¿Qué es el forjado de aluminio? - Una guía de 360° sobre el proceso, las ventajas y las aplicaciones

Los materiales y los procesos son conceptos importantes que se observan en el dinámico mundo de la fabricación moderna y que contribuyen al rendimiento, la eficiencia y la sostenibilidad de los productos. El aluminio es uno de los metales más comunes y versátiles hoy en día debido a su resistencia, ligereza, resistencia a la corrosión y capacidad de reciclaje, entre otras cosas. El aluminio se ha apoderado de innumerables industrias, como la aeroespacial y la automovilística, la electrificación de consumo y los artículos deportivos, entre otras.

La forja es uno de los mejores métodos para hacer que el aluminio obtenga el máximo partido de sus características naturales. La forja en tochos produce tochos de aluminio macizo a los que se da forma mediante una fuerza de compresión controlada para fabricar componentes de alta resistencia en un proceso de experiencia conocido como forja del aluminio. En comparación con la fundición, en la que el metal fundido se vierte en un molde, en la forja no se funde ningún metal, sino que se presiona el metal sólido, lo que mejora su estructura de grano y aumenta sus propiedades mecánicas y su fiabilidad en condiciones de trabajo duras.

Debido a la gran demanda de las industrias en busca de materiales ligeros pero resistentes para su uso en aplicaciones de gama alta, la forja de aluminio sigue siendo vital. No importa lo que necesite, ya sea parte de un motor a reacción, el brazo de suspensión de un coche o un cuadro de bicicleta de alto rendimiento, por nombrar sólo algunos ejemplos, el aluminio forjado es incomparablemente robusto y preciso. Se trata de un artículo completo sobre la forja del aluminio que incluye su definición, historia y aspectos técnicos, así como los tipos, ventajas y puntos débiles de este mismo proceso y sus aplicaciones prácticas.

Sea usted ingeniero, fabricante, diseñador gráfico o, simplemente, un lector curioso, podrá enterarse de lo mucho que se habla del proceso de forja del aluminio y de por qué es importante recordar que la evolución ulterior de la ingeniería de materiales y de la fabricación industrial puede estar asociada a la calidad de este proceso.

¿Qué es la forja del aluminio?

Forja del aluminio La forja del aluminio es un proceso de fabricación en el que tochos sólidos de aluminio o aleaciones de aluminio son forzados a adoptar la forma deseada mediante fuerzas de compresión, generalmente aplicadas por prensas mecánicas o hidráulicas. Esta deformación se realiza en el lado del metal cuando está en su forma sólida donde en la mayoría de los casos se lleva a cabo a altas temperaturas aunque por debajo de la temperatura del momento de fusión del metal para aumentar su propiedad de ductilidad y también minimizar la cantidad de fuerza aplicada.

A diferencia de la fundición (en la que el aluminio fundido se vierte en un molde), la estructura interna del grano del metal se mejora con la forja. Los granos se reorganizan a lo largo de la dirección de la deformación y las regiones resultantes tienen mejores propiedades mecánicas:

• Mayor resistencia
• Mayor resistencia a la fatiga
• Mayor resistencia
• Mayor estabilidad dimensional

La forja es una solución mejor cuando la resistencia, la durabilidad y la fiabilidad son requisitos esenciales de los componentes, como ocurre en la fabricación de equipos aeroespaciales, de automoción, militares e industriales.

Antecedentes históricos de la forja

La forja es uno de los métodos más antiguos de trabajar el metal que conoce el ser humano con su duración de más de 6000 años. Los herreros de las civilizaciones antiguas, Mesopotamia, Egipto, India y China, sólo disponían de herramientas sencillas y estas herramientas eran principalmente los martillos y los yunques que se utilizaban para calentar y fundir posteriormente metales como el bronce, el cobre y el hierro. Los herreros de esta primera época fabricaron los productos básicos como el uso de herramientas, armas, aperos de labranza y armaduras, que fue el punto de partida de la metalurgia como producto importante de la humanidad.

Las técnicas de forja mejoraron a medida que mejoraban las sociedades. La forja se hizo más elaborada en el periodo Clásico y el Medievo, y se desarrollaron herramientas especializadas. Los herreros desempeñaban un papel clave en las ciudades y pueblos en la fabricación de herraduras, espadas y muchos otros productos. En la Edad Media aparecieron los martillos hidráulicos, que mejoraron enormemente la eficacia del proceso de forja.

Un punto de inflexión fue el periodo de la Revolución Industrial de los siglos XVIII y XIX. Las piezas forjadas empezaron a fabricarse en serie utilizando mecanismos como martillos de vapor, prensas hidráulicas y martillos mecánicos. Durante este periodo también se introdujeron herramientas más exactas y un mayor control del proceso, lo que condujo al desarrollo de la forja moderna.

El aluminio apareció más tarde, en el siglo XIX, pero al principio se consideró un metal de lujo por su escasez. Sin embargo, cuando se desarrolló la extracción económica del aluminio (con el descubrimiento del proceso Hall-Hroult en 1886), se abrió el camino para su adopción en forja. Hoy en día, la forja del aluminio es una operación muy sofisticada que incluye un control exacto del calor y matrices fresadas por CNC, así como prensas totalmente automáticas que crean piezas superligeras y resistentes en las industrias aeroespacial, automovilística y de defensa, entre otras.

¿Por qué aluminio? - Ventajas del material

El aluminio es el metal preferido para la forja porque ofrece:

• Ligero: Un tercio del peso del acero, perfecto para diseños de bajo consumo
• Resistencia a la corrosión: Forma naturalmente una capa de óxido
• Elevada relación resistencia/peso: Ideal para la industria aeroespacial y del automóvil
• No magnético y sin chispas: Útil en aplicaciones sensibles
• Reciclabilidad: Totalmente reciclable sin pérdida de propiedades

Estas propiedades, combinadas con los efectos reforzantes del forjado, hacen que el aluminio sea ideal para componentes de rendimiento crítico.

Cómo funciona la forja del aluminio

Forja del aluminio La forja del aluminio utiliza fuerzas de compresión intensas ejercidas por una prensa mecánica o hidráulica para moldear tochos de aluminio macizo con formas precisas. El principio más importante es la deformación plástica, ya que el aluminio se presiona para que fluya y adopte la forma de una matriz o utillaje sin agrietarse ni romperse. Esta deformación reorganiza y afina la estructura de grano del metal reforzándolo considerablemente, aumentando su tenacidad y su límite de fatiga.

Esto suele hacerse calentando el tocho de aluminio por encima de su punto de fusión (normalmente entre 375 o C y 500 o C), lo que se conoce como forja en caliente. Esto disminuye la resistencia del metal a deformarse y permite que los materiales fluyan más libremente y se moldeen con formas más intrincadas. La forja en caliente o en frío puede utilizarse en piezas más pequeñas y complicadas o con tolerancias menores.

A continuación, el tocho se calienta a la temperatura deseada, tras lo cual se le colocan dos matrices y se empuja con fuerza extrema para darle la forma deseada. A continuación se mecaniza un componente forjado para eliminar el material sobrante y posteriormente se le aplica un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades mecánicas. Otros procesos finales pueden consistir en el mecanizado, el acabado y la inspección para lograr la precisión, el aspecto y el rendimiento deseados. El resultado es que con este material se fabrica una pieza de aluminio de alta resistencia que se consigue con mayor fiabilidad en las aplicaciones más exigentes.

Tipos de procesos de forja del aluminio

Forja con matriz abierta

También llamado forja de herrero, este método consiste en deformar el aluminio entre matrices planas. Permite formas grandes y sencillas, como barras, anillos o ejes.

• Lo mejor para la producción de bajo volumen
• Flexibilidad de tamaño y forma
• Utilizado en la industria aeroespacial y de maquinaria pesada

Forja en coquilla

La forja con matriz cerrada o matriz de impresión utiliza dos matrices con una cavidad preformada que comprimen el metal hasta darle la forma final.

• Producción de gran volumen
• Ideal para geometrías complejas
• Ofrece dimensiones precisas y un desperdicio mínimo

Forja de anillos laminados

Aquí, una preforma con forma de donut se gira y se aprieta entre rodillos para formar anillos.

• Se utiliza en rodamientos, engranajes y aplicaciones aeroespaciales
• Excelente resistencia en dirección radial y axial

Diferencias clave entre la forja y otros métodos de trabajo del metal

Cuadro 1 Principales diferencias entre la forja y otros métodos de trabajo del metal

La forja ofrece los resultados más óptimos en cuanto a propiedades mecánicas, por lo que es aplicable en ámbitos en los que es necesario construir piezas que pueden desempeñar funciones cruciales, como la construcción de componentes aeronáuticos o sistemas de suspensión de automóviles, entre otros.

Aleaciones de aluminio utilizadas habitualmente en forja

No todos los grados de aluminio son forjables. Las aleaciones de forja más utilizadas son:

6061

• Muy común
• Fácil de forjar y mecanizar
• Se utiliza en piezas estructurales y de automoción

7075

• Extremadamente fuerte
• Menos resistente a la corrosión
• Ideal para el sector aeroespacial y de defensa

2014/2024

• Alta resistencia
• Excelente resistencia a la fatiga
• Se utiliza en aeronaves y maquinaria industrial

Cada aleación tiene características únicas que deben ajustarse a las necesidades de la aplicación.

Proceso de forja del aluminio paso a paso

El proceso de forja que implica el uso de aluminio es una serie de operaciones cuidadosamente coordinadas que tienen por objeto mejorar la resistencia, la durabilidad y el rendimiento del material. A continuación se describen los distintos pasos que intervienen en la forja de piezas de aluminio:

Fase 1: Preparación de la palanquilla.

El procedimiento se inicia con la selección del tocho de aluminio deseado con la aleación adecuada y las especificaciones de la pieza. A continuación, estos tochos se cortan en la longitud necesaria y se hornean a temperaturas de forja, normalmente entre 375 y 500 o C, según la aleación. El precalentamiento aumenta la ductilidad y también minimiza la resistencia a la deformación en el forjado.

Paso 2: Configuración del troquel

La prensa mecánica o hidráulica recibe matrices de forja que son de acero templado. Todas las matrices, tanto la superior como la inferior, se precalientan para que la distribución de temperaturas sea uniforme y la posibilidad de choque térmico o agrietamiento debido al prensado sea mínima.

En el paso 3: Forja

El tocho caliente se introduce entre las matrices y se ejerce una gran presión para moldear el aluminio con la forma requerida. Esto puede implicar numerosos golpes o golpes, en el caso de geometrías complicadas. Los granos fluyen según la forma gracias a la mejora de la resistencia mecánica.

Paso 4: Recorte

Una vez forjado el material, se puede recortar el material sobrante con matrices de recorte u otras máquinas mecánicas. Esto garantiza un perfil de pieza definido y limpio.

Paso 5: Calentamiento

Incluyen la parte forjada de propiedades mecánicas como la dureza, la resistencia y la tenacidad mediante procesos de tratamiento térmico de disolución, temple y envejecimiento.

Paso 6: Acabado

Para mejorar la calidad, el aspecto o la resistencia de la superficie a la corrosión, se recurre a acabados que pueden incluir el mecanizado o el chorreado de arena, el anodizado o la pintura.

Paso 7: Comprobación

A continuación, el producto final se somete a ensayos no destructivos (END), pruebas de dureza y mediciones de todas las dimensiones para garantizar que el producto cumple todos los requisitos establecidos en términos de rendimiento y calidad antes de su entrega.

Tratamiento térmico en la forja de aluminio

Un procedimiento de seguimiento esencial durante el procesamiento de productos de aluminio es el tratamiento térmico, que también se emplea para mejorar las características mecánicas de ese material, incluidas la dureza, la ductilidad, la resistencia a la tracción y la resistencia a la fatiga. En este procesamiento térmico, se realiza un tratamiento regulado de calentamiento y enfriamiento para que la microestructura del aluminio forjado pueda alterarse en un intento de ajustarse a determinadas necesidades de rendimiento.

1. Tratamiento térmico Hisa-Solution (SHT)

Durante este paso, el componente de aluminio falsificado se introduce en un horno y se calienta a una cierta temperatura elevada que oscila entre 460oC y 540oC dependiendo de la aleación. Esto permite la inclusión de elementos de aleación que pueden ser solubles en la matriz de aluminio (como magnesio, silicio, cobre o zinc). Esta temperatura se mantiene en la pieza y se toma un tiempo preestablecido para lograr la máxima solubilidad.

2. Enfriamiento

El tratamiento térmico en solución lleva a cabo el curado térmico de forma controlada y rápida, después la pieza se enfría rápidamente mediante inmersión en agua fría o en una solución polimérica, con el fin de atrapar los elementos disueltos en esa posición. Esta congelación rápida evita la precipitación de los elementos y sirve para mantener en el lugar una solución sólida sobresaturada requerida por el envejecimiento.

3. Envejecimiento

El último paso es el proceso de envejecimiento, que puede ser natural (temperatura ambiente) o artificial (temperatura elevada). El proceso de envejecimiento hace que los elementos en solución precipiten de forma regulada, lo que mejora la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste de la pieza.

Los procesos de tratamiento térmico se planifican teniendo en cuenta la aleación específica y la finalidad de la aplicación del componente. Un tratamiento térmico correcto no sólo mejora el rendimiento, sino que también aumenta la longevidad de las piezas de aluminio forjado expuestas a entornos adversos.

Acabado e inspección de superficies

Las piezas forjadas se mecanizan y acaban para cumplir exactamente los requisitos de diseño. Los tratamientos superficiales mejoran la estética y la resistencia a la corrosión.

Acabados comunes:

• Mecanizado CNC
• Pulido
• Anodizado
• Recubrimiento en polvo

Las inspecciones incluyen:

• Pruebas con rayos X o ultrasonidos
• Controles de tolerancia dimensional
• Pruebas de dureza y resistencia

Ventajas de la forja de aluminio

Son muchas las ventajas asociadas a la forja del aluminio, hasta el punto de que se ha convertido en un proceso de fabricación habitual en los sectores aeroespacial, automovilístico, de defensa y de maquinaria industrial. El aluminio, con sus cualidades intrínsecas combinadas con las ventajas de la forja mecánica, crea una pieza resistente y ligera con un alto grado de fiabilidad.

1. Fuerza

Las piezas de aluminio forjado son mucho más resistentes que las piezas de fundición o mecanizadas. La estructura del grano se elabora y ordena en función de las curvas de forma de la pieza, por lo que el proceso de forja da como resultado una mayor resistencia a la tracción, a los impactos y a las cargas portantes.

2. Durabilidad

Los componentes forjados ofrecen una fatiga excepcional y pueden someterse a cargas, choques y tensiones repetidas sin romperse. Esto los cualifica para ser utilizados en aplicaciones sensibles como los trenes de aterrizaje de los aviones o en los sistemas de suspensión de un automóvil.

3. Reducción de peso

Gracias a su ligereza y a la posibilidad de fabricar piezas de alta resistencia mediante forja, el aluminio permite a los fabricantes aligerar los componentes sin reducir sus prestaciones. Esto es muy importante para que los coches y los aviones consuman menos combustible.

4. Mejor estructura de los granos

Cuando se forja el metal, el grano interno sigue la forma de la pieza, lo que permite eliminar los puntos débiles y favorece una mayor consistencia y resistencia. El resultado son piezas más fuertes y robustas.

5. Coherencia

La forja es repetible y dimensionalmente precisa siempre, por lo que resulta adecuada durante la producción en serie de piezas críticas para la seguridad.

6. Acabado superficial superior

Los componentes forjados tienen una superficie menos aplastada y en gran medida similar a la de las piezas de fundición en bruto, por lo que el postprocesado es menor, lo que se traduce en un mejor resultado funcional y estético.

7. Reciclabilidad

El aluminio puede reciclarse en 100% y se producen pocos residuos al forjar. Todos los productos sobrantes, incluidos los restos del recorte, pueden recogerse y reutilizarse, lo que redunda en sostenibilidad y rentabilidad.

Limitaciones y retos

• Coste: Mayor inversión en herramientas y equipos
• Restricciones de diseño: Formas huecas o extremadamente intrincadas difíciles
• Necesidades de volumen: Ideal para volúmenes medios y altos
• Sensibilidad al calor: Las propiedades de las aleaciones deben gestionarse cuidadosamente

Comprender estas limitaciones ayuda a encontrar el equilibrio entre rendimiento y coste.

Aplicaciones del aluminio forjado

Aeroespacial

• Armazones de avión
• Tren de aterrizaje
• Componentes de la turbina

Automoción

• Brazos de suspensión
• Bielas
• Ruedas y bujes

Marina

• Hélices
• Refuerzos del casco
• Válvulas

Militar y Defensa

• Placas de blindaje
• Sistemas de armas
• Piezas de drones

Equipamiento industrial

• Prensas hidráulicas
• Brazos robóticos
• Piezas de cintas transportadoras

Deportes y ocio

• Cuadros de bicicleta
• Cabezas de palos de golf
• Material de escalada

Los componentes de aluminio forjado se encuentran prácticamente en todos los sistemas de alto rendimiento o de seguridad crítica.

Tendencias e innovaciones actuales del sector

• Casi en forma de red: Reduce el desperdicio de material
• Supervisión integrada de la IA: Optimiza los parámetros de forja
• Aleaciones avanzadas: Nuevas aleaciones ligeras para vehículos eléctricos
• Automatización y robótica: Aumenta el rendimiento y la calidad
• Fabricación híbrida: Combina la forja con la impresión 3D

Los fabricantes invierten cada vez más en instalaciones de forja inteligentes para seguir siendo competitivos.

Impacto medioambiental y reciclaje

Probablemente, una de las ventajas más convincentes de la forja de aluminio es el resultado respetuoso con el medio ambiente que tiene, sobre todo cuando se une a la alta reciclabilidad del aluminio. El aluminio se puede reciclar al cien por cien y se puede reprocesar un número indefinido de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas o químicas. Esto también lo ha convertido en un gran medio en la revolución mundial hacia actividades de fabricación más ecológicas y circulares.

El material residual utilizado en el proceso de forja es menor que el que se utilizaría en la fundición o el mecanizado que, en la mayoría de los casos, puede dar lugar a un exceso de chatarra. Todos los materiales residuales pueden recuperarse, por ejemplo, las rebabas durante la operación de recorte o los recortes, y volver a fundirse en nuevas palanquillas que se utilizarán en operaciones de forja posteriores. Esto reduce el coste de las materias primas y la necesidad de producir aluminio primario, que consume mucha energía.

La producción de aluminio reciclado consume entre un 5% y un 95% menos de energía que la producción de aluminio nuevo a partir de mineral de bauxita. También reduce en gran medida la emisión de gases de efecto invernadero, lo que convierte a la forja de aluminio en una alternativa con bajas emisiones de carbono para las industrias que desean reducir su impacto medioambiental.

Muchas de las actividades de forja contemporáneas tienen el circuito cerrado de reciclaje de su chatarra que reutiliza la chatarra en casa. Además, los productos de aluminio falsificados suelen infrautilizarse en la fabricación de productos ligeros, que ahorran combustible y emisiones para su utilización en el sector del transporte, ya sea automovilístico o aeroespacial.

Beneficios del reciclaje:

• 95% ahorro energético respecto al aluminio primario
• Reduce las emisiones de gases de efecto invernadero
• Apoya los modelos de economía circular
• Reduce los costes generales de producción

Los talleres de forja suelen reutilizar la chatarra de recorte y el material de palanquilla sobrante.

Elegir el socio adecuado para la forja

Cuando se abastezca de piezas de aluminio forjado, tenga en cuenta:

• Experiencia en su sector
• Capacidades: ¿Pueden satisfacer sus necesidades de tamaño/volumen?
• Certificaciones: ISO, AS9100 para la industria aeroespacial, IATF 16949 para la automoción
• Garantía de calidad: Pruebas avanzadas y trazabilidad
• Atención al cliente: Asistencia en ingeniería y diseño

Asociarse con el fabricante adecuado garantiza el éxito a largo plazo y la fiabilidad del producto.

Conclusión

La forja del aluminio es mucho más que un procedimiento habitual de conformado de metales: es un proceso de fabricación revolucionario que aprovecha al máximo el potencial del aluminio. La forja transmite altas fuerzas de compresión para controlar los tochos de aluminio a temperaturas controladas; esto refina la estructura interna del aluminio, mejorando sus propiedades mecánicas, como la resistencia, la tenacidad, la resistencia a la fatiga y la estabilidad dimensional, por un factor drástico. El producto final es una pieza ligera pero resistente que puede soportar los máximos requisitos de trabajo.

Las industrias más fuertes y más exigentes en cuanto a rendimiento y fiabilidad, la aeroespacial, la automoción, la defensa, la marina y la fabricación de equipos deportivos, siempre recurren al aluminio forjado, ya que proporciona la resistencia necesaria, sin añadir masa innecesaria. Desde el brazo de suspensión de un automóvil hasta una pieza del tren de aterrizaje de un aparato volador, pasando por las bicicletas de alto rendimiento y sus cuadros, el aluminio forjado proporciona durabilidad, eficacia y seguridad en todos los casos.

Saber qué implica la forja del aluminio, el proceso que conlleva y por qué es más eficaz en comparación con la mayoría de los demás procesos de fabricación permitirá a los ingenieros, diseñadores y responsables de la toma de decisiones tomar las decisiones adecuadas. Debido a la creciente demanda de materiales ligeros, eficiencia de combustible y sostenibilidad medioambiental, la forja de aluminio será una de las soluciones más significativas que se ajusten a los requisitos actuales de ingeniería.

La forja del aluminio se encuentra en el centro del futuro de la fabricación avanzada, a medida que se producen nuevos avances en automatización, utillaje inteligente, tecnología de tratamiento térmico y reciclabilidad de los materiales. Se encuentra a medio camino entre el rendimiento y la sostenibilidad y, como tal, no es solo la forma de dar nuevas formas al metal, sino de dar forma a soluciones estratégicas en forma de artículos más resistentes, ligeros y responsables que contribuyan a un mañana mejor.

Preguntas frecuentes

P1: ¿Para qué se utiliza el forjado de aluminio?

Se utiliza para crear piezas resistentes y ligeras, como brazos de suspensión de automóviles, trenes de aterrizaje de aviones y componentes industriales.

P2: ¿En qué se diferencia la forja del aluminio de la fundición?

La forja comprime el aluminio sólido, mejorando su resistencia y durabilidad, mientras que la fundición vierte el metal fundido en un molde.

P3: ¿Es el aluminio forjado más resistente que el acero?

En general no, pero el aluminio forjado ofrece una mejor relación resistencia-peso y suele preferirse para aplicaciones sensibles al peso.

P4: ¿Se puede personalizar la forja de aluminio?

Sí. La forja en molde cerrado permite formas y tolerancias muy específicas.

P5: ¿Es la forja de aluminio respetuosa con el medio ambiente?

Sí. El aluminio es 100% reciclable, y el proceso de forja genera unos residuos mínimos en comparación con la fundición o el mecanizado.