Forgiatura della metallurgia delle polveri

La forgiatura è un metodo di lavorazione che utilizza macchinari per forgiare e applicare pressione a semilavorati metallici, provocandone la deformazione plastica al fine di ottenere forgiati con determinate proprietà meccaniche, forme e dimensioni. È una delle componenti della forgiatura (forgiatura e stampaggio). La forgiatura può eliminare difetti come la struttura metallica porosa prodotta durante il processo di fusione, ottimizzare la microstruttura e, poiché le linee di flusso complete del metallo vengono preservate, le proprietà meccaniche dei forgiati sono generalmente migliori di quelle dei getti dello stesso materiale. Le parti importanti dei macchinari sottoposte a carichi elevati e a condizioni operative gravose, fatta eccezione per quelle dalle forme più semplici che possono essere realizzate con lamiere laminate, profilati o parti saldate, sono per lo più realizzate mediante forgiatura.

01 Temperatura di deformazione

La temperatura iniziale di ricristallizzazione dell'acciaio è di circa 727℃, ma generalmente si utilizza 800℃ come linea di demarcazione. La forgiatura al di sopra di 800℃ è detta forgiatura a caldo; quella tra 300 e 800℃ è chiamata forgiatura a tiepido o semicalda, mentre la forgiatura a temperatura ambiente è chiamata forgiatura a freddo. I forgiati utilizzati nella maggior parte dei settori sono forgiati a caldo, mentre la forgiatura a tiepido e a freddo sono impiegate principalmente per la realizzazione di componenti automobilistici, macchinari generici, ecc. La forgiatura a tiepido e a freddo consente di risparmiare efficacemente materiale.

02 Categorie di forgiatura

Come menzionato sopra, in base alla temperatura di forgiatura, essa può essere suddivisa in forgiatura a caldo, a tiepido e a freddo. In base al meccanismo di formatura, la forgiatura può essere suddivisa in forgiatura libera, forgiatura in stampo, laminazione ad anello e forgiatura speciale.

1) La forgiatura libera è un metodo di lavorazione che utilizza semplici utensili universali oppure applica direttamente una forza esterna al grezzo tra le incudini superiore e inferiore dell'attrezzatura di forgiatura, deformando il grezzo per ottenere la forma geometrica e la qualità interna richieste dal forgiato. I forgiati prodotti mediante forgiatura libera sono chiamati forgiati liberi. La forgiatura libera viene utilizzata principalmente per produrre forgiati in piccoli lotti. Per formare i grezzi e ottenere forgiati conformi si utilizzano attrezzature come magli e presse idrauliche. I processi fondamentali della forgiatura libera comprendono ricalcatura, allungamento, punzonatura, tranciatura, piegatura, torsione, spostamento e forgiatura. La forgiatura libera adotta metodi di forgiatura a caldo.

2) La forgiatura in stampo si suddivide in forgiatura in stampo aperto e forgiatura in stampo chiuso. Il grezzo metallico viene compresso e deformato in uno stampo di forgiatura dalla forma determinata, ottenendo un forgiato. La forgiatura in stampo viene generalmente utilizzata per produrre componenti di peso ridotto in grandi lotti. La forgiatura in stampo può essere suddivisa in forgiatura a caldo in stampo, forgiatura a tiepido e forgiatura a freddo. La forgiatura a tiepido e a freddo rappresentano la direzione di sviluppo futura della forgiatura in stampo e anche il livello della tecnologia di forgiatura.

In base al materiale, la forgiatura in stampo può inoltre essere suddivisa in forgiatura in stampo di metalli ferrosi, forgiatura in stampo di metalli non ferrosi e formatura di prodotti in polvere. Come suggerisce il nome, i materiali sono metalli ferrosi come l'acciaio al carbonio, metalli non ferrosi come rame e alluminio e materiali per la metallurgia delle polveri.

L'estrusione dovrebbe essere classificata come forgiatura in stampo e può essere suddivisa in estrusione di metalli pesanti ed estrusione di metalli leggeri.

La forgiatura in stampo chiuso e la ricalcatura in stampo chiuso sono due processi avanzati di forgiatura in stampo. Poiché non si forma bava, il tasso di utilizzo del materiale è elevato. La finitura di forgiati complessi può essere completata in una o più operazioni. Poiché non si forma bava, si riduce l'area sottoposta alla forza del forgiato e diminuisce anche il carico richiesto. Tuttavia, occorre tenere presente che il grezzo non può essere completamente limitato. A tal fine, è necessario controllare rigorosamente il volume del grezzo, controllare la posizione relativa dello stampo di forgiatura e misurare il forgiato, cercando di ridurre l'usura dello stampo.

3) La laminazione ad anello consiste nella produzione di componenti ad anello di diametri diversi mediante apposite laminatrici ad anello. Viene utilizzata anche per produrre componenti a forma di ruota, come i mozzi delle automobili e le ruote dei treni.

4) La forgiatura speciale comprende la forgiatura a rulli, la laminazione trasversale a cunei, la forgiatura radiale, la forgiatura in stampo liquido e altri metodi di forgiatura, più adatti alla produzione di componenti dalle forme particolari. Ad esempio, la forgiatura a rulli può essere utilizzata come efficace processo di preformatura per ridurre notevolmente la pressione di formatura successiva; la laminazione trasversale a cunei può produrre componenti come sfere d'acciaio e alberi di trasmissione; la forgiatura radiale può produrre grandi barilotti, alberi a gradini e altri forgiati.

5) Stampi di forgiatura In base alla modalità di movimento dello stampo di forgiatura, la forgiatura può essere suddivisa in laminazione oscillante, forgiatura rotativa oscillante, forgiatura a rulli, laminazione trasversale a cunei, laminazione ad anello e laminazione obliqua. Anche la laminazione oscillante, la forgiatura rotativa oscillante e la laminazione ad anello possono essere eseguite mediante forgiatura di precisione. Per migliorare il tasso di utilizzo dei materiali, la forgiatura a rulli e la laminazione trasversale possono essere utilizzate come lavorazioni preliminari per materiali allungati. Come la forgiatura libera, anche la forgiatura rotativa è formata parzialmente. Il suo vantaggio è che, rispetto alle dimensioni del forgiato, può ottenere la formatura anche con una forza di forgiatura inferiore. In questo metodo di forgiatura, compresa la forgiatura libera, il materiale si espande dalla zona vicina alla superficie dello stampo verso la superficie libera durante la lavorazione, perciò è difficile garantire la precisione. Pertanto, controllando con un computer la direzione di movimento dello stampo di forgiatura e il processo di forgiatura rotativa, è possibile ottenere prodotti dalle forme complesse e ad alta precisione con una forza di forgiatura inferiore, come i forgiati quali le pale di turbina, caratterizzati da ampia varietà e grandi dimensioni.

03 Attrezzature di forgiatura:

Metodo di limitazione della forza di forgiatura: pressa idraulica con azionamento idraulico diretto della slitta.

Metodo di limitazione della corsa quasi completa: pressa idraulica con azionamento idraulico del meccanismo biella-manovella.

Metodo di limitazione della corsa: pressa meccanica con meccanismo a manovella, biella e cuneo che aziona la slitta.

Metodo di limitazione dell'energia: pressa a vite e a frizione che utilizza un meccanismo a vite. Per ottenere un'elevata precisione, occorre prestare attenzione a prevenire il sovraccarico al punto morto inferiore e a controllare la velocità e la posizione dello stampo. Questi fattori influiscono sulla tolleranza, sulla precisione della forma e sulla durata dello stampo di forgiatura. Inoltre, per mantenere la precisione, occorre prestare attenzione anche alla regolazione del gioco della guida della slitta, garantire la rigidità, regolare il punto morto inferiore e utilizzare dispositivi di trasmissione ausiliari.

Esistono inoltre modalità di movimento verticale e orizzontale della slitta, utilizzate per la forgiatura di componenti allungati, la lubrificazione e il raffreddamento e la produzione ad alta velocità di componenti forgiati. L'uso di dispositivi di compensazione può aumentare il movimento in altre direzioni. I metodi sopra descritti differiscono per forza di forgiatura richiesta, processo, utilizzo del materiale, produttività, tolleranza dimensionale e metodi di lubrificazione e raffreddamento. Anche questi fattori influiscono sul livello di automazione.

04Materiali per forgiatura

I materiali per forgiatura sono principalmente acciai al carbonio e acciai legati di varia composizione, seguiti da alluminio, magnesio, rame, titanio, ecc. e dalle relative leghe. Lo stato iniziale del materiale può essere una barra, un lingotto, polvere metallica o metallo liquido. Il rapporto tra l'area della sezione trasversale del metallo prima della deformazione e quella dopo la deformazione è chiamato rapporto di forgiatura. La corretta scelta del rapporto di forgiatura, della temperatura di riscaldamento e del tempo di mantenimento, nonché della temperatura iniziale e finale di forgiatura e della quantità e velocità di deformazione, ha un'importanza fondamentale per migliorare la qualità del prodotto e ridurre i costi. In generale, per i forgiati piccoli e medi si utilizzano barre tonde o quadre come grezzi. La struttura granulare e le proprietà meccaniche della barra sono uniformi e buone, la forma e le dimensioni sono precise e la qualità superficiale è buona, il che facilita l'organizzazione della produzione di massa. Finché la temperatura di riscaldamento e le condizioni di deformazione vengono controllate correttamente, è possibile forgiare forgiati dalle prestazioni eccellenti senza una grande deformazione di forgiatura.

I lingotti vengono utilizzati solo per i forgiati di grandi dimensioni. I lingotti presentano strutture di colata con grandi cristalli colonnari e nuclei porosi. Pertanto, è necessario rompere i cristalli colonnari trasformandoli in grani fini mediante una grande deformazione plastica e compattarli, così da ottenere una struttura metallica e proprietà meccaniche eccellenti.

I preformati di metallurgia delle polveri, pressati e sinterizzati, possono essere trasformati in forgiati da polvere mediante forgiatura in stampo senza bava allo stato caldo. La densità dei forgiati da polvere è vicina a quella dei normali forgiati in stampo, le proprietà meccaniche sono buone e la precisione è elevata, consentendo di ridurre le successive lavorazioni per asportazione di truciolo. La struttura interna del forgiato da polvere è uniforme e priva di segregazioni e può essere utilizzata per produrre piccoli ingranaggi e altri pezzi. Tuttavia, il prezzo della polvere è molto più elevato di quello delle normali barre e il suo impiego nella produzione è soggetto a determinate limitazioni.

Applicando una pressione statica al metallo liquido versato nella cavità dello stampo, in modo che solidifichi, cristallizzi, fluisca, si deformi plasticamente e si formi sotto pressione, è possibile ottenere forgiati in stampo dalla forma e dalle prestazioni richieste. La forgiatura in stampo di metallo liquido è un metodo di formatura intermedio tra la pressofusione e la forgiatura in stampo ed è particolarmente adatta a componenti complessi a parete sottile difficili da formare mediante la normale forgiatura in stampo.

Oltre ai materiali comuni e all'alluminio, al magnesio, al rame, al titanio, ecc. e alle relative leghe, vengono forgiati o laminati anche superleghe a base di ferro, superleghe a base di nichel e superleghe a base di cobalto. Tuttavia, queste leghe hanno una zona plastica relativamente ristretta, perciò la forgiatura è relativamente difficile. Esistono requisiti rigorosi per la temperatura di riscaldamento, la temperatura di inizio forgiatura e la temperatura finale di forgiatura dei diversi materiali.

05 Ciclo di processo

I diversi metodi di forgiatura prevedono processi differenti, tra i quali il processo di forgiatura a caldo in stampo è il più lungo. La sequenza generale è: tranciatura → riscaldamento → forgiatura a rulli → forgiatura in stampo → rifilatura → punzonatura → raddrizzatura → ispezione intermedia, controllo delle dimensioni del forgiato e dei difetti superficiali → trattamento termico dei forgiati per eliminare le tensioni di forgiatura e migliorare la lavorabilità per asportazione di truciolo del metallo → pulizia, principalmente per rimuovere la scaglia di ossido superficiale → raddrizzatura → ispezione. In generale, i forgiati devono essere sottoposti a controlli dell'aspetto e della durezza; i forgiati importanti devono inoltre essere sottoposti ad analisi della composizione chimica, delle proprietà meccaniche e delle tensioni residue, nonché ad altri controlli e a prove non distruttive.

06 Caratteristiche dei forgiati

Rispetto ai getti, i metalli possono migliorare la propria struttura e le proprie proprietà meccaniche dopo la forgiatura. Quando la struttura di colata viene deformata dalla lavorazione a caldo mediante forgiatura, a causa della deformazione e della ricristallizzazione del metallo, i dendriti grossolani e i grani colonnari originari si trasformano in strutture ricristallizzate equiassiche con grani più fini e di dimensioni uniformi; in questo modo, la segregazione, la porosità, i pori, le inclusioni di scoria e altri difetti originari del lingotto vengono compattati e saldati, rendendo la struttura più compatta e migliorando la plasticità e le proprietà meccaniche del metallo.

Le proprietà meccaniche dei getti sono inferiori a quelle dei forgiati dello stesso materiale. Inoltre, la forgiatura può garantire la continuità della struttura fibrosa del metallo, in modo che la struttura fibrosa del forgiato sia coerente con la forma del forgiato e che il flusso del metallo sia completo, garantendo così ai componenti buone proprietà meccaniche e una lunga durata. I forgiati prodotti mediante forgiatura di precisione in stampo, estrusione a freddo, estrusione a tiepido e altri processi sono incomparabili ai getti.

I forgiati sono oggetti ai quali viene applicata pressione e deformazione plastica per conferire la forma richiesta o una forza di compressione adeguata. Questa forza viene generalmente ottenuta utilizzando un martello o una pressa. Il processo di forgiatura crea una struttura granulare raffinata e migliora le proprietà fisiche del metallo. Nell'uso effettivo dei componenti, una progettazione corretta può fare in modo che i grani fluiscano nella direzione della pressione principale. I getti sono oggetti metallici formati mediante vari metodi di colata; il metallo liquido fuso viene versato in uno stampo preparato in precedenza mediante colata, iniezione, aspirazione o altri metodi di fusione e, dopo il raffreddamento, viene sottoposto a sabbiatura, pulizia e lavorazioni successive per ottenere un oggetto di forma, dimensioni e prestazioni determinate.