componente en forma de anillo sin costuras y con una excelente estructura de grano derivada de la pieza original. La forja en anillo laminado se utiliza normalmente para componentes críticos, como engranajes, embragues y cojinetes, que requieren piezas sin costuras tanto por motivos funcionales como de seguridad.

Forja de precisión

La forja de precisión, también conocida como forja en forma de red o casi red, es un proceso de forja realizado a temperaturas significativamente más bajas que las utilizadas en la forja en caliente, lo que permite una mayor precisión. En el caso del acero, la gama de temperaturas en la forja de precisión oscila entre 750 y 950 grados Celsius (1380 a 1740 grados Fahrenheit).

La forja de precisión es principalmente un proceso de acabado más que una operación independiente. Los componentes producidos con otros métodos de forja se envían a forja de precisión antes de ser puestos en uso o sometidos a procesos de fabricación adicionales.

Forja en frío

La forja de precisión también puede realizarse en temperaturas cercanas a la ambiente, un proceso conocido comúnmente como forja en frío. Este método proporciona unas dimensiones finales muy precisas y suele eliminar la necesidad de operaciones de acabado adicionales. Sin embargo, no es adecuado para todo tipo de metales, y la lubricación desempeña un papel crucial para preservar las superficies de contacto de las matrices. La forja en frío se emplea con frecuencia para metales blandos como el aluminio.

Forja isotérmica

Como su nombre indica, la forja isotérmica se realiza a una temperatura fija. Tanto la pieza en bruto como la matriz se mantienen a una temperatura uniforme durante todo el proceso de forja.

Estas condiciones específicas permiten aprovechar plenamente la plasticidad de un metal a una temperatura determinada. La forja isotérmica se utiliza habitualmente para forjar aluminio, que tiene una temperatura de forja relativamente más baja, de 430 °C (806 °F), en comparación con otros metales.

La forja isotérmica ofrece varias ventajas, como una mayor precisión, menores tasas de defectos, menores fuerzas de compresión y una mayor plasticidad del material.

Forja por inducción

La forja por inducción es no es un proceso distinto de forja de metales sino un método de calentamiento utilizado para alcanzar la temperatura de forja. Las bobinas de inducción de alta potencia facilitan un rápido aumento de la temperatura y se utilizan en entornos de producción en serie para reducir los tiempos de ciclo.

Podemos utilizarla en toda una gama de procesos ajustando la configuración de calentamiento para adaptarla al proceso.

Prensado

El estampado es un proceso especializado de forja de metales utilizado para crear conos o bordes puntiagudos en secciones transversales huecas, como los tubos. El estampado se utiliza para sellar extremos abiertos o para ampliar la circunferencia del extremo de un tubo, facilitando la conexión con otras secciones de tubo.

En este proceso, el material se calienta primero a su temperatura de forja y luego se presiona contra una matriz para remodelar el extremo del tubo. Imagine forzar una manguera de jardín flexible en una conexión de salida de agua. El estampado se parece a eso visualmente, salvo que el tubo metálico conserva su forma al separarse de la matriz. Éste es sólo un ejemplo concreto. Los parámetros del proceso pueden manipularse para producir toda una gama de resultados.

Conclusión

La forja ofrece claras ventajas en el trabajo del metal. Es un método rentable y versátil para fabricar productos fiables de alta resistencia adecuados para aplicaciones críticas. La refinada estructura del grano resultante de la forja imparte una resistencia direccional y una integridad estructural excepcionales.

Como resultado, este proceso se utiliza para componentes cruciales como cigüeñales, ruedas y vías de ferrocarril, ejes de vehículos, bielas, suspensiones, engranajes, ejes y cojinetes.

La forja se ha ganando popularidad de forma constante, sobre todo con metales como el titanio y las superaleaciones. Se prevé que este proceso se generalice en las próximas décadas a medida que se convierta en cada vez más preciso y refinado mediante el uso de materiales avanzados y técnicas de simulación.

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