Fundición frente a forja: Una comparación exhaustiva

La producción de metales es una de las bases de la civilización humana que hizo posible la construcción de herramientas, maquinaria, transporte e infraestructuras. La fundición y la forja pueden considerarse dos de las formas más antiguas y comunes de transformar el metal en objetos de uso cotidiano. Aunque ambos procesos se utilizan para convertir el metal en bruto en piezas utilizables, los dos procesos son muy diferentes en lo que respecta al tratamiento pertinente del metal, así como a las características del producto final.

El proceso de fundición tiene lugar cuando el metal se funde y se vierte en un molde para que, una vez solidificado, adopte la forma de la pieza prevista. El proceso también es muy versátil, ya que puede fabricar formas intrincadas y piezas grandes con bastante facilidad. Cuando se utiliza, suele emplearse con piezas de geometrías más complicadas, huecas/abiertas, o con necesidad de utilizar amplias gamas de tipos de metal.

European Center of Excellence in Shipbuilding, Vetter, (1999), (contraste), se utiliza para dar forma al metal prensándolo hasta un estado deformado mediante una fuerza de compresión, ya sea a través de un martillo o de una prensa. Este proceso mejora la estructura del grano dentro del material, dotándolo de componentes de alta resistencia, dureza y resistencia a la fatiga. Los productos forjados se aplican normalmente en situaciones en las que están en juego las prestaciones mecánicas, como en las industrias automovilística, aeroespacial y de maquinaria de gran tamaño.

La preferencia del método de fundición o forja depende de las propiedades mecánicas críticas que se supone que deben cumplir, la complejidad del diseño, el ritmo de producción y las implicaciones de coste. En este artículo se describen exhaustivamente cada uno de ellos y se comparan los enfoques, los puntos fuertes, los inconvenientes y los ámbitos generales en los que se aplican principalmente para trazar un panorama claro de las situaciones y circunstancias en las que se utiliza cada uno de los métodos en la fabricación actual.

1. Introducción a los procesos de conformado de metales

El conformado de metales es una parte característica del proceso de fabricación que interviene en la producción de diversas herramientas, piezas de maquinaria, componentes de automóviles, diseños aeroespaciales y numerosos bienes de consumo. El proceso utilizado para dar forma a un metal no sólo determina la geometría del producto final, sino que también tiene un gran efecto en la solidez, durabilidad y resistencia a la fatiga de su comportamiento mecánico. Además, el proceso utilizado para darle forma afecta al coste, la precisión, el acabado y el rendimiento general de la producción, por lo que elegir un proceso de fabricación adecuado es una importante decisión de ingeniería y diseño.

Dos de los procesos más populares para dar forma al metal son la fundición y la forja. Ambos han resistido el paso del tiempo y se han esforzado al máximo por ser relevantes en todas las industrias en las que se han utilizado gracias a sus capacidades únicas.

• Fundición es una vía de producción en la que el metal fundido se inyecta o se vierte en una cavidad de molde que adopta la geometría del componente deseado. Una vez solidificado, el metal adopta la forma del molde, lo que le da una forma casi neta que suele necesitar poco mecanizado o acabado. La fundición es especialmente útil en la producción de formas complicadas y piezas macizas y complicadas que no pueden fabricarse fácil o económicamente mediante otros procesos.
• Forja, Sin embargo, la forja en frío es un proceso por el que se desarrolla un metal sólido ejerciendo fuerzas de compresión mediante prensado, martilleo o compresión. Esta deformación suele realizarse cuando el metal se calienta hasta una fase maleable, pero la forja en frío también puede tener su lugar en ciertas aplicaciones. La estructura interna del grano del metal utilizado en las piezas forjadas es mucho mejor, lo que hace que las piezas forjadas sean más fuertes y más duras y resistentes a la fatiga que las piezas de fundición, por lo que las piezas forjadas son el material elegido en componentes de alto rendimiento que experimentan altos niveles de tensión mecánica.

La comprensión general de los principios básicos, las ventajas y las limitaciones de los métodos de fundición y forja es importante a la hora de elegir los mejores procesos de conformado de metales en función de los requisitos particulares de ingeniería.

2. Visión general de la fundición

¿Qué es el casting?

La fundición es uno de los métodos de conformación de metales más antiguos, que se remonta a miles de años. Consiste en fundir metal, verterlo en la cavidad de un molde y dejar que se solidifique. El molde puede ser de arena, metal, cerámica u otros materiales. Una vez enfriada, la pieza se extrae del molde y a menudo se realizan operaciones secundarias como el mecanizado o el acabado.

Procesos de fundición

Existen varias técnicas de fundición, entre ellas:

• Fundición en arena: El metal fundido se vierte en un molde de arena. Es rentable y adecuado para piezas grandes y complejas en volúmenes de producción bajos o medios.
• Fundición a presión: Utiliza moldes metálicos, a menudo de acero, para producir piezas de gran volumen y precisión mediante la inyección de metal fundido a alta presión.
• Fundición a la cera perdida: Produce componentes muy precisos y detallados formando un patrón de cera, recubriéndolo de cerámica y fundiendo la cera para crear un molde.
• Moldeo de conchas: Una fina capa de arena mezclada con resina forma el molde, ofreciendo un mejor acabado superficial y una mayor precisión que la fundición en arena tradicional.
• Fundición centrífuga: El metal fundido se vierte en un molde giratorio, útil para piezas cilíndricas.

Materiales utilizados en la fundición

Casi todos los metales que se pueden fundir se pueden colar, incluidos:

• Aluminio y sus aleaciones
• Hierro fundido
• Acero y acero inoxidable
• Aleaciones de cobre (bronce, latón)
• Magnesio
• Zinc
• Metales preciosos (oro, plata)

Ventajas de la fundición

• Capacidad para producir formas complejas, incluidas secciones huecas.
• Adecuado para piezas grandes y componentes de geometría compleja.
• Alto aprovechamiento del material con menos desperdicio.
• Económica para series pequeñas y grandes.
• Adecuado para una amplia gama de metales.

Desventajas de la fundición

• Posibilidad de defectos como porosidad, contracción e inclusiones.
• Propiedades mecánicas generalmente inferiores en comparación con las piezas forjadas.
• El acabado superficial y la precisión dimensional pueden requerir un mecanizado secundario.
• Algunas piezas de fundición tienen una estructura de grano inferior debido a la solidificación.

3. Visión general de la forja

¿Qué es la forja?

La forja es un proceso de fabricación que da forma al metal aplicando fuerzas de compresión, a menudo mediante un martillo o una prensa. El metal se deforma plásticamente, normalmente a temperaturas elevadas (forja en caliente), pero también puede hacerse a temperatura ambiente (forja en frío). El proceso refina la estructura interna del grano, mejorando la solidez y la resistencia a la fatiga.

Procesos de forja

Las técnicas de forja más comunes son:

• Forja en matriz abierta: El metal se comprime entre matrices planas o de forma simple, permitiendo el libre flujo del material.
• Forja con matriz cerrada (forja con matriz de impresión): El metal se moldea en matrices que tienen cavidades, produciendo formas casi netas con detalles finos.
• Forja de rodillos: El metal pasa por unos rodillos para reducir el grosor y alargar la pieza.
• Forja en prensa: Utiliza una presión lenta y continua en lugar de golpes de impacto.
• Forja en frío: Se realiza a temperatura ambiente o cercana para producir piezas con un excelente acabado superficial y resistencia.

Materiales utilizados en forja

La forja se utiliza habitualmente para:

• Aceros al carbono
• Aceros aleados
• Aceros inoxidables
• Aleaciones de aluminio
• Aleaciones de titanio
• Cobre y sus aleaciones
• Superaleaciones a base de níquel

Ventajas de la forja

• Propiedades mecánicas superiores: mayor resistencia, tenacidad y resistencia a la fatiga.
• Flujo de grano mejorado alineado con la forma del componente.
• Reducción del riesgo de defectos internos como la porosidad.
• Buena precisión dimensional y acabado superficial.
• Las piezas pueden diseñarse para aplicaciones sometidas a grandes esfuerzos.

Desventajas de la forja

• Capacidad limitada para producir formas muy complejas en comparación con la fundición.
• Costes de utillaje y preparación generalmente más elevados.
• Limitaciones de tamaño y forma debidas al equipo de forja.
• El desperdicio de material puede ser mayor debido a la rebaba de recorte y al mecanizado.

4. Comparación detallada entre fundición y forja

Cuadro 1 Comparación detallada entre fundición y forja

5. Descripción detallada de los procesos 

Etapas del proceso de fundición

1. Patronaje El primer paso en la fundición es crear un patrón -una réplica de la pieza deseada-, normalmente de madera, plástico o metal. Este patrón forma la cavidad del molde. Debe estar diseñado para permitir la contracción del metal durante el enfriamiento y facilitar el desmoldeo.
2. Preparación del molde A partir del patrón, se forma una cavidad en un material de moldeo como arena, cerámica o metal. El molde define la forma y la textura de la superficie de la pieza fundida final. Los moldes pueden ser de un solo uso (como los moldes de arena) o permanentes (como los moldes de metal utilizados en la fundición a presión).
3. Fundición El metal o la aleación seleccionados se funden en un horno, que los calienta hasta alcanzar la temperatura de colada requerida, garantizando al mismo tiempo que el metal sea homogéneo y esté libre de contaminantes.
4. Verter El metal fundido se vierte cuidadosamente en la cavidad del molde a través de un sistema de compuertas. El vertido controlado minimiza las turbulencias, lo que reduce defectos como el atrapamiento de gas y las inclusiones.
5. Enfriamiento y solidificación El metal se enfría y solidifica dentro del molde, adoptando la forma exacta de la cavidad. Las velocidades de enfriamiento y los patrones de solidificación afectan significativamente a la microestructura y las propiedades mecánicas de la pieza fundida.
6. Sacudida y limpieza Tras la solidificación, se rompe o abre el molde y se extrae la pieza fundida. El material sobrante, como compuertas, contrahuellas y restos de arena, se elimina mediante limpieza, esmerilado o granallado.
7. Tratamiento térmico y mecanizado En función de las propiedades mecánicas deseadas, las piezas de fundición pueden someterse a procesos de tratamiento térmico como el recocido o el temple. El mecanizado final suele ser necesario para conseguir dimensiones precisas y mejorar el acabado superficial.

Etapas del proceso de forja

1. Calefacción

En la forja en caliente, el tocho se calienta a una temperatura tal que se vuelve dúctil y fácil de deformar en lugar de romperse instantáneamente, sin llegar a fundirse; sin embargo, la temperatura es relativamente alta para facilitar la plasticidad. La forja en frío no hace esto, sino que deforma el metal en frío a temperatura ambiente o en torno a ella.

2. Deformación

Las cargas de compresión se ejercen mediante martillos, prensas o rodillos. Esto se debe a que deforman el metal de forma irreversible para obtener la forma requerida según lo decidido por el diseño de la matriz. Al decidir la deformación, ésta puede realizarse en varios pasos para alcanzar lentamente la forma definitiva.

3. Dando forma a

El metal también se moldea para que fluya y llene las cavidades de la matriz para producir una forma casi neta e incluso características detalladas en la forja con matriz cerrada. En la forja con matriz abierta, se consigue un menor número de herramientas mediante el impacto o la presión del metal con varios golpes.

4. Refrigeración

El componente enfriado se enfría ahora de forma controlada tras la forja para mantener la microestructura refinada desarrollada y evitar tensiones o deformaciones no deseadas.

5. Recorte

Durante el proceso de forja, sale material sobrante o rebaba que debe rasurarse para poder obtener las dimensiones finales de las piezas.

6. Tratamiento térmico

Para conseguir las mejores propiedades mecánicas (dureza, resistencia y tenacidad), las piezas forjadas suelen someterse a procesos de tratamiento térmico que incluyen la normalización, el temple y el revenido.

7. Mecanizado y acabado

Los procesos de mecanizado y acabado se llevan a cabo para conseguir unas dimensiones con tolerancias estrechas y un acabado superficial elevado para, por último, preparar la pieza para su montaje o puesta en uso.

6. Comparación de propiedades mecánicas

Los componentes metálicos tienen propiedades mecánicas como la resistencia, la tenacidad, la resistencia a la fatiga y la ductilidad, que son consideraciones importantes sobre la idoneidad de los componentes para manejar diversas aplicaciones. Dado que la fundición y la forja implican métodos de producción tan diferentes, ambos procesos dotan a los componentes finales de propiedades mecánicas que son únicas entre sí. El conocimiento de estas diferencias puede ayudar a un ingeniero a elegir el mejor proceso en función del rendimiento requerido.

Fuerza

El desguace severo conlleva la fabricación de componentes que normalmente son mucho más fuertes (resistencia a la tracción y límite elástico) que los de fundición. Esta excelencia se debe principalmente al propio proceso de forja, que somete al metal a una deformación en su forma sólida y cambia su estructura interna de grano. Los granos se alinean y se alargan con la dirección del flujo en las fuerzas de compresión de la forja, lo que da lugar a un flujo de grano denso y continuo que se traduce en un material con mayor capacidad de carga.

Por el contrario, las piezas de fundición se solidifican en forma de metal fundido, por lo que tienen una estructura de grano más aleatoria con las posibles discontinuidades como porosidad, cavidades de contracción e inclusiones. Tales defectos pueden servir como fuentes de tensión, inhibiendo la resistencia y la integridad de la estructura de las piezas de fundición.

Fármacos para la fuerza y la resistencia

Las piezas forjadas también han demostrado ser más duras y resistentes a la fatiga. La estructura de grano fino y la ausencia de huecos internos reducen el potencial de iniciación y propagación de grietas en situaciones de carga dinámica o cíclica. Esto cualifica los usos clave de los componentes forjados en áreas importantes de la industria aeroespacial, la industria del automóvil y la industria de maquinaria pesada, donde las piezas experimentan tensiones variables y duras condiciones de funcionamiento.

Por el contrario, las piezas de fundición no suelen ser tan resistentes como las forjadas o extruidas ni presentan una vida útil a la fatiga tan elevada debido a los defectos de fundición y a la menor uniformidad de la microestructura. Estas propiedades pueden mejorarse con un tratamiento térmico y una mejor fundición, pero la forja es el proceso preferido cuando la durabilidad debe ser alta.

Ductilidad

El proceso de fabricación también afecta a la ductilidad o capacidad de deformarse plásticamente antes de romperse. La forja, debido a su flujo de grano direccional, mejora la ductilidad con respecto a la dirección, por lo que la pieza formada sigue esta dirección de grano, proporcionando así una mayor resistencia tanto a la propagación de grietas como a la inconclusión.

La libertad añadida en la producción de formas complejas de fundición tiene la tendencia a suponer un coste generalmente en forma de pérdida de ductilidad. Las piezas de fundición tienen una capacidad limitada para deformarse sin fallar, ya que la orientación de los granos, más bien aleatoria, y sus defectos internos disminuyen su capacidad de deformación.

7. 7. Consideraciones económicas

El coste es un factor determinante a la hora de elegir entre fundición y forja, sobre todo en lo que se refiere al coste del utillaje, el volumen de producción y el coste para el ciclo de vida de la pieza.

• El coste inicial del utillaje y el montaje de la fundición suele ser menor. Los moldes, especialmente los que se crean utilizando arena u otras superficies desechables, son comparativamente baratos y relativamente fáciles de crear. Esto también hace que la fundición sea especialmente rentable en el caso de lotes pequeños o medianos o cuando se necesita un prototipo. Además, en comparación con el ensamblaje de piezas individuales fundidas, debido en gran parte a su complejidad y a su capacidad de dar formas casi netas, el proceso de fundición permite con frecuencia que los productos sean muy complejos sin necesidad de ensamblar múltiples piezas entre sí, lo que disminuye aún más los costes de producción y facilita la realización del proceso. No obstante, en algunos casos, el proceso de fundición puede requerir procesos adicionales, como mecanizado, tratamiento térmico y acabado, que encarecen las piezas fundidas.
• Sin embargo, en comparación, la inversión inicial necesaria es mucho mayor en el caso de la forja, ya que se necesitan matrices de precisión, una prensa de forja y utillaje. Estos costes sólo se justifican cuando se trata de una producción a gran escala o cuando los componentes requieren propiedades mecánicas específicas y durabilidad. También es probable que los componentes forjados se sometan a menos postprocesado, ya que se obtienen formas casi netas, más resistentes y con mejor acabado. Además, debido a la mayor vida útil del componente y al mejor rendimiento de los componentes forjados, pueden reducirse los costes de mantenimiento y sustitución del componente durante su vida útil, lo que proporciona un mejor valor en productos de alto rendimiento, sensibles a la seguridad o sometidos a cargas pesadas.

La fundición suele ser más barata en formas complejas y en pequeñas cantidades, mientras que la forja es una alternativa más barata a largo plazo cuando se necesitan grandes cantidades y componentes resistentes de gran solidez.

8. Aplicaciones comunes

Aplicaciones de fundición

• Bloques de motor y culatas
• Carcasas de bombas y válvulas
• Metalistería y arte decorativo
• Piezas de grandes máquinas
• Tuberías y accesorios

Aplicaciones de forja

• Cigüeñales, bielas y engranajes de automoción
• Componentes estructurales aeroespaciales
• Herramientas manuales y cuchillos
• Piezas de equipos hidráulicos
• Componentes críticos de la industria del petróleo y el gas

9. Aspectos medioambientales y de sostenibilidad

Las contribuciones medioambientales y la sostenibilidad también han pasado a ser un factor importante en el mundo de la fabricación actual a la hora de determinar los procesos de conformación de metales. Tanto la fundición como la forja tienen distintas caras medioambientales en función del uso de material, la energía y la liberación de residuos.

• Fundición tiene las notables ventajas ecológicas del reciclaje de chatarra. La mayoría de las funciones de fundición utilizan metal reciclado como materia prima, con lo que se ahorra enormemente la necesidad de utilizar productos vírgenes. Además, los moldes de arena de un proceso como la fundición en arena pueden reciclarse/reutilizarse en varias ocasiones, y se reducen los residuos. No obstante, los procedimientos de fundición pueden producir la emisión de olores de los hornos de fundición y algunas de las sustancias de los moldes pueden producir residuos que deben desecharse y tratarse con precaución.
• Forja desempeña un papel importante en la sostenibilidad; una de las formas es la mayor vida útil de las piezas forjadas. Dado que la forja mejora las propiedades mecánicas y la durabilidad, las piezas producidas tenderán a durar más tiempo antes de que sea necesario sustituirlas o repararlas, lo que minimizará el uso total de material y los residuos en el ciclo de vida de los productos. Además, aunque la forja puede crear más material de desecho en las primeras fases de formación, por ejemplo, rebabas, que tiene que ser eliminado, esta chatarra puede ser generalmente reciclada eficazmente como parte del procedimiento de fabricación.
• Consumo de energía: Hay mucha disparidad en el consumo de energía en los dos procesos. La fundición requiere mucha energía para fundir los metales a temperaturas considerables, mientras que se necesita mucha energía para calentar las palanquillas (en la forja en caliente) y para accionar grandes martillos oscilantes o enormes prensas mecánicas. La eficiencia de los hornos, los materiales de las matrices y la optimización de los procesos han mejorado el uso eficiente de la energía en los dos ámbitos. El impacto medioambiental neto de una empresa determinada suele depender de las preferencias individuales de los procesos, el tamaño de la fabricación y los proveedores de energía.

Es necesario equilibrar estos factores entre los fabricantes que esperan minimizar su huella medioambiental y la necesidad de producir bienes de calidad que sigan siendo económicamente viables.

10. Tendencias y tecnologías emergentes

• Fabricación aditiva como complemento y/o alternativa a la fundición y forja de geometría intrincada.
• Forja de precisión utilizando matrices y prensas mejoradas para conseguir formas netas más cercanas.
• El uso de métodos avanzados de fundición, como el vacío y la fundición asistida por presión, para disminuir los defectos.
• Software de simulación para optimizar los procesos de fundición y forja para que sean más rentables y de mayor calidad.

11. Conclusión

Algunos de los métodos flexibles de conformado de metales más antiguos son la fundición y la forja, y cualquiera de ellos tiene sus ventajas y sus inconvenientes. El coste de fundición de formas complejas e intrincadas y de piezas de gran tamaño es relativamente bajo como coste inicial de utillaje y, por tanto, adecuado para considerar en series de producción pequeñas y medianas (por ejemplo, 10.000 piezas) de un artículo en el que la complejidad geométrica es la necesidad de producción. Sin embargo, las propiedades mecánicas de las piezas de fundición son inferiores porque tienen defectos de distintos orígenes y una estructura de grano más grueso.

Esta última, por el contrario, es infame en lo que respecta a su funcionamiento para hacer piezas más fuertes, más duras, resistentes a la fatiga y dúctiles por fundición. La deformación plástica de la forja mejora el flujo del grano, lo que permite fabricar piezas resistentes que se aplican en zonas de gran tensión o de rendimiento seguro. La forja supondría un mayor coste de utillaje y equipamiento inicial, pero en la mayoría de los casos las propiedades mecánicas superiores y la vida útil de las piezas superan el coste, especialmente cuando se utilizan en las industrias de automoción, aeroespacial y maquinaria pesada.

Para decidir cuál es el proceso más adecuado deben tenerse en cuenta numerosos factores que abarcan la complejidad de la pieza, los requisitos mecánicos y los volúmenes de producción, la rentabilidad y las políticas ecológicas del proceso que debe utilizarse. La tecnología de fundición y forja no sólo ha aumentado su capacidad, sino que también está permitiendo optimizar la calidad y la sostenibilidad de los productos de los fabricantes. En resumen, el enfoque holístico de la fundición y la forja introduce un juicio informado para salvaguardar el medio ambiente, la eficiencia y la asequibilidad en la industria moderna.