Guia de forjamento de alumínio: Tipos, Materiais, Benefícios, Aplicativos

2. O que é forjamento de alumínio?

Forjamento é um processo de fabricação onde o metal é moldado por prensagem, martelando, ou rolando.

Diferente fundição, que envolve despejar metal fundido em moldes, ou usinagem, que remove material para obter uma forma, o forjamento usa calor e pressão para formar e refinar a estrutura do metal.

Forjamento de alumínio refere-se especificamente ao processo de aquecimento do alumínio a um estado maleável (normalmente entre 350°C e 500°C) e, em seguida, aplicando força para moldá-lo na forma necessária.

Este processo refina a estrutura do grão, melhorando as propriedades mecânicas do metal.

3. Tipos de processos de forjamento de alumínio

Forjamento em matriz aberta

Forjamento em matriz aberta, também conhecido como forjamento livre, é um processo de usinagem versátil e amplamente utilizado. Ele molda o alumínio usando matrizes que não envolvem totalmente o material.

Neste processo, um tarugo de alumínio é estampado, martelado, e socado até que se adapte ao formato da matriz.

Como o material não está completamente confinado, os componentes acabados normalmente passam por processamento secundário para atingir a forma final desejada.

Este método é ideal para produzir componentes simples, como discos, mangas, cilindros, e eixos.

Um dos principais benefícios do forjamento em matriz aberta é a sua capacidade de melhorar a estrutura do grão do alumínio através de impactos repetidos., o que melhora a resistência à fadiga e a resistência geral.

Como outras técnicas de forjamento, elimina efetivamente vazios que poderiam comprometer o desempenho de uma peça.

No forjamento em matriz aberta, a peça de trabalho está livre para se mover lateralmente, permitindo a criação de componentes muito grandes, pesando várias toneladas.

Este processo é adequado para pequenas tiragens de produção e produtos personalizados, muitas vezes servindo como uma etapa preliminar para moldar lingotes antes do processamento posterior.

Adicionalmente, forjamento em matriz aberta melhora a usinabilidade do alumínio, resultando em componentes com maior resistência ao desgaste e propriedades mecânicas que rivalizam com os produtos usinados ou fundidos.

Matriz Fechada (Molde de impressão) Forjamento

O forjamento em matriz fechada se assemelha muito ao forjamento em matriz aberta, mas a principal diferença está na funcionalidade do dado.

Em forjamento em matriz fechada, as metades da matriz envolvem totalmente o tarugo ou peça bruta, permitindo a produção de formas mais complexas.

Este processo pode ocorrer em um ou vários estágios, dependendo da complexidade do produto final.

As ligas de alumínio utilizadas no forjamento em matriz fechada passam por tratamento térmico em temperaturas específicas adaptadas à sua composição.

Durante o forjamento em matriz fechada, um tarugo ou peça bruta é colocado entre as metades superior e inferior da matriz, com a metade inferior apoiada em uma bigorna e a metade superior conectada a um martelo.

A deformação é cuidadosamente controlada para alinhar o fluxo de grãos com a direção da tensão, que refina a microestrutura do material.

O forjamento em matriz fechada oferece excelente precisão dimensional, muitas vezes minimizando a necessidade de usinagem secundária para obter tolerâncias restritas.

Cada produto forjado mantém dimensões consistentes, resultando em peças forjadas de alumínio que apresentam excelentes propriedades mecânicas e integridade estrutural.

Como uma solução econômica para grandes volumes de produção, o forjamento em matriz fechada aumenta a eficiência, reduzindo a necessidade de usinagem adicional e acelerando as taxas de produção.

Semelhante a outros produtos de alumínio, componentes forjados em matriz fechada apresentam uma alta relação resistência-peso e uma estrutura forjada que oferece resistência a choques e fadiga.

O processo também elimina vazios e porosidade, produzindo superfícies lisas e uniformes.

Forjamento a Frio

O forjamento a frio é um método altamente eficaz para moldar ligas de alumínio em designs complexos. Este processo permite a formação de formas complexas sem escala,

empregando pressão mais baixa e usando matrizes mantidas na mesma temperatura da peça.

Ao aproveitar a plasticidade do alumínio – sua capacidade de deformação permanente à temperatura ambiente – o forjamento a frio permite uma fabricação eficiente e precisa.

Ao contrário dos métodos de corte, que pode exigir muita mão-de-obra e gerar resíduos na forma de aparas, o forjamento a frio é mais rápido e não produz desperdício.

Pode criar designs bidimensionais complexos, incluindo recursos como buracos, chanfros, alfinetes, nadadeiras, e etapas, tudo em uma única operação.

O princípio básico do forjamento a frio envolve a deformação de um tarugo de alumínio, bar, ou outras peças em temperaturas abaixo do seu ponto de recristalização, normalmente em torno da temperatura ambiente.

Esta técnica económica resulta em peças de alumínio totalmente formadas que muitas vezes requerem acabamento mínimo.

Prensas verticais, seja manual ou automático, exercer força significativa na peça de trabalho, comprimindo-o entre as matrizes superior e inferior até que corresponda ao formato desejado.

O forjamento a frio é versátil, permitindo a produção de uma ampla gama de componentes de alumínio,

incluindo alternadores, engrenagens, motores de partida, peças de motocicleta, eixos ocos, válvulas, interruptores, e elementos antivibração.

Forjamento a Quente

O alumínio forjado a quente melhora significativamente suas propriedades, produzindo uma relação resistência-peso que supera o aço.

Os fabricantes frequentemente optam pelo forjamento a quente devido à sua versatilidade na produção de diversos acabamentos superficiais., de texturas suaves a irregulares, ao contrário dos acabamentos típicos obtidos por forjamento a frio.

Isso faz com que os componentes de alumínio forjados a quente sejam altamente procurados em diferentes indústrias por sua relação custo-benefício, apelo estético, e versatilidade de design.

No processo de forjamento a quente, o alumínio é aquecido até sua temperatura de recristalização, que varia de 350°C a 500°C (662°F a 932°F).

Uma vez aquecido, a peça de alumínio é colocada sob pressão de um equipamento de forjamento que a martela e transforma em uma matriz.

Esta técnica resulta em produtos que apresentam maior resistência, durabilidade, e tamanho de grão mais fino.

A qualidade leve, alta relação resistência-peso, e a excelente condutividade térmica e elétrica do alumínio forjado a quente contribuem ainda mais para sua popularidade.

Manter a temperatura e a pressão corretas é crucial durante o forjamento a quente.

Temperaturas elevadas são sustentadas durante todo o processo para evitar o endurecimento por deformação durante a deformação.

As matrizes de forjamento são aquecidas para corresponder ou ficar ligeiramente abaixo da temperatura da peça de trabalho, garantindo distribuição consistente de calor.

A peça de alumínio é repetidamente martelada ou carimbada até atingir o formato desejado, com a matriz aquecida facilitando o fluxo do material.

Forjamento por queda

O forjamento molda componentes de alumínio martelando uma peça aquecida entre duas metades de uma matriz, tornando-o ideal para produção de alto volume.

A matriz superior está presa a um martelo, enquanto o dado inferior repousa sobre uma bigorna.

O alumínio aquecido é colocado na matriz inferior, e a pressão contínua comprime o material até preencher a cavidade da matriz.

Qualquer excesso de alumínio, conhecido como flash, é espremido pelas aberturas da matriz e coletado para reciclagem.

A natureza leve do alumínio o torna uma excelente escolha para forjamento, particularmente usando ligas do 6000 e 7000 série.

Após o processo de forjamento, o flash é removido, e a peça pode sofrer tratamentos adicionais conforme necessário.

Este método aumenta a força, resistência, e resistência à fadiga do alumínio. Garante precisão dimensional precisa e uniformidade, minimizando o desperdício.

Adicionalmente, o forjamento a gota permite a produção de formas complexas e intrincadas com boa relação custo-benefício.

Forjamento de anel laminado

O forjamento de anéis laminados é um processo especializado para criar anéis sem costura a partir de tarugos ou cilindros..

Começa perturbando o boleto, reduzindo sua altura enquanto aumenta seu diâmetro para atingir as dimensões desejadas do anel.

Esta técnica emprega um método de matriz aberta, aquecer o tarugo acima de sua temperatura de recristalização para aumentar a ductilidade.

Durante a fase perturbadora, pressão horizontal é aplicada ao longo do comprimento do tarugo, fazendo com que ele se expanda. Aquecer o material o suaviza, alterando a estrutura do grão do metal para melhorar a trabalhabilidade.

Para formar o anel, um furo central é criado por punção ou cisalhamento, resultando em uma peça em forma de donut que cabe sobre um mandril.

Este mandril, ou sela, deve ser robusto o suficiente para suportar as pressões de forjamento.

Em forjamento de anel laminado, a peça de trabalho é aquecida a uma temperatura flexível abaixo do seu ponto de recristalização.

À medida que a peça gira, é pressionado contra um rolo de acionamento, ajustando os diâmetros interno e externo para atender às especificações finais.

O mandril pressiona o interior do donut, comprimindo as paredes para reduzir a espessura.

A tenacidade do alumínio, resistência à tracção, e resistência à fadiga o tornam adequado para forjamento de anéis laminados.

Adicionalmente, o alumínio forjado oferece um acabamento superficial superior que é liso e esteticamente agradável.

As aplicações para anéis forjados de alumínio incluem motores a jato, turbinas, moinhos de vento, fábricas de papel, caixas de câmbio de helicóptero, e ferramentas projetadas para ambientes perigosos.

4. Principais ligas de alumínio para forjamento

Várias ligas de alumínio oferecem propriedades e benefícios exclusivos, adaptados para aplicações específicas:

• 6061 Liga de alumínio: Conhecido por sua versatilidade, esta liga é amplamente utilizada devido à sua excelente resistência à corrosão, boa soldabilidade,
  e alta resistência. É ideal para componentes estruturais nas indústrias aeroespacial e de construção.
• 6063 Liga de alumínio: Muitas vezes referido como alumínio arquitetônico, esta liga é popular por seu acabamento superficial liso e facilidade de extrusão, tornando-o perfeito para aplicações de construção e estruturas decorativas.
• 6082 Liga de alumínio: Esta liga oferece alta resistência e excelente usinabilidade, tornando-o adequado para diversas aplicações estruturais, especialmente no setor de transportes.
• 7075 Liga de alumínio: Reconhecida como uma das ligas de alumínio mais fortes disponíveis, 7075 é amplamente utilizado em aplicações aeroespaciais devido à sua notável relação resistência-peso e resistência à corrosão sob tensão..
  Suas notas de temperamento, como T6 e T651, melhorar ainda mais seu desempenho.
• 2014 Liga de alumínio: Esta liga oferece uma alta relação resistência/peso e é particularmente valorizada em aplicações pesadas, incluindo os setores aeroespacial e militar.

5. Benefícios do forjamento de alumínio

As vantagens do forjamento de alumínio tornam-no uma escolha preferida em vários setores:

• Acabamento de superfície: Peças forjadas podem atingir superfícies lisas ou texturizadas, dependendo do acabamento desejado, melhorando a estética e a funcionalidade.
• Flexibilidade de projeto: Forjar permite a criação de formas e geometrias complexas, acomodar projetos complexos que podem ser difíceis de alcançar através de outros métodos.
• Alta relação resistência/peso: O forjamento de alumínio produz componentes leves, mas fortes, tornando-os ideais para aplicações onde minimizar o peso é crucial,
  como nas indústrias aeroespacial e automotiva.
• Propriedades Mecânicas Aprimoradas: O forjamento refina a estrutura dos grãos do metal, resultando em maior resistência, resistência à fadiga, e desempenho geral.
• Resistência à corrosão: A resistência inerente do alumínio à corrosão torna as peças de alumínio forjado duráveis ​​e duradouras, especialmente em ambientes agressivos.
• Eficiência de custos: Embora os custos iniciais de ferramentas para forjamento possam ser altos, o custo geral por unidade diminui significativamente para grandes tiragens de produção, tornando-o econômico para produção em massa.
• Durabilidade e Confiabilidade: Componentes de alumínio forjado são conhecidos por sua resistência e resistência ao desgaste, garantindo que eles tenham um desempenho confiável ao longo do tempo.
• Precisão Dimensional: O forjamento de precisão resulta em peças que atendem a especificações rigorosas com desperdício mínimo de material, reduzindo custos de produção.
• Produção de alto volume: O forjamento é adequado para produção de alto volume, garantindo qualidade consistente em grandes lotes de peças.

6. Aplicações de Forjamento de Alumínio

O forjamento de alumínio desempenha um papel crítico em vários setores, com aplicações que exigem força, propriedades leves, e durabilidade:

• Aeroespacial: Usado em estruturas de aeronaves, trem de pouso, e componentes do motor, peças de alumínio forjado contribuem significativamente para o desempenho geral e a segurança.
• Automotivo: Componentes como sistemas de suspensão, rodas, e as peças do chassi se beneficiam das propriedades de resistência e leveza do alumínio forjado, melhorando a eficiência de combustível e o manuseio.
• Equipamentos Industriais: O alumínio forjado é usado em componentes de máquinas pesadas, ferramentas, e luminárias, garantindo longevidade e confiabilidade em ambientes exigentes.
• Construção: As aplicações arquitetônicas potencializam a resistência à corrosão e o apelo estético do alumínio forjado, tornando-o popular para a construção de estruturas, vigas, e elementos decorativos.
• Dispositivos Médicos: A natureza leve e durável do alumínio forjado o torna adequado para instrumentos cirúrgicos e outros dispositivos médicos que exigem alto desempenho.
• Produtos de consumo: O alumínio forjado é comumente encontrado em equipamentos esportivos, bicicletas, e eletrodomésticos, onde as características de resistência e leveza são essenciais.

7. Comparação de alumínio forjado vs.. Alumínio Fundido

Compreender as diferenças entre o alumínio forjado e o alumínio fundido é crucial para selecionar o processo de fabricação correto:

• Alumínio Forjado: Conhecido por suas propriedades mecânicas superiores, o alumínio forjado apresenta maior resistência e menor peso em comparação ao alumínio fundido.
  É particularmente adequado para aplicações de alto estresse, como nas indústrias aeroespacial e automotiva.
• Alumínio Fundido: Este método permite formas e designs mais complexos, mas muitas vezes resulta em menor resistência e durabilidade em comparação com o alumínio forjado..
  O alumínio fundido é mais adequado para aplicações onde são necessárias formas complexas, mas onde a alta resistência não é crítica.

A escolha entre alumínio forjado e fundido depende, em última análise, de fatores específicos como custo, necessidades de desempenho, e complexidade do projeto.

Forjar é a opção preferida quando a resistência é fundamental, enquanto a fundição é ideal para formas altamente detalhadas.

8. Desafios no Forjamento de Alumínio

• Altos custos iniciais de ferramentas: Especialmente para forjamento em matriz fechada, o custo de moldes e matrizes pode ser significativo.
  No entanto, estes investimentos iniciais muitas vezes compensam no longo prazo através do aumento da eficiência e da redução do desperdício.
• Controle de temperatura: A regulação precisa da temperatura é crucial para evitar defeitos como rachaduras ou crescimento excessivo de grãos.
  Tecnologia moderna, como sensores avançados e sistemas de controle, ajuda a manter condições ideais.
• Propriedades dos materiais: A alta condutividade térmica do alumínio requer um controle cuidadoso do calor durante o processo de forjamento para manter as condições ideais.
  Técnicas adequadas de pré-aquecimento e resfriamento são essenciais para garantir os melhores resultados.

9. Conclusão

O forjamento de alumínio é um processo de fabricação versátil e robusto que oferece inúmeras vantagens, incluindo alta resistência, leve, e excelentes propriedades mecânicas.

Ao compreender os diferentes tipos de forjamento, ligas principais, e os benefícios exclusivos de cada, os fabricantes podem tomar decisões informadas para atender às suas necessidades específicas de aplicação.

Da indústria aeroespacial aos bens de consumo, componentes de alumínio forjado são valorizados por seu alto desempenho e confiabilidade.

À medida que os avanços tecnológicos continuam a aprimorar o processo de forjamento, o forjamento de alumínio está preparado para continuar sendo um método crítico para a produção de alta qualidade, peças econômicas no futuro.

Perguntas frequentes

P: Quais são os benefícios do forjamento de alumínio em comparação com outros processos de conformação?

UM: Peças de alumínio forjado proporcionam maior resistência, propriedades mecânicas superiores, e maior resistência à corrosão quando comparada a peças fundidas ou usinadas.

P: Como o forjamento de alumínio melhora a durabilidade do produto?

UM: O processo de forjamento refina a estrutura dos grãos do metal, resultando em peças mais resistentes, mais resistente ao desgaste, e menos suscetível à fadiga ao longo do tempo.

P: Quais são as principais diferenças entre forjamento em matriz aberta e em matriz fechada?

UM: O forjamento em matriz aberta utiliza matrizes simples que não envolvem completamente a peça de trabalho, permitindo a produção de grandes, peças pesadas e formatos personalizados.

Em contraste, O forjamento em matriz fechada usa matrizes que contêm totalmente a peça de trabalho, permitindo a criação de complexos, peças de alta precisão.

P: Qual liga de alumínio é melhor para aplicações aeroespaciais?

UM: 7075 a liga de alumínio é altamente preferida em aplicações aeroespaciais devido à sua excepcional relação resistência-peso e resistência à corrosão sob tensão.

P: O alumínio forjado pode ser usado em aplicações criogênicas?

UM: Embora algumas ligas de alumínio, como 7075-T6, pode não ser adequado para aplicações criogênicas devido à menor tenacidade, outros temperamentos como 7075-T73 podem ser mais apropriados.

No entanto, consideração e testes cuidadosos são necessários para garantir que o material atenda aos requisitos específicos do ambiente criogênico.