O que é forjamento de alumínio?

O forjamento de alumínio é o método de moldar peças sólidas de tarugos de alumínio sob alta pressão de compressão, geralmente realizada na presença de calor intenso. Em comparação com a fundição, em que o metal derretido é despejado em moldes para fazer os objetos necessários, no forjamento não há derretimento do metal; o metal é trabalhado em um estado sólido, e essa é uma das razões pelas quais o material mantém uma excelente resistência, tenacidade e suporta melhor a fadiga. Isso faz uma grande diferença na capacidade de carga das peças de alumínio forjado e na estabilidade a longo prazo.

O alumínio tem sido um dos materiais mais importantes na engenharia e na fabricação do mundo moderno. As características de força e resistência à corrosão dessa liga a tornam insubstituível em aplicações industriais como aeroespacial, automobilística, construção, transporte e defesa. O desempenho do alumínio pode, no entanto, ser substancialmente afetado por seus meios de processamento. O forjamento de alumínio é um dos meios mais eficazes de fabricar componentes fortes e duráveis que provaram ser confiáveis em várias produções.

Este artigo fará uma análise aprofundada do conceito, discutindo o processo, as vantagens e os usos desse incrível processo de usinagem de metais.

Entendendo o forjamento

Para entender o forjamento de alumínio, é preciso criar um breve conceito do conceito mais amplo, o forjamento. O forjamento é um método de fabricação antigo. Os ferreiros costumavam martelar o ferro em brasa para formar peças de ferramentas e armas, que não só tinham grande resistência, mas também eram muito duráveis. O mesmo conceito se aplica aos dias de hoje, embora a tecnologia atual seja muito mais desenvolvida.

O processo de forjamento é o processo de deformação de uma peça de metal sob extrema pressão, normalmente auxiliado por prensas, martelos ou matrizes. Essa pressão reorganiza a estrutura interna dos grãos do metal, criando peças com propriedades mecânicas melhores do que as peças fundidas ou usinadas. Aplicado ao alumínio, o processo abre uma oportunidade distinta com vantagens especiais, úteis para muitos setores.

O que é forjamento de alumínio?

O forjamento de alumínio pode ser definido simplesmente como a ação compulsiva de moldar ligas de alumínio usando deformação compressiva para produzir peças com maior resistência, durabilidade e confiabilidade em comparação com peças produzidas por meio de outras práticas, como a fundição. Em geral, o metal não derrete, mas é apenas aquecido para que permaneça em um estado sólido durante o processo.

O processo produz uma característica densa e de granulação fina que aumenta as propriedades mecânicas, como resistência à tração, fadiga e resistência ao impacto. A ideia de o alumínio ser martelado e prensado para criar uma peça que possa suportar várias condições extremas traz à mente o termo forjamento de alumínio. Isso contribuiu para que o alumínio forjado fosse o favorito dos setores em que os níveis de segurança e desempenho não podem ser comprometidos.

Processo de forja de alumínio

O processo de forjamento de alumínio tem vários processos manipulados com precisão por meio dos quais o produto é classificado como de qualidade. Veja a seguir como isso normalmente acontece:

1. Preparação do tarugo: A liga de alumínio bruto, geralmente na forma de tarugos ou lingotes, é cortada no tamanho necessário.
2. Aquecimento: O tarugo é aquecido até uma determinada temperatura alta, geralmente entre 400 °C e 480 °C. Esse aquecimento aumenta a maleabilidade do metal e evita a sua fusão.
3. Forjamento: No processo, o tarugo quente é prensado sob uma prensa mecânica ou hidráulica no formato da matriz. É nesse momento que a estrutura dos grãos internos do alumínio é reorganizada e sua resistência é aumentada.
4. Corte e acabamento: O flash de material é removido. A peça forjada é então usinada com dimensões e tolerâncias precisas.
5. Tratamento térmico (opcional): Algumas peças de alumínio forjado recebem tratamento térmico adicional para torná-las tão fortes, duras e resistentes ao desgaste quanto possível.

Cada etapa do processo da forja de alumínio é cuidadosamente verificada para proporcionar a mesma qualidade. Uma mudança de temperatura, pressão ou tempo pode interferir no desempenho final da peça.

Vantagens do alumínio forjado

As razões pelas quais o alumínio forjado é preferido em relação a outros materiais de engenharia serão discutidas de várias maneiras. Os prós são os seguintes:

• Resistência superior: Devido à estrutura de granulação fina, o alumínio forjado terá maior resistência do que as peças fundidas ou extrudadas.
• Leve: O alumínio já é um material leve, e o forjamento remodela sua estrutura para remover o peso estranho. Isso também torna as peças forjadas adequadas para a engenharia sensível ao peso, como a engenharia aeroespacial e automotiva.
• Durabilidade aprimorada: As peças de alumínio são mais duras e capazes de resistir às consequências de choques de várias superfícies, estresse e fadiga em comparação com seus substitutos.
• Resistência à corrosão: O alumínio tem grande resistência à corrosão, mas, ao ser forjado, essa característica é aprimorada, o que torna os componentes úteis em condições extremas.
• Flexibilidade no design: O alumínio pode ser projetado em qualquer formato complexo sem perda de integridade, considerando as técnicas atuais disponíveis no forjamento moderno.

Não é de surpreender que o setor em que ele é mais procurado seja aquele em que o alumínio forjado é usado, pois esse material passou a ser conhecido como o padrão ouro de segurança e durabilidade.

Tratamentos de superfície e inspeção

Raramente as peças de alumínio forjado são usadas diretamente após o uso. Os componentes forjados estão sujeitos a acabamento e inspeção de superfície para atender aos padrões do setor. Essas medidas aumentam a durabilidade, o estilo e a confiabilidade.

Acabamento de superfície

O acabamento da superfície aprimora a estética e a funcionalidade das peças de alumínio forjado. Ele também ajuda a eliminar as falhas que surgem durante o processo de forjamento. As formas mais comuns são:

• Usinagem: Esse processo remove o material indesejado e garante que todas as dimensões desejadas tenham o tamanho correto.
• Jateamento / Jateamento de areia: Remove a superfície e melhora sua textura.
• Polimento: Proporciona um acabamento liso e reflexivo, que pode ser cosmético ou prático.
• Anodização ou revestimento: Fornece um revestimento que evita a corrosão e o desgaste.

Dependendo da(s) finalidade(s) pretendida(s), cada acabamento é selecionado individualmente: no caso de componentes aeroespaciais, eles podem ser anodizados, enquanto os componentes automotivos podem ser usinados e polidos.

Inspeção

A inspeção é utilizada para que cada produto de forja de alumínio esteja em conformidade com os padrões de alta qualidade. As técnicas incluem:

• Inspeção visual: Isso identifica as rachaduras ou irregularidades da superfície.
• Verificações de conformidade: Verifique a precisão usando instrumentos como paquímetros e máquinas CMM.
• Testes não destrutivos (NDT): O exame não destrutivo, por exemplo, teste ultrassônico, teste de penetração de corante e inspeção por raios X, é usado para verificar a qualidade interna sem destruir a peça.
• Testes mecânicos: Testa a dureza, a resistência à tração e a resistência ao impacto.

Importância

O acabamento e a inspeção adequados são necessários para que o forjamento de alumínio não cause defeitos, tornando a peça fraca. Esses processos são essenciais para tornar seguros setores como o aeroespacial, o automotivo e o marítimo, pois não se pode permitir falhas.

Tratamento térmico de forjamento de alumínio

Um processo muito importante no processo de forjamento de alumínio é o tratamento térmico. Ele ajuda a torná-las mais fortes, mais duras, dúcteis e resistentes à corrosão. Sem esse estágio, mesmo todas as peças de alumínio especialmente forjadas de uma bicicleta não atingiriam seu desempenho total.

Recozimento

As peças forjadas de alumínio são recozidas para torná-las suaves. O metal é aquecido a temperaturas de cerca de 300-4000 °C e resfriado em um ritmo lento. Essa etapa reduzirá a tensão interna e aumentará a ductilidade, portanto, a peça é mais simples de usinar e não requer tratamentos adicionais.

Tratamento térmico da solução

Nesse estágio, a peça forjada é aquecida a uma temperatura relativamente elevada, no caso da liga, normalmente de 500 a 540 °C. Os elementos de liga, como cobre ou magnésio, são dissolvidos em uma solução sólida. Isso permite que a peça esfrie rapidamente e, em seguida, endureça rapidamente.

Resfriamento

A peça forjada é resfriada imediatamente após o tratamento térmico da solução. Por meio de um resfriamento rápido em água, óleo ou uma solução de polímero, os elementos dissolvidos são fixados na posição. Isso forma uma estrutura homogênea da peça forjada de alumínio, que fica pronta para ser submetida ao envelhecimento.

Endurecimento por precipitação

O endurecimento e a resistência aumentam com o envelhecimento. Há dois tipos muito difundidos:

• Envelhecimento natural (T4): À temperatura ambiente, há um aumento da resistência da peça ao longo de um período de tempo.
• Envelhecimento artificial (T6): A peça é reaquecida a uma temperatura reduzida (120-190 °C) e mantida nessa temperatura por algum tempo para acelerar a solidificação.

Alívio do estresse

Peças grandes ou complicadas podem ficar com tensões no forjamento e na usinagem. Esse processo alivia a tensão em torno do ponto um pouco abaixo das temperaturas de recozimento, mas resfria a peça lentamente. Isso reduz a distorção e as rachaduras quando em uso.

Várias diferenças entre forjamento e outros métodos de usinagem de metais

Embora o forjamento de alumínio seja uma das práticas mais fortes quando se trata de fabricação, essa não é a única técnica. Outros processos populares são a fundição, a extrusão e a usinagem. O forjamento tem sua parcela de benefícios e, de certa forma, é difícil encontrar um mais notável:

1. Forjamento e fundição

• O processo de fundição é o derramamento de alumínio derretido em um molde.
• Em vez disso, o forjamento deforma o metal quando ele está sólido (mas frequentemente quente).

A principal diferença entre os dois é que a fundição pode ser usada para criar projetos mais complicados, enquanto as peças forjadas são mais confiáveis, firmes e livres de porosidade (a presença de pequenos orifícios de ar).

2. Forjamento versus extrusão

• Extrusão força o alumínio a ser forçado através de uma matriz que molda o produto em peças longas com as mesmas seções transversais (como hastes, tubos e canais).
• O forjamento é um processo de espremer o alumínio em peças brutas com o auxílio de força e uma matriz.

Diferença primária: A extrusão trabalha com perfis longos e requisitos consistentes, e o forjamento produz detalhes mais resistentes, com suporte de carga e melhor fluxo de grãos.

3. Forjamento Vs. Usinagem

• A usinagem remove o material de um bloco sólido de alumínio usando tornos, fresas ou qualquer outra ferramenta.
• O forjamento deforma o metal, ao contrário da remoção do metal.

Principal diferença: A principal diferença entre usinagem e forjamento é que a usinagem produz peças sem desperdício, mas é menos eficiente em termos de uso de material, ao passo que, com o forjamento, menos material é usado para produzir peças mais resistentes.

4. Forjamento Vs. Estampagem

• A estampagem é um procedimento no qual uma prensa é usada para cortar ou estampar peças de chapas de alumínio.
• O forjamento emprega pressão compressiva em tarugos para criar um componente mais forte e mais espesso.

Principal diferença: A estampagem é usada em componentes de chapas metálicas mais finas, e o forjamento é usado em peças estruturais e de suporte de carga.

Em resumo:

• Elenco: melhor em uma forma complexa, embora mais fraca.
• Extrusão: Essa extrusão é adequada no caso de perfis longos e carece de resistência.
• Exato: Preciso, mas não econômico na usinagem.
• Estampagem: É barato e rápido, mas somente em peças finas.
• Forjamento: o melhor processo em termos de durabilidade, resistência à fadiga e aplicações críticas de segurança.

Usos do forjamento de alumínio

As áreas de uso do forjamento de alumínio são numerosas, e os empreendimentos comerciais são enormes, exigindo desempenho e confiabilidade. Entre as aplicações mais proeminentes, podemos citar as seguintes:

• Equipamentos para automóveis: O alumínio forjado é aplicado em componentes de suspensão, rodas, membros do chassi e membros do motor. Essas peças são submetidas a grandes cargas, mas também devem ser capazes de manter o peso do veículo consciente e economizar combustível.
• O setor aeroespacial: Nas aeronaves, o forjamento de alumínio é um componente essencial do trem de pouso, da estrutura da asa e das peças do motor. Apenas a menor das margens de segurança no setor aeroespacial torna as peças forjadas essenciais.
• Construção e infraestrutura: Os conectores e as juntas de alumínio forjado são usados em pontes e edifícios altos porque são de longa duração.
• Aplicações marítimas: O alumínio não enferruja facilmente, o que o torna um dos favoritos quando se trata de construções permitidas no ambiente marinho: navios, hélices, construções offshore.
• Maquinário industrial: Os equipamentos de alta capacidade podem usar peças forjadas, de alumínio ou de outros materiais, pois suas especificações exigem resistência e baixo peso.

A flexibilidade dos componentes forjados torna conveniente a chamada forja de alumínio na engenharia contemporânea.

Comparado a outros métodos de fabricação

Qual é a diferença entre peças forjadas de alumínio e fundição, extrusão ou usinagem?

• Elenco: Permite formas de natureza complexa, mas tende a apresentar porosidade e estrutura de grão ruim. Esses pontos fracos são removidos com o uso de alumínio forjado
• Extrusão: O alumínio extrudado tem consistência dimensional útil, mas não tem as características mecânicas das peças fundidas.
• Usinagem e forjamento: A usinagem só funciona bem em blocos sólidos, e isso é preciso, mas gera desperdício e é menos econômico do que o forjamento.

É por isso que os setores que têm a vantagem de se concentrar na resistência e na segurança tendem a optar pelo processo de forjamento de alumínio.

Tipos de forjamento de alumínio

Dependendo dos métodos e equipamentos, o forjamento de alumínio pode ser classificado em mais de alguns tipos. As respectivas resistências e o volume de produção das peças definem o método a ser usado, e as vantagens oferecidas por cada método também são individuais.

1. Forjamento com matriz aberta

No processo de forjamento com matriz aberta, o tarugo de alumínio é colocado entre matrizes planas ou de formato simples, que não envolvem o tarugo de alumínio. Após repetidas marteladas ou prensas do metal, obtém-se a forma desejada. É ideal no caso de peças grandes, como eixos, anéis e discos, pois é necessária alta resistência. O forjamento em matriz aberta só é possível graças à flexibilidade do projeto, embora seja necessário realizar uma usinagem adicional para obter a forma final.

2. Forjamento com matriz fechada (forjamento com matriz de impressão)

No forjamento com matriz fechada, as matrizes encapsulam o tarugo aquecido. Quando a pressão é exercida, o alumínio flui na cavidade da matriz e adquire seu formato preciso. É um bom método para fabricar peças complexas com uma tolerância fina, por exemplo, peças de suspensão de automóveis ou acessórios de aeronaves. Embora os custos de ferramental sejam maiores, a precisão e a resistência das peças forjadas em matriz fechada são vantagens significativas desse processo.

3. Forjamento a frio

Forjamento a frio é realizado em temperatura ambiente ou próximo a ela, enquanto no forjamento tradicional o metal é aquecido antes do forjamento. Também é necessária uma pressão maior, mas os resultados obtidos são materiais com alto acabamento de superfície e alta precisão de dimensões. Peças menores de alumínio, como fixadores, engrenagens e ferragens, geralmente são forjadas a frio quando a resistência e a precisão são importantes.

4. Forjamento a quente

O mais comum dos forjamentos de alumínio é chamado de forjamento a quente. O tarugo é aquecido a uma determinada temperatura (ainda abaixo do ponto de fusão) para que a ductilidade seja aprimorada. Isso diminui a quantidade de força necessária para moldar o alumínio e melhora a estrutura do grão. O forjamento a quente é aplicado principalmente como um dos métodos na produção de peças maiores, que são mais complexas e exigem melhores características do material.

5. Forjamento de precisão

O forjamento de precisão é um tipo de forjamento de matriz fechada adaptado para exigir o mínimo (ou nenhum) de usinagem secundária possível. Altos níveis de precisão são incorporados às matrizes, o que permite a produção de peças quase em forma de rede. Isso minimiza o desperdício, economiza custos e proporciona qualidade constante, o que o torna um dos favoritos no setor aeroespacial e no setor de alto desempenho.

6. Forjamento de rolos

No rolo, as matrizes cilíndricas ou planas giram e o tarugo de alumínio quente é espremido. Esse tratamento torna o material mais fino e mais longo com a uniformidade dos grãos. Peças como eixos, eixos cônicos e anéis são frequentemente forjadas por forjamento em rolo.

7. Laminação de anéis sem costura (forjamento de anéis)

Anel de alumínio/ Forjamento de anel de alumínio é um processo especializado para fabricar anéis sem costura de alumínio. Um tarugo ligeiramente perfurado é esticado em um formato de anel e, em seguida, laminado até atingir o diâmetro e a espessura desejados. O método é importante nos setores aeroespacial, de turbinas e de rolamentos.

8. Forjamento isotérmico

Nesse procedimento de alto controle, o tarugo de alumínio e as matrizes de forjamento são aquecidos a uma temperatura igual. Isso minimiza os gradientes térmicos, o que permite um controle mais próximo das formas complexas. O forjamento isotérmico pode ser encontrado com frequência em implantes aeroespaciais e médicos que exigem precisão. 

9. Forjamento quase em forma de rede

Além de ser um processo avançado de forjamento, o objetivo é produzir itens de tamanho quase final e que talvez não precisem de pós-processamento. Ele desperdiça menos material e economiza dinheiro, mas ainda mantém a resistência obtida com o forjamento.

10. Forjamento de problemas

O forjamento com deslocamento aumenta o diâmetro de um tarugo ao comprimir seu comprimento. É amplamente empregado na fabricação de fixações como parafusos, porcas e válvulas, em que a resistência da cabeça ou da haste é desejada.

Matérias-primas para uso em forjamento de alumínio

O forjamento de alumínio é baseado principalmente em ligas de alumínio e não em alumínio puro. A maioria das aplicações estruturais exige qualidades mais fortes do alumínio, portanto, outros elementos, como cobre, zinco, magnésio e silício, são adicionados para aumentar a resistência e o desempenho dos materiais.

Série 2xxx (ligas de alumínio-cobre)

• Exemplo: 2219
• Propriedades: Muito resistente, facilmente usinado e com excelente desempenho em altas temperaturas.
• Aplicativos: Acessórios aeroespaciais, peças de motores automotivos e equipamentos de defesa.

Série 5xxx (ligas de alumínio e magnésio)

• Exemplo: 5083
• Propriedades: Excelente resistência à corrosão, especialmente em um ambiente marinho.
• Aplicativos: estruturas offshore, construção naval e embarcações de processamento.

Série 6xxx (ligas de alumínio, magnésio e silício)

• Exemplo: 6061, 6082
• Propriedades: Boa combinação uniforme de força, resistência à corrosão e usinabilidade.
• Aplicativos: Peças de suspensão automotiva, suportes aeroespaciais e peças de construção.

Série 7xxx (ligas de alumínio-zinco)

• Exemplo: 7075
• Propriedades: Resistência muito alta, boa resistência à fadiga e pior resistência à corrosão.
• Aplicativos:  Peças de aeronaves, fixadores aeronáuticos, hardware militar e artigos esportivos de alto desempenho.

Ligas especiais

Algumas das ligas fabricadas são usadas especificamente em forjamento isotérmico e de precisão e onde são desejadas tolerâncias rigorosas e alto desempenho em condições extremas.

• Usos: Espaçonaves, motores de turbina e equipamentos médicos que salvam vidas.

Para resumir:

• As ligas de série mais soldadas são 6061 e 6082 devido à variabilidade de uso.
• A liga 7075 e outras ligas da série 7xxx são comuns no setor aeroespacial, pois a resistência é a principal consideração.
• As ligas da série 5xxx são usadas quando a resistência é menos crítica em comparação com a resistência à corrosão (como em aplicações marítimas).
• Quando a resistência a altas temperaturas é necessária, a série 2xxx de ligas é usada.

Problemas e restrições 

Embora o processo de forjamento tenha muitas vantagens, há algumas limitações. Matrizes e prensas são caras, e os custos de ferramental são absorvidos em baixas tiragens. Além disso, não é possível forjar todos os formatos. Projetos mais complicados podem envolver usinagem de acabamento.
O outro fator restritivo é que nem todas as ligas de alumínio podem ser forjadas. É preciso escolher a liga mais adequada, sem enfatizar demais um desempenho mecânico ou a capacidade de fabricação do produto. Essas desvantagens, no entanto, geralmente são ofuscadas pelas vantagens inigualáveis do alumínio forjado.

O futuro do forjamento de alumínio

O forjamento de alumínio tem um futuro brilhante impulsionado pela inovação e pelo desejo mundial de receber peso leve e alto desempenho. À medida que os carros elétricos se tornarem mais comuns, mais tecnologias aeroespaciais entrarem em ação e soluções que levem a uma melhor energia verde forem criadas, haverá uma demanda crescente por materiais fortes e leves.

As fábricas de forjamento contemporâneas também estão adotando a automação, o uso de computadores, modelos e maiores verificações de qualidade para produzir peças superiores e mais produtivas. Com a sustentabilidade, espera-se uma maior prioridade, já que o uso do alumínio por meio do forjamento se tornará um elemento ainda mais significativo, simplesmente porque é reciclável e abundante.

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Conclusão

Onde isso nos leva? O que é forjamento de alumínio? Quando as ligas de alumínio são remodeladas com altos níveis de força de compressão, isso é conhecido como o processo de remodelagem de ligas de alumínio para criar peças mais fortes e confiáveis. Os setores que utilizam alumínio forjado são vastos, amplos e essenciais, apenas para citar o setor automotivo, aeroespacial, de construção e muitos outros.

Os tarugos brutos são processados em peças fabricadas com precisão, capazes de sobreviver a níveis mais altos de estresse, fadiga e corrosão em uma forja de alumínio. O resultado é um material forte, mas leve, algo que a maioria dos setores modernos não pode se dar ao luxo de não ter.

A tecnologia evolui e se torna ainda mais significativa em termos de alumínio forjado e forjamento de alumínio, e ocupará uma posição de liderança na esfera das inovações de engenharia e fabricação.

Perguntas frequentes

Q1 Quais setores utilizam melhor o forjamento de alumínio?

Setores como o aeroespacial, automotivo, marítimo e de construção incorporam o forjamento de alumínio em suas aplicações para obter peças resistentes, porém leves, com confiabilidade excepcional.

P2: Quais ligas são forjadas pela GC Precision Mold?

Dependendo dos requisitos de sua aplicação, podemos trabalhar com os seguintes tipos de liga de alumínio: 2xxx, 5xxx, 6xxx e 7xxx.

P3: Vocês oferecem soluções especiais de forjamento ou fundição usando alumínio?

Sim. Somos especializados em peças forjadas personalizadas para atender às especificações e aos requisitos do setor.

Q4: Qual é a comparação entre alumínio forjado e fundido?

Mais forte, mais denso, mais versátil e mais duro do que o alumínio fundido, o alumínio forjado tem sido usado para lidar com cargas pesadas e aplicações críticas.