Austempering: alleggerimento componenti in ghisa

Austempering: e la ghisa acquisisce la proprietà meccaniche degli acciai da bonifica

La ghisa austemperata, comunemente detta anche ADI, è un materiale che offre simultaneamente resistenza alla fatica, resistenza all’usura, tenacità, leggerezza, ampi gradi di libertà di disegno dei componenti ed una buona lavorabilità. A valle del processo di fusione, la ghisa viene trattata termicamente. Tale processo, chiamato austempering, le conferisce proprietà meccaniche tipiche degli acciai da bonifica. Per questo la ghisa austemperata costituisce un’opportunità ed al contempo una riduzione dei costi totali di fabbricazione

Ghisa austemperata: nascita e le prime applicazioni

Le prime applicazioni della ghisa austemperata risalgono agli anni ’30 e ’40 del secolo scorso. A quegli anni, dunque, possono esser fatti risalire i primi pionieristici tentativi di ottenere migliori proprietà meccaniche agendo sul trattamento termico. Negli anni ‘30, infatti, Bain et al, conducevano i primi esperimenti sulle trasformazioni isoterme degli acciai. Durante tali ricerche fu scoperta una nuova microstruttura degli acciai descritta come “un aggregato scuro aciculare”. Apparse subito come tale nuovo micro costituente possedesse una resistenza migliore, a parità di durezza, della martensite temprata.
Un decennio dopo, negli anni ’40, Keith Millis studiò la possibilità di sostituire il cromo con nuovi elementi per la produzione di acciai da nitrurazione. Da tale ricerca nacque la ghisa grigia al magnesio, che mostrava nella microstruttura, una fase organizzata in sfere. Nel 1948, a seguito della pubblicazione del lavoro di Millis, viene ancor oggi fatta risalire la nascita della ghisa duttile (o sferoidale). Nel 1966, alla scadenza del brevetto, si stima si producessero 2.1 milioni di tonnellate di ghisa duttile l’anno, produzione che solo due anni dopo superava quella della ghisa malleabile. Nel 2006 la quantità di ghisa duttile prodotta ha superato le 5 milioni di tonnellate/anno.
Benché le conoscenze del processo di austempering possano essere fatte risalire agli anni ’30, la prima ghisa austemperata è stata prodotta solo negli anni ’60 grazie agli sviluppi tecnologici. Ufficialmente il primo componente diffuso su larga scala realizzato in ADI può essere identificato in un albero motore ad opera di Tecumseh Products (1972). Ad oggi la produzione di ADI supera le 100000 tonnellate l’anno.

Caratteristiche meccaniche dell’ADI

La ghisa austemperata viene prodotta trattando termicamente la ghisa duttile,  anche conosciuta come ghisa nodulare o ghisa sferoidale (SG), mediante un processo detto austempering (o di austempera).
Il materiale viene riscaldato fino a circa 900°C e mantenuto in temperatura in modo da portare a completa austenitizzazione la struttura. A questo punto vi è un rapido raffreddamento fino a circa 300°C. Tale temperatura risulta comunque al di sopra della temperatura di inizio formazione di martensite.
Il materiale viene successivamente mantenuto in temperatura per circa 2 ore dando modo alla struttura ausferritica di formarsi. La struttura caratteristica che si forma viene appunto chiamata ausferrite e consta in ferrite ed austenite sovrassatura di carbonio da cui deriva la presenza di carbonio o grafite disperso nella matrice ferrosa, come mostrato da Keough et al.
Tale microstruttura rende la ghisa austemperata completamente differente dalle ghise duttili temprate (formazione di ferrite aciculare nella struttura) mostrando eccellenti proprietà meccaniche. Tali proprietà dipendono fortemente dai parametri di processo e, quindi, dalla microstruttura.
Nelle ghise la ferrite è un costituente relativamente tenero e poco resistente. Il numero di noduli di grafite rappresenta un’importante parametro. La loro numerosità (numero di noduli per mm²) deve essere sufficiente da minimizzare le porosità e la presenza di carburi. La cosiddetta nodularità, invece, rappresenta la sfericità dei noduli ed è anch’essa assai importante dato che risulta proporzionale al carico di rottura e all’allungamento percentuale. Nella produzione di ghisa, quindi c’è un valore minimo accettabile di noduli, di porosità e di nodularità che garantiscono una buona qualità della ghisa. Tipicamente, nel caso di ghisa austempera, l’obiettivo è un numero minimo di 100 noduli per mm², una nodularità superiore all’85% ed una porosità inferiore all’1.5%.
Nel 1990 ASTM ha stabilito cinque gradi standardizzati per l’ADI (ASTM, 987-90, 1990) (ASTM, 987M-90, 1990). Nel 1997, lo standard ASTM è stato seguito da quello europeo (EN, 1997). Ad oggi esiste anche uno standard ISO.
Al crescere del grado, la struttura aciculare diventa sempre più compatta. Ciò porta ad un aumento della resistenza ed una diminuzione dell’allungamento percentuale. Per questo i vari gradi trovano applicazioni molto differenti. Gradi 800 e 900 sono tipicamente utilizzati in applicazioni in cui è richiesta una una lavorabilità alle macchine utensili e una buona resistenza all’impatto. Il grado 1050 viene tipicamente utilizzato per applicazioni con elevato numero di cicli di carico grazie alle ottime proprietà a fatica. I gradi 1200 e 1400 sono infine da scegliere quando si è alla ricerca della massima resistenza all’usura.
Da notare come grazie al suo peso specifico inferiore a quello dell’acciaio, la ghisa ADI permetta, a pari stato di sollecitazione, di alleggerire il componente. Inoltre, l’ADI risulta più facilmente colabile rispetto agli acciai per cui è possibile ottenere forme anche complesse con sovrametalli minimi. Grazie alla presenza della grafite, poi, l’ADI è un materiale cosiddetto sordo, ovvero capace di smorzare le vibrazioni e, quindi, contenere l’emissione acustica nonché autolubrificante.
Il vero vantaggio nell’utilizzo di tale materiale, però, sta nella capacità di “autoindurirsi” in esercizio. Ed è proprio da qui che derivano le ottime proprietà di resistenza ad usura. A valle del trattamento, l’ADI presenza una struttura ausferritica relativamente tenera e facile da lavorare. Tale struttura, però, se “eccitata” tende localmente a trasformarsi in martensite, indurendosi. Questo avviene normalmente in esercizio.
Nell’utilizzo di acciai induriti, il processo produttivo tipicamente prevede una prima sgrossatura del pezzo, il trattamento di indurimento superficiale come cementazione o nitrurazione ed una lavorazione di finitura essenziale per far tornare il componente in tolleranza dato che l’indurimento porta con se immancabili distorsioni. Lavorare un pezzo indurito, però, richiede molta energia e tempi relativamente lunghi con un impatto negativo sui costi.
Per contro, la ghisa ADI, che comunque presenta resistenza all’usura uguale o superiore agli acciai induriti superficialmente, si trasforma naturalmente in martensite in esercizio. Ciò permette, seppur con alcuni accorgimenti, di lavorare il componente a valle dell’austempera già di finitura. In questa fase il materiale è relativamente tenero e, quindi, i costi ed i tempi di lavorazione contenuti. Tendendo poi l’ADI ad indurirsi naturalmente in esercizio, tale ghisa non necessità di successivi trattamenti di indurimento.
Affinché, però, la ghisa non si trasformi già durante le lavorazioni meccaniche, i parametri di lavoro vanno scelti in modo accurato. In particolare, si è rilevato come profondità di passata elevate risultino più efficaci in quanto la maggior parte dell’energia del processo di trasferisce al truciolo e non al componente lasciando la superficie lavorata non trasformata e ulteriormente lavorabile.

Futuro delle ghise austemperate

Le ghise austemperate stanno prendendo sempre più piede nel mondo industriale grazie agli indubbi vantaggi, in molte applicazioni, rispetto agli acciai induriti. La possibilità di ottenere componenti più facilmente lavorabili, più economici e con proprietà meccaniche equivalenti se non addirittura migliori, però, comporta la necessità di un integrazione ottimale tra quella che è la parte di fonderia, il trattamento e la progettazione. Solo con un’integrazione completa dei tre step è possibile arrivare ad un prodotto veramente competitivo.

Differenti strutture a seconda del grado -ISO-.

(Fonte: Zanardi Fonderie)