Ghisa a grafite compatta: ulteriori misure

Nella grande famiglia delle ghise, la ghisa a grafite compatta (o CGI dall’acronimo inglese di “Compacted Graphite Iron”), non è mai riuscita ad emergere rispetto ad un ruolo pressocché secondario.

Comunemente conosciuta come ghisa vermiculare per via di una compattazione della grafite in filamenti (‘vermi’), le vicende poco fortunate che hanno portato alla sua nascita non ne hanno favorito di certo la diffusione. Molti affermano infatti che la sua scoperta possa essere fatta risalire ad inizio del secolo scorso, ben prima quindi della nascita di altre forme di ghisa tecnologicamente evolute, come la sferoidale.

Purtroppo, tuttavia, la sua individuazione esatta è avvenuta solo nel 1965: prima di allora, era considerata poco più di un “difetto di produzione“, non riconoscendone così proprietà e possibili vantaggi. Proprio le sue peculiarità ne fanno un materiale interessante, anche se ancora oggi il suo impiego resta limitato a pochi casi.

Detto in breve, la CGI presenta proprietà meccaniche e resistenziali intermedie tra la ghisa lamellare e sferoidale, dimostrandosi particolarmente adatta in situazioni in cui sia richiesta una buona resistenza meccanica ma senza un’eccessiva durezza. Ne rappresenta un caso, ad esempio, il basamento di un grande motore dove la minore durezza rispetto alla sferoidale consentirebbe alla grafite compatta di offrire benefici in termini di smorzamento delle vibrazioni.

Evitando di riproporre argomenti già ampiamente trattati nel passato, si torna a sottolineare come la CGI, ancora poco conosciuta e diffusa sul mercato, potrebbe rappresentare un “elemento nuovo” attraverso cui rafforzare la filiera della fonderia nazionale sotto attacco da produzioni a basso costo. A tale scopo, si rendono di seguito disponibili i risultati provenienti da una ampia campagna di misurazione sperimentale delle proprietà meccaniche della grafite compatta posta a confronto diretto con una ghisa sferoidale (GS). Questa attività è stata svolta dall’Università di Bologna in collaborazione con SCM Fonderie.

Analisi termiche differenziali

Sono state prelevate tre medaglie per analisi quantometriche (Figura 1a), al fine di eseguire analisi termiche differenziali (DSC) e determinare le temperature caratteristiche di transizione del passaggio solido liquido e delle trasformazioni allo stato solido. Le tre medaglie considerate erano relative a tre diversi prelievi dalla siviera: la prima al riempimento dal forno di mantenimento, la seconda dopo sferoidizzazione (GS) e la terza dopo aggiunta di ulteriori leganti per l’ottenimento della ghisa a grafite ecompatta (CGI). Campioni di circa 20÷30 mg sono stati prelevati per analizzare il comportamento del materiale durante il raffreddamento.

Tutti i campioni sono stati sottoposti ad una rampa di riscaldo fino a 1400 °C a 30 °C/min (Figura 1b). L’intera sperimentazione è avvenuta in atmosfera inerte (Ar) eseguendo 2 prove per tipologia di ghisa analizzata imponendo ratei di raffreddamento di 10 °C/min e 20 °C/min.

La composizione chimica delle due leghe analizzate è riportata in Tabella 1. Trascurando la variazione del contenuto di C, le chimiche delle due leghe sono molto simili, eccetto che per il tenore di Mg e Ti (minore e maggiore rispettivamente nella ghisa CGI). Le curve che rappresentano lo scambio energetico della lega al diminuire della temperatura, sono rappresentate in Figura 2.

Per entrambe le leghe durante il passaggio liquido/solido sono emersi, un primo picco attorno ai 1250 °C (caratteristico della formazione di nuclei di grafite nel liquido) e un secondo picco attorno ai 1050 °C (relativo alla solidificazione eutettica). La trasformazione eutettoide è invece avvenuta per entrambe le leghe attorno ai 750 °C. Da notare che la ghisa sferoidale raffreddata a 10 °C/min ha evidenziato una curva con i picchi corrispondenti alla formazione dei nuclei della grafite e della solidificazione eutettica a temperature superiori.

In riferimento al diagramma Fe-C riportato in Figura 3, si nota come, le temperature alle quali si verificano i picchi nelle analisi termiche, corrispondano all’incirca alle temperature indicate dal diagramma di fase per una lega con circa il 4,4% di carbonio (circa il CE per le due leghe).

Tuttavia, mentre le temperature di segregazione della grafite (1250 °C) e trasformazione eutettoide (750°C) vengono rilevate con maggiore aderenza a quelle indicate sul diagramma Fe-C, la trasformazione eutettica è rilevata con circa 100 °C di ritardo (1050°C anziché 1150°C).

Dato l’elevato scambio energetico proprio di questa trasformazione, l’evidenziato ritardo, che è tanto maggiore quanto maggiore è la velocità di raffreddamento imposta, è probabilmente da imputarsi all’inerzia del sistema.