La ghisa è una lega ferro-carbonio la cui microstruttura e le cui proprietĂ fisiche dipendono in modo importante tanto dalla composizione chimica del materiale di partenza quanto dalle modalitĂ di solidificazione e raffreddamento del fuso. Questo studio ha proprio l’obiettivo di investigare le correlazioni tra parametri di processo e le strutture chimico-fisiche ottenute.
Allo scopo presso la fonderia di ghisa di SCM Group sono stati prodotti due getti per colata in sabbia, uno in ghisa sferoidale (SG) e l’altro in ghisa a grafite compatta (CGI). Le loro rispettive composizioni chimiche, come misurate in siviera prima della fase di colata, sono indicate in Tabella 1 che rende evidente le differenze tra i due materiali soprattutto in termini di tenore di S, Mg e Ti.
Il metallo fuso è stato colato in forme in sabbia verde caratterizzate da una geometria complessa, visibile in Figura 1. Questa sorta di strano grappolo, con molte camere di colata diverse per forme e dimensioni, è stato pensato per permettere di caratterizzare il raffreddamento delle ghise rispetto a una molteplicità di esperimenti.
Nel caso specifico delle analisi metallografiche, oggetto di questo studio, sono stati utilizzati campioni di lega prelevati dalla sezione evidenziata in figura. Questa sezione è caratterizzata da una geometria a 4 scalini, di dimensione variabile, che crea getti quali quelli mostrati in Figura 2. Tale accorgimento costruttivo porta a realizzare 4 parallelepipedi di spessore 10, 20, 40 e 60 mm, adatti a comparare l’effetto dello spessore del getto sul raffreddamento con le altre condizioni di processo che restano sostanzialmente inalterate.
La Figura 3 rende evidente tali spessori, ma mostra anche (linea rossa) il particolare schema di estrazione dei campioni, meglio dettagliato negli schemi di Figura 4. Nello specifico, le analisi microstrutturali si sono concentrate sulla valutazione di morfologia, dimensione e percentuale dei vermi grafitici e sulla determinazione delle percentuali di grafite, ferrite e perlite. L’analisi di grafite e matrice è avvenuta in microscopia ottica, come indicato dalla norma ISO 16112 provvedendo a valutare:
• numero di vermi/noduli grafitici per mm2
• area media dei vermi grafitici
• grado di vermicolaritĂ
• frazione grafitica
• frazione ferritica
• frazione perlitica
Prima delle analisi, i campioni sono stati sottoposti a preparativa metallografica attraverso spianatura con carte abrasive e successiva lucidatura con panno e spray diamantato (9 ÎĽm e 3 ÎĽm).
Le micrografie sono state eseguite con ingrandimento 25X (1893×2366 mm per micrografia) per poi andare a investigare le zone di maggior interesse attraverso ingrandimento 50X.
Sempre in Figura 4 sono riportate le posizioni delle micrografie acquisite sulle varie sezioni dei diversi scalini, codificate in funzione della distanza dall’attacco di colata e dalla parte inferiore del getto stesso.
Le Figure 5 e 6 riportano alcune micrografie ritraenti le zone centrali di ogni scalino, per i getti in ghisa sferoidale e a grafite compatta rispettivamente.
Risultati e discussione
Le micrografie evidenziano come negli scalini di spessore 10 mm di entrambi i getti sia stata riscontrata la presenza di cementite primaria (Figura 7). Quest’ultima, presente in frazione decisamente maggiore nella ghisa sferoidale, appare chiara in micrografia e si localizza in mezzo alla fase perlitica. La presenza di cementite primaria è stata riscontrata solo ed esclusivamente entro una distanza massima di 40 mm dall’attacco di colata e rigorosamente solo nello scalino di spessore 10 mm. Nella determinazione delle fasi, la presenza di cementite primaria è stata comunque trascurata. I risultati delle analisi, effettuate sulla zona centrale di ogni scalino (micrografie 2.x nei diagrammi di Figura 4) sono riportati in Tabella 2 e 3 e nei diversi grafici di Figura 8 e 9. Nello specifico, sono riportati i valori medi misurati in funzione della distanza dall’attacco di colata (ingate) e dello spessore del getto (che ne è conseguenza).
Osservando i valori assunti dalla ghisa sferoidale, risulta immediatamente comprensibile come, all’aumentare della distanza dall’attacco di colata (e quindi dello spessore), il numero di noduli (nuclei) tenda a diminuire, mentre ne aumenta la dimensione media.
Considerando il significativo decremento delle velocità di solidificazione all’aumentare dello spessore, l’effetto di nucleazione dovuto al sottoraffreddamento diminuisce, riducendosi così il numero dei noduli grafitici. Una volta avvenuta la solidificazione, il materiale vede però aumentare il tempo a disposizione del carbonio per diffondere dall’austenite verso i noduli.
Ne deriva un aumento della dimensione dei noduli e anche un aumento dei tenori di grafite (nonché di ferrite) all’aumentare dello spessore (dal 7% al 12% nel passaggio da 10 mm a 20÷60 mm).
Occorre comunque sottolineare che la presenza di cementite primaria nello scalino di 10 mm di spessore, va necessariamente a influenzare la valutazione del contenuto grafitico. La frazione perlitica risulta invece approssimativamente costante (circa pari al 60%), come anche la nodularità (prossima all’80%).
Considerando i dati relativi alla ghisa a grafite compatta, risulta evidente come, anche in questo caso, si abbiano gli stessi fenomeni che influenzano nucleazione e accrescimento dei germi grafitici nella ghisa sferoidale.
All’aumentare della distanza dall’attacco di colata (e quindi dello spessore), il numero di vermi (nuclei) tende a diminuire, mentre ne aumenta la dimensione media.
Considerando il significativo decremento delle velocità di solidificazione all’aumentare dello spessore, l’effetto di nucleazione dovuto al sottoraffreddamento diminuisce, riducendosi così il numero dei vermi grafitici.
Una volta avvenuta la solidificazione il materiale vede però aumentare il tempo a disposizione del carbonio per diffondere dall’austenite verso i vermi.
Ne deriva un aumento delle dimensioni dei vermi ed anche un aumento dei tenori di grafite all’aumentare dello spessore (dal 15% al 18% nel passaggio da 10 mm a 20÷60 mm).
Va comunque sottolineato, anche in questo caso, che la presenza di cementite primaria nello scalino di 10 mm di spessore va necessariamente ad influenzare (ridurre) la valutazione del contenuto grafitico. Inoltre, facendo un paragone coi risultati ottenuti per la ghisa sferoidale, come già evidenziato in analisi passate, si nota che la ghisa a grafite compatta presenta una maggiore frazione grafitica (a parità di carbonio equivalente), nonché una minore dimensione media dei germi grafitici (da 900 μm2 a 700 μm2 medi) e un maggiore numero degli stessi (da 120 mm-2 a 240 mm-2 medi). Queste differenze nelle caratteristiche della grafite sono, a tutti gli effetti, le ragioni della più ridotta difettosità (ritiro) riscontrata sui getti prodotti con questa ghisa, piuttosto che con ghisa sferoidale. Un maggiore numero di germi grafitici, nonché una morfologia caratterizzata da un rapporto superficie/volume maggiore che non quello della ghisa sferoidale, porta ad una maggiore diffusione allo stato solido del carbonio
verso i germi grafitici e dunque è causa del più alto contenuto ferritico di questa tipologia di ghisa, rispetto ad una ghisa sferoidale con pari carbonio equivalente e stesso trattamento di inoculazione (55% contro 30% medi).
Infine, per questo tipo di ghisa, nel range di spessori considerati, la frazione perlitica sembra aumentare all’aumentare delle dimensioni ma comunque rimando sempre prossima al 30% (piuttosto che 60% della sferoidale).
Per quel che riguarda la valutazione della nodularità (vermicolarità ), i valori si assestano sempre sotto il 20% (sopra l’80%), con una certa tendenza a diminuire (aumentare) all’aumentare delle dimensioni degli scalini.
