Forgiatura a stampo chiuso, forgiatura a stampo aperto e forgiatura in acciaio al carbonio: guida completa al processo

Processo di forgiatura a stampo chiuso: come funziona e dove eccelle

La forgiatura a stampo chiuso, detta anche forgiatura a stampo a impressione, modella il metallo comprimendo una billetta riscaldata tra due o più stampi che contengono una cavità lavorata che corrisponde alla geometria della parte finale. Queo gli stampi si chiudono sotto la pressione della pressione o del martello, il metallo scorre per riempire completamente la cavità, producendo un componente dalla forma quasi netta con tolleranze dimensionali strette e una linea di giunzione ben definita nel punto in cui gli stampi si incontrano.

La sequenza del processo per la forgiatura a stampo chiuso segue tipicamente queste fasi:

1. Preparazione della billetta: Il materiale grezzo viene tagliato in base a un peso calcolato: il materiale in eccesso (sbavatura) verrà tagliato dopo la forgiatura, ma un eccesso significativo spreca materiale e aumenta il carico di rifilatura
2. Riscaldamento: La billetta viene riscaldata all'intervallo di temperature di forgiatura appropriato in un forno a induzione o a gas, tipicamente 1.100–1.250 °C per gli acciai al carbonio e legati
3. Preformatura (bloccaggio): Nell'utensileria multistadio, la billetta passa attraverso una o più cavità di bloccaggio per ridistribuire la massa verso la forma finale prima di entrare nella cavità di finitura
4. Finitura della forgiatura: La preforma riscaldata viene posizionata nella cavità dello stampo di finitura e colpita o pressata fino alla chiusura completa, forzando il metallo in tutti i recessi dell'impronta
5. Taglio flash: Il metallo in eccesso estruso sulla linea di giunzione viene rimosso in una pressa di rifilatura, generalmente mentre la parte è ancora calda
6. Trattamenti termici e finiture: Le parti vengono normalizzate, bonificate o ricotte a seconda dei requisiti del materiale e delle proprietà meccaniche

La forgiatura a stampo chiuso viene eseguita su presse meccaniche, presse idrauliche o magli a caduta per gravità. Presse idrauliche — comune nelle dimensioni da 500 tonnellate a oltre 50.000 tonnellate — applica una pressione controllata e sostenuta adatta a forme grandi o complesse. Presse meccaniche e a vite forniscono un impatto ad alta energia adatto a parti più piccole che richiedono un controllo preciso della corsa. Gli scleratori continuano ad essere ampiamente utilizzati per cicli di produzione elevati di componenti di piccole e medie dimensioni.

Vantaggi e limiti

La forgiatura a stampo chiuso produce componenti con rapporti resistenza/peso superiori rispetto ai pezzi fusi o alle barre lavorate perché il processo di forgiatura affina la struttura dei grani e allinea il flusso dei grani con la geometria del pezzo. Miglioramenti della resistenza alla fatica del 20-30% rispetto a getti equivalenti sono comunemente riportati nei componenti strutturali aerospaziali e automobilistici. La ripetibilità dimensionale è elevata una volta collaudati gli stampi, rendendo la forgiatura a stampo chiuso particolarmente adatta per la produzione di volumi medio-alti di bielle, ingranaggi, flange, alberi a gomiti e parti di sospensioni automobilistiche.

La limitazione principale è il costo degli utensili. I set di stampi chiusi in acciaio per utensili per lavorazioni a caldo H13 costano da decine di migliaia a centinaia di migliaia di dollari a seconda della complessità della parte, rendendo il processo economicamente sostenibile solo al di sopra di un volume di produzione minimo, generalmente 500-1.000 pezzi o più a seconda delle dimensioni della parte. La durata dello stampo varia tipicamente da 10.000 a 100.000 colpi, influenzata dalla temperatura di forgiatura, dall'abrasività del materiale e dalla pratica di lubrificazione.

Forgiatura a stampo aperto Processo: flessibilità per parti di grandi dimensioni e personalizzate

La forgiatura a stampo aperto modella il metallo tra stampi piatti o semplicemente sagomati che non racchiudono completamente il pezzo. L'operatore o il manipolatore automatizzato riposiziona e ruota la billetta calda in modo incrementale tra le corse della pressa, lavorando gradualmente il materiale fino alla forma desiderata attraverso una serie di fasi di deformazione. Poiché nessuna cavità da impronta confina con il metallo, la geometria della parte dipende dal movimento dello stampo, dalla corsa della pressa e dal controllo dell'operatore o del CNC, non da una cavità pretagliata.

Le configurazioni comuni di utensili per matrici aperte includono piastre piane, matrici a V, matrici per pressatura, anelli mandrino per parti cave e matrici a sella per profili sagomati. Il processo si adatta a una vasta gamma di geometrie di parti, tra cui:

• Alberi, mandrini e assi: forgiati progressivamente lungo la loro lunghezza da grandi lingotti
• Anelli e flange: formati mediante punzonatura, ricalcatura e laminazione degli anelli
• Blocchi, piastre e lastre per utensili, pezzi grezzi per recipienti a pressione e acciaio per stampi
• Componenti unici personalizzati per macchinari pesanti, produzione di energia e difesa

Cogging: l'operazione principale nella forgiatura a stampo aperto

L'operazione più fondamentale dello stampo aperto è cogging - chiamato anche stiramento - in cui la billetta viene progressivamente compressa lungo la sua lunghezza con incrementi di morso sovrapposti per ridurre la sezione trasversale e aumentare la lunghezza. Ogni morso deforma una zona localizzata; l'operatore della pressa fa avanzare la billetta tra una corsa e l'altra in modo che i morsi adiacenti si sovrappongano del 30–50%, garantendo una deformazione continua senza arresti a freddo o giri ai confini dei morsi. Il cogging è il metodo principale per lavorare lingotti di grandi dimensioni (da 1 a 300 tonnellate) fino a billette di dimensioni intermedie per ulteriori lavorazioni o lavorazioni finali.

La forgiatura a stampo aperto opera su presse idrauliche che vanno da 800 tonnellate a oltre 125.000 tonnellate per i più grandi pezzi fucinati nel settore aerospaziale e della produzione di energia. Le più grandi presse per forgiatura a stampo aperto del mondo, da 50.000 a 80.000 tonnellate, sono in grado di forgiare componenti in superleghe di titanio e nichel per i telai delle fusoliere degli aerei e i grandi dischi delle turbine.

Dado aperto contro dado chiuso: come scegliere

I due processi sono complementari e non concorrenti. La forgiatura a stampo aperto è preferita quando le dimensioni del pezzo superano ciò che gli utensili per stampo chiuso possono accogliere economicamente (in genere superiore a 200–500 kg), quando i volumi di produzione sono troppo bassi per giustificare l'investimento nello stampo o quando la geometria è troppo complessa o variabile per uno stampo a cavità singola. La forgiatura a stampo chiuso è preferibile quando la precisione dimensionale, la finitura superficiale e il volume di produzione favoriscono l'investimento in attrezzature. Molti componenti di grandi dimensioni iniziano come preforme forgiate a stampo aperto che vengono successivamente forgiate a stampo chiuso per caratteristiche critiche.

Temperatura per la saldatura a forgia: unione del metallo tramite calore e pressione

La saldatura a forgiatura è uno dei più antichi processi di lavorazione dei metalli: unisce due pezzi di metallo riscaldandoli entrambi fino allo stato plastico o semi-fuso e quindi applicando una forza di compressione sufficiente per unirli a livello atomico, senza alcun metallo d'apporto o flusso diverso da quello utilizzato per pulire le superfici articolari. La temperatura corretta di saldatura per fucinatura per acciaio dolce e a basso tenore di carbonio è in genere 1.260–1.370 ° C (2.300–2.500 ° F) — il punto in cui la superficie dell'acciaio sviluppa un caratteristico aspetto giallo-bianco brillante, quasi scintillante, e diventa sufficientemente plastica per la saldatura a diffusione atomica sotto colpi di martello.

Temperatura per materiale

La temperatura di saldatura della forgia varia in modo significativo con la composizione della lega, poiché è governata dalla temperatura del solidus del metallo e dal suo comportamento di deformazione plastica:

• Acciaio a basso tenore di carbonio (0,05–0,20% C): 1.260–1.370 °C: l'intervallo più tollerante, con un'ampia finestra di lavoro in plastica
• Acciaio a medio carbonio (0,20–0,50% C): 1.200–1.315 °C: la finestra di temperatura si restringe all’aumentare del contenuto di carbonio e aumenta il rischio di surriscaldamento
• Acciaio ad alto tenore di carbonio/acciaio per utensili (0,60–1,0% C): 1.100–1.260 °C: finestra molto stretta; il surriscaldamento anche di 30–50 °C provoca bruciature (ossidazione irreversibile dei bordi dei grani) e la saldatura fallisce
• Ferro battuto: 1.315–1.425 °C: l'elevato contenuto di scorie facilita effettivamente la saldatura formando una scoria liquida che elimina gli ossidi dall'interfaccia
• Acciaio inossidabile (304/316): 1.200–1.260 °C: richiede atmosfera o flusso inerte per prevenire la formazione di ossido di cromo, che inibisce il legame

Preparazione del flusso e della superficie

Incrostazioni e ossidi sulla superficie metallica impediscono il contatto atomico e devono essere rimossi immediatamente prima della saldatura. Il borace (tetraborato di sodio) è il flusso di saldatura per forgia più utilizzato — applicato a circa 900–1.000 °C quando l'acciaio si avvicina alla temperatura di saldatura, fonde e forma una barriera liquida che dissolve le incrostazioni di ossido di ferro e previene la riossidazione durante la fase finale di riscaldamento. Senza fondente, il calcare intrappolato nell'interfaccia del giunto crea inclusioni che indeboliscono o impediscono la saldatura. Alcuni fabbri utilizzano sabbia silicea, limatura di ferro o formulazioni di flusso brevettate per sistemi di leghe specifici.

Saldatura industriale moderna della fucina

Mentre la saldatura a forgiatura manuale sopravvive nella lavorazione delle lame e nella lavorazione artistica del ferro, la saldatura a forgiatura industriale è quella maggiormente applicata saldatura di testa a scintillio and saldatura a pressione ad induzione per la produzione di tubi e la giunzione di rotaie. La saldatura flash riscalda le superfici di contatto mediante un arco di resistenza elettrica (lampeggio), quindi applica una forza di ribaltamento (compressione assiale) per consolidare il giunto, ottenendo condizioni di saldatura a forgiatura in modo controllato e ripetibile. Questo metodo viene utilizzato per saldare aste di perforazione, catene di ancoraggio e sezioni di rotaie dove è richiesto un giunto completamente forgiato, privo di zone alterate dal calore con proprietà meccaniche del metallo base.

Forgiati in acciaio al carbonio: gradi, proprietà e applicazioni

I pezzi fucinati in acciaio al carbonio sono prodotti da acciaio il cui meccanismo di rafforzamento primario è il contenuto di carbonio - che va da gradi a basso tenore di carbonio inferiori allo 0,20% C fino a gradi ad alto contenuto di carbonio superiore allo 0,60% C - senza le significative aggiunte di leghe (cromo, nichel, molibdeno) che caratterizzano i forgiati in acciaio legato. I pezzi fucinati in acciaio al carbonio rappresentano il segmento di volume più grande del settore globale della forgiatura , utilizzato in componenti di trasmissioni automobilistiche, macchinari industriali, attrezzature edili, raccordi per petrolio e gas e utensili manuali.

Gradi di acciaio al carbonio comunemente utilizzati nei forgiati

Il contenuto di carbonio è la variabile dominante che governa le proprietà meccaniche ottenibili nell'acciaio al carbonio forgiato:

• AISI 1020 / 1025 (a basso tenore di carbonio): Resistenza alla trazione 380–480 MPa come forgiato; ottima saldabilità e tenacità; utilizzato per leve, perni, alberi e forgiati strutturali generali dove non è richiesta un'elevata resistenza
• AISI 1040 / 1045 (carbonio medio): Resistenza alla trazione 570–700 MPa normalizzata, fino a 800–950 MPa bonificata; la qualità ideale per bielle, alberi a gomiti, ingranaggi, semiassi e flange forgiate, che combina una ragionevole lavorabilità con una buona resistenza
• AISI 1060 / 1080 (ad alto contenuto di carbonio): Resistenza alla trazione 800–1.100 MPa trattato termicamente; elevata durezza e resistenza all'usura; utilizzato per ruote ferroviarie, molle, utensili manuali e componenti per la lavorazione agricola
• AISI 1095 (ad alto contenuto di carbonio): È possibile ottenere una durezza superficiale fino a 65 HRC; lame di coltelli, utensili da taglio e piastre antiusura in cui la ritenzione del tagliente è fondamentale

Come la forgiatura migliora le proprietà dell'acciaio al carbonio

Il processo di forgiatura conferisce miglioramenti microstrutturali che distinguono i pezzi fucinati in acciaio al carbonio dai getti o dalle barre laminate a caldo dello stesso grado. La lavorazione a caldo al di sopra della temperatura di ricristallizzazione (circa 720–750 °C per gli acciai al carbonio) rompe la struttura dendritica fusa , chiude le porosità e i vuoti di solidificazione e produce una struttura a grani raffinata ed equiassica. La lavorazione meccanica sviluppa inoltre un flusso di grana fibrosa che, se allineato con la direzione della sollecitazione principale nel pezzo finito, migliora significativamente la resistenza alla fatica e la resistenza agli urti rispetto alle barre lavorate lungo la grana.

I miglioramenti documentati delle proprietà dei pezzi forgiati in acciaio a medio tenore di carbonio AISI 1045 rispetto ai pezzi fusi equivalenti includono miglioramenti della resistenza alla fatica del 20–37% e miglioramenti della resilienza all'impatto Charpy del 30–50% a temperatura ambiente, con vantaggi ancora maggiori a temperature inferiori allo zero rilevanti per petrolio e gas e applicazioni artiche.

Trattamento termico dei pezzi fucinati in acciaio al carbonio

I componenti in acciaio al carbonio forgiati sono generalmente normalizzati (raffreddati ad aria dall'alto Ac3) per alleviare le sollecitazioni di forgiatura e produrre una microstruttura perlitico-ferritica uniforme come base per la successiva lavorazione meccanica o trattamento termico. Le proprietà meccaniche finali sono ottenute da:

• Quench e tempera (Q&T): Austenitizzazione a 820–870 °C, tempra in acqua o olio fino a martensite, quindi rinvenimento a 400–650 °C per raggiungere l'equilibrio durezza/tenacità target: il percorso standard per forgiati di acciaio a medio e alto tenore di carbonio in applicazioni strutturali e antiusura
• Tempra ad induzione: Indurimento superficiale selettivo delle zone critiche di usura (denti degli ingranaggi, superfici dei perni) mantenendo un nucleo resistente: ampiamente applicato ad alberi e ingranaggi 1045 e 1050
• Ricottura: Ricottura completa o ricottura sferoidale per qualità ad alto contenuto di carbonio per migliorare la lavorabilità prima della lavorazione di finitura e dell'indurimento finale

Forgiati in acciaio al carbonio vs. Forgiati in acciaio legato

I pezzi fucinati in acciaio al carbonio vengono selezionati quando le proprietà meccaniche richieste rientrano nell'intervallo ottenibile dei gradi di carbonio trattati termicamente e quando i requisiti di temprabilità possono essere soddisfatti nella sezione trasversale da forgiare. Per sezioni superiori a circa 50–75 mm, i limiti di temprabilità diventano significativi — il nucleo di una grande forgiatura di acciaio al carbonio potrebbe non raggiungere la piena durezza martensitica durante la tempra, con conseguente tenacità del nucleo inferiore rispetto alla superficie. I gradi di acciaio legato (4140, 4340, 8620) vengono specificati quando i requisiti di temprabilità profonda, resistenza alle temperature elevate o resistenza alla corrosione superano ciò che l'acciaio al carbonio può fornire. Il compromesso è il costo: i pezzi forgiati in acciaio al carbonio in AISI 1045 hanno un costo del materiale inferiore del 15-35% rispetto a forgiati equivalenti in acciaio legato.