Cos'è la ghisa duttile? Proprietà, gradi e usi

Cos'è la ghisa duttile?

Ghisa duttile — chiamata anche ghisa nodulare o ghisa a grafite sferoidale (SG) — è un tipo di ghisa in cui la grafite è presente come noduli sferici anziché scaglie . Questa differenza strutturale è ciò che conferisce alla ghisa duttile la sua caratteristica distintiva: la capacità di deformarsi plasticamente prima di fratturarsi, anziché rompersi improvvisamente come la ghisa grigia convenzionale.

La risposta breve a "cos'è la ghisa duttile" è questa: è un materiale ferroso di fusione ad alta resistenza e resistenza agli urti che combina la colabilità e la lavorabilità della ghisa con proprietà meccaniche che si avvicinano a quelle dell'acciaio. La resistenza alla trazione varia da 414 MPa a oltre 900 MPa a seconda del grado, sono ottenibili valori di allungamento dal 2 al 18%, numeri che la ghisa grigia, con allungamento vicino allo zero, non può avvicinare.

La ghisa duttile fu sviluppata nel 1943 da Keith Millis presso la International Nickel Company, il quale scoprì che l'aggiunta di piccole quantità di magnesio al ferro fuso faceva solidificare la grafite in una forma sferica. La produzione commerciale iniziò alla fine degli anni '40, mentre oggi lo è il ferro duttile uno dei materiali tecnici più diffusi al mondo , con una produzione globale superiore a 25 milioni di tonnellate all'anno.

In che modo la ghisa duttile differisce dalla ghisa grigia a livello microstrutturale

La chiave per comprendere la ghisa duttile risiede nella sua microstruttura. Nella ghisa grigia, la grafite si forma come scaglie interconnesse in tutta la matrice metallica. Queste scaglie agiscono come cricche preesistenti: sotto stress, la frattura inizia alle punte delle scaglie e si propaga rapidamente, causando rotture fragili praticamente senza deformazione plastica.

Nella ghisa duttile l'aggiunta di Da 0,03 a 0,05% di magnesio in peso al ferro fuso (un processo chiamato nodulizzazione o trattamento del magnesio) fa sì che la grafite si solidifichi sotto forma di sfere distinte - noduli - anziché di scaglie. Ogni nodulo è una particella di grafite discontinua senza punte taglienti che possano innescare la fessurazione. La matrice di ferro tra i noduli può deformarsi plasticamente sotto stress prima che qualsiasi fessura possa propagarsi, conferendo al materiale la sua duttilità.

La matrice che circonda i noduli di grafite può essere ferritica, perlitica o una combinazione di entrambi, e questa composizione della matrice è ciò che determina principalmente le proprietà meccaniche di ogni dato grado di ghisa duttile. Il trattamento termico può convertire la matrice da perlitica a ferritica (ricottura) o produrre microstrutture austemperate per la massima resistenza.

Principali proprietà meccaniche della ghisa duttile

Le proprietà meccaniche della ghisa duttile sono ciò che la distingue da ogni altro tipo di ghisa e la rende una vera alternativa ingegneristica all'acciaio in molte applicazioni. Le seguenti proprietà si applicano ai gradi standard secondo ASTM A536:

• Resistenza alla trazione: 414 MPa (60.000 psi) per il grado 60-40-18 fino a 827 MPa (120.000 psi) per il grado 120-90-02. La ghisa sferoidale austemperata (ADI) raggiunge resistenze a trazione superiori 1.400MPa .
• Carico di snervamento: Da 276 MPa a 621 MPa (da 40.000 a 90.000 psi) nei gradi standard, con ADI che raggiunge oltre 1.100 MPa.
• Allungamento: Dal 2 al 18% alla frattura, a seconda del grado. Offerte di grado 60-40-18 Allungamento del 18%. —un livello associato a metalli altamente duttili.
• Durezza: Da 140 a 300 Numero di durezza Brinell (BHN) per i gradi standard; Le qualità ADI raggiungono da 269 a 477 BHN a seconda della temperatura di austemperatura.
• Resistenza agli urti: Significativamente più alto della ghisa grigia. Valori di impatto Charpy di da 7 a 100 J sono ottenibili a seconda del grado e della temperatura, rispetto a valori prossimi allo zero per la ghisa grigia.
• Resistenza alla fatica: Circa il 45-49% della resistenza alla trazione nella fatica da flessione rotante, paragonabile a molti acciai a medio tenore di carbonio.
• Modulo elastico: Da 159 a 172 GPa: inferiore all'acciaio (200 GPa) ma significativamente superiore all'alluminio (69 GPa), fornendo un buon comportamento rigidità-peso nelle fusioni a sezione spessa.

Gradi e standard della ghisa duttile

La ghisa duttile è prodotta in più gradi definiti da resistenza alla trazione, carico di snervamento e allungamento minimo. La convenzione di denominazione in ASTM A536 codifica direttamente queste proprietà: Grado 65-45-12 significa resistenza alla trazione minima di 65.000 psi, resistenza allo snervamento minima di 45.000 psi e allungamento minimo del 12%.

A livello internazionale, i gradi di ghisa duttile sono definiti sotto ISO 1083 (ad esempio, EN-GJS-400-18, EN-GJS-500-7, EN-GJS-700-2) e lo standard europeo EN 1563. La convenzione di denominazione è diversa, ma gli intervalli di proprietà sono strettamente paragonabili ai gradi ASTM A536.

Ghisa sferoidale austemperata: la variante ad alte prestazioni

La ghisa sferoidale austemperata (ADI) viene prodotta sottoponendo la ghisa sferoidale standard a un ciclo di trattamento termico specializzato: austenitizzazione a da 850°C a 950°C , seguito da tempra isotermica in bagno di sale a da 230°C a 400°C . Ciò produce una microstruttura ausferrite, una miscela di ferrite aciculare e austenite stabilizzata al carbonio, che offre straordinarie combinazioni di resistenza, duttilità e tenacità.

I gradi ADI conformi a ASTM A897 raggiungono resistenze a trazione di Da 900 a 1.400 MPa con valori di allungamento compresi tra l'1 e il 10%, proprietà che si sovrappongono a quelle dell'acciaio mediolegato, ma a un livello Densità inferiore del 10%. e costi significativamente inferiori se prodotti in geometrie complesse che richiederebbero una lavorazione estesa da barre. L'ADI viene utilizzato in ingranaggi, alberi a gomiti, collegamenti di cingoli e componenti agricoli strutturali dove il rapporto prestazioni/costi è decisivo.

Ghisa duttile vs. ghisa grigia vs. acciaio: un confronto diretto

Comprendere la posizione della ghisa duttile rispetto alla ghisa grigia e all'acciaio aiuta gli ingegneri a prendere la giusta decisione per la selezione del materiale. Ciascun materiale ha un ingombro prestazionale e un profilo di costo definiti.

La tabella illustra perché la ghisa duttile occupa una posizione così dominante nell'ingegneria: offre resistenza e duttilità che si avvicinano all'acciaio, mantiene la capacità di smorzamento e i vantaggi di colabilità della ghisa e costa significativamente meno per chilogrammo di componente finito rispetto alla fusione di acciaio quando sono coinvolte geometrie complesse.

Come viene prodotta la ghisa duttile: il processo di produzione

La produzione di ghisa duttile richiede un controllo del processo più rigoroso rispetto alla ghisa grigia. La fase di trattamento del magnesio è la parte più critica e tecnicamente impegnativa del processo.

1. Preparazione del ferro base: Il ferro fuso di base viene preparato con una composizione controllata, in genere dal 3,6 al 3,8% di carbonio e dal 2,0 al 2,8% di silicio in peso. Il contenuto di zolfo deve essere ridotto al di sotto dello 0,02% prima del trattamento con il magnesio, poiché lo zolfo reagisce e consuma il magnesio, prevenendo la formazione di noduli.
2. Trattamento al magnesio (nodulizzante): Il magnesio viene aggiunto al ferro fuso, tipicamente come lega di magnesio-ferrosilicio (FeSiMg) per moderare la reazione violenta. Il trattamento viene eseguito in siviera utilizzando il metodo sandwich, a immersione o ad iniezione a filo. Il contenuto residuo di magnesio nel ferro trattato deve essere dallo 0,03 allo 0,05%. —troppo poco porta ad una nodularizzazione incompleta; troppo provoca la formazione di carburo.
3. Inoculazione: Immediatamente dopo il trattamento con magnesio, viene aggiunto un inoculante di ferrosilicio per favorire la nucleazione della grafite e prevenire la formazione di carburo durante la solidificazione. L'inoculazione deve avvenire entro un breve lasso di tempo, in genere entro 10-15 minuti -per rimanere efficace prima di svanire.
4. Cast: Il ferro trattato viene versato in stampi in sabbia, stampi permanenti o apparecchiature di colata centrifuga a seconda della geometria del pezzo. Il tasso di ritiro leggermente più elevato della ghisa duttile rispetto alla ghisa grigia richiede un'attenta progettazione del montante per prevenire la porosità interna.
5. Trattamento termico (facoltativo): La ghisa duttile allo stato grezzo può essere ricotta per ferritizzare completamente la matrice (migliorando la duttilità), normalizzata per sviluppare una matrice perlitica (aumentando la resistenza) o austemperata per produrre gradi ADI.
6. Verifica della qualità: La nodularità (la percentuale di grafite presente sotto forma di sfere rispetto a forme irregolari) viene verificata metallograficamente. Nodularità superiore all'85%. è richiesto per la maggior parte delle applicazioni strutturali; al di sotto dell'80%, le proprietà meccaniche sono notevolmente inferiori ai requisiti di qualità.

Dove viene utilizzata la ghisa duttile: principali applicazioni per settore

La combinazione di resistenza, duttilità, colabilità e costo della ghisa duttile la rende la scelta di materiale predefinita in una gamma notevolmente ampia di settori. Non è un materiale di nicchia: è un cavallo di battaglia.

Automotive e trasporti

Le applicazioni automobilistiche consumano la quota maggiore della produzione globale di ghisa sferoidale. I componenti chiave includono alberi motore, alberi a camme, alloggiamenti dei differenziali, fusi a snodo, bracci di controllo delle sospensioni e pinze dei freni. Un tipico veicolo passeggeri contiene Da 30 a 60 kg di ghisa sferoidale . La resistenza alla fatica e la lavorabilità del materiale lo rendono ideale per parti rotanti e alternative di gruppi propulsori che altrimenti richiederebbero costosi pezzi fucinati in acciaio.

Infrastrutture idriche e delle acque reflue

I tubi in ghisa sferoidale hanno ampiamente sostituito i tubi in ghisa grigia e cemento nei sistemi di distribuzione dell'acqua e nelle fognature in tutto il mondo. La combinazione di elevata resistenza alla trazione, flessibilità sotto i movimenti del terreno, resistenza alla corrosione (soprattutto con rivestimento in cemento) e lunga durata— Da 50 a 100 anni previsto: lo rende il materiale preferito per le condutture idriche comunali, i tubi in pressione e i raccordi. L'AWWA C151/A21.51 regola le specifiche dei tubi in ghisa sferoidale nel Nord America.

Atrezzature agricole ed edili

Gli alloggiamenti degli assali dei trattori, i corpi dei cilindri idraulici, le scatole del cambio e i componenti dell'attacco degli attrezzi vengono normalmente fusi in ghisa duttile. Il materiale resiste ai carichi d'urto derivanti da terreni accidentati e operazioni sul campo che causerebbero la rottura della ghisa grigia, offrendo allo stesso tempo una migliore lavorabilità e costi inferiori rispetto a getti di acciaio equivalenti.

Petrolio, gas e valvole

Le valvole a saracinesca, le valvole a globo, le valvole di ritegno e i corpi valvola per condutture industriali sono comunemente fusi in ghisa duttile di grado 65-45-12 o 80-55-06. La capacità di contenimento della pressione del materiale, la lavorabilità per superfici di appoggio di precisione e la resistenza alla corrosione lo rendono preferibile alla ghisa grigia per qualsiasi applicazione in cui la rottura del corpo della valvola costituirebbe un evento di sicurezza.

Energia eolica

Le fusioni in ghisa sferoidale di grande formato sono componenti strutturali critici nelle turbine eoliche. I pezzi fusi dei mozzi per turbine multi-megawatt possono pesare Da 10 a 30 tonnellate , con telai della gondola, alloggiamenti dei cuscinetti principali e fusioni del bloccaggio del rotore anch'essi realizzati in ghisa duttile. La combinazione di elevata robustezza, resistenza alla fatica e capacità di fondere geometrie cave complesse con sezioni di grande spessore rendono la ghisa duttile insostituibile in questa applicazione.

Limitazioni e considerazioni sull'utilizzo della ghisa duttile

La ghisa duttile non è una soluzione universale. Comprenderne i limiti previene costosi errori di progettazione e applicazioni errate dei materiali.

• Sensibilità della sezione: Le proprietà meccaniche si degradano in sezioni trasversali molto spesse (da 75 a 100 mm) dove la lenta velocità di raffreddamento al centro riduce la nodularità e favorisce la formazione di perlite o carburo. I getti di grandi dimensioni richiedono un'attenta regolazione della lega e potrebbero richiedere un trattamento termico per ottenere proprietà uniformi ovunque.
• Duttilità inferiore alle basse temperature: A differenza dell'acciaio, la ghisa duttile non mantiene i valori di impatto Charpy a temperature inferiori allo zero. Sotto circa -20°C , la ghisa duttile ferritica standard subisce una transizione da duttile a fragile. Le applicazioni a bassa temperatura richiedono qualità speciali a basso contenuto di silicio o legate al nichel.
• La saldatura è difficile: Ghisa duttile is weldable but requires careful preheat (typically da 250°C a 400°C ), metalli d'apporto adeguati (elettrodi a base di nichel o ad alto contenuto di nichel) e raffreddamento post-saldatura controllato per prevenire fessurazioni. La saldatura è una tecnica di riparazione, non un metodo di giunzione, per la maggior parte dei componenti in ghisa sferoidale.
• La resistenza alla corrosione è moderata: Il ferro duttile si corrode in ambienti aggressivi, in particolare terreni ricchi di cloruro e condizioni acide. I rivestimenti protettivi (rivestimento in cemento, resina epossidica, zinco) sono standard per le applicazioni di infrastrutture interrate. La ghisa duttile non protetta non deve essere utilizzata in servizi immersi o interrati senza mitigazione della corrosione.
• La densità è superiore a quella dell'alluminio: At 7,1 g/cm³ —rispetto ai 2,7 g/cm³ dell'alluminio—la ghisa sferoidale è più pesante. Per le applicazioni critiche in termini di peso in cui non sono richiesti i vantaggi in termini di resistenza della ghisa duttile, i getti di alluminio o magnesio possono essere più appropriati.

Lavorabilità e finitura della ghisa sferoidale

La ghisa duttile funziona bene rispetto all'acciaio, sebbene sia leggermente più abrasiva della ghisa grigia a causa dei noduli compatti di grafite. La grafite contenuta nella ghisa grigia fornisce un effetto lubrificante incorporato che riduce marginalmente l'usura dell'utensile; la grafite sferoidale della ghisa sferoidale non offre lo stesso vantaggio.

• Velocità di taglio: Macchina per gradi ferritici (60-40-18, 65-45-12) a velocità di taglio di da 150 a 250 m/min con utensili in metallo duro. I gradi perlitici (80-55-06, 100-70-03) richiedono velocità ridotte da 100 a 180 m/min a causa della maggiore durezza.
• Finitura superficiale: La ghisa sferoidale può essere lavorata con finiture superficiali di Ra da 0,8 a 1,6 μm con utensili in carburo standard, adatti per la maggior parte delle superfici di tenuta e di cuscinetti senza rettifica.
• Rivestimento e trattamento superficiale: La ghisa duttile accetta bene la galvanica, la fosfatazione, la verniciatura, la verniciatura a polvere e i rivestimenti a spruzzo termico. La tempra alla fiamma e la tempra a induzione dei gradi perlitici possono raggiungere durezze superficiali di Da 50 a 58 HRC per superfici critiche per l'usura come i lobi degli alberi a camme e i perni dell'albero motore.