Spiegazione della forgiatura dei metalli: quali metalli, tipi di acciaio e come funziona

Forgiatura dei metalli è il processo di modellatura del metallo utilizzando la forza di compressione, mediante martellatura, pressatura o laminazione, in genere mentre il metallo viene riscaldato per renderlo più malleabile. Quasi tutti i metalli che possono essere riscaldati senza diventare troppo fragili possono tecnicamente essere forgiati, ma in pratica, acciaio al carbonio, acciaio legato, alluminio, titanio e leghe di rame dominano la forgiatura industriale perché offrono la migliore combinazione di lavorabilità e miglioramenti delle proprietà meccaniche forniti dalla forgiatura.

Quali metalli possono essere forgiati e perché alcuni forgiano meglio di altri

La forgiabilità di un metallo dipende dalla sua duttilità alla temperatura di forgiatura e da come la sua struttura del grano risponde alla deformazione. Gli acciai con una struttura cristallina cubica a facce centrate (FCC) ad alta temperatura si deformano più uniformemente sotto compressione, il che è parte del motivo per cui l'acciaio è il metallo più comunemente forgiato negli ambienti industriali.

Metalli con alto contenuto di carbonio superiore a circa 0,6% , così come la ghisa, sono generalmente considerati cattivi candidati per la forgiatura perché mancano di duttilità sufficiente anche a temperature elevate e tendono a rompersi piuttosto che deformarsi sotto la forza del martello o della pressa.

Come si forgia l'acciaio: spiegato il processo di base

La forgiatura dell'acciaio segue una sequenza che non è sostanzialmente cambiata rispetto ai tempi del fabbro tradizionale, anche se le dimensioni e le attrezzature si sono evolute notevolmente negli ambienti industriali.

1. Riscaldamento: L'acciaio viene riscaldato in una fucina (tradizionalmente alimentata a carbone o coke, ora spesso a gas o a induzione) alla temperatura di forgiatura, generalmente compresa tra 1.100°C e 1.250°C (da 2.000 °F a 2.300 °F) per la maggior parte degli acciai al carbonio, identificabili da un colore brillante dall'arancione al giallo.
2. Deformazione: La forza di compressione viene applicata martellando, pressando o rullando per modellare l'acciaio riscaldato: può essere a stampo aperto (modellatura a forma libera) o a stampo chiuso (forzando il metallo in una cavità sagomata).
3. Riscaldamento secondo necessità: L'acciaio si raffredda rapidamente una volta rimosso dalla fucina e, quando scende al di sotto dell'intervallo di temperatura di forgiatura, deve essere riportato alla fonte di calore prima di continuare: lavorare l'acciaio troppo freddo rischia di rompersi anziché deformarsi.
4. Normalizzazione o ricottura: Dopo la modellatura, il pezzo forgiato viene spesso riscaldato a temperatura controllata e raffreddato lentamente per alleviare le tensioni interne create durante la forgiatura e affinare la struttura del grano.
5. Finitura: Il materiale in eccesso (sbavatura, nella forgiatura a stampo chiuso) viene tagliato e la parte può essere sottoposta a ulteriore trattamento termico, lavorazione meccanica o finitura superficiale a seconda dell'applicazione finale.

Tipi di processi di forgiatura dei metalli

La forgiatura industriale è generalmente classificata in base alla temperatura e alla configurazione dello stampo utilizzato e la scelta tra questi metodi dipende dalla complessità della parte, dal volume di produzione e dalle proprietà meccaniche richieste.

• Stampaggio a caldo: Eseguito al di sopra della temperatura di ricristallizzazione del metallo, consente un cambiamento significativo della forma con una forza relativamente bassa e riduce il rischio di fessurazione: il metodo più comune per l'acciaio.
• Stampaggio a freddo: Eseguito a temperatura ambiente o prossima, producendo parti con tolleranze dimensionali più strette e una finitura superficiale più liscia, ma richiedendo forze significativamente più elevate e limitando la quantità di deformazione possibile senza fessurazioni.
• Forgiatura a caldo: Una via di mezzo eseguita a temperature intermedie, bilanciando i requisiti di forza inferiori della forgiatura a caldo con alcuni dei vantaggi di precisione della forgiatura a freddo.
• Forgiatura a stampo aperto: Il metallo è modellato tra matrici piatte o di forma semplice che non lo racchiudono completamente, consentendo al metallo di fluire tranne nei punti in cui le matrici lo contattano: viene utilizzato per forme grandi e semplici come alberi e dischi.
• Forgiatura a stampo chiuso (impronta a stampo): Il metallo viene forzato in una cavità dello stampo che lo racchiude completamente, producendo forme più complesse con tolleranze più strette, utilizzate per parti ad alto volume come i componenti automobilistici.
• Forgiatura a goccia: Uno specifico metodo di forgiatura basato sul martello in cui un peso pesante viene lasciato cadere sul pezzo posizionato dentro o su uno stampo, comunemente associato alle tradizionali operazioni di forgiatura industriale.

Che cos'è l'acciaio forgiato e in che modo il contenuto di carbonio influisce sul risultato

"Acciaio forgiato" si riferisce all'acciaio che è stato modellato attraverso la forgiatura anziché la fusione (versando il metallo fuso in uno stampo) o la lavorazione meccanica (tagliando il materiale da un blocco solido). Il processo di forgiatura comprime e allinea la struttura della grana interna dell'acciaio lungo la direzione della deformazione, il che generalmente si traduce in una migliore resistenza, tenacità e resistenza alla fatica rispetto a una parte fusa della stessa composizione: ecco perché i componenti forgiati sono spesso specificati per parti soggette a sollecitazioni o impatti elevati, come alberi a gomiti, ingranaggi e raccordi strutturali.

Il contenuto di carbonio è il fattore principale che distingue i diversi gradi di acciaio da forgiatura e determina il compromesso tra resistenza, durezza e duttilità dopo la forgiatura:

Un contenuto di carbonio più elevato consente alla parte forgiata di raggiungere una maggiore durezza attraverso il successivo trattamento termico, ma restringe anche la finestra di temperatura entro la quale l’acciaio può essere forgiato in sicurezza senza fessurazioni, motivo per cui gli acciai ad alto contenuto di carbonio vengono forgiati con un controllo della temperatura più rigoroso e un riscaldamento più frequente.

Cosa usano i fabbri: strumenti e attrezzature per la forgiatura a mano

Mentre la forgiatura industriale si basa su presse idrauliche e martelli meccanici, gli strumenti principali utilizzati dai fabbri per la forgiatura manuale rimangono in gran parte coerenti con la pratica tradizionale, adattati alle dimensioni del lavoro svolto.

• Forgia: Una fonte di calore – tradizionalmente una fucina alimentata a carbone o coke, con le fucine a propano e a induzione ora comuni – utilizzata per portare l’acciaio alla temperatura di forgiatura
• Incudine: Un pesante blocco di acciaio che fornisce una superficie stabile e rigida contro cui martellare, con varie caratteristiche (corno, foro resistente, foro Pritchel) utilizzato per diverse tecniche di modellatura
• Martelli: Una gamma di pesi e forme del viso per diversi compiti: martelli a penna incrociata per estrarre il metallo, martelli a penna sferica e martelli arrotondatori per strutturare e modellare
• Pinze: Utilizzato per trattenere saldamente i pezzi caldi, con ganasce di diverse forme progettate per pezzi rotondi, piatti o geometrie di parti specifiche
• Scalpelli e punzoni: Utilizzato mentre il metallo è caldo per tagliare, forare o creare texture decorative
• Serbatoio di tempra: Un contenitore di acqua, olio o altro tempra utilizzato per raffreddare rapidamente l'acciaio da temprare, con la scelta del tempra che influisce sulla durezza risultante e sul rischio di fessurazione

Sia per la forgiatura manuale che per quella industriale, il colore è l'indicatore tradizionale della temperatura: un colore giallo-arancio brillante corrisponde generalmente all'intervallo di forgiatura ottimale per la maggior parte degli acciai al carbonio, mentre un colore rosso opaco indica che l'acciaio si è raffreddato al di sotto dell'intervallo di funzionamento sicuro e rischia di rompersi se colpito.