Influencia del Forjado en la Estructura Metalográfica y las Propiedades de las Piezas Forjadas

Influencia del Forjado en la Estructura Metalográfica y las Propiedades de las Piezas Forjadas

1. Influencia del forjado en la estructura metalográfica y las propiedades

En el proceso de forjado, además de garantizar la forma y las dimensiones requeridas de la pieza, también es necesario cumplir con los requisitos de rendimiento, que incluyen: indicadores de resistencia, ductilidad, tenacidad al impacto, resistencia a la fatiga, límite de fluencia, resistencia a la corrosión bajo tensión, etc. Para las piezas que trabajan a altas temperaturas, también son importantes la resistencia a la tracción a corto plazo a alta temperatura, la resistencia a largo plazo, la resistencia a la fluencia y la resistencia a la fatiga térmica.

Las materias primas para el forjado son lingotes, productos laminados, productos extruidos y piezas forjadas en bruto, siendo los productos laminados, extruidos y forjados en bruto productos semiacabados formados a partir de lingotes mediante laminación, extrusión y forjado. En el proceso de forjado, mediante el uso de una tecnología y parámetros tecnológicos racionales, se puede mejorar la estructura y las propiedades del material de partida de las siguientes maneras:

1. Rotura de los cristales columnares: Mejora de la segregación macroscópica, transformación de la estructura de fundición en estructura forjada y, a la temperatura y tensión adecuadas, soldadura de los poros internos, aumentando la densidad del material.
2. Formación de una estructura fibrosa: El lingote, después del forjado, adquiere una estructura fibrosa, que luego se distribuye racionalmente en la pieza forjada mediante laminación, extrusión y estampado.
3. Control del tamaño y la uniformidad del grano.
4. Mejora de la distribución de la segunda fase (por ejemplo, los carburos aleados en el acero aleado).
5. Endurecimiento de la estructura por deformación.

Gracias a las mejoras estructurales mencionadas anteriormente, se mejoran la ductilidad, la tenacidad al impacto, la resistencia a la fatiga, la resistencia a largo plazo y otras propiedades de la pieza forjada. El tratamiento térmico posterior permite obtener la dureza, resistencia, ductilidad y otras propiedades requeridas.

Sin embargo, si la calidad de la materia prima es deficiente o la tecnología de forjado utilizada no es racional, pueden producirse defectos en la pieza forjada, incluyendo defectos superficiales, defectos internos o propiedades no conformes.

2. Influencia de la materia prima en la calidad de la pieza forjada

La buena calidad de la materia prima es un requisito previo para garantizar la calidad de la pieza forjada. Los defectos en la materia prima afectan al proceso de conformado y a la calidad final de la pieza forjada.

Por ejemplo, si la composición química de la materia prima está fuera de las normas especificadas o el contenido de impurezas es demasiado alto, esto puede afectar significativamente al conformado y la calidad de la pieza forjada. Por ejemplo, elementos como S, B, Cu, Sn forman fácilmente fases de bajo punto de fusión, lo que hace que la pieza forjada sea propensa a la fragilidad en caliente. Para obtener acero de grano fino, el contenido de aluminio residual en el acero debe controlarse dentro de ciertos límites, por ejemplo, 0,02-0,04 % (en masa). Si el contenido de aluminio es demasiado bajo, no puede evitar el crecimiento del grano, lo que a menudo conduce a un tamaño de grano no conforme en la pieza forjada. Si el contenido de aluminio es demasiado alto, durante el procesamiento a presión en condiciones de formación de estructura fibrosa, se forman fácilmente fracturas dendríticas y fracturas laminares. Del mismo modo, en el acero inoxidable austenítico, cuanto mayor sea el contenido de Si, Al, Mo, mayor será la fase ferrítica, más fácil será que se formen grietas longitudinales durante el forjado y mayor será la probabilidad de que la pieza se magnetice.

Si la materia prima presenta defectos como rechupes, ampollas subcutáneas, segregación severa de carburos, inclusiones no metálicas gruesas (inclusiones de escoria), es fácil que se produzcan grietas en la pieza forjada durante el forjado. Los defectos de la materia prima, como la estructura dendrítica, la alta porosidad, las inclusiones no metálicas, las manchas blancas, las películas de óxido, las bandas de segregación y la mezcla de metales extraños, pueden provocar fácilmente una disminución de las propiedades de la pieza forjada. Las grietas superficiales, los pliegues, las marcas de pinza, los anillos de grano grueso y otros defectos de la materia prima pueden provocar fácilmente grietas superficiales en la pieza forjada.

3. Influencia del proceso de forjado en la calidad de la pieza forjada

El proceso de forjado suele constar de las siguientes operaciones: corte, calentamiento, conformado, enfriamiento después del forjado, decapado y tratamiento térmico después del forjado. Una tecnología de forjado inadecuada puede provocar una serie de defectos en la pieza forjada.

Calentamiento: incluye la temperatura de carga, la temperatura de calentamiento, la velocidad de calentamiento, el tiempo de mantenimiento, la composición de la atmósfera del horno, etc. Un calentamiento inadecuado, por ejemplo, una temperatura de calentamiento demasiado alta y un tiempo de calentamiento demasiado largo, provocará defectos como la descarburación, el sobrecalentamiento, la quemadura, etc.

Para piezas en bruto con un gran tamaño de sección transversal, mala conductividad térmica y baja ductilidad, si la velocidad de calentamiento es demasiado rápida y el tiempo de mantenimiento es demasiado corto, la distribución de la temperatura suele ser desigual, lo que provoca tensiones térmicas y el agrietamiento de la pieza en bruto.

Conformado: incluye el método de deformación, el grado de deformación, la temperatura de deformación, la velocidad de deformación, el estado de tensión, el estado de la herramienta y el utillaje, las condiciones de lubricación, etc. Una tecnología de conformado inadecuada puede provocar defectos como grano grueso, grano no uniforme, diversas grietas, pliegues, rebabas, flujos turbulentos, estructura de fundición residual, etc.

Enfriamiento después del forjado: Una tecnología de enfriamiento inadecuada puede provocar defectos como grietas de enfriamiento, manchas blancas, carburos reticulares, etc.

4. Influencia de la estructura de la pieza forjada en la estructura y las propiedades después del tratamiento térmico final

Los defectos estructurales que se producen durante el forjado de aceros inoxidables austeníticos y ferríticos resistentes al calor, superaleaciones, aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio y otros materiales que no presentan transformaciones polimórficas durante el calentamiento y el enfriamiento, así como algunas aleaciones de cobre y titanio, no pueden eliminarse mediante tratamiento térmico.

En los materiales que presentan transformaciones polimórficas durante el calentamiento y el enfriamiento, como los aceros estructurales y los aceros inoxidables martensíticos, algunos defectos estructurales causados por una tecnología de forjado inadecuada o algunos defectos heredados de la materia prima tienen una gran influencia en la calidad de la pieza forjada después del tratamiento térmico.

Ejemplos:

1. Algunos defectos estructurales de la pieza forjada pueden eliminarse mediante tratamiento térmico después del forjado, y la pieza forjada después del tratamiento térmico final puede seguir teniendo una estructura y propiedades satisfactorias. Por ejemplo, el grano grueso y la estructura de Widmanstätten en piezas forjadas de acero estructural con sobrecalentamiento normal, los carburos reticulares leves en acero hipereutectoide y acero para rodamientos causados por un enfriamiento inadecuado.
2. Algunos defectos estructurales de la pieza forjada son difíciles de eliminar mediante un tratamiento térmico normal, y para su eliminación se requieren medidas como el recocido a alta temperatura, el recocido repetido, la descomposición a baja temperatura, el recocido de difusión a alta temperatura, etc.
3. Algunos defectos estructurales de la pieza forjada no pueden eliminarse mediante los procesos de tratamiento térmico convencionales, lo que provoca una disminución de las propiedades de la pieza forjada después del tratamiento térmico final e incluso su no conformidad. Por ejemplo, las fracturas pétreas y facetadas pronunciadas, la quemadura, las bandas de ferrita en el acero inoxidable, la red de carburos y las bandas en el acero para herramientas de alta aleación con carburos.
4. Algunos defectos estructurales de la pieza forjada se desarrollan aún más durante el tratamiento térmico final e incluso provocan grietas. Por ejemplo, la estructura de grano grueso en piezas forjadas de acero estructural aleado, si no se elimina mediante tratamiento térmico después del forjado, a menudo conduce a martensita gruesa y propiedades no conformes después de la cementación y el temple; los carburos en banda gruesos en el acero rápido a menudo provocan grietas durante el temple.

Los diferentes métodos de conformado, debido a sus diferentes condiciones de carga y características de tensión-deformación, pueden dar lugar a diferentes defectos principales. Por ejemplo, el defecto principal en el recalcado de piezas en bruto es la formación de grietas longitudinales o de 45° en la superficie lateral, mientras que en el recalcado de lingotes, la estructura de fundición a menudo permanece en los extremos superior e inferior; los defectos principales en la estirado de piezas en bruto de sección rectangular son las grietas transversales en la superficie y las grietas en las esquinas, las grietas diagonales internas y las grietas transversales; los defectos principales en el estampado abierto son el llenado incompleto, los pliegues y los desplazamientos.

Los diferentes tipos de materiales, debido a sus diferentes composiciones y estructuras, tienen diferentes cambios estructurales y comportamiento mecánico durante el calentamiento, el forjado y el enfriamiento, por lo que una tecnología de forjado inadecuada puede dar lugar a defectos específicos. Por ejemplo, los defectos de las piezas forjadas de acero para herramientas de alta aleación con carburos son principalmente el grano grueso de los carburos, su distribución desigual y las grietas; los defectos de las piezas forjadas de superaleaciones son principalmente el grano grueso y las grietas; los defectos de las piezas forjadas de acero inoxidable austenítico son principalmente el agotamiento de cromo en los límites de grano, la disminución de la resistencia a la corrosión intergranular, la estructura en banda de ferrita y las grietas; los defectos de las piezas forjadas de aleación de aluminio son principalmente el grano grueso, los pliegues, los flujos turbulentos y las rebabas.