Cos'è la ghisa grigia? Composizione, proprietà e applicazioni

Cos'è la ghisa grigia?

Ghisa grigia è una lega ferrosa contenente dal 2,5 al 4,0% di carbonio e dall'1,0 al 3,0% di silicio in peso, in cui la maggior parte del carbonio è presente sotto forma di scaglie di grafite distribuite in tutta la matrice di ferro. Quando si esamina una superficie di frattura, quelle scaglie di grafite conferiscono al metallo il suo caratteristico colore grigio, da cui deriva il nome. È la forma di ghisa più prodotta al mondo, tenendo conto circa il 70-75% di tutta la produzione di ghisa a livello globale .

La risposta breve a "cos'è la ghisa grigia" è questa: è un materiale tecnico a basso costo, altamente fondibile con eccellente smorzamento delle vibrazioni, buona resistenza alla compressione, eccezionale lavorabilità e fragilità intrinseca. È il materiale preferito laddove lo smorzamento, la resistenza all'usura e la geometria complessa contano più della resistenza alla trazione o alla resistenza agli urti —che copre una vasta gamma di applicazioni industriali, automobilistiche e infrastrutturali.

La ghisa grigia è stata prodotta ininterrottamente almeno dal V secolo a.C. in Cina e ha costituito la spina dorsale della produzione industriale nel corso dei secoli XVIII e XIX. Nonostante la concorrenza di ghisa duttile, acciaio e alluminio, rimane insostituibile nelle applicazioni in cui la sua specifica combinazione di proprietà non può essere eguagliata economicamente da nessun altro materiale.

La microstruttura che definisce la ghisa grigia

La caratteristica distintiva della ghisa grigia è la sua microstruttura: scaglie di grafite incastonate in una matrice metallica di ferrite, perlite o una combinazione di entrambe . La comprensione di questa microstruttura spiega praticamente ogni proprietà meccanica e fisica esibita dal materiale.

Scaglie di grafite: la fonte di punti di forza e di debolezza

Nella ghisa grigia, il carbonio in eccesso che non può essere sciolto nella matrice del ferro precipita come grafite durante la solidificazione. L’alto contenuto di silicio (dall’1,0 al 3,0%) favorisce questa grafitizzazione sopprimendo la formazione di carburo di ferro (cementite), che altrimenti produrrebbe ghisa bianca, un materiale duro, fragile e quasi difficilmente lavorabile.

Le scaglie di grafite agiscono come una rete interna di concentratori di stress. Sotto carico di trazione, le cricche iniziano sulle punte affilate delle scaglie e si propagano rapidamente attraverso la matrice, conferendo alla ghisa grigia la sua caratteristica bassa resistenza alla trazione e un allungamento prossimo allo zero. Tuttavia, queste stesse scaglie offrono vantaggi fondamentali: interrompono la propagazione delle cricche sotto vibrazione ciclica (smorzamento), forniscono un effetto autolubrificante che riduce l'usura e rendono il materiale eccezionalmente facile da lavorare perché le scaglie agiscono come rompitruciolo.

Tipi di scaglie di grafite: classificazione ASTM A247

ASTM A247 classifica la morfologia delle scaglie di grafite in cinque tipi che influenzano direttamente le proprietà meccaniche:

• Tipo A (distribuzione uniforme, orientamento casuale): Il tipo di scaglie più desiderabile. Prodotto con velocità di raffreddamento moderate con ferro ben inoculato. Fornisce la migliore combinazione di resistenza, lavorabilità e smorzamento.
• Tipo B (raggruppamenti a rosetta): Prodotto mediante raffreddamento moderatamente rapido. Proprietà meccaniche leggermente ridotte rispetto al Tipo A. Comune nelle fusioni a sezione sottile.
• Tipo C (dimensioni delle scaglie sovrapposte, grafite kish): Associato a composizioni ipereutettiche. Grandi scaglie di grafite primaria riducono significativamente la resistenza e indicano un problema di composizione o un inoculazione insufficiente.
• Tipo D (interdendritico, sottoraffreddato): Fiocchi fini, orientati in modo casuale, prodotti mediante raffreddamento rapido o sottoinoculazione. Maggiore durezza ma ridotta lavorabilità; comune nelle sezioni sottili o vicino alla superficie della fusione.
• Tipo E (interdendritico, orientamento preferito): Si verifica in ferri fortemente ipoeutettici con raffreddamento rapido. Crea direzionalità nelle proprietà meccaniche e riduce la lavorabilità.

La matrice: ferritica, perlitica o mista

La matrice di ferro che circonda le scaglie di grafite determina la resistenza e la durezza della ghisa grigia. A matrice completamente perlitica offre la massima resistenza alla trazione e durezza (tipicamente da 200 a 300 HB) perché la perlite, ovvero strati alternati di ferrite e cementite, è intrinsecamente più resistente della sola ferrite. A matrice completamente ferritica produce un ferro più morbido, più facilmente lavorabile e con una resistenza inferiore. La maggior parte dei gradi commerciali di ghisa grigia hanno una matrice mista ferritico-perlitica, con la frazione perlitica controllata dalla composizione della lega e dalla velocità di raffreddamento.

Composizione chimica della ghisa grigia

Le proprietà della ghisa grigia sono direttamente controllate dalla sua composizione chimica. Cinque elementi dominano la composizione e ciascuno svolge un ruolo metallurgico specifico:

Il carbonio equivalente (CE) è un indice a numero singolo ampiamente utilizzato che prevede il comportamento del ferro grigio: CE = %C (%Si %P) / 3 . Un CE di 4.3 è eutettico; valori inferiori a 4,3 sono ipoeutettici (più resistenti, più duri, migliori per i gradi strutturali) e valori superiori a 4,3 sono ipereutettici (più fluidi, migliori per getti complessi ma con resistenza inferiore).

Proprietà meccaniche della ghisa grigia

La ghisa grigia ha un profilo di proprietà distintivo e altamente asimmetrico. I suoi punti di forza sono proprio quelle proprietà più necessarie nelle applicazioni pesanti, soggette a vibrazioni e ad alta usura; i suoi punti deboli – fragilità e bassa resistenza alla trazione – definiscono semplicemente i limiti di un utilizzo appropriato.

• Resistenza alla trazione: Da 100 a 400 MPa a seconda del grado. Questa è la dimensione meccanica più debole della ghisa grigia, ben al di sotto della ghisa duttile e dell'acciaio. La ghisa grigia non dovrebbe mai essere utilizzata in ruoli strutturali portanti primari.
• Resistenza alla compressione: Da 3 a 5 volte la sua resistenza alla trazione —tipicamente da 570 a 1.380 MPa. Questo è il motivo per cui la ghisa grigia eccelle in applicazioni come basi di macchine utensili, blocchi motore e strutture di colonne dove dominano i carichi di compressione.
• Durezza: Da 150 a 320 Numero di durezza Brinell (BHN). I ferri perlitici di qualità superiore si avvicinano a 300 BHN, fornendo un'eccellente resistenza all'usura. La durezza della ghisa grigia è uno dei motivi principali per cui viene utilizzata per i componenti dei freni e le superfici delle guide di scorrimento delle macchine.
• Allungamento: Meno dell'1%: praticamente zero deformazione plastica prima della frattura. La ghisa grigia è intrinsecamente fragile e non può essere lavorata a freddo o formata dopo la fusione.
• Capacità di smorzamento delle vibrazioni: Da 20 a 25 volte maggiore dell'acciaio e significativamente superiore alla ghisa sferoidale. Le scaglie di grafite assorbono e dissipano l'energia vibrazionale, rendendo la ghisa grigia il materiale dominante per le basi delle macchine utensili, i blocchi motore e i telai dei compressori dove il controllo della risonanza è fondamentale.
• Conduttività termica: Da 46 a 52 W/(m·K): superiore a quello della maggior parte degli acciai e significativamente superiore a quello dell'acciaio inossidabile. Ciò facilita la dissipazione del calore nei rotori dei freni, nelle testate dei cilindri e nelle pentole.
• Modulo elastico: Da 66 a 172 GPa: un ampio intervallo che riflette l'influenza del volume, delle dimensioni e dell'orientamento delle scaglie di grafite sulla rigidità. Questo è inferiore a quello dell'acciaio (200 GPa), il che significa che la ghisa grigia devia di più per sollecitazione unitaria.

Gradi e standard della ghisa grigia

La ghisa grigia è prodotta in gradi standardizzati che definiscono la resistenza alla trazione minima e, in alcuni standard, gli intervalli di durezza. Gli standard principali utilizzati a livello globale sono ASTM A48, ISO 185 ed EN 1561.

ASTM A48 (Nord America)

ASTM A48 classifica la ghisa grigia in base alla resistenza alla trazione minima in ksi. Il numero del grado equivale direttamente alla resistenza alla trazione minima: Classe 20 = 138 MPa (20 ksi) minimo . Le classi vanno da 20 a 60, con numeri più alti che indicano microstrutture più forti, più dure e più perlitiche.

ISO 185 e EN 1561 (Internazionale)

Secondo la norma ISO 185 e la norma europea EN 1561, i gradi di ghisa grigia sono designati come Da EN-GJL-100 a EN-GJL-350 , dove il numero indica la resistenza alla trazione minima in MPa. EN-GJL-250 (trazione minima 250 MPa) è più o meno equivalente alla classe ASTM da 35 a 40 ed è il grado più comunemente specificato per applicazioni automobilistiche e di ingegneria generale in Europa e Asia.

Come viene prodotta la ghisa grigia

La produzione della ghisa grigia è più semplice rispetto alla maggior parte degli altri metalli tecnici, il che è una delle ragioni principali del suo basso costo. Il processo è sostanzialmente coerente tra le fonderie di tutto il mondo, anche se i dettagli variano in base al tipo di attrezzatura e ai requisiti di qualità.

1. Preparazione e fusione della carica: Le materie prime - ghisa, rottami di acciaio, ritorni di ghisa (cancelli, colonne montanti, getti scartati) e ferroleghe - vengono caricate in un forno elettrico a induzione o in un forno a cubilotto. I forni a cupola, che utilizzano il coke come combustibile, rappresentano il metodo tradizionale e rimangono comuni per la produzione di grandi volumi a causa del minor costo energetico. I forni a induzione offrono un controllo della composizione più rigoroso e sono preferiti per lavori di qualità superiore.
2. Regolazione chimica: La composizione del ferro fuso viene misurata utilizzando la spettrometria di emissione ottica (OES) e regolata aggiungendo ferrosilicio, ferromanganese o altre leghe madri. Il contenuto di carbonio viene regolato aggiungendo carbonio (grafite) o diluendo con rottami di acciaio. L'obiettivo CE è impostato in base al grado e allo spessore della sezione previsti del getto.
3. Inoculazione: Prima del versamento, l'inoculante ferrosilicio viene aggiunto alla siviera o direttamente nel flusso dello stampo. L'inoculazione favorisce la formazione di scaglie di grafite di tipo A, riduce la grafite sottoraffreddata (tipo D) e minimizza la formazione di freddo nelle sezioni sottili. Inoculazione a flusso tardivo L'aggiunta di inoculante nel flusso di metallo non appena entra nello stampo è il metodo più efficace ed è una pratica standard nelle fonderie moderne.
4. Preparazione dello stampo e colata: La maggior parte della ghisa grigia viene fusa in stampi di sabbia verde (sabbia umida compattata attorno a un modello). Il metallo viene colato a temperature comprese tra 1.300°C e 1.450°C a seconda dello spessore e della complessità della sezione. L'eccellente fluidità della ghisa grigia, migliore dell'acciaio e della ghisa duttile, le consente di riempire in modo affidabile sezioni sottili e geometrie complesse.
5. Solidificazione e sformatura: La ghisa grigia subisce un'espansione eutettica durante la solidificazione quando la grafite precipita, il che compensa parzialmente la contrazione del volume complessivo. Ciò riduce la gravità della porosità da ritiro rispetto ai getti di acciaio. Dopo la solidificazione, lo stampo viene scosso e il getto viene separato dalla sabbia.
6. Pulitura e finitura: Cancelli, colonne montanti e bava vengono rimossi mediante molatura o granigliatura. L'ispezione dimensionale e le prove di durezza verificano la conformità alle specifiche. Ricottura di distensione a Da 500°C a 600°C viene talvolta eseguito su fusioni di macchine utensili di precisione per ridurre al minimo le variazioni dimensionali durante la lavorazione successiva.

Dove viene utilizzata la ghisa grigia: applicazioni per settore

La posizione della ghisa grigia nel settore manifatturiero si fonda su un insieme di proprietà fondamentali (smorzamento delle vibrazioni, resistenza alla compressione, resistenza all'usura, colabilità e lavorabilità) che la rendono il materiale preferito per una vasta e specifica classe di applicazioni che nessun altro materiale eguaglia in termini di costo per prestazione.

Automotive: blocchi motore e componenti dei freni

La ghisa grigia rimane il materiale dominante rotori dei freni (dischi) e tamburi dei freni nei veicoli passeggeri e commerciali nonostante la concorrenza dei compositi e della ceramica. La sua elevata conduttività termica (rapida dissipazione del calore dei freni), eccellenti proprietà tribologiche (coefficiente di attrito costante contro le pastiglie dei freni) e un costo per chilogrammo molto basso lo rendono funzionalmente ed economicamente imbattibile per questa applicazione. Il tipico rotore del freno di un veicolo passeggeri pesa da 7 a 12kg ed è prodotto in ghisa grigia Classe 30 o Classe 35.

I blocchi motore in ghisa grigia rimangono comuni nei veicoli commerciali, nei motori diesel e nei motori a benzina ad alta cilindrata dove la capacità di smorzamento del materiale riduce il rumore e le vibrazioni rispetto all'alluminio. Anche le canne dei cilindri in blocchi di alluminio sono spesso realizzate in ghisa grigia per fornire la necessaria resistenza all'usura sulla superficie del foro.

Macchine Utensili e Attrezzature Industriali

I basamenti, le colonne e le pale di torni, fresatrici, centri di lavoro e rettificatrici sono quasi universalmente fusi in ghisa grigia, principalmente di classe da 30 a 40. Il fattore decisivo è la capacità di smorzamento della ghisa grigia : una base della macchina utensile che smorza le vibrazioni produce efficacemente finiture superficiali migliori e una maggiore durata dell'utensile rispetto a una saldatura equivalente in acciaio. Le basi per macchine utensili in ghisa grigia hanno inoltre una stabilità dimensionale superiore nel tempo, con una minore sensibilità alla distensione residua rispetto alle strutture in acciaio saldato.

Tubi, valvole e infrastrutture idriche

Le tubazioni in ghisa grigia sono state la spina dorsale dei sistemi di distribuzione idrica urbana dal XIX secolo in poi. Mentre la ghisa duttile ha largamente sostituito la ghisa grigia nelle nuove installazioni idriche, centinaia di migliaia di chilometri di condutture idriche in ghisa grigia rimangono in servizio in tutto il mondo , alcuni con più di 100 anni. Valvole in ghisa grigia, chiusini e componenti di drenaggio continuano a essere prodotti in grandi volumi per applicazioni infrastrutturali in cui il carico di compressione e la resistenza alla corrosione contano più della resistenza alla trazione.

Pentole e attrezzature culinarie

Le pentole in ghisa (padelle, forni olandesi, piastre) sono in ghisa grigia nella sua applicazione più visibile al consumatore. L'elevata capacità termica del materiale e la distribuzione uniforme del calore lo rendono superiore all'acciaio inossidabile sottile per attività che richiedono un'erogazione di calore uniforme e prolungata. Una padella in ferro grigio ben stagionata sviluppa uno strato antiaderente naturale di olio polimerizzato, combinando la porosità del materiale e la struttura superficiale in una superficie di cottura funzionale. Le pentole in ghisa di qualità durano generazioni se mantenute correttamente.

Compressori, pompe e componenti idraulici

I cilindri e i telai dei compressori, i corpi delle pompe e i blocchi delle valvole idrauliche sono comunemente fusi in ghisa grigia di classe da 30 a 40. La capacità di contenimento della pressione del materiale sotto sollecitazioni circolari di compressione, combinata con un'eccellente lavorabilità per fori di precisione e superfici di tenuta e una buona resistenza al grippaggio e all'usura da particelle trasportate dal fluido, lo rendono una scelta affidabile ed economica per apparecchiature di potenza oleodinamica che funzionano a pressioni fino a 250bar .

Ghisa grigia e altri tipi di ghisa: quando usarla e quale

La ghisa non è un singolo materiale: è una famiglia. Per selezionare il membro giusto di quella famiglia è necessario comprendere cosa offre ciascun tipo e dove le proprietà della ghisa grigia gli danno il vantaggio o lo svantaggio.

Scegli il ferro grigio quando lo smorzamento delle vibrazioni, la resistenza alla compressione, la lavorabilità e il basso costo sono le priorità e il carico di trazione o la resistenza agli urti non sono requisiti di progettazione. Scegli la ghisa sferoidale quando è necessaria resistenza alla trazione, all'allungamento o agli urti. Scegliere il ferro bianco solo per applicazioni ad abrasione estrema dove non è richiesta la lavorabilità.

Lavorabilità: perché la ghisa grigia è uno dei metalli più facili da lavorare

La ghisa grigia è il punto di riferimento per la lavorabilità tra i metalli ferrosi. Le scaglie di grafite fungono da rompitruciolo, producendo trucioli corti e fragili invece dei trucioli lunghi e fibrosi tipici dell'acciaio. Ciò riduce drasticamente le forze di taglio, le temperature dell'utensile e i tassi di usura dell'utensile. La grafite agisce anche come lubrificante secco tra l'utensile e il pezzo da lavorare, riducendo ulteriormente l'attrito.

• Velocità di taglio: È possibile lavorare i gradi ferritici (Classe 20–25). Da 200 a 300 metri/min con utensili in metallo duro rivestito. I gradi perlitici (Classe 40–60) richiedono velocità ridotte da 100 a 200 m/min a causa della maggiore durezza e abrasività.
• La lavorazione a secco è standard: A differenza dell'acciaio, la ghisa grigia viene normalmente lavorata a secco. Il refrigerante può causare cricche da shock termico nella ghisa grigia all'interfaccia utensile-pezzo e viene generalmente evitato nelle operazioni di tornitura, fresatura e alesatura.
• Finitura superficiale: Macchine per ghisa grigia per finiture superficiali da Ra 0,8 a 3,2 μm con utensili standard in metallo duro in operazioni di tornitura e alesatura, sufficienti per la maggior parte delle superfici di cuscinetti e tenute senza ulteriore rettifica.
• Usura abrasiva sugli utensili: Nonostante la facilità di taglio, le scaglie di grafite sono leggermente abrasive per i bordi degli utensili da taglio, in particolare nelle qualità ad alto contenuto di silicio. Gli utensili in metallo duro rivestito (TiN, TiCN, Al₂O₃) o CBN vengono utilizzati per la produzione in grandi volumi per mantenere una durata utensile costante.

Limitazioni della ghisa grigia e quando non utilizzarla

Ogni materiale ha limiti di utilizzo appropriato. Comprendere i limiti della ghisa grigia previene errori di progettazione catastrofici e guida le decisioni corrette sulla sostituzione dei materiali.

• Nessun utilizzo nelle strutture portanti primarie: La ghisa grigia non dovrebbe mai essere l'elemento portante principale in una struttura sottoposta a notevoli sollecitazioni di trazione o flessione. Il suo allungamento prossimo allo zero significa che non fornisce alcun preavviso prima della rottura e nessuna ridistribuzione plastica dei sovraccarichi.
• Nessun impatto o carico d'urto: Le applicazioni che comportano carichi di impatto improvvisi (teste di martello, ganci di sollevamento, staffe critiche per la sicurezza) sono fondamentalmente incompatibili con il comportamento fragile alla frattura della ghisa grigia. È invece necessario utilizzare ferro duttile o acciaio.
• Difficile da saldare: L’alto contenuto di carbonio e la fragilità della ghisa grigia rendono la saldatura tecnicamente impegnativa e inaffidabile. La saldatura di riparazione è possibile con il preriscaldamento da 300°C a 600°C ed elettrodi a base di nichel, ma i giunti saldati in ghisa grigia non sono mai affidabili quanto il metallo base e non devono essere utilizzati in applicazioni strutturali o contenenti pressione.
• Non possono essere lavorati a freddo: La ghisa grigia non ha capacità di deformazione plastica a temperatura ambiente. Non può essere piegato, formato, arrotolato o disegnato. Tutta la modellatura deve essere eseguita mediante fusione o lavorazione meccanica.
• Corrosione in ambienti aggressivi: La ghisa grigia si corrode in ambienti umidi, acidi o salini. I rivestimenti protettivi (vernici, rivestimenti epossidici e bituminosi) sono necessari per il servizio all'aperto o interrato. Le scaglie di grafite possono agire come catodi nelle celle galvaniche, accelerando la dissoluzione del ferro in ambienti contenenti elettroliti senza protezione.
• Sensibilità della sezione: Le proprietà variano in modo significativo con lo spessore della sezione nella stessa fusione. Le sezioni sottili si raffreddano più velocemente, producendo microstrutture più fini e più dure; le sezioni spesse si raffreddano lentamente, producendo grafite più grossolana e matrici più morbide. La progettazione deve tenere conto di questa variabilità o specificare intervalli di durezza in posizioni critiche.