¿Qué hace que el acero sea tan indispensable para la forja? Con una gran variedad de tipos de acero disponibles, cada uno ofrece propiedades únicas adaptadas a aplicaciones específicas. Este artículo profundiza en siete aceros populares utilizados en forja, destacando sus características, ventajas y usos típicos. Desde el acero estructural al carbono hasta el acero de alta aleación, los lectores descubrirán las opciones óptimas para diversas necesidades de forja. Conozca las ventajas y limitaciones de cada tipo y asegúrese de que su próximo proyecto utiliza el mejor material en cuanto a resistencia, durabilidad y rendimiento.
El contenido de carbono en el acero estructural al carbono es bajo, con una amplia gama de temperaturas de forja; cuando se calienta a altas temperaturas, tiene baja resistencia a la deformación, buena plasticidad y es fácil de forjar. Tanto si se forja a partir de lingotes de acero como de tochos, no hay problemas para garantizar la forma requerida de las piezas forjadas. La negligencia y el descuido en las operaciones de producción son las principales causas de los residuos de este tipo de forja de acero.
El acero estructural aleado, debido a su bajo contenido en carbono y no alto contenido en elementos de aleación, tiene buena plasticidad, conductividad térmica, baja resistencia a la deformación y una amplia temperatura de forja sin requisitos especiales de calentamiento y forja.
Requisitos especiales. La resistencia a la deformación a alta temperatura de muchos aceros de baja aleación es la misma que la de los aceros estructurales al carbono. Sin embargo, en la forja inicial, debido a que la estructura inicial no se ha destruido, la fuerza de forja debe ser menor. Una vez que el acero tiene mayor plasticidad, puede utilizarse una fuerza de forja mayor.
El fenómeno de la adherencia de incrustaciones de óxido en la superficie de los aceros estructurales de níquel-cromo es muy grave, especialmente en los que tienen bajo contenido en carbono, y a veces puede aparecer una capa de óxido fina y resistente, que debe eliminarse cuidadosamente durante el proceso de forja.
Los aceros al carbono para herramientas más comunes incluyen T7, T8, T10, T12, etc., con un contenido de carbono de 0,7% a 1,2% (fracción de masa), adecuados para fabricar punzones, cinceles, brochas, punzones para matrices y cuchillas de cizalla. Estos los aceros tienen mayor dureza y resistencia, pero menor plasticidad y forjabilidad general. Por lo tanto, es necesaria la forja previa, sobre todo para los que tienen mayor contenido de carbono. La plasticidad de este acero se deteriora considerablemente con la disminución de la temperatura.
La temperatura inicial de forja suele estar entre 1100 y 1150°C, y el rango de temperaturas de forja del acero al carbono para herramientas es menor que el del acero al carbono para estructuras. Cuanto mayor sea el contenido de carbono, menor debe ser la temperatura de calentamiento; de lo contrario, es fácil que se produzca sobrecalentamiento o quemado. Por lo tanto, a veces es necesario aumentar el número de calentamientos al palanquear este acero. La temperatura inicial de forja del acero T12 no debe superar los 1100ºC, de lo contrario, los granos se engrosarán y es fácil que se agrieten durante la forja.
Cuando se forja acero al carbono para herramientas, el martilleo debe ir de ligero a pesado, con una relación de forja adecuada (generalmente, Y=2~4): el volteo debe ser uniforme, los bordes afilados deben aplanarse en todo momento para evitar grietas en las esquinas: cuando la temperatura es demasiado baja, la forja debe detenerse, recalentarse y volver a forjarse. Después de la forja, enfriar al aire hasta unos 700°C, luego enterrar en ceniza de arena para enfriar para evitar que la forja precipite carburos de red gruesos.
Al forjar acero al carbono para herramientas, si el martillo se detiene durante mucho tiempo, lo que provoca que el acero se caliente durante un periodo prolongado a altas temperaturas, aumentará la profundidad de la capa de descarburación. Si el acero se enfría lentamente después del calentamiento a alta temperatura, los carburos pueden grafitizarse, convirtiéndose en puntos débiles dentro del acero, lo que conduce a la chatarra.
La forja del acero para herramientas de baja aleación es la misma que la del acero para herramientas al carbono. Para evitar la formación de carburos en red, cuanto más baja sea la temperatura final de forja, mejor (cerca de la temperatura crítica inferior), asegurándose al mismo tiempo de que la forja se enfría rápidamente por debajo de la temperatura crítica para evitar la reagregación y el crecimiento de carburos.
Enfriar rápidamente por debajo de la temperatura crítica de aislamiento para evitar que el carburo vuelva a agregarse y crezca.
Acero aleado para herramientas con alto contenido de carbono y composición de aleación, su tocho y forja de acero son los mismos que la forja de acero rápido.
El acero para muelles se utiliza para forjar diversos muelles. Los aceros para muelles se dividen en aceros para muelles al carbono (fracción másica de carbono de 0,6% a 0,9%) y aceros para muelles aleados (fracción másica de carbono de 0,5% a 0,7%).
El acero para muelles tiene un alto contenido en carbono y contiene elementos de aleación como cromo, manganeso y silicio, con una plasticidad pobre, una alta resistencia a la deformación y un rango de temperaturas de forja y forjabilidad similar al acero al carbono para herramientas. Las etapas generales de transformación de los muelles incluyen la forja final de los materiales laminados y el bobinado de los muelles.
Durante el calentamiento, para evitar defectos como el engrosamiento del grano y la descarburación, deben controlarse estrictamente la temperatura de calentamiento y el tiempo de mantenimiento, con una temperatura de calentamiento no superior a 950°C. La superficie de la pieza forjada no debe presentar defectos como grietas, pliegues y descarburación, para garantizar que el muelle tenga una elevada resistencia a la fatiga.
Los aceros comunes para rodamientos incluyen los grados GCr4, GCr15 y GCr15SiMn. La fracción media de masa de carbono del acero para rodamientos es de aproximadamente 1%, y la fracción de masa de cromo es de 0,6% a 1,5%, y se utiliza habitualmente para fabricar anillos y bolas de rodamientos.
Debido al alto contenido de carbono del acero para rodamientos, existen carburos de cromo en forma de red en el estado fundido, con una grave segregación, por lo que la plasticidad es baja, la resistencia es alta y la resistencia a la deformación es grande, lo que facilita el agrietamiento durante la forja. El acero para rodamientos tiene una mala conductividad térmica, con una temperatura de forja máxima de unos 1100ºC. Durante el calentamiento, debe cargarse a baja temperatura y calentarse lentamente hasta 800°C antes de poder calentarlo rápidamente.
El objetivo de forjar acero para rodamientos es romper los carburos, homogeneizar la estructura y refinar los granos. El proceso requiere una relación de forja mayor (Y = 4 a 6) e implica de 1 a 2 veces de recalcado. El último calentamiento debe evitar la deformación crítica: a 1100°C, la cantidad de deformación debe ser superior a 20%; de 900 a 1000°C, la cantidad de deformación debe ser > 15%; de 800 a 850°C durante el acabado, la cantidad de deformación < 10%. La temperatura final de forja debe controlarse entre 800 y 850°C.
Después de la forja, enfriar rápidamente (pulverización) a 600 a 650°C, luego enfriar en arena para evitar la formación de manchas blancas o estructuras de carburo de red gruesa. Para obtener cuerpos carburizados esferoidizados, se requiere un recocido de esferoidización después del forjado. Si aparecen carburos en red en el forjado, debe realizarse la normalización antes del recocido de esferoidización.
Debido a la presencia de múltiples elementos de aleación (fracción másica total superior a 10%) y a un mayor contenido de carbono (excluido el acero inoxidable), los aceros de alta aleación tienen una estructura compleja, una conductividad térmica inferior a la de los aceros de aleación general y los aceros al carbono, poca plasticidad y son propensos al agrietamiento. Algunos aceros de alta aleación también tienden a presentar crecimiento de grano durante el calentamiento, lo que provoca sobrecalentamiento y quemaduras. Al forjar acero de alta aleación, hay que tener en cuenta las siguientes características:
1) Los defectos superficiales deben eliminarse antes de calentar el lingote para evitar que sigan agrandándose durante el calentamiento y la forja. Por lo general, los defectos superficiales pueden eliminarse mediante rectificado con muela, y en el caso de algunos tipos de acero, también son necesarios métodos como el torneado y el cepillado.
2) El calentamiento debe ajustarse estrictamente a las especificaciones de calentamiento. Dado que el acero de alta aleación tiene una conductividad térmica especialmente baja a bajas temperaturas y escasa plasticidad, debe calentarse lentamente durante las bajas temperaturas y las transiciones estructurales; a altas temperaturas, al haber aumentado la conductividad térmica y la plasticidad, puede calentarse rápidamente.
3) Controlar estrictamente el intervalo de temperaturas de forja. La temperatura inicial de forja del acero de alta aleación suele ser inferior a la del acero estructural al carbono, y la temperatura final de forja es superior a la del acero estructural al carbono. El rango seleccionable de temperatura de forja para el acero al carbono general es de 350 a 400°C, mientras que para algunos aceros de alta aleación, es sólo de 100 a 200°C.
Por lo tanto, el intervalo de temperaturas de forja del acero de alta aleación es relativamente pequeño, y las acciones durante la forja deben ser rápidas. No forjar nunca por debajo de la temperatura final de forja para evitar grietas. Para controlar con precisión la temperatura final de forja, utilice un medidor de alta temperatura para medirla en cualquier momento.
4) La estructura de fundición del acero de alta aleación presenta cristales columnares severos y escasa plasticidad a altas temperaturas. Por lo tanto, al empezar a forjar los lingotes de acero, debe utilizarse un martilleo ligero y rápido, seguido de golpes fuertes para romper los carburos gruesos y los cristales columnares, mejorando la plasticidad; la forja ligera debe realizarse de nuevo cerca de la temperatura final de forja.
5) Cuando se elonga acero de alta aleación, debe alimentarse uniformemente, comenzando por el extremo del lingote, controlando cada golpe de forja para avanzar de 3/5 a 4/5 del ancho del yunque; debe practicarse la alimentación y el giro frecuentes, evitando la forja repetida en un mismo lugar. Si la cantidad de alimentación varía, causará una deformación desigual y producirá fácilmente grietas.
6) La distribución de los carburos de red en el acero de alta aleación es extremadamente desigual, y los granos son gruesos, por lo que deben utilizarse equipos de forja de gran tonelaje y una mayor relación de forja, y deben aplicarse los métodos de forja de recalcado y alargado alternativamente para refinar y distribuir uniformemente los carburos.
7) Cuando aparecen grietas durante el proceso de forja, deben eliminarse rápidamente para evitar que sigan expandiéndose. Si las grietas son graves, la forja debe detenerse inmediatamente.
8) Cuando se elongan tochos de acero de alta aleación en un yunque plano, el núcleo suele desgarrarse. Por ello, el tocho puede alargarse en un yunque inferior en forma de V y en matrices superior e inferior (forja por caída) para que el núcleo pase de estar bajo tensión a estar bajo compresión.
9) Cuando se punzonan tochos de acero de alta aleación, para evitar que se agrieten las paredes del agujero, el punzón debe precalentarse primero a unos 300°C.
10) Los aceros de alta aleación deben enfriarse lentamente después de la forja.
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