Analisi metallografiche e di resilienza su getti in ghisa

resilienza

In questo articolo si descrivono alcune analisi metallografiche e di resilienza su getti in ghisa.

È di seguito descritto uno studio di analisi metallografica e di resilienza su getti in ghisa sferoidale (SGI) e compatta, o vermicolare, (CGI) con fusioni effettuate presso la SCM Fonderie di Rimini.

Si è utilizzato un impianto di colata costituito da un cubilotto a cielo aperto, un forno di mantenimento (FOMET), una siviera e una linea di colata a sabbia verde.

resilienza

Tab. 1 – Composizioni chimiche della ghisa prima e dopo il trattamento e alla fine della colata.

Grazie all’aggiunta di specifici leganti (trattamenti) e a una precisa impostazione di parametri di processo, la fonderia riesce a produrre una enorme varietà di ghise con grande flessibilità e anche in una rapida sequenza.

È proprio quanto viene qui descritto, dove, da uno stesso metallo base, sono stati ottenuti prima getti in SGI e poi in CGI.

Materiali

In tabella 1 sono indicate le relative composizioni chimiche, del metallo base e di quello colato rispetto a entrambe le ghise.

resilienza
Fig. 1 – Composizioni chimiche della ghisa utilizzata quale base.

In ciascuno dei due casi, sono anche riportate le composizioni chimiche riscontrate tanto a inizio che a fine della colata.

Tutti questi valori sono mostrati in figura 1, dove è evidente la frazione di elementi chimici che vanno a costituire la base di metallo fuso e poi in figura 2 dove sono mostrati i cambiamenti della composizione di ciascuna delle due ghise rispetto a tale base.

resilienza
Fig. 2 – Variazione nella composizione chimica della ghisa per effetto dei trattamenti (su scala normalizzata).

I valori di concentrazione sono stati normalizzati per ciascun elemento al fine di valutarne meglio le variazioni.

Metodi

Per le prove di colata si è scelto di utilizzare un simulacro di medie dimensioni (428x428x99 mm), relativo a una flangia pressoché assialsimmetrica, prodotta abitualmente dallo stabilimento.

resilienza
Fig. 3 – Geometria del simulacro.

In tal senso, in figura 3 sono rappresentate le geometrie del getto, mentre in figura 4 è visibile la motta utilizzata per la realizzazione del simulacro.

resilienza
Fig. 4 – Motta per la realizzazione dei simulacri.

In questa esperienza sperimentale, per ciascuno dei due materiali (SGI e CGI), sono stati prodotti due getti per ogni colata.

Alle analisi metallografiche sono state effettuata a partire da campioni estratti da due specifiche sezioni, più interna e più esterna risposto al bastone di colata.

resilienza
Fig. 5 – Simulacro con evidenziate le zone di estrazione interne (I) ed esterne (E).

In figura 5 è riportata l’immagine di una flangia con evidenti le posizioni di estrazione dei campioni.

Fig. 6 – Sezione trasversale della flangia con evidenziate direzioni di studio (orizzontale e verticale) e le zone di estrazione dei campioni classificati come “U” e “D” rispettivamente.

Di ciascuno dei getti della seconda colata, sono stati estratti campioni dal primo o dal secondo getto per un totale di 4 zone analizzate per ciascun materiale.

Fig. 7 – Micrografie (25X) di ghisa sferoidale (prime due a sinistra) e di ghisa a grafite compatta (a destra).

I campioni sono stati identificati con le sigle: S21E, S21I, S22E, S22I e V21E, V21I per la SGI, V22E e V22I per la CGI nel rispetto della seguente nomenclatura:

S – ghisa sferoidale

V- ghisa vermicolare (grafite compatta)

2 – seconda colata

1/2 – primo / secondo getto

I/E – sezione interne / esterna

U/D – zona massiva / zona a spessore ridotto

La figura 6 schematizza la sezione della flangia evidenziando le direzioni orizzontale (linea rossa) e verticale (linea blu) utilizzata come riferimento per l’elaborazione delle micrografie.

Fig. 8 – Andamento nella profondità per direzione verticale delle caratteristiche microstrutturali per sezioni estratte in zona interna ed esterna di un getto di ghisa sferoidale (S21).

Nello specifico, i dati del campionamento verticale (V) corrisponderanno in sequenza alle micro: 1-10, 17-18, 23-32 e saranno riportati in funzione della distanza dalla superficie identificata dalla lettera A nel disegno.

Fig. 9 – Andamento nella profondità per direzione verticale delle caratteristiche microstrutturali per sezioni estratte in zona interna ed esterna di un getto di ghisa sferoidale (S22).

I dati del campionamento orizzontale corrisponderanno in sequenza alle micro: 19-22, 25-30, 7-16 e saranno riportati in funzione della distanza dalla superficie identificata dalla lettera B nel disegno.

Metallografia

L’analisi di grafite e matrice è avvenuta tramite microscopia ottica e riconoscimento di immagine, secondo modalità analoghe ad analisi precedentemente svolte, e comunque sempre con riferimento alla norma ISO 16112.

Fig.10 – Andamento nella profondità per direzione orizzontale delle caratteristiche microstrutturali per sezioni estratte in zona interna ed esterna di un getto di ghisa sferoidale (S21).

In particolare, per ogni micrografia si è provveduto a valutare:

  • Densità di vermi/noduli grafitici, espressa in numero per mm²
  • Grandezza dei noduli grafitici, espressa come area media in μm²
  • Determinazione del grado di nodularità
  • Frazione grafitica
  • Frazione ferritica
  • Frazione perlitica

Per effettuare le analisi microstrutturali, i campioni sono stati preventivamente sottoposti a preparativa metallografica, comprendente una fase di spianatura con carte abrasive e di lucidatura con panno e spray diamantato (9 μm e 3 μm).

resilienza
Fig. 11 – Andamento nella profondità per direzione orizzontale delle caratteristiche microstrutturali per sezioni estratte in zona interna ed esterna di un getto di ghisa sferoidale (S21).

Le micrografie ottiche sono state ottenute con ingrandimento 25X (1893×2366μm per micrografia) e i dati ottenuti sono stati mediati su due o quattro micrografie (comunque sempre superando il limite minimo di 4 mm² di analisi imposto dalla norma ISO 16112).

La figura 7 riporta alcuni esempi di micrografie nel caso di ghisa sferoidale (SGI) e di ghisa a grafite compatta (CGI) ritraenti due diverse zone del getto. Le immagini sono state fotografate dopo attacco chimico (con reattivo Nital 2) ed evidenziano, come era da attendersi, un’evidente sferoidizzazione per la SGI e un’accennata vermicolarità per la CGI.

Fig.12 – Andamento nella profondità per direzione orizzontale delle caratteristiche microstrutturali per sezioni estratte in zona interna ed esterna di un getto di ghisa sferoidale (S21).

Nei successivi grafici sono riportati i risultati di questa intensa campagna sperimentale, espressi in termini di densità dei noduli (in n/mm²), grandezza media noduli (in μm²) e % di grafite, nodularità, ferrite e perlite.

Fig. 13 – Andamento nella profondità per direzione verticale delle caratteristiche microstrutturali per sezioni estratte in zona interna ed esterna di un getto di ghisa a grafite compatta (V22).

In uno stesso grafico sono rappresentati i valori riscontrati rispetto ai diversi campioni metallografici, E (esterni) e I (interni), mentre grafici differenti indicano i risultati rispetto alle due direzioni di analisi (orizzontale e verticale).

Lungo tale direzione si è andati in profondità all’interno del simulacro riuscendo così a ricostruire l’andamento nello spessore de parametri metallografici fondamentali.

Fig. 14 – Andamento nella profondità per direzione orizzontale delle caratteristiche microstrutturali per sezioni estratte in zona interna ed esterna di un getto di ghisa a grafite compatta (V21).

I valori sono quindi riportati rispetto a una profondità (in mm), prese rispetto a due punti notevoli (A e B, di figura 6) presenti in superficie.

La quantità di dati che ne risulta (e solo in parte qui esposti) è enorme.

La loro interpretazione, incluso lo sviluppo di modelli attraverso tecniche di machine learning, e rimandato a una prossima pubblicazione.

resilienza
Fig. 15 – Andamento nella profondità per direzione orizzontale delle caratteristiche microstrutturali per sezioni estratte in zona interna ed esterna di un getto di ghisa a grafite compatta (V22).

Già questi dati “grezzi”, tuttavia, rendono evidenti diversi aspetti relativi ai due materiali investigati e, più in generale, ai processi di fusione.

Ad esempio, è facilmente riscontrare la presenza di una certa oscillazione nei risultati sperimentali che, tuttavia, dovrebbe essere considerata a fronte di una variabilità intrinseca rispetto a questo genere di misurazioni.

A questo proposito, tutte le misure appaiono in sé consistenti con valori che variano all’intero di una attesa variabilità.

resilienza
Fig. 16 – Geometria del Provino Charpy per prove di resilienza (da norma UNI EN 1563).

In termini di risultati generali, si può osservare come molti dei parametri studiati mostrano uno specifico andamento lungo lo spessore (in crescita o decrescita) che va al di là delle dette variabilità e sottendono una qualche spiegazione collegata alla solidificazione della ghisa che merita di essere approfondita.

Resilienza

Le prove di resilienza sono state eseguite in accordo con le norme ISO 148-1 e UNI EN 1563.

La geometria del campione è riportata in figura 16. In figura 17 sono mostrati i risultati delle prove, eseguite su 1 dei due campioni estratti da ogni zona, opportunamente divisi per getto di appartenenza e zona di estrazione [Interna/Esterna e Massiva (U)/Sottile (D)].

resilienza
Fig. 17 – Misure di resilienza a temperatura ambiente per ghisa sferoidale (SGI) e a grafite compatta (CGI).

La tabella 2 riporta invece i valori medi ottenuti per la resilienza rispetto ai diversi getti per zona di estrazione. Come era da attendersi la resilienza della CGI è solitamente maggiore.

Si può osservare inoltre che la resilienza dei provini estratti nella zona meno massiva del getto (campioni “D”) è tendenzialmente maggiore di quella dei provini estratti dalla zona più massiva (campioni “U”).

Questo avviene sia nel caso di SGI che di CGI.

Tab. 2 – Risultati generali delle prove di resilienza, condotti a temperatura ambiente per ghisa sferoidale (SGI) e a grafite compatta (CGI).

Per la SGI, inoltre, si nota che generalmente i provini estratti più in prossimità del (campioni “I”) hanno una resilienza maggiore rispetto a quelli estratti in zone più distanti (campioni “E”).

Questo non avviene per la ghisa a grafite compatta, rispetto alla quale non emerge un comportamento univoco per i campioni “I” piuttosto che “E” a parità di massività della zona di estrazione (riferimenti “D” o “U”).

Ringraziamenti

Questa attività è parte di un intervento più ampio finalizzato alla caratterizzazione sperimentale delle leghe di fonderia realizzato dall’Università di Bologna per conto di SCM Fonderie.

resilienzaIl progetto è stato cofinanziato dalla Regione Emilia-Romagna all’interno dei propri programmi di sviluppo territoriale.

di Carlo Castello