Acciai e ghise
Materiali e Metallurgia
Ghise
Prof. Francesco Iacoviello
Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25
Orario di ricevimento: Mercoledì 14.00-16.00
Tel. 07762993681
E-mail: [email protected]
Sito didattico: http://www.metallurgia.unicas.it
Francesco Iacoviello
Università di Cassino
Acciai e ghise
Ghise
Sono leghe ferrose che durante la solidificazione formano, almeno in parte,
l’eutettico ledeburitico
Il passaggio dal diagramma metastabile (linee continue a quello stabile (linee
tratteggiate) è legata alla decomposizione della cementite:
Fe3C 3 Fe + C
Francesco Iacoviello
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Nel caso delle ghise, l’influenza dei vari elementi di lega, oltre a riguardare la
microstruttura (elementi alfageni e gammageni) e la capacità di formare
precipitati (ossidi, carburi, nitruri), deve considerare anche la capacità di
agevolare la decomposizione della cementite, ovvero il loro effetto grafitizzante.
Il fenomeno della grafitizzazione dipende:
- dalla velocità di raffreddamento (natura della parete del getto, grandezza del
pezzo), con la grafitizzazione che viene agevolata da velocità di raffreddamento
basse.
- dalla presenza di elementi grafitizzanti, quali il Si, o di antigrafitizzanti, quali
il Mn.
I tenori negli elementi normali di elaborazione, Mn, Si, P, sono normalmente più
elevati che negli acciai.
Francesco Iacoviello
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• Il Si è l’elemento grafitizzante per eccellenza
Il tenore di C corrispondente all’eutettico (Ce) diminuisce secondo la relazione:
Ce = 4.3 - Si/3.2
• Il Ni ha un effetto grafitizzante 4 volte inferiore a quello del Si
• Al, Ti, Zr hanno una influenza simile a quella del Si
• Il Cu è un debole grafitizzante e promuove la formazione di perlite
• Il Cr promuove la formazione di carburi
• Così pure Mo, V, Mn, W
• Ta stabilizza i carburi
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Influenza della velocità di
raffreddamento sulla microstruttura
Se si considera un tondo di diametro crescente, al centro si avranno velocità di
raffreddamento via via sempre minori.
Francesco Iacoviello
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Gli elementi di grafite sono classificati in base a (UNI3775-73):
• Forma
• Distribuzione
• Dimensione
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Forma degli elementi di grafite
I) Lamelle sottili con punte aguzze
II) Noduli con accentuate ramificazioni di lamelle
III)Lamelle spesse con punte arrotondate
IV) Flocculi frastagliati
V) Flocculi compatti
VI) Noduli a contorno circolare, quasi regolare (sferoidi)
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Distribuzione degli elementi di grafite
A) Distribuzione uniforme
B) Rosette non orientate
C) Lamelle non orientate
D) Lamelle in zone interdendritiche
E) Lamelle interdendritiche
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Dimensione degli elementi di grafite
Tabella di comparazione per elementi di grafite lamellari (ingrandimento 100x)
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Dimensione degli elementi di grafite
Tabella di comparazione per elementi di grafite sferoidali (ingrandimento 100x)
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Il primo ponte in ghisa risale al 1779
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Le ghise sono tradizionalmente classificate nei seguenti gruppi:
• ghise grigie, così chiamate dal colore scuro delle superfici di
frattura, grazie alla presenza di carbonio grafitico;
• ghise bianche, così chiamate dal colore chiaro delle superfici di
frattura, per la presenza del carbonio sotto forma di cementite;
• ghise malleabili, così chiamate per la loro elevata deformabilità;
• ghise sferoidali, in cui gli elementi di grafite si trovano sotto
forma sferoidale;
• ghise legate, che , grazie ad elevati tenori di alcuni elementi di
lega, sono caratterizzate da particolari proprietà, come la
resistenza al calore ed alla corrosione.
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Ghise grigie
Sono dette tali dal colore della superficie di frattura
2 < %C < 4.5
1 < %Si < 3
Durante la solidificazione si forma l’eutettico grafite-cristali
Per ottenere la resistenza di un getto di ghisa grigia si utilizza il seguente
nomogramma
HB provetta
R provetta
HB getto
Francesco Iacoviello
R getto
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Le curve - non seguono la legge di Hooke
Il modulo di Young E è determinato arbitrariamente mediante delle formule
empiriche oppure con assimilandolo alla pendenza fra l’origine ed un punto
corrispondente ad una sollecitazione pari ad 1/4 Rm
Hanno una buona resistenza all’usura e lavorabilità (per asportazione di truciolo).
Sopra i 300°C si hanno:
- grafitizzazione e formazione carburi
- processi di ossidazione e corrosione
- trasformazioni allotropiche
Francesco Iacoviello
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Ghise bianche
Il carbonio si trova legato a formare cementite.
La ghisa solidifica e raffredda secondo il sistema metastabile. Per ottenerla si
possono modificare la composizione chimica oppure la velocità di raffreddamento
2.5 < %C < 3.5 (dipende dalla durezza desiderata)
%Si < 0.7
Cr (di solito <2%, può arrivare al 27%) favorisce la formazione di carburi
Cu produce un affinamento della struttura
Mo ha un comportamento simile a quello del Cr
V forma e stabilizza i carburi
Te stabilizza i carburi
B simile al Te, affina anche il grano
C
2.9
3.2
3.25
Si
0.5
0.5
0.6
Mn
0.5
0.6
0.7
Cr
2.0
15.0
Ni
4.5
-
Mo
3.0
S
P
0.12 0.10
0.12 0.20
0.03 0.06
HB
415-460
550-650
600-750
Hanno una elevata resistenza all’usura ed all’abrasione, ma sono più fragili e più
dure delle ghise grigie.
Necessitano di un trattamento a 200-480°C per eliminare le tensioni residue
Francesco Iacoviello
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Acciai e ghise
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Ghise malleabili
Sono ottenute da ghise bianche
Sono caratterizzate da una certa plasticità a freddo
Si ottengono mediante malleabilizzazione
Si possono avere due processi di malleabilizzazione:
• a cuore bianco
• a cuore nero
Ghise malleabili a cuore bianco
Riscaldamento a 900-1000°C in
ambiente decarburante (Fe2O3)
Permanenza per un tempo
sufficiente (120-150h)
Raffreddamento a T ambiente
molto lento
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• Grafitizzazione
• Diffusione del C
• Decarburazione superficiale
Piccole sezioni: matrice ferritica
Grosse sezioni: matrice perlitica
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Ghise malleabili a cuore nero
Riscaldamento a 950°C in
ambiente neutro
Permanenza per un tempo
sufficiente
Raffreddamento a T ambiente
molto lento
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• Grafitizzazione
• Diminuzione della solubilità del C
nella austenite
Matrice prevalentemente ferritica
La grafite che si ottiene è sotto
forma di noduli di ricottura
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Ghise sferoidali
• La grafite precipita sotto forma di noduli
• Sono duttili
%C = 3.4-4
%Si = 2-3
%Mn = 0.1-0.8
%P < 0.01
%S < 0.02
Gli elementi che permettono la sferoidizzazione della grafite sono Mg, Ce, Ca,
Li, Na, Ba.
%Mg residuo = 0.04-0.08
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Trattamenti termici
• Stabilizzazione (540-600°C): per eliminare tensioni interne
• Ricottura (850-920°C): per ottenere una struttura ferritica, per
ottenere la massima deformabilità plastica
• Normalizzazione (900°C): per ottenere struttura perlitica
• Bonifica
• Tempra superficiale alla fiamma
• Tempra superficiale ad induzione
• Austempering
Ghisa sferoidale austemperata
Francesco Iacoviello
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Acciai e ghise
Ghise resistenti alla corrosione
%Si > 3 promuove la formazione di una pellicola superficiale protettiva negli
ambienti ossidanti
%Cr < 35 favorisce la formazione di un ossido protettivo agli ambienti ossidanti
%Ni < 32 migliora la resistenza agli ambienti riducenti
%Cu < 6 migliora la resistenza all’acido solforico
Rm = 90-130 MPa
%C
%Si
%Mn
%Ni
%Cr
%Cu
%Mo
Ghise al Si
0.4-1
14-17
0.4-1
<3.5
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Ghise al Cr
2-4
0.5-3
0.3-1.5
<5
12-35
<3
<4
Ghise al Ni
2-3
1-2.75
0.4-1.5
14-32
1.75-5.5
<7
<1
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Ghise resistenti al calore
• Non si deve avere una eccessiva dilatazione per grafitizzazione
• La penetrazione dell’ossigeno deve essere perlomeno limitata
• Si deve avere una buona resistenza alla criccatura per urto termico
Si, Cr promuovono la formazione di uno strato protettivo
Ni, Mo aumentano la tenacità ed Rm ad elevata T
Mn, P, Cr, Mo, V riducono dilatazione della ghisa, in quanto stabilizzano i carburi
%C
%Si
%Mn
%Ni
%Cr
Ghisa lamellare
Al Silicio
Al Cromo
2-2.5
2-3
4-6
0.5-2.5
0.4-0.8
0.3-1.5
<5
15-35
Ghisa sferoidale
Al Nickel
<2.9
1.75-3.2
0.8-1.5
18-22
1.75-2.5
Rm = 420-700 MPa (matrice perlitica)
Rm = 380-450 MPa (matrice austenitica)
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Leghe non ferrose
Leghe di Alluminio (Al)
L’Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà:
Rm = 55-90 MPa
Re = 20-50 MPa
HB = 18
E = 66,6 GPa
I prodotti commerciali dell’alluminio sono tipicamente leghe contenenti Cu, Si
Zn, Mg e Mn
1xxx
Al di purezza industriale
2xxx
Leghe contenenti Cu
3xxx
Leghe contenenti Mn
4xxx
Leghe contenenti Si
5xxx
Leghe contenenti Mg
6xxx
Leghe contenenti Mg + Si
7xxx
Leghe contenenti Zn
8xxx
Altre leghe
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Leghe non ferrose
Trattamenti termici leghe Al
• Omogeneizzazione: Sono dei riscaldamenti effettuati a 450-610°C
per 6-48 ore effettuati per disciogliere tutte le fasi eventualmente
precipitate.
• Trattamenti di addolcimento: hanno lo scopo di addolcire un metallo
indurito (p.e. a seguito di tempra strutturale). Se si tratta di
restaurazione viene effettuata a 200-300°C, mentre se si tratta di una
recristallizzazione si effettua a 300-400°C per 0.5-3 ore
• Tempra di soluzione (o tempra strutturale) + invecchiamento
(naturale o artificiale).
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Leghe non ferrose
Francesco Iacoviello
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Leghe non ferrose
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Leghe non ferrose
Esempio di precipitazioni:
lega Al-Li 8090
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Leghe non ferrose
Leghe di Rame (Cu)
L’Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà:
Rm = 23-50 MPa
Re = 7-30 MPa
HB = 40
E = 117 GPa
Le leghe più diffuse sono quelle con:
• Zn (ottone)
• Sn (bronzo)
• Si (bronzo al silicio)
• Al (bronzo all’alluminio o cupralluminio
• Ni (cupronichel, monel)
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