Fundición frente a forja: Los principales procesos de fabricación

La fundición y la forja son dos de los métodos metalúrgicos más utilizados, ambos con diferentes aplicaciones en el sector manufacturero. Estas técnicas son esenciales en la fabricación de piezas metálicas que se diversifican en los sectores de la automoción, aeroespacial, defensa y maquinaria goliath. Aunque ambos buscan crear piezas funcionales mediante el conformado del metal, en última instancia consiguen ese objetivo de formas definitivamente distintas, creando materiales con propiedades y usos diferentes.

La fundición consiste en fundir metal y verterlo en un molde, donde adquiere una forma permanente. Es el más adecuado para la producción de formas intrincadas y complicadas que, de otro modo, serían difíciles de conseguir con otro tipo de maquinaria. Funciona muy bien en la producción en serie, sobre todo cuando se fabrican grandes volúmenes de piezas idénticas. La fundición es muy flexible y puede utilizar un gran número de metales y aleaciones, por lo que puede emplearse en industrias en las que importa la calidad de los diseños, como la aeroespacial, la automovilística y la artística.

La forja, por su parte, es un proceso que consiste en dar forma al metal mediante fuerzas de compresión, normalmente cuando el material está a alta temperatura. Este proceso refuerza el metal al enderezar su estructura de grano, lo que hace que las piezas sean más resistentes y duraderas. La ventaja particular de la forja es que es muy aplicable en la fabricación de piezas que tienen que endurecerse o exponerse a condiciones extremas, incluidas altas tensiones, como en las industrias del automóvil, aeroespacial y de defensa.

En este artículo se analizarán las principales diferencias relativas a la fundición y la forja, las ventajas e inconvenientes de cada una, así como los ámbitos de aplicación en la fabricación moderna y el papel que desempeña cada proceso en ellos.

¿Qué es el casting?

Un proceso de fabricación conservado en la fundición consiste en verter un material líquido, normalmente metálico, en un molde para que fragüe y adquiera la forma de la cavidad del molde. Comienza cuando el material se funde, se vierte en una forma especial y se enfría. Una vez endurecido el material, se retira el molde y queda un objeto sólido que es una copia casi perfecta de la forma del molde.

¿Qué es la forja?

La forja es un proceso metalúrgico que utiliza la fuerza de compresión, para lo que el metal suele calentarse a altas temperaturas. El metal se golpea, se prensa o se enrolla para darle la forma deseada. La forja suele realizarse a altas temperaturas, momento en el que el metal se vuelve maleable y mucho más fácil de trabajar. Es un proceso que se emplea sobre todo para crear componentes robustos y portátiles, y se utiliza mucho en industrias como la automovilística, la aeroespacial y la de maquinaria pesada.

Proceso de fundición

La fundición implica algunos pasos importantes:

• Creación de patrones: Se hace un patrón del objeto, normalmente de un material capaz de resistir el calor del metal fundido (normalmente, arena o metal).
• Formación de moldes: El poste se introduce en un medio de moldeo (arena, metal o cerámica) y se prensa para mantener la forma.
• Fundición: El metal o el material se calienta hasta que adquiere forma líquida y se vierte en el molde.
• Enfriamiento y solidificación: el metal líquido se enfría y se solidifica en el molde en su forma.
• Eliminación de moho: Una vez solidificado el material, se retira el molde para dejar al descubierto la pieza fundida.

Proceso de forja

La forja es menos complicada en el proceso de fabricación; sin embargo, hay que tener un mayor control de la temperatura y la presión:

• Selección de materiales: Dependiendo de lo que se desee en el producto acabado (resistencia o flexibilidad), se elige el metal.
• Calefacción: El metal se calienta hasta ablandarse.
• Conformación: Se da forma al metal calentado en una matriz, que se presiona con un martillo o una prensa. Esto puede hacerse en varias variantes: forja en matriz abierta, forja en matriz cerrada y laminado en anillo.
• Refrigeración: Una vez moldeada, la pieza forjada se enfría, posiblemente mediante tratamientos térmicos adicionales, ya que así se mejoran las propiedades del material utilizado.

Ventajas de la fundición y la forja

Ventajas de la fundición:

• Formas complejas: Aquí es donde la fundición resulta útil para producir piezas que pueden tener formas complicadas y complejas que serían difíciles, o más bien imposibles, de producir utilizando medios alternativos. La fundición permite fabricar piezas de formas finas y diseños detallados, por lo que puede utilizarse en la industria aeroespacial, la automovilística y el arte.
• Producción de gran volumen: El molde que se ha formulado puede llevar a la fundición como medio muy eficaz de producción en serie, por lo que podrá replicar la misma pieza en grandes planchas de forma muy consistente. Esto resulta rentable a la hora de reducir la mano de obra y las materias primas utilizadas para fabricar grandes volúmenes de producción.
• Rentable: La fundición es muy económica para producir piezas en grandes volúmenes. Aunque el coste de fabricación del primer molde es elevado, el coste por pieza es muy bajo en producciones a gran escala, por lo que se adapta mejor a aplicaciones como la automoción y los bienes de consumo.
• Variedad de materiales: El número de materiales y aleaciones que pueden fundirse es bastante amplio, e incluye materiales comunes como el aluminio y el hierro, y/o aleaciones especiales. Esto permite a los fabricantes elegir los materiales en función de las propiedades que necesite el producto.
• Menos residuos: El material de desecho es menor en la fundición que en otros procesos. Se utiliza el material justo necesario para llenar el molde, lo que limita los desechos generados, algo especialmente favorable para la sostenibilidad.
• Flexibilidad de diseño: La fundición también es flexible en cuanto a diseño, de modo que pueden añadirse características internas complejas a una pieza fundida en forma de canales de refrigeración o secciones huecas con diseños elaborados. Esto puede suponer un menor coste de montaje, ya que las piezas que tendrían que soldarse pueden fabricarse en una sola colada.

Ventajas de la forja:

• Resistencia y durabilidad: Las piezas forjadas suelen ser más resistentes que las piezas de fundición debido a que la estructura del grano del material se alinea durante el proceso de forja, por lo que están sometidas a una mayor resistencia contra la tensión, la fatiga y las cargas mecánicas. Esto las cualifica para aplicaciones de alto rendimiento.
• Propiedades del material mejoradas: Las propiedades materiales de los productos mejoran con respecto a los materiales que tienen una mejor estructura interna, es decir, homogénea y no propensa a defectos como la porosidad. De este modo, se diseñan piezas de mejor calidad, que tendrán mejores propiedades mecánicas, durarán más gracias a la calidad y se comportarán en entornos difíciles.
• Alta precisión: La forja puede producir productos acabados de gran precisión o con tolerancias estrechas. Es el más adecuado cuando se requieren requisitos estrictos, como en las industrias aeroespacial y automovilística.
• Alta tenacidad: Las piezas forjadas son resistentes. Esta estructura de grano mejorada es lo que les permite resistir cargas de alto impacto y entornos extremos, por lo que son aptas en las industrias aeroespacial, automovilística y militar.

Contras de la fundición y la forja

Desventajas de la fundición:

• Porosidad y defectos: Las piezas de fundición pueden presentar defectos como porosidad, grietas y otros defectos internos debido al proceso de enfriamiento. Estos defectos pueden dañar la resistencia y la integridad del producto final y exigen una inspección y un control de calidad adicionales.
• La resistencia del material también es limitada: Aunque se pueden moldear formas complejas, la resistencia del material puede ser menor que la del material forjado. Esto hace que las piezas de fundición sean inadecuadas para lugares donde son importantes una resistencia y durabilidad excepcionales, especialmente en lugares sometidos a grandes esfuerzos.
• Costes del moho: El desarrollo de moldes de alta calidad cuesta mucho crearlos, sobre todo para piezas complejas o pequeñas cantidades. Esto puede elevar el precio del proceso de fundición en su conjunto, por lo que no es tan adecuado para producir en volúmenes bajos.

Desventajas de la forja:

• Formas restringidas: La forja funciona bien con piezas de formas sencillas y no es el método más adecuado para crear formas geométricamente complejas. Este proceso es adecuado para piezas resistentes pero no complejas.
• Mayores gastos en pequeñas tiradas: En comparación con las grandes series, en la forja de lotes pequeños se incurre en costes elevados debido a los gastos de preparación de utillajes y matrices, aunque resulta rentable cuando se fabrican grandes cantidades de un producto.
• Estrecha selección de material: La forja sólo puede darse en metales que soporten las altas temperaturas, como el acero, el aluminio y el titanio. El proceso es menos versátil en cuanto a la idoneidad de materiales difíciles de forjar a las temperaturas necesarias.

Materiales de fundición y forja

Materiales de fundición

Este proceso de fundición es un proceso diverso que puede realizarse utilizando una amplia gama de materiales en relación con las necesidades de la aplicación. Metales utilizados habitualmente en fundición son de aluminioEl acero, el hierro, el bronce y el latón se caracterizan por unas propiedades únicas que los hacen idóneos para ser utilizados en diversas industrias. Por ejemplo, el aluminio es ligero y tiene buena resistencia a la corrosión, por lo que resulta ideal en los mercados automovilístico y aeroespacial. El acero y el hierro son más preferidos por su durabilidad y resistencia, y suelen utilizarse en componentes de maquinaria pesada e industrias. El bronce y el latón se pueden ver en el uso del metal cuando se necesita el elemento de la fuerza, pero también hay que tener en cuenta la necesidad de resistencia a la corrosión y atractivo a la vista, como las piezas decorativas o el equipamiento de los barcos.

Además de estos metales comunes, la fundición también puede implicar aleaciones especializadas, como el magnesio, las aleaciones de zinc y las aleaciones con base de cobre que se seleccionan para adaptarse a determinadas aplicaciones porque poseen propiedades de funcionamiento específicas. Un ejemplo de aleaciones de magnesio se emplea en las industrias que necesitan componentes ligeros, otro ejemplo son las aleaciones de zinc que pueden aplicarse en diversas industrias en las que es necesario fundir determinadas piezas que no deben ser vulnerables al desgaste. Tales aleaciones de cobre son dominantes en trabajos eléctricos y de fontanería debido a su alta resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica. La fundición puede utilizar diferentes metales y aleaciones, lo que significa que los fabricantes pueden modificar las piezas para adaptarlas mejor a esa aplicación.

Materiales de forja

Los materiales utilizados para fabricar piezas forjadas suelen elegirse por su solidez en términos de tensión y sus propiedades de resistencia a la presión. Las aleaciones de acero al carbono, el acero inoxidable y el acero para herramientas son los materiales más utilizados en forja. El acero al carbono es fuerte y duro, por lo que se utiliza en la construcción de estructuras y componentes de maquinaria pesada. La ventaja del acero inoxidable es que no se corroe fácilmente, por lo que es ideal en lugares donde las piezas son inhóspitas, como la industria automovilística y médica. El acero para herramientas está especialmente fabricado y funciona bien contra el desgaste, por lo que es aplicable en herramientas, matrices y otras piezas de máquinas de alto rendimiento.

Usos de la fundición y la forja

La fundición y la forja tienen aplicaciones más parecidas en diferentes industrias, y cada tipo está especializado para adaptarse a las necesidades del producto final. El tipo de fundición o forja viene determinado por la resistencia, la complejidad, las propiedades del material utilizado y el uso final. Las principales aplicaciones de los procesos son las siguientes.

Usos de la fundición

La fundición también ha demostrado su utilidad en la producción de piezas de formas complejas o grandes volúmenes. Algunas de las aplicaciones más importantes en la industria son las siguientes:

• Industria del automóvil: Piezas como los bloques de motor, los cárteres de transmisión y los colectores de escape son algunas de las piezas que se fabrican mediante fundición. Las formas de estas piezas suelen ser complicadas y las cantidades que hay que fundir son grandes, por lo que la fundición es un método eficaz. Además, la fundición permitirá utilizar materiales ligeros pero resistentes, como las aleaciones de aluminio, necesarias para mejorar el ahorro de combustible de los vehículos.
• Aeroespacial: La industria aeroespacial es otro sector que depende mucho de la fundición, ya que permite fabricar estructuras sofisticadas como carcasas de turbinas, estructuras de alas y piezas del motor. El titanio y las aleaciones de aluminio son otros materiales de fundición muy utilizados, que aportan resistencia y ligereza, aspectos de suma importancia para el rendimiento de los aviones y el ahorro de combustible.
• Industria naval: En la industria naval se funden elementos como hélices, piezas de motor y otros componentes importantes de los barcos. La mayoría de estos componentes exigen que resistan la corrosión por el agua salada, por lo que pueden fundirse aleaciones como el bronce, el latón y aleaciones especiales. El proceso garantiza que tales componentes soportarán las inhóspitas condiciones marinas.
• Arte y Escultura: La fundición también desempeña un gran papel en la producción de arte y escultura. La capacidad de detalle de los moldes permite a los artistas crear patrones anodinos en otros materiales como el bronce y el aluminio, entre otros metales. La fundición puede utilizarse para crear un medio de expresión versátil a lo largo de la historia y en el arte contemporáneo.

Usos de la forja

Forja. En los casos en que se exige al producto final una gran resistencia, durabilidad e integridad del material, el proceso se lleva a cabo mediante forja. Estas son industrias y piezas comunes en las que la forja es importante:

• Industria del automóvil: La industria automovilística también utiliza la forja en la producción de automóviles. En esta industria, la forja se aplica en zonas como el interior del motor que están sometidas a bajas y altas tensiones. Algunas de las piezas sometidas a grandes esfuerzos son los cigüeñales, las bielas y los componentes de la suspensión. Sufren las mayores fuerzas y están expuestas a un entorno de funcionamiento brutal; por lo tanto, la resistencia y durabilidad del proceso de forja son cruciales para el éxito y la vida útil de estas piezas.
• Aeroespacial: El sector aeroespacial también confía en la forja para la fabricación de componentes de alta resistencia, como trenes de aterrizaje, discos de turbina y piezas estructurales. Estos componentes de fundición tienen que funcionar a altas temperaturas y cargas, y la mayor estructura de grano que puede obtenerse en la forja aportará las propiedades mecánicas requeridas, garantizando la seguridad y fiabilidad en la industria aeronáutica.
• Petróleo y gas: El sector del petróleo y el gas cuenta con la forja como una de las áreas más vitales, con piezas como válvulas, accesorios y piezas de bombas sometidas a mucha presión o corrosión. Las aleaciones metálicas forjadas incluyen piezas que pueden soportar los rigores extremos de la alta presión y la alta temperatura, así como la corrosión química y del gas.
• Defensa y equipos pesados: La industria de defensa y maquinaria pesada utiliza habitualmente piezas fabricadas por forja. Piezas de automóviles como bulldozers, excavadoras y diversos equipos militares fabricados con tanques se construyen con la fuerza y rigidez de los de fundición, ya que soportan mayores tensiones de lo normal en el curso de su uso. La forja también da integridad a estas piezas y les permite soportar grandes cargas de forma fiable.

Principales diferencias entre forja y fundición

Aunque la fundición y la forja son técnicas de fabricación bastante similares, es importante conocer las principales peculiaridades de cada una para saber cuál es la más adecuada en un caso concreto:

Los problemas de la fundición y la forja

La fundición tiene sus ventajas, pero también sus inconvenientes, al igual que la forja. El control de calidad puede ser un gran problema en la fundición. A menudo puede ser necesario emplear técnicas especiales y mantener una estrecha atención para garantizar que no haya defectos en una pieza fundida, y los problemas de contracción, porosidad o grietas no suelen defraudar. Las decisiones de alta calidad importan mucho en industrias donde la precisión es imperativa. Además, la fundición es un proceso que requiere mucha energía, ya que se necesita para fundir y calentar los metales a altas temperaturas, lo que plantea algunos problemas medioambientales y de emisiones. El proceso fabricación de moldes, en particular las que implican recorridos complejos y complicados, también pueden resultar costosas, sobre todo cuando se trata de producir pequeñas cantidades de piezas. A esto se añade el hecho de elevar el coste inicial.

Por el contrario, la forja plantea los retos del utillaje y ha surgido. En la forja hay que utilizar matrices superiores y máquinas de alta gama, y la mayoría de las veces se requiere esta importante inversión. Esto reduce las pequeñas series de producción en términos económicos. La forja también está limitada en cuanto a la flexibilidad de producción de geometrías complejas. A diferencia de la fundición, que es capaz de crear formas complejas, la forja también es más restrictiva, ya que se pueden producir estructuras y formas más sencillas. Además, durante el proceso de forja se generan desperdicios de material porque es habitual encontrar pequeñas piezas que hay que recortar a medida que se da forma al metal. Este desperdicio puede contribuir al coste de producción, lo que afecta a la eficacia del proceso.

El ajuste de las industrias

La industria de la fundición y la forja evoluciona a medida que cambia la tecnología. Los avances más recientes comprenden:

Fundición: La fabricación de moldes y piezas de fundición mediante impresión 3D se está convirtiendo en algo habitual, y ha dado la oportunidad de tener prototipos más rápidos y tipos de formas complejas. La fabricación aditiva también se adopta en el proceso de fundición para crear más piezas con menos defectos y molestias.

Forja: El uso de líneas de forja automatizadas y equipos robotizados está mejorando la precisión y el precio. Los nuevos tratamientos térmicos también están mejorando las propiedades de las piezas forjadas, ya que en situaciones extremas se pueden conseguir incluso mejores prestaciones.

La fundición y la forja son el futuro

Tanto la tecnología de la fundición como la de la forja están experimentando avances tecnológicos que les llevan a aumentar su eficacia y sus capacidades:

• Reparto: Las tecnologías más avanzadas de fabricación de moldes, como la impresión 3D, se están aplicando para desarrollar moldes más complicados y complejos a un coste más barato. También hay mejoras continuas en los materiales y los procesos de fundición, lo que se traduce en mejores piezas fundidas con menos defectos de fundición.
• Forja: El siguiente paso en la forja son los sistemas automatizados y los procesos controlados por lotes informáticos, que redundan en una mayor precisión y menores costes. Asimismo, el uso de nuevos materiales y tratamientos térmicos ampliará el ámbito de aplicación de las piezas forjadas a empresas como la industria aeroespacial y la energética.

Conclusión

Tanto la fundición como la forja son procesos de fabricación vitales que tienen sus ventajas y sus inconvenientes. La fundición es más adecuada para fabricar formas intrincadas y grandes volúmenes a un coste reducido. Es buena cuando los componentes no son de máxima resistencia o durabilidad. La forja, sin embargo, es la mejor para fabricar piezas que requieren una gran solidez y resistencia a la tensión. Encaja mejor en casos de piezas críticas en las que la cuestión del rendimiento y la fiabilidad es lo más importante.

La decisión de fundir o forjar depende del diseño y la finalidad de la pieza. Los diseños intrincados, los volúmenes elevados y los casos en los que la rentabilidad es un problema favorecen el uso de la fundición. Las piezas de alto rendimiento en condiciones duras se moldean con forja, que tiene más resistencia de material.

Con la evolución de las industrias, los dos procesos se ven sometidos a los beneficios del cambio tecnológico. La automatización en el uso de innovaciones como la impresión 3D en la fundición la están haciendo más precisa, además de eficiente. Ser capaz de distinguir las necesidades de un determinado proyecto permite a los fabricantes elegir el proceso adecuado, y esta estrategia garantizará que el producto final sea capaz de cumplir con todas las exigencias en cuanto a calidad, rendimiento y precio.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cuál es la principal diferencia entre fundición y forja?

La forma del metal es la principal diferencia. La fundición es el proceso que consiste en fundir metal y verterlo en un molde que ayuda a darle la estructura deseada. La forja, por el contrario, dobla el metal ejerciendo una gran presión sobre el material en caliente que cambia la estructura del metal. La fundición es apropiada cuando los diseños son elaborados; en cambio, la forja produce elementos duraderos.

2. ¿En qué condiciones debo fundir en lugar de forjar?

La fundición es adecuada cuando hay que fabricar formas complejas o se requieren grandes volúmenes de componentes con formas complicadas. Es el más adecuado para componentes que sería problemático o costoso crear de otra forma, sobre todo cuando se requieren detalles precisos y una producción a gran escala. La fundición también es más barata cuando se trata de piezas de paredes finas o con formas complejas.

3. ¿Los materiales que puedo fundir son los mismos que puedo forjar?

No, los materiales de fundición y forja pueden ser diferentes. La fundición puede utilizar docenas de metales y aleaciones diferentes, aluminio, hierro, bronce y materiales exóticos como el magnesio y el zinc. Sin embargo, la forja se hace normalmente con metales que no se vuelven quebradizos a altas temperaturas, por ejemplo, aleaciones de acero, aluminio/titanio/aleaciones de cobre.

4. ¿Cuáles son los inconvenientes de la fundición y la forja?

En la fundición se producen porosidades y grietas, y la resistencia del material suele ser menor en la pieza fundida que en las forjadas. También es un proceso caro, sobre todo en fabricación compleja o de bajo volumen, porque necesita costosos moldes a medida. Sin embargo, aunque es más capaz de fabricar piezas más resistentes y duraderas, sólo puede hacer frente a formas más simples y, al igual que la fundición, la forja es más cara de preparar, sobre todo cuando hay que hacer pequeñas series de producción.

5. ¿Qué industrias se benefician más de la fundición y la forja?

Las operaciones de fabricación que requieren la construcción de formas y componentes delicados en grandes cantidades, como la fabricación de automóviles, la industria aeroespacial, la marina y las industrias artísticas, requieren en gran medida la fundición. Entre las áreas que prefieren la forja a otros procesos se encuentran las industrias automovilística, aeroespacial, de defensa y de fabricación de petróleo y gas, en las que la resistencia, la tenacidad y la durabilidad de piezas tan críticas como cigüeñales, álabes de turbina y componentes estructurales son factores importantes.