Forjamento vs. laminagem: As diferenças explicadas

A forja e a laminagem são duas técnicas fundamentais de processamento de metal que têm sido fundamentais para moldar o panorama do fabrico. Embora ambos os métodos envolvam a aplicação de força para remodelar o metal, diferem significativamente na sua abordagem, equipamento e impacto nas propriedades do material. Este artigo apresenta uma exploração aprofundada destes processos metalúrgicos críticos, das suas variações e das suas implicações na qualidade do produto e na eficiência do fabrico.

O forjamento, um processo que remonta aos tempos antigos, envolve a aplicação de forças de compressão localizadas para deformar plasticamente o metal numa forma desejada. Esta técnica pode ainda ser classificada em forjamento livre, em que o metal é moldado entre matrizes planas, e forjamento em matriz fechada, que utiliza cavidades de matriz especialmente concebidas para produzir geometrias mais complexas. Surgiram variações avançadas, como o forjamento de precisão e o forjamento quase em forma de rede, para minimizar o desperdício de material e as operações de maquinagem subsequentes.

A laminagem, por outro lado, é um processo contínuo ou semi-contínuo em que o metal é passado entre rolos rotativos para reduzir a sua área de secção transversal e obter as dimensões e propriedades desejadas. O processo pode ser classificado em laminagem plana, utilizada para produzir produtos em folha e em chapa, e laminagem de perfis, que cria várias formas estruturais. Também foram desenvolvidas técnicas especializadas, como a laminagem de anéis sem costura e a laminagem de roscas para fixadores, para satisfazer necessidades específicas da indústria.

Tanto o forjamento como a laminagem oferecem vantagens distintas em termos de propriedades do material e de capacidades de produção:

Forjamento:

• Melhora as propriedades mecânicas através do refinamento do grão e da melhoria da microestrutura
• Capaz de produzir formas complexas com geometrias internas
• Oferece excelentes relações resistência/peso em peças acabadas
• Adequado tanto para pequenos lotes como para grandes volumes de produção

Rolando:

• Proporciona um excelente controlo dimensional e acabamento superficial
• Altamente eficiente para produzir produtos longos e contínuos
• Permite um controlo preciso da espessura e largura do material
• Económica para a produção de grandes volumes de formas padronizadas

A escolha entre forjamento e laminagem depende de vários factores, incluindo a geometria da peça pretendida, o volume de produção, os requisitos das propriedades do material e considerações económicas. Por exemplo, o forjamento é frequentemente preferido para componentes críticos nas indústrias aeroespacial e automóvel, onde as propriedades mecânicas superiores são fundamentais. A laminagem, pelo contrário, é o processo de eleição para a produção de chapas metálicas, formas estruturais e carris, onde as propriedades consistentes da secção transversal são cruciais.

Os recentes avanços em ambas as técnicas expandiram ainda mais as suas capacidades e eficiência. As ferramentas de simulação e conceção assistidas por computador permitem agora otimizar as concepções de matrizes no forjamento e as sequências de passagem de rolos na laminagem, minimizando as abordagens de tentativa e erro. Além disso, a integração de automação e sensores levou a um melhor controlo do processo e garantia de qualidade em ambos os métodos.

À medida que a indústria transformadora continua a evoluir, a compreensão das nuances do forjamento e da laminagem torna-se cada vez mais importante para engenheiros, projectistas e profissionais da indústria. Aproveitando os pontos fortes de cada técnica e considerando o seu impacto nas propriedades do material, na qualidade do produto e na eficiência da produção, os fabricantes podem tomar decisões informadas para otimizar os seus processos metalúrgicos e manter uma vantagem competitiva no mercado global.

Rolamento

O que é rolar?

Método de processamento por pressão em que uma peça metálica em bruto é passada através do espaço entre um par de rolos rotativos com várias formas, fazendo com que a secção transversal do material diminua e o seu comprimento aumente em resultado da compressão dos rolos. Este método é a técnica de produção mais utilizada para o aço e é principalmente utilizado para produzir perfis, chapas e tubos.

Tipos de laminagem

De acordo com o movimento das peças laminadas, a laminagem pode ser dividida em laminagem longitudinal, laminagem transversal e laminagem oblíqua.

Llaminagem ongitudinal

O processo de laminagem longitudinal é um processo em que o metal passa entre dois rolos que rodam em direcções opostas e produz uma deformação plástica entre eles.

Laminagem cruzada

A direção do movimento da peça laminada após a deformação é consistente com a direção do eixo do rolo.

Rolagem oblíqua

A peça de rolamento move-se em espiral, a peça de rolamento e o eixo de rolamento não estão com um ângulo especial.

Vantagens

O processo de laminagem pode melhorar a qualidade do aço, destruindo a estrutura de fundição do aço. lingote de açoO processo de laminagem é um processo que permite obter uma estrutura de aço mais densa e melhorar as propriedades mecânicas, especialmente na direção de laminagem. Isto conduz a uma estrutura de aço mais densa e a propriedades mecânicas melhoradas, particularmente na direção de laminagem.

Além disso, a temperatura e a pressão elevadas durante a laminagem podem soldar quaisquer bolhas, fissuras ou folgas que possam ter-se formado durante a fundição.

Desvantagens

1. Delaminação após laminagem: O não metálico As inclusões (principalmente sulfuretos, óxidos e silicatos) no interior do aço são comprimidas em folhas finas, resultando no fenómeno de delaminação. Isto diminui muito as propriedades de tração do aço na direção da espessura e pode levar à rutura entre camadas durante a retração da soldadura. A deformação induzida pela retração da soldadura pode frequentemente ser várias vezes superior à deformação do ponto de escoamento, muito mais elevada do que a deformação causada pela carga.
2. Tensões residuais devidas a arrefecimento irregular: A tensão residual é tensão interna que está em auto-equilíbrio sem força externa. Os produtos de aço laminados a quente de várias secções transversais têm este tipo de tensão residualque tende a aumentar com o tamanho da secção transversal da viga. Embora a tensão residual seja de auto-equilíbrio, pode ainda assim ter impacto no desempenho do componente de aço quando sujeito a forças externas, afectando a sua deformação, estabilidade e resistência à fadiga.
3. Dimensões inexactas: Os produtos de aço laminados a quente são difíceis de controlar em termos de espessura e largura dos bordos. A expansão e contração térmicas durante o processo de arrefecimento podem resultar numa diferença entre o comprimento e a espessura iniciais e finais. Quanto maior for a diferença, mais espesso é o aço e mais evidente é a discrepância. Por conseguinte, não é possível ser demasiado preciso quanto à largura, espessura, comprimento, ângulos e linhas de arestas de grandes componentes de aço.

Forjamento e prensagem

O forjamento é um processo sofisticado de conformação de metais que utiliza equipamento especializado de forjamento e prensagem para aplicar pressão controlada em biletes metálicos, induzindo a deformação plástica e produzindo peças forjadas com propriedades mecânicas e geometrias precisas. Esta técnica de fabrico avançada não só elimina os defeitos de fundição inerentes, como também optimiza a microestrutura do metal durante o processo de conformação.

A preservação de linhas de fluxo contínuo de metal durante o forjamento resulta em propriedades mecânicas superiores em comparação com as peças fundidas do mesmo material. Esta vantagem intrínseca torna as peças forjadas a escolha preferida para componentes críticos sujeitos a cargas elevadas e condições de funcionamento difíceis, bem como para geometrias mais simples que poderiam, em alternativa, ser fabricadas a partir de chapa laminada, perfis extrudidos ou conjuntos soldados.

Tipos de forjamento

Os processos de forjamento podem ser classificados em três tipos principais:

1. Forjamento livre: Este método utiliza impacto ou pressão contínua para deformar o metal entre uma matriz superior e uma matriz inferior (bigorna) para obter a forma desejada. Engloba tanto as operações de forjamento manual como as operações de forjamento mecanizado.
2. Forjamento de matrizes: Esta categoria inclui o forjamento com matriz aberta e o forjamento com matriz de impressão. A peça de metal é comprimida e deformada dentro de uma cavidade de matriz de geometria específica para produzir peças forjadas. As variações avançadas incluem o encabeçamento a frio, o forjamento em rolo, o forjamento radial e a extrusão de precisão.
3. Forjamento de matriz sem flash e Upsetting de matriz fechada: Estas técnicas de precisão eliminam a formação de flash, resultando em taxas de utilização de material excecionalmente elevadas. As peças forjadas complexas podem ser produzidas em operações de fase única ou múltipla, com áreas de suporte de força reduzidas que minimizam as cargas necessárias. No entanto, estes métodos exigem um controlo preciso do volume da peça, um posicionamento preciso da matriz e estratégias para reduzir o desgaste da matriz.

Principais características e vantagens

O forjamento oferece várias vantagens distintas em relação à fundição:

1. Microestrutura melhorada: O processo de forjamento melhora significativamente a estrutura e as propriedades mecânicas do metal. O trabalho a quente durante o forjamento deforma e recristaliza a estrutura como fundido, transformando dendritos grosseiros e grãos colunares numa estrutura recristalizada equiaxial refinada e uniforme.
2. Integridade estrutural: O forjamento compacta e "solda" eficazmente impurezas como zonas de segregação, porosidade e inclusões de escória, resultando numa estrutura mais densa com plasticidade e propriedades mecânicas melhoradas.
3. Propriedades mecânicas superiores: As peças forjadas apresentam consistentemente propriedades mecânicas mais elevadas em comparação com as peças fundidas com a mesma composição de material. Este facto é atribuído à preservação da orientação contínua das fibras metálicas e à eliminação de defeitos de fundição.
4. Continuidade do fluxo de fibras: O processo de forjamento assegura a continuidade da estrutura da fibra do metal, mantendo a consistência na forma do forjamento e preservando a integridade das linhas de fluxo do metal. Esta caraterística contribui para aumentar a resistência à fadiga e o desempenho geral do componente.
5. Precisão e desempenho: As técnicas avançadas, como o forjamento de precisão, a extrusão a frio e o forjamento isotérmico, podem produzir componentes com propriedades mecânicas excepcionais, precisão dimensional e vida útil prolongada - características que são inatingíveis através dos métodos de fundição convencionais.

Forganização vs Rrolamento

(1) As peças forjadas apresentam uma consistência superior das propriedades mecânicas nas direcções axial e radial em comparação com os produtos laminados. Esta isotropia melhorada traduz-se numa melhoria significativa da resistência à fadiga e da longevidade global. A uniformidade microestrutural das peças forjadas resulta num desempenho mais previsível e fiável em condições de tensão variáveis.

A figura abaixo ilustra a distribuição metalográfica dos carbonetos eutécticos ao longo de diferentes orientações numa chapa laminada de Cr12MoV, realçando a natureza anisotrópica dos produtos laminados.

(2) No que respeita à eficácia da deformação, o forjamento confere um grau substancialmente mais elevado de deformação plástica do que a laminagem. Esta deformação intensificada é particularmente eficaz na quebra e redistribuição dos carbonetos eutécticos, conduzindo a uma microestrutura mais refinada e homogénea. A deformação plástica severa durante o forjamento também contribui para o refinamento do grão e a eliminação de porosidades, melhorando ainda mais as propriedades do material.

(3) Embora o forjamento implique geralmente custos de transformação mais elevados do que a laminagem, o investimento justifica-se frequentemente para componentes críticos. A forja é indispensável para:
- Peças resistentes a cargas elevadas ou a impactos
- Componentes com geometrias complexas
- Aplicações que exigem propriedades mecânicas rigorosas ou precisão dimensional

As propriedades mecânicas superiores e a integridade microestrutural das peças forjadas resultam frequentemente numa vida útil prolongada e numa maior fiabilidade, compensando potencialmente o custo inicial mais elevado através da redução das frequências de manutenção e substituição.

(4) As peças forjadas são caracterizadas por linhas de fluxo de metal contínuas e ininterruptas que se adaptam à geometria da peça. Este fluxo contínuo de grão aumenta significativamente a resistência do componente, particularmente em áreas sujeitas a elevadas concentrações de tensão.

Em contrapartida, as operações de maquinagem efectuadas em produtos laminados podem perturbar estas linhas de fluxo, criando potenciais pontos de concentração de tensões e reduzindo a vida útil global à fadiga da peça de trabalho. Isto é particularmente crítico em aplicações que envolvem cargas cíclicas ou tensões de impacto.

A imagem abaixo ilustra comparativamente as linhas de fluxo de metal em peças fundidas, maquinadas e forjadas, enfatizando a continuidade superior da estrutura do grão em componentes forjados.