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 Proprietà e metallurgia della Ghisa

AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)

Cap. ATS-G11 - Proprietà metalli - Pag. ATS-G11.02

Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Arch. Michele Cuzzoni nel 2012 - © Copyright 2007- 2024 - e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina

 

Proprietà della Ghisa

 

 

 

INDICE:

 

PROPRIETA' DELLA GHISA

 

Le ghise sono leghe ferro-carbonio con percentuali di carbonio che in pratica vanno dal 1,7% al 4,5%, fonde a temperatura non molto elevata, è fluida, dà getti sani e compatti e consente una facile realizzazione di pezzi anche molto complicati.

 

La ghisa possiede le seguenti caratteristiche:

Le caratteristiche meccaniche possono modificarsi a seconda delle concentrazioni di carbonio e i trattamenti termici ricevuti.

La massa volumica è di 7250 Kg/m3.

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COSTITUENTI STRUTTURALI DELLE GHISE

Le strutture cristalline finali ottenute in un getto di ghisa dipendono:

Il diagramma di GREINER e KLINGENSTEIN indica le strutture ottenute in conseguenza sia della percentuale globale di C + Si sia del variare della velocità di raffreddamento.

 

 

Ogni costituente strutturale ha diverse proprietà (durezza, resistenza meccanica e all’usura, elasticità) per cui la loro presenza influisce sulle caratteristiche meccaniche medie del getto.

FERRITE – è ferro quasi puro; è il costituente tenero (HB = 95), poco resistente ma duttile (Rm = 343 N/mm2, A = 40%), poco resistente all’usura. La sua presenza nella ghisa è causata da elementi grafitizzanti (silicio, nichel). È un costituente non gradito per alcune applicazioni (ghise resistenti all’usura) o provocato ad arte per altre applicazioni (ghisa malleabile).

PERLITE – è una fine struttura composta di ferrite e cementite alternata a strati sottili. La forma naturale della perlite è quella lamellare, ma attraverso trattamenti termici o con elementi di alligazione si può ottenere anche in forma globulare fine; in tal caso viene chiamata sorbite. Presenta buone proprietà elastiche, si lavora facilmente pur presentando buona resistenza all’abrasione. La perlite è il costituente che ha la principale influenza nelle caratteristiche meccaniche. È la migliore tra le strutture di una ghisa. Rm = 823 N/mm2, A = 25%, HB = 197.

CEMENTITE – è un composto di ferro e carbonio (carburo di ferro Fe3C) presente totalmente nella ghisa bianca e parzialmente nella trotata. È causata da elementi antigrafittizzanti (manganese, cromo, alluminio) o da elevate velocità di raffreddamento. È un costituente duro, fragile, difficilmente lavorabile Rm = 34 N/mm2, A = 0%, HB = 550.

STEADITE – è un composto di fosforo e ferro. È dura, fragile e ha bassissima resistenza a trazione. HB = 400. Talvolta è gradita per organi non fortemente sollecitati che devono avere buona resistenza all’usura.

Ad esempio una ghisa con 2,9% di carbonio ha una resistenza a trazione Rm = 315 N/mm2 con matrice perlitica e una resistenza a trazione Rm = 160 N/mm2 con matrice ferritica.

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PROPRIETA' delle GHISE BIANCHE

In queste ghise il carbonio si trova prevalentemente combinato sotto forma di cementite immerse in una matrice metallica perlitica. A causa della notevole presenza di cementite, risultano molto dure e fragili e pertanto la loro utilizzazione risulta limitata alla fabbricazione di componenti per i quali si richieda un’elevata resistenza all’usura. Alcuni tipi di getti vengono ottenuti in ghisa bianca per essere successivamente sottoposti al trattamento di malleabilizzazione.

Le loro PROPRIETÀ CARATTERISTICHE sono:

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PROPRIETA' delle GHISE GRIGIE PER GETTI (UNI ISO 185)

In queste ghise il carbonio si trova prevalentemente allo stato di grafite a forma di lamelle (struttura lamellare) immerse in una matrice metallica normalmente perlitica. Le lamelle di grafite, interrompendo la continuità della matrice metallica, determinano una bassa resistenza a trazione e una notevole fragilità, non alterano la resistenza a compressione, favoriscono le lavorazioni per asportazione di truciolo. La lunghezza delle lamelle influisce sulla resistenza a trazione: lamelle più lunghe = minore resistenza a trazione.

Le loro PROPRIETÀ CARATTERISTICHE sono:

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PROPRIETA' delle GHISE A GRAFITE SFEROIDALE (UNI ISO 1083)

In queste ghise il carbonio si trova prevalentemente allo stato di grafite a forma di sferule (struttura sferoidale). L’agglomerazione del carbonio in sferule è determinata aggiungendo nella siviera, al momento della colata, delle leghe Fe-Si (favoriscono la formazione di grafite) e Ni-Mg (provocano la disposizione sferoidale). In questo caso le discontinuità della matrice metallica che risultano più concentrate, non influiscono negativamente sulle proprietà meccaniche. Queste ghise risultano più resistenti, meno fragili e manifestano un certo allungamento prima della rottura. La matrice strutturale può essere ferritica (ghise meno resistenti) o perlitica (ghisa più resistente, ma più fragile).

Le loro PROPRIETÀ CARATTERISTICHE sono:

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PROPRIETA' delle GHISE SPECIALI MALLEABILI (UNI ISO 5922)

Sono ghise che possono subire deformazioni e apprezzabili allungamenti senza criccarsi, ma non sono malleabili nel significato tecnologico della parola. Si fabbricano in due fasi:

1. produzione del getto in ghisa bianca, quindi con struttura cementitica;

2. trattamento termico di ricottura di malleabilizzazione che trasforma la struttura cementitica originale.

Tali ghise possono essere di due tipi:

 

A. a CUORE BIANCO (ghisa malleabile europea) – Viene fabbricata con getti di ghisa colata in forme nelle quali avviene un raffreddamento da 1400 °C a 800 °C in 15 min. Quindi si effettua meccanicamente la distaffatura facendolo raffreddare in aria calma. Successivamente il getto viene immerso in polvere di ossido di ferro (Fe2O3) e riscaldato lentamente fino a circa 980 °C con permanenza a questa temperatura per 5-7 giorni; segue un raffreddamento lento (qualche giorno). Durante questo tempo avviene la decomposizione della cementite in grafite e ferrite, soprattutto nelle zone superficiali, mentre il cuore ha come costituenti strutturali perlite + ferrite.

Le loro PROPRIETÀ CARATTERISTICHE sono:

 

B. a CUORE NERO (ghisa malleabile americana) – Viene fabbricata con ghisa bianca sottoposta a ricottura (t = 900 °C) in un ambiente neutro (sabbia silicea) per il tempo sufficiente perché il carbonio contenuto nella cementite e nella perlite si scinda in piccoli fiocchi tondeggianti di grafite in una matrice del tutto ferritica in superficie, mentre il cuore ha una struttura perlitica.

Le loro PROPRIETÀ CARATTERISTICHE sono:

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PROPRIETA' della GHISA MEEHANITE

È una ghisa grigia di qualità i cui costituenti strutturali sono perlite (circa 90%) e grafite in forma di lamelle o globuli molto fini e uniformemente dispersi. Per tale costituzione strutturale, le sue proprietà si avvicinano a quelle di un acciaio eutettoide.

Per la sua produzione occorre un procedimento di fabbricazione ben regolato:

Viene utilizzata per basamenti di macchine utensili, alberi a gomiti per compressori e motori a combustione interna, bruciatori a gas e nafta, camicie per motori, camme, ingranaggi di fusione.

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DESIGNAZIONE GHISE (UNI EN 1560)

Le norme EN sono norme redatte dal CEN (Comitato Europeo di Normazione). Si riportano, di seguito, nella colonna di sinistra, le vecchie norme perché ancora utilizzate nei libri di testo e nelle riviste.

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LAVORABILITÀ DELLE GHISE MEDIANTE ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO

Le caratteristiche di lavorabilità della ghisa dipendono principalmente dalla sua microstruttura.

La GHISA GRIGIA ha una struttura ferritica o perlitica ed è facilmente lavorabile perché non contiene carburi liberi (composti chimici molto duri). La presenza di carburi riduce la lavorabilità e, se presenti in grande quantità danneggiano l’utensile, come pure le zone indurite che si riscontrano in superficie o sugli spigoli dei particolari a piccole sezioni dove la velocità di raffreddamento è più elevata. La tendenza all’indurimento aumenta con l’aumentare del contenuto di magnesio e di silicio. Una distribuzione fine e irregolare della grafite è essenziale quando sia richiesta una buona finitura superficiale.

Le GHISE SFEROIDALI e MALLEABILI sono ghise ad alta resistenza con strutture ferritiche e perlitiche che hanno una discreta lavorabilità grazie alla loro microstruttura controllata. La grafite nodulare conferisce a queste ghise caratteristiche paragonabili a quelle dell’acciaio. Tuttavia la loro lavorabilità è, a volte, migliore di quella di uno stesso particolare in acciaio avente la stessa durezza Brinell.

Esiste un rapporto diretto tra la lavorabilità e la durezza della ghisa. Nel campo di durezza della ghisa grigia HB = 130 - 240, la variazione di pochi punti di durezza ha una grande influenza sulla velocità di taglio. Generalmente la lavorazione diviene difficoltosa per HB > 240 in quanto la struttura contiene carburi liberi e la durata dell’utensile viene di molto ridotta.

Viene riportata, in modo grafico orientativo, la variazione della velocità di taglio in funzione della durezza Brinell, nel caso di utensile in metallo duro.

 

 

Per la lavorazione delle ghise sono raccomandati utensili in ceramica per la loro elevata durezza e resistenza all’usura, meglio se con angoli di spoglia negativi (g = -4° ¸-6°) per sfruttare l’elevata resistenza a compressione della ceramica e limitare inconveniente derivanti dalla bassa resistenza alla rottura trasversale per taglio. Ricordare che gli utensili con angoli di spoglia negativi sono più robusti.

 

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GUIDA PER L’UTILIZZO DELLE GHISE

In generale si può dire che per la scelta del materiale metallico per una determinata applicazione, occorre tenere presente i seguenti quattro punti fondamentali:

1. forma e dimensioni del pezzo;

2. sollecitazioni prevedibili per il pezzo in opera;

3. caratteristiche chimico-fisiche del materiale;

4. eventuali trattamenti termici.

 

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Bibliografia

 

Bib-TS-010 - M. Cavallini, F. Iacoviello - Materiali Metallici - Francesco Ciolfi Editore, via E. De Nicola, Cassino

Bib-TS-011 - W. Nicodemi - Metallurgia - Masson, Milano

Bib-TS-012 - A. Cigada - Struttura e proprietà dei materiali metallici - Città Studi, Milano

Bib-TS-092 - L. Mugnani - Manuale pratico di fonderia - Milano, 1928

Bib-TS-093 - Dispense di Chimica - A.A. 1992/1993 - Facoltà di Ingegneria Edile / Architettura - Pavia

 

 

 

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