Processo de matriz aberta versus matriz fechada e comparação de qualidade de forjados de liga de níquel

O forjamento molda o metal quente, e a maneira como ele é comprimido molda a qualidade da peça. Ligas de níquel comoLiga 625, Monel 400, Liga C-276, eLiga 718acrescentam um desafio: permanecem fortes a altas temperaturas, por isso resistem à formação e têm uma faixa estreita de temperaturas onde podem ser trabalhados com segurança.

Este guia compara as duas principais rotas de forjamento, matriz aberta e matriz fechada, em termos de processo, qualidade, custo e inspeção, com a conclusão primeiro em cada seção e o raciocínio depois. Os números citados provêm de dados e especificações publicados do produtor; sempre confirme os valores em relação às especificações atuais e aos procedimentos do seu fornecedor.

Principais conclusões

• O forjamento em matriz aberta molda o metal entre matrizes planas ou simples por meio de golpes repetidos, de modo que se adapta a peças grandes, pesadas ou de baixo volume. O forjamento em matriz fechada comprime o metal em cavidades moldadas da matriz, de modo que se adapta a formatos repetíveis e quase perfeitos.
• As ligas de níquel resistem à deformação à temperatura de trabalho a quente e devem ser trabalhadas em uma janela definida: por exemplo, a liga 625 é trabalhada a quente a 1650–2150 graus F (900–1177 graus), com trabalho pesado o mais próximo possível do topo dessa faixa.
• O forjamento em matriz fechada proporciona formas mais estreitas, fluxo de grãos mais adequado e menos usinagem; em um exemplo publicado, um forjamento de matriz fechada quase final evitou cerca de 30% do volume de uma panqueca de matriz aberta, uma diferença que vale cerca de 10-20% do custo do artigo ou mais para ligas caras à base de níquel.
• O forjamento em matriz aberta proporciona uma estrutura profunda e bem trabalhada em grandes seções sem ferramentas dedicadas, mas deixa mais material para usinar.
• Nenhuma das rotas é automaticamente melhor: a qualidade depende do controle de temperatura, redução, tratamento térmico e inspeção. Especifique as propriedades e os testes necessários, não apenas o nome do processo.
• ASTM B564 é a principal especificação para peças forjadas de liga de níquel e suas propriedades mínimas dependem da liga, da condição e do tamanho da seção.

Qual é a diferença entre forjamento em matriz aberta e em matriz fechada?

No forjamento em matriz aberta, o metal aquecido é deformado entre matrizes planas ou de formato simples que nunca o envolvem totalmente; no forjamento em matriz fechada, o metal é prensado em cavidades de matriz de formato preciso que dão forma à peça.

O forjamento em matriz aberta funciona como um ferreiro com uma prensa muito grande: a peça de trabalho é comprimida, esticada e girada entre golpes para retirá-la, virá-la ou transformá-la em eixos, discos, blocos e anéis. A forma final depende da habilidade do operador e de uma sequência planejada de etapas. O forjamento em matriz fechada, também chamado de forjamento em matriz de impressão, usa um par de matrizes combinado com o formato da peça cortado nelas. O metal flui para preencher a cavidade, com uma pequena quantidade de excesso espremido como rebarba que é aparada. Uma terceira rota, a laminação de anéis, expande um disco perfurado em um anel sem costura e é frequentemente agrupada com forjamento em matriz aberta para flanges e revestimentos.

Por que as ligas de níquel são mais difíceis de forjar do que o aço?

As ligas de níquel são mais difíceis de forjar porque mantêm alta resistência em temperaturas de trabalho a quente, o que significa que é necessária mais força, e porque têm uma janela estreita de temperatura segura onde trabalhar muito frio pode causar rachaduras e trabalhar muito quente pode danificar o metal.

A liga 625 foi projetada para reter resistência em altas temperaturas, por isso o produtor observa que ela resiste à deformação quando quente e precisa de equipamentos adequadamente potentes. Monel 400, por outro lado, é descrito como mais macio do que muitos aços quando quente, mas pode ser permanentemente danificado se aquecido acima de 2.150 graus F (1.175 graus).

Superligas como a Liga 718 têm uma janela ainda mais restrita, onde as temperaturas de forjamento relatadas ficam em torno de 950-1.050 graus, porque suas fases de reforço e tamanho de grão respondem acentuadamente à temperatura e à taxa de deformação. Em temperaturas mais baixas, a tensão de fluxo aumenta rapidamente, razão pela qual os métodos publicados estabelecem uma temperatura inicial mínima para forjar peças brutas.

Devido a esses limites, o forjamento de liga de níquel depende de controle preciso do forno, transferência rápida, reaquecimento quando a peça esfria e, para algumas classes de alta resistência, matrizes aquecidas ou isotérmicas que mantêm o metal e a matriz em temperaturas semelhantes. O combustível e os lubrificantes do forno devem ter baixo teor de enxofre, uma vez que o enxofre pode fragilizar as ligas de níquel em altas temperaturas.

Como o forjamento em matriz aberta e em matriz fechada se comparam nas principais dimensões?

O forjamento em matriz aberta oferece flexibilidade para peças grandes e de baixo volume com poucas ferramentas, enquanto o forjamento em matriz fechada oferece repetibilidade, formatos mais próximos e menos usinagem para volumes médios a altos.

Qual processo proporciona melhor fluxo de grãos e propriedades mecânicas?

O forjamento em matriz fechada geralmente proporciona um fluxo de grãos que segue o formato da peça e propriedades mais consistentes de peça para peça, enquanto o forjamento em matriz aberta proporciona uma estrutura forte e bem trabalhada em seções grandes; em ambos, as propriedades são controladas pela temperatura, redução e tratamento térmico mais do que pelo nome do processo.

O fluxo do grão é a direção na qual os grãos do metal são esticados durante o forjamento, semelhante ao grão de um pedaço de madeira. As peças são mais fortes e resistentes à fadiga quando o fluxo de grãos corre ao longo das cargas principais, em vez de serem cortados por usinagem. O forjamento em matriz fechada molda o fluxo ao redor do contorno da peça, de modo que recursos críticos como flanges e ressaltos obtenham fluxo contínuo. O forjamento em matriz aberta puxa e perturba o metal, o que refina a estrutura fundida grosseira em seções espessas, mas a usinagem de uma peça complexa a partir de um simples forjamento corta o fluxo.

O tratamento térmico redefine grande parte da estrutura das ligas resistentes à corrosão. ASTM B564 observa que o trabalho a quente ou o recozimento podem alterar as propriedades significativamente dependendo do histórico de trabalho e das temperaturas, e para a Liga 625 Grau 2 requer recozimento em solução a um mínimo de 2150 graus F (1177 graus) seguido por uma têmpera em água ou resfriamento rápido. Para ligas de endurecimento por precipitação como a Liga 718, o tamanho do grão é controlado através da temperatura de forjamento e da taxa de deformação, com métodos publicados atingindo grãos muito finos (ASTM 12–14) no forjamento isotérmico, que então se tornam grosseiros para cerca de ASTM 6–8 após um recozimento supersolvus. Esses são controles de nível aeroespacial, mas mostram como o processo e o tratamento térmico funcionam juntos.

Quanto de usinagem e material cada processo economiza ou desperdiça?

O forjamento em matriz fechada quase final desperdiça uma liga de níquel mais barata: em uma comparação publicada para um grande disco de turbina, o forjamento em matriz fechada quase final evitou cerca de 30% do volume da panqueca de matriz aberta, uma diferença que pode chegar a 10-20% ou mais do custo do artigo.

A comparação vem de uma patente que descreve grandes discos forjados a partir de superligas à base de níquel, onde uma panqueca plana de matriz aberta e um forjamento de matriz fechada quase final foram colocados sobre a peça usinada final. Ambos precisam de alguma usinagem final, mas a panqueca precisa de muito mais. Como as ligas de níquel custam muito mais por quilograma do que o aço, o material removido como cavacos representa um custo real, e o longo tempo de usinagem em ligas duras e endurecidas por trabalho aumenta esse custo. A economia é maior para peças complexas e grandes volumes, e menor para formas simples ou peças únicas.

Uma fórmula simples de equilíbrio

Quantidade de ponto de equilíbrio=custo/economia de ferramentas por peça

Exemplo com números hipotéticos: se um conjunto de ferramentas de matriz fechada custa US$ 60.000 e economiza US$ 150 por peça em material e usinagem, o ponto de equilíbrio é de cerca de 400 peças. Abaixo disso, o forjamento em matriz aberta pode ser mais barato; acima dele, o dado fechado vence. Substitua os números por cotações reais de sua parte.

Quais defeitos e riscos você deve observar em cada processo?

Os principais riscos são trabalhar fora da janela de temperatura (rachaduras ou superaquecimento), dobras e dobras, estrutura irregular dos grãos e contaminação por enxofre; a matriz fechada aumenta o desgaste da matriz e os riscos de preenchimento insuficiente, enquanto a matriz aberta adiciona estrutura grosseira ou irregular em zonas mal trabalhadas.

O que a ASTM B564 exige para peças forjadas de liga de níquel?

ASTM B564 cobre peças forjadas de muitas ligas de níquel, incluindo UNS N04400, N06625, N08825, N10276 e N06022, e define propriedades de tração mínimas que dependem da liga, condição de tratamento térmico e tamanho da seção.

B564 aplica qualquer rota de forjamento usada. As propriedades mínimas para peças forjadas recozidas ou recozidas em solução são mostradas abaixo como exemplos extraídos de cópias publicadas da especificação. Os valores variam de acordo com a edição e o tamanho da seção; por exemplo, peças forjadas recozidas em liga 625 de até 4 pol. (102 mm) devem atender a mínimos mais altos do que aquelas acima de 4 a 10 pol. (254 mm), o que reflete a dificuldade de trabalhar totalmente e tratar uniformemente seções espessas com calor. Verifique a edição atual para obter os requisitos exatos.

Outras especificações se aplicam a usos específicos: ASTM B637 cobre barras de liga de níquel endurecíveis por precipitação, peças forjadas e material forjado para serviços em temperaturas moderadas e altas, e ASTM B462 e ASME B16.5 referem-se a flanges e acessórios forjados. Os produtos aeroespaciais usam especificações AMS, como AMS 5662 e 5663 para Alloy 718.

Como comparar o custo e o prazo de entrega?

O forjamento em matriz aberta tem menor custo inicial e prazo de entrega mais curto porque precisa de poucas ferramentas específicas para peças, enquanto o forjamento em matriz fechada tem custo de ferramenta mais alto e prazo de entrega mais longo, mas menor custo por peça em volume.

As matrizes de matriz fechada devem ser projetadas, usinadas a partir de aço ferramenta para trabalho a quente ou, para forjamento isotérmico, ligas de matriz à base de níquel e comprovadas com forjamentos de teste. Esse investimento compensa quando são necessárias muitas peças idênticas. O forjamento em matriz aberta evita a etapa de ferramentaria e pode começar com tarugo ou lingote, mas cada peça precisa de mais usinagem. O custo total depende, portanto, da quantidade, tamanho, complexidade, preço da liga, custo de usinagem e risco de sucata. Solicite orçamentos que incluam subsídios de usinagem e testes para que a comparação seja no custo final.

Qual processo você deve escolher?

Escolha peças forjadas em matriz aberta ou laminadas em anel para peças grandes, simples ou de baixo volume, e peças forjadas em matriz fechada para peças repetíveis, complexas e quase líquidas em volume médio a alto; use métodos de matriz quente ou isotérmicos apenas para ligas de alta resistência que exigem controle rígido de grãos.

O que você deve especificar ao solicitar peças forjadas de liga de níquel?

Especifique a liga e o número UNS, a especificação do produto, a condição do tratamento térmico, o tamanho e a permissão de usinagem, as propriedades e testes necessários e a documentação, e indique quaisquer requisitos para o fluxo de grãos ou rota do processo, para que o fornecedor possa cotar o processo correto.

Liga e número UNS (por exemplo UNS N06625) e a especificação aplicável, como ASTM B564.

• Condição: recozido, recozido em solução ou envelhecido, e para Liga 625 se aplica Grau 1 ou Grau 2.
• Dimensões: desenho acabado, tolerância de usinagem e tamanho da seção, pois dele dependem as propriedades.
• Processo: matriz aberta, matriz fechada ou laminação anelar, ou o desempenho necessário, como direção do fluxo de grãos ou redução mínima.
• Teste: localização e direção do teste de tração, dureza, tamanho do grão, inspeção ultrassônica e por líquido penetrante e teste de corrosão onde o serviço exigir.
• Documentação: certificados de teste de moinho, registros de tratamento térmico, rastreabilidade ao calor e qualquer inspeção de terceiros.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre forjamento em matriz aberta e forjamento em matriz fechada?

O forjamento em matriz aberta deforma o metal entre matrizes planas ou simples que não o envolvem, adequando-se a peças grandes ou de baixo volume. O forjamento em matriz fechada pressiona o metal nas cavidades moldadas da matriz, proporcionando formas repetíveis e quase perfeitas.

Qual faixa de temperatura é usada para forjar o Inconel 625?

A faixa de trabalho a quente do produtor para a Liga 625 é de 1650–2150 graus F (900–1177 graus), com trabalho pesado o mais próximo possível de 2150 graus F.

Por que as ligas de níquel precisam de mais força de forjamento do que o aço?

Muitas ligas de níquel, especialmente a Liga 625, mantêm alta resistência em temperaturas de trabalho a quente, portanto resistem à deformação e precisam de prensas poderosas e controle cuidadoso de temperatura.

Qual processo proporciona melhor fluxo de grãos?

O forjamento em matriz fechada molda o fluxo dos grãos ao redor do contorno da peça e é repetível, enquanto o forjamento em matriz aberta refina a estrutura em seções grandes. As propriedades finais dependem da temperatura, redução e tratamento térmico.

Qual padrão cobre peças forjadas de liga de níquel?

ASTM B564 cobre peças forjadas de muitas ligas de níquel, incluindo N04400, N06625, N08825, N10276 e N06022, com propriedades mínimas por liga, condição e tamanho de seção. ASTM B637 abrange ligas endurecíveis por precipitação, como a Liga 718.

O forjamento em matriz fechada é sempre mais barato?

Não. Economiza material e usinagem por peça, mas precisa de matrizes. Geralmente é mais barato para volumes médios a altos e formas complexas, e a matriz aberta é geralmente mais barata para peças grandes ou de baixo volume.

O forjamento pode alterar a resistência à corrosão?

O forjamento e o tratamento térmico que se segue definem o tamanho do grão e a distribuição de fases, de modo que temperaturas ou resfriamento inadequados podem reduzir a resistência à corrosão. Especifique as condições necessárias e os testes de corrosão para serviços exigentes.