Accuratezza nei modelli di previsione delle proprietà meccaniche di leghe di fonderia

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Questo studio riguarda, nello specifico, la caratterizzazione di una ghisa sferoidale (GS) e di una ghisa a grafite compatta (CGI), ottenute entrambe per colata da cubilotto a vento caldo, attraverso processi fusori piuttosto simili e ben consolidati.

A chiunque produca leghe ferrose, oppure anche solo le adoperi con la dovuta attenzione, è senz’altro noto come aspetti quali composizione chimica, caratteristiche microstrutturali e proprietà meccaniche risultino strettamente interconnesse e complementari tra loro. La determinazione delle correlazioni esistenti rappresenta, quindi, un campo di indagine molto interessante, con ricadute potenziali enormi, sia da un punto di vista tecnico che pratico. Questa conoscenza è fondamentale, ad esempio, per valutare preventivamente, già in fase di simulazione numerica di processo, la resistenza locale del componente prodotto tramite fusione, riducendo i tempi di progettazione, garantendo un’elevata affidabilità e ottimizzando la scelta del materiale, in funzione del processo tecnologico e viceversa. D’altra parte, anche se sono state tantissime le ricerche che negli anni hanno consentito agli studiosi di arrivare a comprendere meglio queste correlazioni, non sempre i risultati sono stati tali da garantire quella accuratezza necessaria ad un loro impiego reale nella pratica industriale. In questo studio si propone una misura della precisione che è stata possibile ottenere grazie alla stima delle proprietà meccaniche effettuata attraverso l’uso di alcune delle formulazioni empiriche più note. Per questo scopo, presso gli stabilimenti produttivi di SCM Fonderie di Rimini, e con la collaborazione del Laboratorio Materiali dell’Università di Bologna, è stata allestita una specifica campagna sperimentale di produzione e caratterizzazione chimico-fisica di getti in ghisa.

Materiali e metodi

Lo studio ha riguardato, in particolare, una ghisa sferoidale (GS) e una ghisa a grafite compatta (CGI), ottenute entrambe per colata da cubilotto a vento caldo, attraverso processi fusori piuttosto simili e ben consolidati. Per la ghisa sferoidale, buona parte dalla fusione del metallo è stata ottenuta nel cubilotto prevedendo poi un trattamento esterno di desolforazione e di sferoidizzazione. La desolforazione è stata ottenuta in siviera mediante introduzione nel metallo liquido di carburo di calcio ed agitazione forzata attraverso insufflazione di azoto. La temperatura è stata mantenuta sempre superiore ai 1520 °C, in modo da garantire un abbattimento dello zolfo fino a valori pressocché trascurabili (0.001-0.005%). La ghisa desolforata è stata di seguito sottoposta al trattamento di sferoidizzazione ottenuta mediante introduzione di lega FeSiMg e Ca, per un contenuto di magnesio pari a circa il 6%. Il trattamento è stato tale da permettere di ottenere un residuo di Mg nel bagno dell’ordine del 0.045%-0.055%. Dopo la sferoidizzazione è stato eseguito un trattamento di post inoculazione utilizzando lega a base di FeSi e terre rare che hanno avuto lo scopo di migliorare le caratteristiche meccaniche del getto e di evitare la formazione di cementite primaria. La ghisa è stata infine versata in una forma di terra verde mantenendo un controllo accurato sulle tempistiche di colata al fine di evitare che il fenomeno di evanescenza e la perdita di magnesio del bagno portassero a degenerare la struttura sferoidale. Le stesse fasi di processo sono state utilizzate per realizzare ghisa a grafite compatta, senza alcuna sostanziale modifica, a tutto vantaggio della confrontabilità fra le due leghe. Le uniche differenze apportate sono state relative al dosaggio della lega sferoidizzante, che è stato diminuito e adeguato al magnesio residuo da ottenere nel bagno metallico, al tipo di lega di post inoculazione, a base di titanio anziché di terre rare. Gli altri parametri fondamentali sono rimasti invariati.

La Tabella 1 riporta le composizioni chimiche delle colate così ottenute, mentre le Tabelle 2 e 3 evidenziano le proprietà misurate (microstrutturali e meccaniche) rispetto ai singoli provini.

Con l’obiettivo di stabilire le correlazioni tra parametri microstrutturali e proprietà meccaniche, si è fatto uso di matrici di correlazione e analisi di regressione non lineare a variabili multiple. In funzione dei risultati espressi dalle matrici di correlazione, sono state definite le variabili di input per l’analisi di regressione, condotta tramite il software XLstat. Più nel dettaglio, l’attività sperimentale ha condotto alla definizione di correlazioni empiriche, in grado di fornire i valori di: durezza (HB), tensione di snervamento (YS), di rottura (UTS) e allungamento percentuale a rottura (E%), in funzione delle caratteristiche microstrutturali quali: la frazione di grafite (G%), la frazione di perlite (P%), la frazione di ferrite (F%), il numero di noduli grafitici per mm2 (NC), la loro area media (NA) e la nodularità della grafite (N). Tutte queste grandezze sono state determinate eseguendo prove di resistenza a trazione sui vari provini con successiva analisi metallografica.

Il modello matematico scelto per approssimare l’andamento delle proprietà meccaniche, in funzione delle caratteristiche microstrutturali, è stato del tipo di elevazione a potenza con sommatoria dei diversi contributi.

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