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S- Eutettico Austenite-Cementite → Eutettico Metastabile (T =1147°C)

SAl diminuire della temperatura, intorno ai 720-730°C l'austenite non è più in fase stabile e in questo punto si crea una seconda competizione tra la formazione di ferrite e perlite. Anche in questo caso la competizione viene governata dalla composizione e dal processo, in particolare dalla velocità di raffreddamento. Infatti, un raffreddamento veloce tende a privilegiare la perlite, mentre un raffreddamento lento tende a privilegiare la ferrite.

A seconda di come grafite, cementite, ferrite e perlite si vanno a combinare varia la struttura e variano le "caratteristiche applicative" della ghisa.

PRODUZIONE GHISE

La produzione di ghisa avviene attraverso dei processi di fonderia dove il metallo liquido viene colato e fatto solidificare all'interno di uno stampo, tale processo può avvenire in 2 modi:

• Stampo permanente: Lo stampo, di norma in acciaio, viene usato

bianche perlite, caratterizzate da una struttura perlite costituita da lamelle di ferrite e cementite. 2) Le ghise grafitiche ottenute per colata prendono il nome di Ghise grigie, caratterizzate da una struttura grafitica costituita da noduli di grafite dispersi nella matrice ferritica. Le ghise possono essere ulteriormente classificate in base alla presenza di leghe aggiunte durante la fusione: - Ghise al carbonio: contengono solo carbonio come lega aggiunta. - Ghise legate: contengono leghe aggiunte come silicio, manganese, cromo, nichel, ecc. Le ghise sono ampiamente utilizzate in diversi settori industriali, come l'automotive, l'ingegneria meccanica, la produzione di macchine utensili, ecc. Grazie alle loro proprietà meccaniche e alla facilità di lavorazione, le ghise sono un materiale molto versatile e apprezzato.

1) Le ghise grafitiche ottenute per colata si suddividono in diverse tipologie in base alla forma che assume la grafite:

• Ghise lamellari
• Ghise grigie (grafite a forma di sfere)
• Ghise sferoidali (grafite a forma vermicolare)
• Ghise a grafite compatta

Anche per le ghise sferoidali è possibile applicare un "trattamento termico diaustempering", trasformandole in Ghise sferoidali austemperate.

Si analizzano di seguito le diverse tipologie di ghisa:

Ghise bianche:

Le ghise bianche si ottengono per rapido raffreddamento e sono caratterizzate da una elevatissima durezza e una forte resistenza all'usura e alla corrosione, ma la presenza di carburi rende questo materiale molto fragile e non lavorabile all'utensile ma solo per fusione, infatti, la rottura avviene per distacco dei piani presentando una superficie praticamente liscia e allungamenti a rottura bassissimi (<<1%).

Queste caratteristiche rendono la ghisa bianca a essere

poco utilizzata e non desiderata nei processi di formazione.

● Ghise malleabili:

Le ghise malleabili si ottengono dalle ghise bianche dopo un lungo tempo di mantenimento a elevate temperature (950°C per 24-36 ore), in tal modo la cementite si scioglie con formazione di grafite che assume una "forma aggregata" detta a "pop-corn". Tale forma, non essendo più lamellare, non conferisce più l'effetto infragilente, infatti, tale ghisa viene detta "malleabile" dato che ha una capacità di deformazione molto maggiore rispetto alle ghise grigie (7-12%).

Quindi, tale ghisa è caratterizzata da una buona duttilità e = 350-700 MPa, ma la lunga permanenza a alte temperature rende tale ghisa costosa e richiede un elevato dispendio energetico.

● Ghise grigie:

Le ghise grigie sono le più facili da ottenere e sono ottenibili attraverso un raffreddamento lento, presentano grafite in forma lamellare che conferisce un

effetto infragilente del materiale poiché genera discontinuità microstrutturale e la forma favorisce l'innesco di cricche. Tali ghise sono caratterizzate da una bassa resistenza = 180-350 MPa, allungamenti bassissimi (<1%), una buona conducibilità termica conferita dalla grafite in forma lamellare, un buon coefficiente di smorzamento delle vibrazioni e un basso costo vista la spontaneità con cui si forma tale struttura.

• Ghise sferoidali:

La ghisa sferoidale presenta la grafite in forma di noduli sferoidali all'interno di una matrice metallica la cui morfologia varia in funzione della composizione chimica e dalle modalità di raffreddamento. Una matrice ferritica permette di avere una maggiore elongazione, mentre una matrice perlitica offre maggiore resistenza meccanica, quindi un giusto bilanciamento delle due matrici permette di ottenere le caratteristiche desiderate. Nella ghisa sferoidale i noduli di grafite esercitano un'azione.

di arresto per le cricche, a differenza della grafite lamellare che offre una via preferenziale per la loro propagazione. In particolare, la forma sferoidale della grafite produce una minore concentrazione di tensione rispetto a quella lamellare; inoltre la forma sferica è quella che a parità di volume presenta la minore superficie e la matrice risulta perciò meno danneggiata riuscendo così a sfruttare meglio le caratteristiche.

Ghise a grafite compatta:

In tale ghisa la grafite si trova in forma vermicolare conferendo al materiale buona duttilità e conducibilità termica.

Ghise sferoidali austemperate:

La ghisa sferoidale austemperata si ottiene tramite il applicato atrattamento termico di Austempering un getto di ghisa sferoidale. Questo processo conferisce alla ghisa le proprietà meccaniche tipiche degli acciai da bonifica. Trattando termicamente i getti in ghisa sferoidale arricchiti con leganti come il rame, il nichel e il molibdeno, la

La microstruttura iniziale della ghisa non trattata si trasforma in una microstruttura contenente un mix di austenite stabile e ferrite aciculare. La struttura ausferritica permette di ottenere fino a 1200 MPa con buone caratteristiche di deformabilità.

GRAFITIZZAZIONE GHISA

Per modulare le caratteristiche finali di una ghisa bisogna partire dalla sua struttura che può essere pilotata a partire dalla fase di solidificazione, dove in un primo stadio si ha la competizione tra grafite e cementite che dipende dalla composizione e dalla velocità di raffreddamento.

Composizione

In caso di solo ferro (Fe) e carbonio (C) nel diagramma si osserva che l'eutettico stabile (austenite-grafite obiettivo da raggiungere) si ha ad una temperatura di 1153°C, mentre quello metastabile (austenite-cementite) è caratterizzato da una temperatura di 1147°C.

Le ghise però non contengono solo ferro e carbonio, infatti possono essere presenti altri elementi.

che in alcuni casi possono influire sulle temperature degli eutettici. Tra i diversi elementi, essenziale è il ruolo del Silicio, la cui presenza determina un significativo effetto grafitizzante, infatti la temperatura dell'eutettico stabile viene incrementata, mentre quella dell'eutettico metastabile diminuisce sensibilmente, aumentando la differenza tra le due temperature permettendo così un sufficiente sottoraffreddamento così da ottenere più facilmente la ghisa grigia senza andare a superare la temperatura dell'eutettico metastabile. Infatti, per ottenere austenite e grafite il carbonio deve migrare in una zona dove è presente solo tale elemento, dinamica non semplice da ottenere poiché richiede un sottoraffreddamento che possa dare la forza motrice cinetica sufficiente per avviare il processo. In generale il sottoraffreddamento richiesto è di circa 20°C, quindi nel caso di solo ferro e carbonio scendendo di tale

temperatura a partire da 1153°C si supera la temperatura dell' eutettico metastabile (1147°C), ovvero la temperatura termodinamica in cui può formarsi cementite, la quale poiché non richiede un sottoraffreddamento si forma più facilmente rispetto alla grafite. Per evitare tale dinamica si usano (come il Silicio Si, Rame Cu, Nichel Ni e elementi grafitizzanti Alluminio Al) che aumentando il range tra le due temperature degli eutettici rendendo notevolmente più probabile, nell'ambito delle condizioni di raffreddamento ottenibili nella realtà, la solidificazione secondo il sistema austenite-grafite. In sostanza, nel corso di un generico raffreddamento, si potrebbe giungere alla temperatura dell' eutettico metastabile solo dopo aver ottenuto un notevole grado di sottoraffreddamento rispetto all' eutettico stabile, la cui solidificazione è pertanto favorita. Esistono anche elementi in lega vantaggiosi per l' eutettico metastabile,

Come nel caso del Cromo Cr, quindi nota la composizione di una generica ghisa, è possibile il calcolo delle temperature di eutettico stabile e metastabile.

● Velocità di raffreddamento

Un raffreddamento veloce favorisce la presenza di ghisa bianca, mentre un raffreddamento più lento favorisce la presenza di grafite, poiché fornisce il tempo necessario al carbonio per la sua diffusione. Quindi, in un getto le zone di piccolo spessore saranno soggette a un raffreddamento più rapido con il rischio di presenza di cementite, ovvero il rischio di infragilimento del componente in tali zone.

Per evitare tale fenomeno, direttamente nella siviera, si effettua l'inoculazione di polveri che fungono da punti di innesco per la nucleazione della grafite, in modo che si formi più facilmente anche con raffreddamenti rapidi.

In tale processo, le particelle hanno l'obiettivo di ottenere nucleazione eterogenea permettendo di ridurre il sottoraffreddamento.

ACCRESIMENTO GRAFITE

La formazione di grafite si gestisce con il controllo della nucleazione, mentre la morfologia, ovvero la tipologia di forma che assume la grafite, dipende dalla fase di accrescimento.

Esistono diversi tipi di accrescimento, i principali sono:

1. Accrescimento Cooperativo: Il metallo liquido si solidifica andando ad accrescere i primi aggregati che sono nucleati, i quali sono formati da austenite e una serie di lamelle di grafite che partono dal punto di nucleazione. Nella fase di accrescimento la fase liquida solidificandosi deposita carbonio nella grafite che affiora dal nucleo, mentre deposita ferro e un piccolo quantitativo di carbonio sulla zona austenitica. Quindi, sulla superficie del nucleo si accrescono contemporaneamente in maniera cooperativa grafite e austenite.
2. Accrescimento divorziato: In tale meccanismo, gli aggregati di solidificazione p