PROGETTAZIONE DELLA
COMPOSIZIONE CHIMICHA
DELLA GHISA
Ing. Adrian Udroiu
Ing. Nicolò Agrifogli
1. BASI TEORICHE
L’uso industriale della ghisa si basa sulle sue proprietà meccaniche, che dipendono alla loro volta della
composizione chimica, della velocità di raffreddamento e dei trattamenti allo stato liquido che modificano o
correggono la forma e la distribuzione delle separazioni della grafite.
Costituenti strutturali nelle ghise
Le fasi solide presenti nelle ghise a varie temperature sono: ferrite, cementite ed austenite, Loro combinazione
invece, creano i costituenti strutturali.
Ogni costituente strutturale ha diverse proprietà (durezza, resistenza meccanica e all’usura, elasticità, ecc)
per cui la loro presenza influisce sulle caratteristiche meccaniche medie del getto.
•
FERRITE – è ferro quasi puro, con max 0,025% C a 727°C; è il costituente tenero (HB = 95), poco resistente
•
ma molto duttile (Rm = 343 N/mm2, A = 40
PERLITE – è una fine struttura composta di ferrite e cementite alternata a strati sottili. È la migliore tra le
strutture di una ghisa. Rm = 823 N/mm2, A = 25%, HB = 197.
•
CEMENTITE (carburo di ferro Fe3C) – è un composto di ferro e carbonio presente totalmente nella ghisa
•
bianca e parzialmente nella trotata È un costituente duro, fragile, difficilmente lavorabile Rm = 34 N/mm2, A =
0%, HB = 550.
STEADITE (fosfuro di ferro P3C) – è un composto di fosforo e ferro. È dura, fragile e ha bassissima
resistenza a trazione. HB = 400.
Costituenti strutturali nelle ghise:
•
•
•
•
•
•
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
Si è l’elemento grafitizzante per eccellenza
Ni ha un effetto grafitizzante 3 volte inferiore a quello del Si
Al, Ti, Zr hanno una influenza simile a quella del Si
Cu è un debole grafitizzante e promuove la formazione di
perlite
Cr, Mo, V, Mn, W, V , Te, Se, promuove la formazione di
carburi
Ta e Nb stabilizza i carburi
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
•
•
•
CARBONIO:
Il carbonio è con il ferro, l'elemento base della composizione della ghisa. Si trova in
combinazione con Fe(F3C) o sotto forma di grafite. Allo stato solido, il carbonio è gammagene (stabilizza
l’austenite) e forma e con il ferro e molti altri elementi carburi più o meno stabile
SILICIO: Si tratta di un grafitizzante potente, e muove la trasformazione eutettica a sinistra, per il 2% di
silicio, l'eutettico è del 3,7% invece di 4,3% di carbonio equivalente, e l’eutettoide a 0,6% di carbonio invece di
0,8% di carbonio. Il Silicio è sempre presente nella ghisa. Esso è un grafitizzante che diminuisce la stabilità dei
carburi eutettici. Le ghise bianche hanno generalmente bassi contenuti in Silicio, mentre la ghisa grigia
contiene almeno 1,5% di Si. Il Silicio riduce il contenuto di carbonio dell'eutettico; le ghise che hanno pari
contenuto di carbonio, ma differenti contenuti in Silicio, mostrano differente distribuzione della grafite. Il Silicio
è un importante costituente della maggior parte degli inoculanti, e quando viene aggiunto alla ghisa in questo
modo, il suo effetto grafitizzante, dà luogo alla solidificazione sotto forma di ghisa grigia invece che di ghisa
bianca ed è molto maggiore dell'effetto grafitizzante del Silicio preesistente nella ghisa.
FOSFORO: Elemento basso grafitizzante, fosforo è un impurità proveniente dai minerali ferrosi, che si
elimina con aggiunte di un materiale basico(Ca). La sua azione fragilizzante risulta anche a livelli molto bassi
in acciaio e ghisa. In ghisa grigia, può formare in forma di Fe3P che costituisce l’eutettico fosforoso(steadite).
Infatti, per i contenuti superiore a 0,3%, si forma una rete molto resistente all'usura. Se i livelli di C e Si non
sono troppo alti, migliora la fluidità.
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
•
ZOLFO: In assenza di manganese, lo Zolfo è presente come solfuro di ferro il quale precipita durante la
solidificazione sotto forma di inclusioni grigio-brune. Combina preferibilmente Fe e Mn, formando FeS e MnS.
La solubilità di MnS nel liquido, è inferiore a quella di FeS, quindi la presenza di manganese nella ghisa liquida è
favorevole alla desolforazione.
FeS + MnO + C  Fe + CO + MnS
Per ottenere la formazione di solfuro di manganese invece di solfuro di ferro e poter così eliminare gli
effetti nocivi dello Zolfo presente come solfuro di ferro, il contenuto di manganese dev'essere abbastanza elevato
da soddisfare la seguente formula empirica:
%Mn = 1,7 x S% + 0,3%
MANGANESE: E un importantissimo costituente della ghisa e può essere presente in soluzione o sotto
forma di inclusioni blu-grige di solfuro di Manganese. In effetti, il ruolo primario del manganese è fissato, del
tenore di zolfo per formare MnS, Troppo manganese combina carbonio, in forma di Mn3C, carburo isomorfo
simile alla cementite. Quindi, è un stabilizzatore di cementite e perlite.
Il Manganese è anche l’elemento gammagene più economico rispetto al nichel.
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
•
MANGANESE e SOLFO - NUCLEAZIONE
In ghisa a grafite lamellare i meccanismi di nucleazione
differiscono rispetto alla ghisa sferoidale, soprattutto perché non
esistono aggiunte di magnesio prima dell'inoculazione.
Di conseguenza, altri substrati svolgeranno un ruolo importante
come supporto per i silicati di Ca, Ba o Sr formati durante
l'inoculazione..
Però nella ghisa a grafite lamellare , la
mancanza di solfuri e di silicati primari del magnesio implica che
altre particelle devono prendere il ruolo primario. Normalmente,
un contenuto dello zolfo fra 0.05 e 0.15% è desiderato
Alcune considerazioni importanti:
•Il ferrosilicio puro non ha effetto di inoculazione.
•L'inoculazione non aumenta il numero di germi potenziali
• di nucleazione
•Una considerazione importante nell'inoculazione efficace è la formazione di un alto numero di micro particelle non
metalliche (solfuri ed ossidi) durante il trattamento con magnesio nella ghisa a grafite sferoidale e la formazione
delle numerose particelle di MnS in ghisa a grafite lamellare.
•Il tenore di ossigeno nel metallo è fondamentale nella formazione dei supporti per la nucleazione della grafite.
•La necessità di Mn in ghisa a grafite lamellare non legata è di formare il solfuro di manganese (MnS).
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
NICHEL: Si tratta di uno degli elementi di lega più comunemente, perché il suo effetto gammagene, e la sua
perfetta miscibilità con il ferro può effettuare pressoché l'intera gamma di strutture. Esso abbassa i punti critici
e velocità critica di raffreddamento, permette una maggiore flessibilità nelle condizioni di trattamento termico.
 Il Nichel è tre volte meno grafitizzante del Silicio, riduce la sensibilità allo spessore e raffina il grano di perlite
 Il Nichel aumenta la profondità di tempra.
 Il Nichel non è carburigeno
•
CROMO: Cromo è uno dei principali elementi di lega comunemente usati in fonderia di ghisa e acciaio. Si




tratta di un elemento alfagene, aumentando temprabilità e fortemente carburigeno. Oltre 0,7%, ci sono troppi
carburi liberi e la fusione diventa non-lavorabile. Al di sopra del 10%, si formano dei carburi di cromo
irreversibilmente graffitizzabili, quindi il materiale diventa refrattario. Il Cromo affina sia la perlite sia la grafite.
Cromo forma carburi molto stabili, perciò quando vengono fatte piccole aggiunte alla ghisa, il Cromo si
concentra nei carburi e si formano carburi complessi ferro-Cromo più stabili della cementite.
1% Cr, formazione dei carburi
2% Cr, la ghisa diventa bianca
12% Cr affinazione dei carburi
30% Cr la struttura diventa ferritica con un’ottima resistenza alla corrosione.
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
•
•
•
MOLIBDENO: E un debole stabilizzante di carburi e aggiunte dell'elemento possono essere fatte in tutti i tipi
di ghisa. Il Molibdeno e l'elemento più efficace per migliorare la resistenza della ghisa ed aumentarne la
tenacità. Viene normalmente aggiunto in quantità aggirantesi da 0,25 a 1,25%
Quando il Molibdeno viene aggiunto alla ghisa assieme a nichel possono essere ottenuti diversi tipi di strutture
Le ghise aciculari possiedono più elevata resistenza e durezza e perciò vengono impiegate quando si richieda
resistenza a fatica, come ad esempio negli alberi a gomito. La temprabilità della ghisa viene migliorata
nettamente in seguito ad aggiunte di Molibdeno.
Il Molibdeno forma carburi e segrega facilmente assieme ai cromo e al vanadio e nei fosfuri eutettici.
RAME: Il rame è un elemento solubile nella ghisa fino a 1,2%. Ha un effetto grafitizzante e 1% Cu equivale a
0,3% Si. Stabilizzatore della grafite eutettica e della perlite. Migliora le caratteristiche meccaniche e la
resistenza ad usura e alla corrosione. Ulteriori incrementi di tali caratteristiche si possono ottenere con delle
aggiunte di (in ordine di preferenza): Sn, Mn, Cr, Sb. Nei casi in cui si desidera l’aumento della sola durezza si
utilizza direttamente il cromo, oppure l’antimonio
STAGNO: Si tratta di un relativamente metallo pesante che può essere aggiunto alla ghisa sferoidale o grigia
in basse quantità (circa il 0,1%) per stabilizzare la perlite senza formazione di carburi libere. Livelli troppo
elevati di stagno può deteriorare la forma di grafite sferoidale. L’elemento segrega alla limite intercellulare
provocando piani preferenziali di rottura quando superiore al 0,10%. L’effetto perlitizzante(aumento della
resistenza alla trazione) è 9,83 volte maggiore del effetto del rame.
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
•
TITANIO: Elemento alfagene sotto forma di ossidi, nitruri e carburi. Essa può contribuire ad eliminare alcuni
•
difetti causati da azoto come la porosità nelle ghise a grafite vermiculare a grafite lamellate.
Aggiunto a livelli bassi (0,1% al 0,3%) è un elemento grafitizzante che ha una notevole influenza sulla forma e
la distribuzione di grafite. Rende la grafite molto fine
MAGNESIO: Si tratta di un metallo ultra leggero, molto volatile(T fusione=650°C, Tebolizione=1091°C) con
alta affinità al ossigeno e zolfo. Si tratta quindi di un agente di trattamento utilizzato per dissosidazione,
desolforazione e, in particolare per l'ottenimento di grafite sferoidale. Il Mg può essere aggiunto come metallo
puro, o come lega FeSiMg
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
•
VANADIO: Si tratta di un elemento alfageno, molto attivo e un potente dissosidante e antigrafitizzante. Il
vanadio è carburigeno. I carburi di vanadio, sono molto stabile ad alta temperatura, quindi conferiscono
durezza e resistenza al calore.Il vanadio è un componente delle ghise legate. E relativamente ossidabile, si
devono prendere delle precauzioni per fusioni che subiscono dei trattamenti termici. Nelle ghise non legate i
contenuti abituali sono dal 0,2% al 0,3%
• ALLUMINIO: Quando si eseguono aggiunte di metallo solido si può legare facilmente fino al 2% di Alluminio
alla ghisa; in caso di maggiori aggiunte di Alluminio è però preferibile mescolare i due metalli allo stato fuso. La
pellicola di ossido che aderisce alla superficie della ghisa fusa contenente Alluminio tende a penetrare nel
metallo provocando inclusioni di gas e un peggioramento delle proprietà meccaniche.




< 4%, l'Alluminio nella ghisa favorisce la grafitizzazione.
10%, l'Alluminio stabilizza il carburo eutettoide
10 - 18%, predominano i carburi.
18-24%, l'Alluminio provoca di nuovo grafitizzazione, la quale aumenta progressivamente con
l'aumentare del contenuto in Alluminio:
 24% di Al tutto il carbonio è presente come grafite.
 >24% di Alluminio si verifica nuovamente un aumento della stabilità del carburo, finché col 29% di Al il
C non rimane più grafite.
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
ANTIMONIO: Sb è un potente ed efficace, ma anche controverso, stabilizzatore della perlite in ghisa a
grafite lamellare. I suoi effetti sono simili a quelle di Sn, ma è di circa 2,0-4,7 volte più efficace (e meno
costoso). E particolarmente efficace negli spessori sottili in cui, tipi di grafite B, D o E sono quasi inevitabili.
Sb è utile anche nella prevenzione della ripartizione della perlite ad alte temperature. La letteratura contiene
alcuni commenti contraddittori per quanto riguarda Sb, affermando che esso generalmente aumenta la
durezza, mentre in altri momenti diminuisce la resistenza.
Si è osservato che Sb parzialmente soppressa le forme di grafite di super-raffreddato (Tipi B, D ed E) e
promuove più il tipo A.
Quando utilizzato, tipica quantità di Sb aggiunta è da 0,02-0,06% in ghisa a grafite lamellare, e 0,002%(20
ppm) per ogni 100 mm spessore per contrastare la formazione della grafite chunky nelle ghise a grafite
sferoidale finale
PIOMBO: Piombo, praticamente insolubile nelle leghe ferrose, è un elemento sovversivo anche presente in
tracce. Danneggia gravemente la forma di grafite lamellare e soprattutto sferoidale (Widmansttaten graphite).
BORO: La ghisa di prima fusione contiene raramente più di 0,005%(50 ppm) di Boro. Nella ghisa, il Boro
contrasta la grafitizzazione ed aumenta la profondità di tempra. Quando viene aggiunto in quantità superiori
allo 0,01%(100 ppm), si comporta come un forte stabilizzatore dei carburi; per questa ragione il Boro viene
opportunamente usato per aumentare la resistenza all'abrasione delle ghise bianche dure.
Influenza degli elementi chimici nelle proprietà
meccaniche delle ghise:
NIOBIO: Gli effetti del Nb diventando di maggiore interesse metallurgico negli ultimi anni. Essendo nel
gruppo del V si può supporre che i loro effetti in ghisa grigia possono essere simili.
a. Nb non fonde nella ghisa [il punto di fusione di ferroniobio (FeNb) è vicino alla temperatura di 1627°C].
Piuttosto, si scioglie, il che richiede tempo e temperatura;
b. Nb tende a migliorare le proprietà meccaniche della ghisa a grafite lamellare (fino allo 0,30% in peso). Questo
risulta da una riduzione della dimensione delle celle eutettiche, e determina la formazione delle lamelle con
estremità arrotondate (0.03-0.07% Nb);
c. Nb diminuisce la tendenza di formazione dei carburi a causa della riduzione del sotto raffreddamento e
l'aumento del numero di celle eutettiche
TELLURIO: L'uso di tellurio è molto delicato (influenza della temperatura, fumi tossici). E aggiunto in tracce,
al fine di inibire la germinazione di grafite primaria. E il più potente anti grafitizzante.
AZOTO: Normalmente presente nella ghisa nella misura di 0,003-0,012%(30-120 ppm). Oltre 90 ppm in
ghisa a grafite lamellare può creare dei difetti( inclusioni di gas inter dendritici)
L'Azoto disponibile può essere in gran parte neutralizzato bene da aggiunte di titanio, zirconio o alluminio, che
formano nitruri stabili ed evitano in tal modo la stabilizzazione dell'effetto di tempra. Le ghise ad elevato tenore
di cromo sono suscettibili di crescita del grano; l'Azoto è spesso aggiunto a tali ghise per ridurre la dimensione
del grano nei getti. L'introduzione dell'azoto nel bagno fuso viene effettuata mediante aggiunte di ferrocromo
azotato.
Formazione degli carburi
• Cementite (carburo di ferro, Fe3C)
La cementite è un composto interstiziale duro e fragile, costituito da ferro (93,3% in peso) e carbonio (6,67%
in peso).
Fe3C (6.67% C) = A (0,025% C) + Gr.
Cementite primaria: in un composto contenente dal 4,3% al 6,69% C; si forma a partire dal liquido;
Cementite secondaria: in un composto contenente dallo 0,8% al 4,3% C; si forma a partire dall'austenite satura;
Cementite terziaria: in un composto contenente dallo 0% allo 0,8% C; si forma a partire dalla ferrite.
La velocità alte di
raffreddamento
(passaggio tra Tstabile e
Tmetastabile), non solo
favorisce la formazione
della cementite, ma
modifica anche la forma,
la dimensione e la
distribuzione
della
grafite
Formazione degli carburi dei altri elementi chimici
E’ dovuta al fenomeno di micro segregazione
Chiamata anche “segregazione a corto raggio”, è un fenomeno di
non uniformità della composizione chimica al livello microscopico (del
grano). In funzione della sua forma si distinguono le micro segregazioni
intracellulare, al interno del grano e micro segregazioni intercellulare, tra i
grani vicini. La micro segregazione è il risultato della redistribuzione del
soluto e dipende del processi di diffusione nelle micro aree. La tendenza
delle micro segregazioni è valutata tramite il calcolo di un coefficiente di
segregazione, K
K = % soluto nel centro della cella / % soluto nella periferia
della dendrite
• K = 1 Segregazione assente
• K < 1 Segregazione positiva C, Mn, Cr, V, Mo, W, P, S (la
concentrazione del elemento segregato sarà maggiore nelle zone
periferiche dei grani rispetto al centro): K carbonio = 0,49
• K > 1 Segregazione inversa Si, Al, Cu, Ni, Co. (la concentrazione del
elemento segregato sarà maggiore nelle zone centrali dei grani
rispetto alla periferia)
Formazione degli carburi dei vari elementi chimici
L’identificazione dell’origine dei carburi è
possibile utilizzando la sonda EDS (Energy
Dispersive
X-ray
Spectroscopy)
nella
dotazione
dei
microscopi
elettronici
SEM(Scanning Electron Microscopy)
Nel
esempio
presentato
nella
immagine, nel caso “a.”, nel punto “Spectrum
2”, al interno della cella eutettica, il contenuto
di C è basso (segregazione diretta) mentre
quello di Si è alto (segregazione inversa), i
carburi sono assenti. Nel punto “Spectrum 3”
invece, sul bordo intercellulare saranno
presenti carburi di ferro, Cr e Mn (C=22,56%,
Cr=0,69%, Mn=1,19%).
Nei casi “b,” e “c.”, ci sono presenti sia carburi complessi (Ti, V, Cr, Nb, Mo, W), sia classici: C, Mn, Cr, anche
se a distanze brevi una dal altra (10-20 m). La formazione degli carburi sottrae carbonio alla precipitazione
grafitica e in mancanza di questa, il ritiro durante la solidificazione determina la presenza dei micro risucchi inter
cellulari (fig. b. e fig. c.).
Carattere perlitizzante dei vari elementi chimici
A seconda della velocità di raffreddamento della
austenite, può essere formata la perlite grossolana o la perlite
fine. Una lenta velocità di raffreddamento favorisce una
struttura perlitica grossolana, e un raffreddamento rapido
favorisce la formazione di una struttura perlitica fine. Per
esempio, un raffreddamento da un alta temperatura di
distaffatura come 927°C produce una eccellente perlite fine
rispetto ad un raffreddamento rapido da una bassa temperatura
di distaffaggio come 760°C. Alcuni elementi chimici possono
causare la formazione di perlite molto fine durante ad un lento
raffreddamento dalla regione austenitica. Cr (0.1-0.6%) e V
(0.1-0.4%) due comunemente elementi utilizzati, sono molto
efficaci formatori di perlite. Mo (0.1-0.8%) e Nichel (0.1-1.5%)
sono usati come stabilizzatori di perlite.
La valutazione della matrice metallica in funzione dello
spessore della fusione verso la composizione chimica di base
(C, Si) è presentata in diagramma GREINER &
KLINGENSTEIN
PROGETTAZIONE DELLE
COMPOSIZIONI CHIMICHE DELLE
GHISE A GRAFITE LAMELLARE
GHISE A GRAFITE LAMELLARE
La progettazione delle composizioni chimiche è basata sui modelli matematici empirici consolidati durante
periodi di tempo rappresentativi. Nel caso delle ghise a grafite lamellare, i vincoli da rispettare nella progettazione
sono i seguenti:
1. Raffreddamento in staffa: determinato dalla geometria, dalle dimensioni totali, dimensioni dei spessori
e variazioni di spessore delle varie fusioni
2. Prevenzione della formazione dei difetti di ritiro durante la solidificazione (macro e micro risucchi)
3. Prevenzione della formazione dei difetti di ritiro alo stato solido (crepe e non conformità dimensionali)
4. Caratteristiche della matrice metallica (controllo della precipitazione grafitica e proporzioni tra le fasi:
perlite-ferrite)
5. Caratteristiche meccaniche As Cast (Rt, HB)
6. Caratteristiche fisiche (conducibilità termica, temprabilità, HB dopo tempra superficiale – Jominy test)
7. Caratteristiche tecnologiche(colabilità)
I modelli matematici hanno alla base equazioni statistiche di regressione risultate dall’analisi dei 6 criteri
sopra elencati eseguite sulle fusioni As-Cast (controlli US per indentificare ritiro alo stato liquido e solido),
laboratorio interno (controllo della precipitazione grafitica e proporzioni tra le fasi: perlite-ferrite), laboratori
esterni(conducibilità termica, temprabilità, Jominy test) e informazioni tecniche dal cliente
GHISE A GRAFITE LAMELLARE
Calcolo dei parametri di grafitizzazione e delle proprietà meccaniche
La progettazione della composizione chimica è basata sul calcolo dei seguenti parametri metallurgici:
K1 graph.(Eutectic) = Indicatore di grafitizzazione in trasformazione eutettica;
Lo sviluppo grafitico durante la solidificazione necessaria a contrastare il ritiro liquido e il ritiro avvenuto
nella zona semi solida.
L’equazione di calcolo:
K1 graph. = C*[Si-0,2*(Mn-1,7*S-0,3)+0,4*Ni-1,2*Cr-0,4*Mo)
Gli elementi chimici con segno “+”, sono grafitizzanti, favoriscono lo sviluppo grafitico, quelli con segno “- “,
impediscono lo sviluppo grafitico (più rischio di formazione dei micro e macro risucchi).
Constanta di grafitizzazione è molto importante anche dal punto di vista delle dimensioni delle lamelle di
grafite, la distribuzione di queste, ma anche dal punto di vista della forma terminale di queste.
GHISE A GRAFITE LAMELLARE
La formula di calcolo della costante di grafitizzazione in trasformazione eutettica, e valida per
ghise con max. 3,00% Ni, 0,70% Mo, per le ghie con resistenze alla trazione(Rm) di max. 350
N/mm2. Le costante del processo metallurgico, sono, le medie dei parametri analizzati sulle
micrografie; lunghezza medie lamelle grafite = 120mm, rapporto lunghezza/larghezza = 50, Grafite
A/B/C/D/E/F = 80/5/5/5/5/0, caratteristiche ottenute usando inoculanti a base di zirconio-manganese.
Le analisi sono state eseguite su provini ASTM 278, diametro 50 mm
Tipi di grafite presenti nelle ghise
a grafite lamellare:
E’ desiderabile
ottenere il tipo “A”
per una lavorazione
meccanica facile e
nei casi in cui si
producono ghise ad
alta resistenza sono
ammessi i tipi “D” e
“E”
GHISE A GRAFITE LAMELLARE
Le estremità delle lamelle di grafite appuntite possono generare micro cricche per la
concentrazione delle tensioni in un solo punto, rispetto alle estremità arrotondate dove le tensioni
hanno una distribuzione radiale uniforme. La zona terminale della lamella di grafite, dipende molto del
tipo di inoculante utilizzato. Si consiglia l’uso dei inoculanti a base di zirconio e manganese pe
migliorare la forma delle lamelle.
GHISE A GRAFITE LAMELLARE
•
K2 graph.(Eutectoid) = Indicatore di grafitizzazione in trasformazione eutecttoidica;
La crescita grafitica allo stato solido durante la trasformazione dell’austenite in perlite. E’ necessario a contrastare
il ritiro allo stato solido, il maggiore responsabile della formazione del difetto “crepe”.
L’equazione di calcolo:
K2 graph. = C*Si - 0,2*(Mn-1,7*S-0,3) - 0,25*Ni - 1,2*(Cr+Mo) - 0,8*Cu.EQ
Cu.EQ = rame equivalente; Lo Sn, il Cr sono e il Sb, come Cu promotori e stabilizzatori di perlite ma più potenti
rispetto al Cu. Fino a 0,3 il Cromo può essere considerato solo come perlitizzante, oltre questo valore diventa
anche carburigeno, ovviamente in correlazione con lo spessore della fusione.
Cu.Eqv = Cu + 9,83*Sn + 10,26*Cr
Kp = Indicatore di perlitizzizazione;
Misura la tendenza della formazione della perlite nella reazione eutettoidica(727°). Le ghise utilizzate per la
produzione dei basamenti devono avere una struttura perlitica anche perché verranno sottoposte ad un ulteriore
trattamento termico di tempra.
L’equazione di calcolo:
KP= - 2,65*(Si-2) + 7,75*Cu + 90*Sn + 9,6*Cr
Perlite = proporzione (%) di perlite nella matrice metallica della ghisa as-cast
L’equazione di calcolo:
GHISE A GRAFITE LAMELLARE
Rm = Calcolo della resistenza alla trazione(N/mm2)
Rt=360 - 18,65*K1.graph - 6,24*K2.graph + 6,98*Kp
HB = Calcolo delle durezze as-cast
L’equazione di calcolo:
HB.Calc. = 360,47 - 17*(Mn-1,7*S-0,3) - 47,5*(C+0.333*Si) + 3,31* (Cu+9,83*Sn + 10,26 * Cr)
Jominy – D(mm) = Calcolo della profondità tempra sul provino Jominy
L’equazione di calcolo:
D. Jominy (mm) = 2,9*TA0,5 + 18,2*(Mn-1,7*S-0,3) + 25,3*Mo + 6*Cu.eq + 28,6*Mo*Cu.eq +
38,6*Mo*Ni + 13,6*Mn*Ni + 50,9*Mo*Cu.eq*Ni - 82,2
Dove TA = temperatura standard di tempra(900°C) . L’equazione è stata progettata partendo dai risultati
statistici efettuati su prove standard dai laboratori esterni
GHISE A GRAFITE LAMELLARE
Applicando le formule utilizzate su varie composizioni chimiche, si ottengono esempi di
ghise con seguenti parametri:
PROGETTAZIONE DELLE
COMPOSIZIONI CHIMICHE DELLE
GHISE A GRAFITE SFEROIDALE
Matrice metallica
nelle ghise a grafite sferoidale
Matrice metallica
nelle ghise a grafite sferoidale
Matrice metallica
nelle ghise a grafite sferoidale
GHISE A GRAFITE SFEROIDALE
( calcolo delle proprietà meccaniche)
Il modello matematico empirico utilizzato per la progettazione della composizione chimica delle ghise a
grafite sferoidale ha risultati molto affidabili dovuti a solo un tipo di grafite(sferoidale) rispetto a 5 tipi nel caso delle
ghise a grafite lamellare. In più la matrice metallica è continua. Questo, permette utilizzare di formule di calcolo di
regressione statistica lineare.
-
In.nod. = Indice nodularità (%)
Nod.Count = Numero noduli(1/mm2)
Diam.nod. = Diametro medio dei noduli in proporzione di 60% dal numero totale ( m)
1. Rm(N/mm2)
= -323,88 + Cu*438,97 + Mn*208,70 - Ni*185,21 – Cr*148,81 + Sn*4872,74
+ Ti*380,36 + P*352,30 + Mo*352,32+ Si*64,47 + 3,91*In.nod + 0,22*Nod.Count –
0,55*Diam.nod
2. Rp
2)
(N/mm
0.2
= -310,82 + Cu*229,48 + Mn*107,62 - Ni*98,48 + Cr*112,19 +
Sn*2800,45 + Ti*344,06 + P*555,15 + Mo*127,42 + Si*25,46 + 4,12*In.nod + 0,38*Nod.Count –
0,78*Diam.nod
GHISE A GRAFITE SFEROIDALE
( calcolo delle proprietà meccaniche)
3. A (%)
= -44,05 - Cu*35,03 - Mn*20,58 - Ni*8,02 - Cr*16,15 - Sn*340,36 - Ti*25,37 - P*80,60
- Mo*8,48 + Si*30,24 + 0,87*In.nod + 0,04*Nod.Count – 0,203*Diam.nod
4. HB
= 45,29 + Cu*143,85 + Mn*121,82 + Ni*60,21 + Cr*97,18 + Sn*1450,67 + Ti*279,54 +
P*395,24 – 80,00*Mo + Si*30,24 + 0,85*In.nod + 0,03*Nod.Count – 0,40*Diam.nod
5. Ferrite (%) = 102,32 - Cu*193,39 - Mn*124,82 + Ni*16,94 - Cr*97,20 - Sn*1920,17 Ti*125,83 - P*333,46 – 88,94*Mo + Si*4,32 + 0,77*In.nod + 0,05*Nod.Count + 0,33*Diam.nod
6. KV-20°C(J) = 40,60 - Cu*46,39 - Mn*54,39 + Ni*0,24 - Cr*97,20 - Sn*480,17 - Ti*125,83 P*333,46 – 88,94*Mo - Si*14,32 + 0,37*In.nod + 0,02*Nod.Count - 0,12*Diam.nod
GHISE A GRAFITE SFEROIDALE
(La matrice dei coefficienti di regressione)
Vincoli del modello matematico
Le formule di calcolo delle proprietà meccaniche, sono valide per ghise a grafite sferoidali non legate con:
C=3,5-3,8% Ni=max. 1,00% Si=1,9-3,0%, Mo=max. 1,00%, Sn=max. 0,10%, Cr=max. 1,00%, Cu=max.
1,20% Mg=0,040-0,055%, per le ghise con resistenze alla trazione, Rm=350÷950 N/mm2. Altre famiglie di
ghise(legate) sono progettate seguendo modelli matematici diversi.
I valori risultati dal calcolo <0, (A, Ferrite, KV), vengono normalizzati al valore”0”
I valori risultati dal calcolo >100, (Ferrite), vengono normalizzati al valore”100”.
Le costanti del processo metallurgico, sono le medie dei parametri analizzati sulle micrografie; nodularità
media=94%, La proporzione dei noduli in classe 7(30 m) e di 60% su totale noduli/mm2, N°medio
noduli/mm2=300 caratteristiche ottenute usando inoculanti a base di terre rare. Le analisi sono state eseguite
su provini UNI EN 1563, diametro 25 mm
GHISE A GRAFITE SFEROIDALE
(vincoli di progettazione)
GHISE A GRAFITE SFEROIDALE
Dalla durezza ad altre proprietà del materiale
Durezza copre diverse proprietà: resistenza alla deformazione, la resistenza di attrito e di abrasione.
E ben nota correlazione tra durezza e resistenza alla trazione, mentre la resistenza alla deformazione dipende
dal modulo di elasticità. La resistenza all'abrasione è parzialmente correlato alla durezza ma gli esperimenti
effettuati rilevano che la correlazione resistenza a l'usura / durezza presenta alcune inversioni Una
correlazione può essere stabilita tra durezza e di alcune proprietà dei materiali come resistenza alla trazione.
Poi le altre proprietà (come ad esempio la forza), può essere calcolata sulla base della durezza dalle
misurazioni, che sono molto più semplici da ottenere. Questa correlazione dipende dalla specifica i dati dei
test non possono essere estrapolati in modo da includere altri materiali non testati.
Correlazione HB - Resistenza alla trazione; HB – Allungamento per ghise a grafite sferoidale
GHISE A GRAFITE SFEROIDALE
RESISTENTE AL CALORE
Sono ghise contenenti 3,75-6%
silicio, da solo o in combinazione con un
massimo di 2% di molibdeno. Sono stati
sviluppate per soddisfare le crescenti
esigenze delle fusioni in grado di funzionare
a temperature elevate. Le proprietà primarie
richieste per queste ghise sono la resistenza
all'ossidazione,
stabilità
strutturale,
e
resistenza ai cicli termici. La ghisa ad alto
silicio(HiSi)
e
alto
silicio
e
molibdeno(HiSiMo)
migliora
significativamente le prestazioni delle ghise
sferoidali ferritiche ad elevate temperature,
mantenendo molti dei vantaggi di produzione
e di costo delle ghise sferoidali. Come
risultato, questi materiali sono molto
conveniente in applicazioni con temperature
di servizio della gamma 650-820°C in
condizioni di ciclo termico. Ghise a grafite
sferoidale con 4% di silicio e 0,6-0,8% di
molibdeno sono attualmente utilizzate per
collettori di scarico nella industria automotive
e turbocompressori
Resistenza alla trazione
Rm(N/mm2) a 425°C = 365,79 - C*89,67 + Si*80,07 + Mo*14,32 +
0,20*In.nod + 0,09*Nod.Count – 0,28*Diam.nod
Rm(N/mm2) a 540°C = 395,34 - C*116,85 + Si*65,60 + Mo*14,32 +
0,26*In.nod + 0,12*Nod.Count – 0,34*Diam.nod
Rm(N/mm2) a 650°C = 24,79 - C*1,29
+ Si*8,47 + Mo*9,79 +
0,32*In.nod + 0,11*Nod.Count – 0,34*Diam.nod
Resistenza allo stess termico:
= 100ore, T = 650 ÷ 815°C
Rm(N/mm2) = 158,77 + Si*5,28 + Mo*14,99 + 0,20*In.nod +
0,09*Nod.Count – 0,28*Diam.nod – 0,17*T(°C)
Resistenza alla fatica termica:
T = 200 ÷ 650°C
N° Cicli = 60,12 + 24,78*Si + 701,94*Mo + 0,36*In.nod +
0,18*Nod.Count – 0,43*Diam.nod