La forja del aluminio es el método de dar forma a piezas sólidas de tochos de aluminio bajo la alta presión de la compresión, realizada normalmente en presencia de calor intenso. A diferencia de la fundición, en la que el metal fundido se vierte en moldes para fabricar los objetos requeridos, en la forja no se funde el metal, sino que se trabaja en estado sólido, y ésta es una de las razones por las que el material conserva muy buena resistencia, tenacidad y soporta mejor la fatiga. Esto supone una gran diferencia en la capacidad de carga de las piezas de aluminio forjado y en su estabilidad a largo plazo.
El aluminio ha sido uno de los materiales más importantes en la ingeniería y la fabricación del mundo moderno. La fuerza y la resistencia a la corrosión de esta aleación la hacen insustituible en aplicaciones industriales como la aeroespacial, la automoción, la construcción, la navegación y la defensa. Sin embargo, el rendimiento del aluminio puede verse sustancialmente afectado por su medio de procesamiento. La forja del aluminio es uno de los medios más eficaces para fabricar componentes resistentes y duraderos que han demostrado su fiabilidad en diversas producciones.
Este artículo profundizará en el concepto, analizando el proceso, las ventajas y los usos de este increíble proceso de trabajo del metal.
Comprender la forja
Para apreciar la forja del aluminio, es necesario crear un breve concepto del concepto más amplio, la forja. La forja es un método de fabricación milenario. Los herreros solían machacar hierro al rojo vivo para fabricar piezas de herramientas y armas, que no sólo eran muy resistentes, sino también muy duraderas. El mismo concepto se aplica en la actualidad, aunque la tecnología está mucho más desarrollada.
El proceso de forja consiste en deformar una pieza de metal bajo una presión extrema, normalmente con la ayuda de prensas, martillos o matrices. Esta presión reordena la estructura interna del grano del metal, creando piezas con mejores propiedades mecánicas que las piezas fundidas o mecanizadas. Aplicado al aluminio, el proceso abre una oportunidad distinta con ventajas especiales, útiles para muchas industrias.
¿Qué es la forja del aluminio?
La forja del aluminio puede definirse sencillamente como la acción compulsiva de dar forma a aleaciones de aluminio mediante deformación por compresión con el fin de producir piezas con mayor resistencia, durabilidad y fiabilidad en comparación con las piezas producidas mediante otras prácticas como la fundición. El metal no suele fundirse en absoluto, sino que simplemente se calienta para que permanezca en estado sólido durante el proceso.
El proceso produce una característica densa de grano fino que aumenta las propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción, la fatiga y la resistencia al impacto. La idea de martillar y prensar el aluminio para crear una pieza que pueda soportar diversas condiciones extremas trae a la mente el término forja de aluminio. Esto ha contribuido a que el aluminio forjado sea el preferido de las industrias en las que no se pueden comprometer los niveles de seguridad y rendimiento.
Proceso de forja del aluminio
El proceso de forja del aluminio tiene varios procesos manipulados con precisión mediante los cuales el producto se categoriza como de calidad. He aquí cómo sucede normalmente:
- Preparación de la palanquilla: La aleación de aluminio en bruto, normalmente en forma de tochos o lingotes, se corta al tamaño requerido.
- Calefacción: El tocho se calienta hasta una cierta temperatura elevada, normalmente entre 400 °C y 480 °C. Este calentamiento aumenta la maleabilidad del metal y evita que se funda.
- Forja: En este proceso, el tocho caliente se prensa con una prensa mecánica o hidráulica para darle la forma de la matriz. Es entonces cuando la estructura de los granos internos del aluminio se reordena y aumenta su resistencia.
- Recorte y acabado: Se eliminan las rebabas de material. A continuación, la pieza forjada se mecaniza con unas dimensiones y tolerancias precisas.
- Tratamiento térmico (opcional): Algunas piezas de aluminio forjado reciben un tratamiento térmico adicional para que sean lo más fuertes, duras y resistentes al desgaste posible.
Cada etapa del proceso de la forja de aluminio se comprueba cuidadosamente para ofrecer la misma calidad. Un cambio de temperatura, presión o tiempo puede interferir en el rendimiento final de la pieza.
Ventajas del aluminio forjado
Las razones de por qué el aluminio forjado es preferible a otros materiales de ingeniería se discutirán de muchas maneras. Los pros son los siguientes:
- Resistencia superior: Debido a la estructura de grano fino, el aluminio forjado tendrá una mayor resistencia que las piezas de fundición o extrusión.
- Ligero: El aluminio ya es un material ligero, y el forjado remodela su estructura para eliminar el peso extraño. Esto también hace que las piezas forjadas sean adecuadas para la ingeniería sensible al peso, como la aeroespacial y la de automoción.
- Durabilidad mejorada: Las piezas de aluminio son más duras y capaces de resistir las consecuencias de los golpes de diversas superficies, el estrés y la fatiga en comparación con sus sustitutos.
- Resistencia a la corrosión: El aluminio tiene una gran resistencia a la corrosión, pero al forjarlo se mejora esta característica, lo que hace que los componentes sean útiles en condiciones extremas.
- Flexibilidad en el diseño: El aluminio puede diseñarse con cualquier forma compleja sin pérdida de integridad, dadas las técnicas actuales disponibles en forja moderna.
No es de extrañar que la industria en la que más se demanda sea en la que se utiliza aluminio forjado, ya que este material ha llegado a ser conocido como el patrón oro de la seguridad y la durabilidad.
Tratamientos superficiales e inspección
Rara vez las piezas de aluminio forjado se utilizan directamente después de su uso. Los componentes forjados se someten a un acabado superficial y a una inspección para cumplir las normas del sector. Estas medidas aumentan la durabilidad, el estilo y la fiabilidad.
Acabado de superficies
El acabado de la superficie mejora la estética y la funcionalidad de las piezas de aluminio forjado. También ayuda a eliminar los defectos que surgen en el curso de la forja. Las formas típicas son:
- Mecanizado: Este proceso elimina el material no deseado y garantiza que todas las dimensiones deseadas tengan el tamaño adecuado.
- Granallado / Arenado: Elimina la superficie y realza su textura.
- Pulido: Proporciona un acabado liso y reflectante, que puede ser estético o práctico.
- Anodizado o revestimiento: Proporciona un revestimiento que evita la corrosión y el desgaste.
En función de los fines previstos, cada acabado se selecciona individualmente: en el caso de los componentes aeroespaciales, pueden ser anodizados, mientras que los de automoción pueden ser mecanizados y pulidos.
Inspección
La inspección se utiliza para que cada producto de forja de aluminio se ajuste a normas de alta calidad. Las técnicas incluyen:
- Inspección visual: Así se identifican las grietas o irregularidades de la superficie.
- Comprobaciones de conformidad: Comprobar la precisión utilizando instrumentos como calibradores y máquinas CMM.
- Ensayos no destructivos (END): Los exámenes no destructivos, como los ultrasonidos, los líquidos penetrantes y los rayos X, se utilizan para comprobar la calidad interna sin destruir la pieza.
- Pruebas mecánicas: Prueba la dureza, la resistencia a la tracción y la resistencia al impacto.
Importancia
El acabado y la inspección adecuados son necesarios para que la forja de aluminio no provoque defectos que debiliten la pieza. Estos procesos son fundamentales para que industrias como la aeroespacial, la automovilística y la naval sean seguras, ya que no se pueden permitir fallos.
Tratamiento térmico de forja de aluminio
Un proceso muy importante en la forja del aluminio es el tratamiento térmico. Contribuye a hacerlas más fuertes, duras, dúctiles y resistentes a la corrosión. Sin esta etapa, ni siquiera todas las piezas de aluminio especialmente tostadas de una moto alcanzarían su pleno rendimiento.
Recocido
Las piezas forjadas de aluminio se recuecen para suavizarlas. El metal se calienta a temperaturas de unos 300-4000 °C y se enfría a un ritmo lento. Este paso reduce la tensión interna y aumenta la ductilidad, por lo que la pieza es más fácil de mecanizar y no requiere tratamientos adicionales.
Tratamiento térmico de soluciones
En esta puesta en escena, la pieza forjada se calienta a una temperatura relativamente elevada, en el caso de la aleación, normalmente de 500-540 °C. Los elementos aleados, como el cobre o el magnesio, se disuelven en una solución sólida. Esto permite que la pieza se enfríe rápidamente y, posteriormente, se endurezca con rapidez.
Enfriamiento
La pieza forjada se enfría inmediatamente después del tratamiento térmico de disolución. Mediante un enfriamiento rápido en agua, aceite o una solución polimérica, los elementos disueltos se fijan en su posición. Esto forma una estructura homogénea de la pieza de forja de aluminio, que queda lista para someterse al envejecimiento.
Endurecimiento por precipitación
El endurecimiento y la resistencia aumentan con el envejecimiento. Existen dos tipos muy extendidos:
- Envejecimiento natural (T4): A temperatura ambiente, se produce un aumento de la resistencia de la pieza durante un período de tiempo.
- Envejecimiento artificial (T6): La pieza se recalienta a una temperatura reducida (120-190 0 C) y se mantiene a esa temperatura durante un tiempo para acelerar la solidificación.
Aliviar el estrés
Las piezas grandes o complicadas pueden quedar con tensiones en la forja y el mecanizado. Este proceso alivia las tensiones alrededor del punto un poco por debajo de las temperaturas de recocido, pero enfría lentamente la pieza. Esto reduce la distorsión y el agrietamiento cuando está en uso.
Diferencias entre la forja y otros métodos de trabajo del metal
Aunque la forja del aluminio es una de las prácticas más fuertes en lo que a fabricación se refiere, no es la única técnica. Otros procesos populares son la fundición, la extrusión y el mecanizado. La forja tiene sus ventajas y, en cierto modo, es difícil encontrar una más notable:
1. Forja y fundición
- El proceso de fundición consiste en verter aluminio fundido en un molde.
- En cambio, la forja deforma el metal cuando está sólido (pero a menudo caliente).
La principal diferencia entre ambas es que con la fundición se pueden crear diseños más complicados, mientras que las piezas forjadas son más fiables, firmes y sin porosidad (presencia de pequeños orificios de aire).
2. Forja frente a extrusión
- Extrusión obliga a forzar el aluminio a través de una matriz que da forma al producto en piezas largas con las mismas secciones transversales (como varillas, tubos y canales).
- La forja es un proceso que consiste en comprimir el aluminio en piezas brutas con la ayuda de la fuerza y de una matriz.
Diferencia primaria: La extrusión trabaja con perfiles largos y requisitos consistentes, y la forja produce detalles más resistentes, portantes y con mejor flujo de grano.
3. Forja Vs. Mecanizado
- El mecanizado arranca material de un bloque macizo de aluminio mediante tornos, fresadoras o cualquier otra herramienta.
- La forja deforma el metal, a diferencia de la extracción de metal.
Diferencia principal: La diferencia clave entre mecanizado y forja es que el mecanizado produce piezas sin desperdicio, pero es menos eficiente en cuanto al uso de material, mientras que con la forja se utiliza menos material para producir piezas más resistentes.
4. Forja Vs. Estampación
- El estampado es un procedimiento en el que se utiliza una prensa para cortar o estampar piezas de láminas de aluminio.
- La forja utiliza la presión de compresión sobre las palanquillas para crear un componente más fuerte y grueso.
Diferencia principal: El estampado se utiliza en componentes de chapa más finos, y la forja en piezas estructurales y portantes.
Resumiendo:
- Reparto: mejor en una forma intrincada, aunque más débil.
- Extrusión: Esta extrusión es adecuada en el caso de perfiles largos y carece de resistencia.
- Exacto: Preciso, pero no económico en el mecanizado.
- Estampación: es barato y rápido, pero sólo en piezas finas.
- Forja: el mejor proceso en términos de durabilidad, resistencia a la fatiga y aplicaciones críticas para la seguridad.
Usos del forjado de aluminio
Las áreas de uso de la forja de aluminio son numerosas, y las empresas son masivas, exigiendo tanto rendimiento como fiabilidad. Entre las aplicaciones más destacadas, cabe mencionar las siguientes:
- Equipamiento del automóvil: El aluminio forjado encuentra aplicación en los componentes de la suspensión, las ruedas, los miembros del chasis y los del motor. Estas piezas están sometidas a grandes cargas, pero también deben ser capaces de mantener un vehículo ligero y que ahorre combustible.
- La industria aeroespacial: En los aviones, el forjado de aluminio es un componente esencial del tren de aterrizaje, la estructura de las alas y las piezas del motor. Los escasos márgenes de seguridad de la industria aeroespacial hacen que las piezas forjadas sean esenciales.
- Construcción e infraestructuras: Los conectores y juntas de aluminio forjado se utilizan en puentes y edificios de gran altura porque son duraderos.
- Aplicaciones marinas: El aluminio no se oxida fácilmente, lo que lo convierte en uno de los materiales preferidos cuando se trata de construcciones permitidas en el entorno marino: barcos, hélices, construcciones offshore.
- Maquinaria industrial: Los equipos de gran capacidad pueden utilizar piezas forjadas, de aluminio o de otros materiales, ya que sus especificaciones exigen resistencia y poco peso.
La flexibilidad de los componentes forjados hace que la denominada forja de aluminio resulte conveniente en la ingeniería contemporánea.
En comparación con otros métodos de fabricación
¿Cuál es la diferencia entre las piezas forjadas de aluminio y la fundición, la extrusión o el mecanizado?
- Reparto: Permite formas de naturaleza compleja, pero tiende a presentar porosidad y una estructura de grano deficiente. Estos puntos débiles se eliminan mediante el uso de aluminio forjado
- Extrusión: El aluminio extruido tiene una consistencia dimensional útil, pero carece de las características mecánicas de las piezas fundidas.
- Mecanizado y forja: El mecanizado sólo funciona bien en bloques macizos, y éste es preciso pero dispendioso y resulta menos económico que la forja.
Por eso, las industrias que tienen la ventaja de centrarse en la resistencia y la seguridad suelen optar por el proceso de forja del aluminio.
Tipos de forja de aluminio
En función de los métodos y el equipamiento, la forja del aluminio puede clasificarse en varios tipos. Las resistencias respectivas y el volumen de producción de las piezas definen qué método utilizar, y las ventajas que aporta cada método también son individuales.
1. Forja con matriz abierta
En el proceso de forja con matriz abierta, el tocho de aluminio se coloca entre matrices planas o de forma simple, que no llegan a encerrar el tocho de aluminio. Tras martillear o prensar repetidamente el metal, se obtiene la forma deseada. Es ideal en los casos de piezas grandes, como ejes, anillos y discos, porque se necesita una gran resistencia. La forja con matriz abierta sólo es posible gracias a la flexibilidad en el diseño, aunque requiere un mecanizado adicional hasta alcanzar el Uno final.
2. Forja con matriz cerrada (forja con matriz de impresión)
En la forja con matriz cerrada, las matrices encapsulan el tocho calentado. Cuando se ejerce presión, el aluminio fluye por la cavidad de la matriz y adquiere su forma precisa. Es un buen método para fabricar piezas complejas con una tolerancia muy fina, por ejemplo, piezas de suspensión de automóviles o accesorios de aviones. Aunque los costes de utillaje son mayores, la precisión y la resistencia de las piezas forjadas en matriz cerrada son ventajas significativas de este proceso.
3. Forja en frío
Forja en frío se realiza a temperatura ambiente o próxima a ella, mientras que en la forja tradicional se calienta el metal antes de proceder a la forja. También necesita una mayor presión, pero los resultados obtenidos son materiales con un gran acabado superficial y una gran precisión de dimensiones. Las piezas más pequeñas de aluminio, como cierres y engranajes y herrajes, suelen forjarse en frío cuando la resistencia y la precisión son importantes.
4. Forja en caliente
La forja de aluminio más común es la forja en caliente. El tocho se calienta a una temperatura determinada (aún por debajo de su punto de fusión) para mejorar su ductilidad. Esto reduce la cantidad de fuerza necesaria para moldear el aluminio y mejora la estructura del grano. La forja en caliente se aplica sobre todo como uno de los métodos en la producción de piezas más grandes que requieren mejores características del material.
5. Forja de precisión
La forja de precisión es un tipo de forja con matriz cerrada diseñada para requerir el mínimo (o ningún) mecanizado secundario posible. Las matrices incorporan altos niveles de precisión que permiten producir piezas de forma casi neta. Esto minimiza el desperdicio, ahorra costes y proporciona una calidad constante, lo que la convierte en una de las favoritas de la industria aeroespacial y la industria de alto rendimiento.
6. Forja de rodillos
En el rodillo, las matrices cilíndricas o planas giran y el tocho de aluminio caliente se aprieta. Este tratamiento hace que el material sea más fino y largo con la uniformidad de los granos. Piezas como ejes, árboles cónicos y anillos se forjan a menudo mediante forja en rollo.
7. Laminación de anillos sin soldadura (forja de anillos)
Anillos de aluminio/ La forja de anillos de aluminio es un proceso especializado para fabricar anillos sin soldadura de aluminio. Un tocho ligeramente perforado se estira para darle forma de anillo y, a continuación, se lamina hasta alcanzar el diámetro y el grosor deseados. Este método es importante en los sectores aeroespacial, de turbinas y de rodamientos.
8. Forja isotérmica
En este procedimiento de alto control, el tocho de aluminio y las matrices de forja se calientan a la misma temperatura. Así se minimizan los gradientes térmicos, lo que permite un control más estricto de las formas complejas. La forja isotérmica se utiliza a menudo en implantes médicos y aeroespaciales, donde se requiere precisión.
9. Forja con forma próxima a la red
No sólo se trata de un proceso de forja avanzado, sino que el objetivo es obtener piezas de tamaño casi final que no necesiten ningún tratamiento posterior. Se desperdicia menos material y se ahorra dinero, pero se conserva la resistencia que se obtiene con la forja.
10. Forja al revés
La forja por recalcado aumenta el diámetro de un tocho comprimiendo su longitud. Se emplea mucho en la fabricación de elementos de fijación, como pernos, tornillos y válvulas, cuando se busca la resistencia de la cabeza o el vástago.
Materias primas para la forja del aluminio
La forja del aluminio se basa principalmente en aleaciones de aluminio y no en aluminio puro. La mayoría de las aplicaciones estructurales requieren cualidades más resistentes en el aluminio, por lo que se añaden otros elementos como cobre, zinc, magnesio y silicio para aumentar la resistencia y el rendimiento de los materiales.
Serie 2xxx (aleaciones de aluminio-cobre)
- Por ejemplo: 2219
- Propiedades: Muy resistente, fácil de mecanizar y con un excelente comportamiento a altas temperaturas.
- Aplicaciones: Accesorios aeroespaciales, piezas de motores de automoción y equipos de defensa.
Serie 5xxx (aleaciones de aluminio y magnesio)
- Por ejemplo: 5083
- Propiedades: Excelente resistencia a la corrosión, especialmente en un entorno marino.
- Aplicaciones: estructuras offshore, construcción naval y buques de transformación.
Serie 6xxx (aleaciones de aluminio-magnesio-silicio)
- Por ejemplo: 6061, 6082
- Propiedades: Buena mezcla uniforme de fuerza, resistencia a la corrosión y maquinabilidad.
- Aplicaciones: Piezas de suspensión para automóviles, soportes aeroespaciales y piezas de construcción.
Serie 7xxx (aleaciones de aluminio y zinc)
- Por ejemplo: 7075
- Propiedades: Muy alta resistencia, buena resistencia a la fatiga y peor resistencia a la corrosión.
- Aplicaciones: Piezas de aviones, tornillería aeronáutica, ferretería militar y artículos deportivos de alto rendimiento.
Aleaciones especiales
Algunas de las aleaciones fabricadas se utilizan específicamente en forja isotérmica y de precisión y donde se desean tolerancias estrictas y un alto rendimiento en condiciones extremas.
- Usos: Naves espaciales, motores de turbina y equipos médicos vitales.
Resumiendo:
- Las aleaciones de serie más soldadas son la 6061 y la 6082 debido a la variabilidad de su uso.
- La aleación 7075 y otras aleaciones de la serie 7xxx son habituales en el sector aeroespacial, ya que la resistencia es la principal consideración.
- Las aleaciones de la serie 5xxx se utilizan cuando la resistencia es menos crítica que la resistencia a la corrosión (como en las aplicaciones marinas).
- Cuando se necesita resistencia a altas temperaturas, se utiliza la serie de aleaciones 2xxx.
Problemas y restricciones
Aunque el proceso de forja tiene muchas ventajas, existen algunas limitaciones. Los moldes y las prensas son caros, y los costes de utillaje se absorben en tiradas pequeñas. Además, no se pueden forjar todas las formas. Los diseños más complicados pueden requerir mecanizado de acabado.
El otro factor restrictivo es que no todas las aleaciones de aluminio pueden forjarse. Hay que elegir la aleación más adecuada, sin enfatizando demasiado un rendimiento mecánico o la fabricabilidad del producto. Sin embargo, estas desventajas suelen quedar eclipsadas por las inigualables ventajas del aluminio forjado.
El futuro de la forja del aluminio
La forja de aluminio tiene un futuro brillante impulsado por la innovación y el deseo mundial de recibir peso ligero y alto rendimiento. A medida que se generalicen los coches eléctricos, entren en juego más tecnologías aeroespaciales y se creen soluciones que permitan mejorar la energía verde, aumentará la demanda de materiales resistentes pero ligeros.
Las plantas de forja contemporáneas también están adoptando la automatización, el uso de ordenadores, modelos y mayores controles de calidad para obtener piezas superiores y más productivas. Con la sostenibilidad, se espera una mayor prioridad, ya que el uso de aluminio a través de la forja se convertirá en un elemento aún más importante, simplemente porque es reciclable y abundante.
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Conclusión
¿En qué quedamos? ¿Qué es la forja del aluminio? Cuando las aleaciones de aluminio se remodelan con altos niveles de fuerza de compresión, se conoce como el proceso de remodelación de las aleaciones de aluminio con el fin de hacer piezas más fuertes y fiables. Las industrias que están utilizando aluminio forjado son vastas, amplias y esenciales, sólo para nombrar la industria automotriz, la industria aeroespacial, la construcción y muchas más.
Los tochos en bruto se transforman en piezas de precisión capaces de soportar altos niveles de tensión, fatiga y corrosión en una forja de aluminio. El resultado final es un material resistente pero ligero, algo de lo que no pueden prescindir la mayoría de las industrias modernas.
La tecnología evoluciona y se vuelve aún más significativa en términos de aluminio forjado y forja de aluminio, y va a ocupar una posición de liderazgo en el ámbito de las innovaciones de ingeniería y fabricación.
Preguntas frecuentes
P1 ¿Qué industrias utilizan mejor la forja de aluminio?
Sectores como el aeroespacial, la automoción, la náutica y la construcción incorporan la forja de aluminio a sus aplicaciones para obtener piezas resistentes pero ligeras con una fiabilidad excepcional.
P2: ¿Qué aleaciones forja GC Precision Mold?
En función de los requisitos de su aplicación, podemos trabajar con los siguientes tipos de aleación de aluminio: 2xxx, 5xxx, 6xxx y 7xxx.
P3: ¿Ofrecen soluciones especiales de forja o fundición de aluminio?
Sí. Estamos especializados en piezas forjadas a medida que se ajustan a las especificaciones y los requisitos de la industria.
P4: ¿Qué diferencia hay entre el aluminio forjado y el fundido?
Más fuerte, más denso, más versátil y más duro que el aluminio fundido, el aluminio forjado se ha utilizado para soportar cargas pesadas y aplicaciones críticas.