Explicação do forjamento de metal: quais metais, tipos de aço e como funciona

Forjamento de metais é o processo de moldar o metal usando força compressiva – por meio de martelamento, prensagem ou laminação – normalmente enquanto o metal é aquecido para torná-lo mais maleável. Quase qualquer metal que possa ser aquecido sem se tornar muito quebradiço pode tecnicamente ser forjado, mas na prática, aço carbono, ligas de aço, alumínio, titânio e ligas de cobre dominam o forjamento industrial porque oferecem a melhor combinação de trabalhabilidade e melhorias nas propriedades mecânicas que o forjamento proporciona.

Quais metais podem ser forjados e por que alguns são melhor forjados que outros

A forjabilidade de um metal depende de sua ductilidade na temperatura de forjamento e de como sua estrutura de grão responde à deformação. Aços com estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC) em alta temperatura deformam-se mais uniformemente sob compressão, o que é parte do motivo pelo qual o aço é o metal mais comumente forjado em ambientes industriais.

Metais com alto teor de carbono acima de aproximadamente 0,6% , assim como o ferro fundido, são geralmente considerados maus candidatos para forjamento porque não possuem ductilidade suficiente mesmo em temperaturas elevadas e tendem a rachar em vez de deformar sob ação de martelo ou pressão.

Como você forja o aço: o processo básico explicado

O aço forjado segue uma sequência que não mudou fundamentalmente desde a ferraria tradicional, mesmo que a escala e os equipamentos tenham evoluído dramaticamente em ambientes industriais.

1. Aquecimento: O aço é aquecido em uma forja - tradicionalmente movida a carvão ou coque, agora frequentemente aquecida a gás ou por indução - até sua temperatura de forjamento, normalmente entre 1.100°C e 1.250°C (2.000°F a 2.300°F) para a maioria dos aços carbono, identificável por uma cor laranja brilhante a amarelo.
2. Deformação: A força compressiva é aplicada por meio de martelamento, prensagem ou laminação para moldar o aço aquecido - isso pode ser em matriz aberta (modelagem de forma livre) ou em matriz fechada (forçando o metal em uma cavidade moldada).
3. Reaquecimento conforme necessário: O aço esfria rapidamente depois de removido da forja e, à medida que cai abaixo da faixa de temperatura de forjamento, deve ser devolvido à fonte de calor antes de continuar - trabalhar o aço muito frio corre o risco de rachar em vez de deformar.
4. Normalização ou recozimento: Após a modelagem, a peça forjada é frequentemente reaquecida a uma temperatura controlada e resfriada lentamente para aliviar as tensões internas criadas durante o forjamento e refinar a estrutura do grão.
5. Acabamento: O excesso de material (flash, no forjamento em matriz fechada) é aparado e a peça pode passar por tratamento térmico adicional, usinagem ou acabamento superficial dependendo da aplicação final.

Tipos de processos de forjamento de metal

O forjamento industrial é geralmente categorizado pela temperatura e pela configuração da matriz utilizada, e a escolha entre esses métodos depende da complexidade da peça, do volume de produção e das propriedades mecânicas exigidas.

• Forjamento a quente: Realizado acima da temperatura de recristalização do metal, permitindo mudanças significativas de forma com força relativamente baixa e reduzindo o risco de trincas — o método mais comum para o aço.
• Forjamento a frio: Realizado à temperatura ambiente ou próximo a ela, produzindo peças com tolerâncias dimensionais mais restritas e um acabamento superficial mais liso, mas exigindo forças significativamente maiores e limitando a quantidade de deformação possível sem trincas.
• Forjamento a quente: Um meio-termo executado em temperaturas intermediárias, equilibrando os requisitos de menor força do forjamento a quente com alguns dos benefícios de precisão do forjamento a frio.
• Forjamento em matriz aberta: O metal é moldado entre matrizes planas ou de formato simples que não o envolvem totalmente, permitindo que o metal flua, exceto onde as matrizes entram em contato com ele - usado para formatos grandes e simples, como eixos e discos.
• Forjamento em matriz fechada (matriz de impressão): O metal é forçado para dentro de uma cavidade de matriz que o envolve totalmente, produzindo formas mais complexas com tolerâncias mais restritas – usadas para peças de alto volume, como componentes automotivos.
• Forjamento por queda: Um método específico de forjamento baseado em martelo, onde um peso pesado é colocado sobre a peça posicionada em ou sobre uma matriz, comumente associado às operações tradicionais de forjamento industrial.

O que é aço forjado e como o teor de carbono afeta o resultado

"Aço forjado" refere-se ao aço que foi moldado por forjamento em vez de fundição (despejando metal fundido em um molde) ou usinagem (cortando material de um bloco sólido). O processo de forjamento comprime e alinha a estrutura interna dos grãos do aço ao longo da direção da deformação, o que geralmente resulta em maior resistência, tenacidade e resistência à fadiga em comparação com uma peça fundida da mesma composição - é por isso que os componentes forjados são frequentemente especificados para peças sujeitas a alta tensão ou impacto, como virabrequins, engrenagens e acessórios estruturais.

O teor de carbono é o principal fator que distingue os diferentes tipos de aço forjado e determina o equilíbrio entre resistência, dureza e ductilidade após o forjamento:

Um maior teor de carbono permite que a peça forjada alcance maior dureza através do tratamento térmico subsequente, mas também estreita a janela de temperatura dentro da qual o aço pode ser forjado com segurança sem rachar – razão pela qual os aços com alto teor de carbono são forjados com controle de temperatura mais rígido e reaquecimento mais frequente.

O que os ferreiros usam: ferramentas e equipamentos para forjamento manual

Embora o forjamento industrial dependa de prensas hidráulicas e martelos mecânicos, as principais ferramentas utilizadas pelos ferreiros para o forjamento manual permanecem em grande parte consistentes com a prática tradicional, dimensionadas de acordo com o tamanho do trabalho que está sendo realizado.

• Forja: Uma fonte de calor - tradicionalmente uma forja a carvão ou coque, com propano e forjas de indução agora comuns - usada para levar o aço à temperatura de forjamento
• Bigorna: Um bloco de aço pesado que fornece uma superfície estável e rígida para martelar, com vários recursos (chifre, furo resistente, furo pritchel) usados para diferentes técnicas de modelagem
• Martelos: Uma variedade de pesos de martelo e formatos de face para diferentes tarefas — martelos de ponta cruzada para extrair metal, martelos de ponta esférica e de arredondamento para texturização e modelagem
• Pinças: Usado para segurar peças quentes com segurança, com diferentes formatos de mandíbula projetados para material redondo, plano ou geometrias de peças específicas
• Cinzéis e punções: Usado enquanto o metal está quente para cortar, perfurar ou criar textura decorativa
• Tanque de têmpera: Um recipiente com água, óleo ou outro agente de têmpera usado para resfriar rapidamente o aço para endurecimento, com a escolha do agente de têmpera afetando a dureza resultante e o risco de rachaduras

Tanto para forjamento manual quanto industrial, a cor é o indicador tradicional de temperatura - uma cor amarelo-laranja brilhante geralmente corresponde à faixa ideal de forjamento para a maioria dos aços carbono, enquanto uma cor vermelha opaca indica que o aço esfriou abaixo da faixa de trabalho segura e corre o risco de rachar se for atingido.