Vi siete mai chiesti quale sia l'affascinante mondo della ghisa? In questo blog post, ci immergeremo nei vari tipi di ghisa ed esploreremo le loro proprietà e applicazioni uniche. In qualità di ingegnere meccanico esperto, condividerò le mie intuizioni e conoscenze per aiutarvi a comprendere le complessità di questo materiale versatile. Alla fine di questo articolo, avrete una migliore comprensione delle diverse classificazioni e designazioni della ghisa e del loro utilizzo in vari settori.
La ghisa è una lega ferro-carbonio con un contenuto di carbonio compreso tra 2,5% e 4%, in genere superiore a 2,11%. È composta da diversi componenti, tra cui ferro, carbonio e silicio, e può contenere anche impurità come manganese, zolfo e fosforo, che sono più diffuse rispetto all'acciaio al carbonio.
I tipi di ghisa sono classificati principalmente in base alla forma del carbonio e alla morfologia della grafite presente. Di seguito sono riportati i principali tipi di ghisa:
Ghisa bianca: Il carbonio esiste sotto forma di cementite (Fe3C) e la superficie di frattura è di colore bianco argenteo. È fragile e raramente viene utilizzata da sola. La ghisa bianca è un prodotto intermedio per la produzione di ghisa malleabile e la ghisa fredda con uno strato superficiale di ghisa bianca è comunemente usata per i rulli.
Ghisa grigia: Tutto o la maggior parte del carbonio è presente sotto forma di grafite, che si presenta a scaglie. Questo tipo di ferro ha applicazioni diverse a seconda della forma della grafite, come la ghisa grigia ordinaria (grafite a scaglie) e la ghisa vermicolare (grafite a verme).
Ghisa malleabile: La grafite esiste in forma flocculante, ottenuta dalla ricottura di ghisa bianca di una certa composizione ad alte temperature per un lungo periodo. Le sue proprietà meccaniche, in particolare la tenacità e la plasticità, sono superiori a quelle della ghisa grigia.
Ghisa duttile: La grafite esiste in forma sferica, ottenuta con un trattamento di sferoidizzazione prima di versare la ghisa fusa. Questo tipo di ghisa non solo ha proprietà meccaniche superiori alla ghisa grigia e alla ghisa malleabile, ma il suo processo di produzione è più semplice di quello della ghisa malleabile. Inoltre, le sue proprietà meccaniche possono essere ulteriormente migliorate attraverso il trattamento termico.
Ghisa vermicolare: La grafite si presenta sotto forma di verme e ha buone proprietà meccaniche e di lavorazione.
Lega di ghisa: Per migliorare le proprietà meccaniche o fisiche e chimiche della ghisa, è possibile aggiungere una certa quantità di elementi leganti per ottenere ghisa in lega. Questo tipo di ghisa comprende una varietà di ghise in lega speciale resistenti alla corrosione, al calore e all'usura.
In base alle diverse forme di carbonio presenti nella ghisa, la ghisa può essere suddivisa in:
1. Ghisa bianca
Nella ghisa, il carbonio è presente principalmente sotto forma di cementite, con solo una piccola quantità disciolta nella ferrite.
La sua frattura ha un aspetto bianco-argenteo, per cui è nota come ghisa bianca.
Attualmente, la ghisa bianca è utilizzata principalmente come materia prima nella produzione di acciaio e come base per la produzione di ghisa malleabile.
2. Ghisa grigia
Nella ghisa, la maggior parte o tutto il carbonio è presente sotto forma di grafite a scaglie e la sua frattura presenta un colore grigio scuro. Di conseguenza, viene definita ghisa grigia.
3. Mghisa otturata
Nella ghisa, parte del carbonio è presente sotto forma di grafite, come nel caso di ghisa grigia, mentre l'altra parte esiste come cementite libera, simile alla ghisa bianca.
Ciò fa sì che la superficie di frattura presenti sia macchie bianche che nere, tanto da meritare il nome di "ghisa screziata".
Sfortunatamente, questo tipo di ghisa è anche dura e fragile, il che la rende raramente utilizzata nelle applicazioni industriali.
In base alle diverse forme di grafite presenti nella ghisa, la ghisa può essere suddivisa in:
Nella ghisa grigia, il carbonio è presente sotto forma di grafite a scaglie.
La ghisa malleabile si ottiene ricottura ghisa bianca di una composizione specifica ad alte temperature per un periodo prolungato. Di conseguenza, il carbonio nella ghisa malleabile esiste in forma flocculante.
Questo tipo di ghisa vanta proprietà meccaniche migliori, in particolare in termini di tenacità e plasticità, rispetto alla ghisa grigia, da cui il nome "ghisa malleabile".
Nella ghisa, il carbonio è presente sotto forma di grafite sferica.
Questo risultato si ottiene attraverso un trattamento di sferoidizzazione prima della processo di fusione.
Questo tipo di ghisa vanta proprietà meccaniche superiori rispetto alla ghisa grigia e alla ghisa malleabile. Inoltre, il suo processo di produzione è più semplice di quello della ghisa malleabile e le sue proprietà meccaniche possono essere ulteriormente migliorate attraverso un trattamento termico. Di conseguenza, il suo utilizzo nella produzione sta diventando sempre più diffuso.
La ghisa è una lega di ferro e carbonio che contiene più di 2,1% di carbonio.
Si produce fondendo nuovamente la ghisa (un componente della ghisa per la produzione di acciaio) in un forno e regolandone la composizione con l'aggiunta di ferroleghe, rottami di acciaio e ferro riciclato.
La differenza fondamentale tra la ghisa e la ghisa grezza è che la ghisa viene sottoposta a una fase di lavorazione secondaria e la maggior parte di essa viene fusa in getti di ferro.
Getti di ferro possiedono eccellenti proprietà di fusione e possono essere modellati in forme complesse. Hanno anche una buona lavorabilità e sono noti per la loro resistenza all'usura e all'assorbimento degli urti, oltre che per il loro basso costo.
I codici della ghisa sono composti dalla prima lettera dell'alfabeto cinese, che ne indica le caratteristiche specifiche.
Quando due nomi in ghisa hanno la stessa lettera di codice, possono essere differenziati aggiungendo lettere minuscole dopo la lettera maiuscola.
Per la ghisa con lo stesso nome che richiede un'ulteriore classificazione, si aggiunge alla fine la prima lettera del Pinyin cinese che rappresenta le caratteristiche della sottoclasse.
Descrizione del nome, del codice e della marca della ghisa:
| Nome in ghisa | Codice /Grado | Esempio di metodo di rappresentazione |
| Ghisa grigia | HT | HT100 |
| Ghisa a grafite vermicolare | RuT | RuT400 |
| Ghisa sferoidale | QT | QT400-17 |
| Ghisa malleabile a cuore nero | KHT | KHT300-06 |
| Ghisa malleabile a cuore bianco | KBT | KBT350-04 |
| Ghisa malleabile perlitica | KZT | KZT450-06 |
| Ghisa resistente all'usura | MT | MT Cu1PTi-150 |
| Ghisa bianca resistente all'usura | KmBT | KmBTMn5Mo2Cu |
| Ferro duttile resistente all'usura | KmQT | KmQTMn6 |
| Ghisa raffreddata | LT | LTCrMoR |
| Ghisa resistente alla corrosione | ST | STSi15R |
| Ferro duttile resistente alla corrosione | SQT | SQTAl15Si5 |
| Ghisa resistente al calore | RT | RTCr2 |
| Ghisa duttile resistente al calore | RQT | RQTA16 |
| Ghisa austenitica | AT | —- |
Nota: una serie di numeri che segue il codice del grado indica il valore della resistenza alla trazione.
Nei casi in cui sono presenti due serie di numeri, la prima serie rappresenta il valore di resistenza alla trazione, mentre la seconda serie rappresenta il valore di allungamento.
Queste due serie di numeri sono separate da un "uno".
Elementi in lega sono rappresentati utilizzando i simboli internazionali degli elementi. Se il contenuto è uguale o superiore a 1%, viene rappresentato come un numero intero. Se il contenuto è inferiore a 1%, di solito non viene indicato.
Gli elementi comuni come C, Si, Mn, S e P non sono in genere contrassegnati. I simboli degli elementi e il loro contenuto sono contrassegnati solo se hanno uno scopo specifico.
Nella ghisa bianca, tutto il carbonio è presente sotto forma di carbonio permeante (Fe3C), con conseguente superficie di frattura di colore bianco brillante.
Per questo motivo, viene definita ghisa bianca.
Tuttavia, a causa dell'elevata concentrazione di Fe3C, duro e fragile, la ghisa bianca ha un elevato livello di durezza, ma è anche molto fragile e difficile da lavorare.
Di conseguenza, non viene comunemente utilizzato direttamente nelle applicazioni industriali, ad eccezione di alcune applicazioni che richiedono una resistenza all'usura senza impatto, come gli stampi per la trafilatura dei fili e le sfere di ferro per i mulini a sfere.
Viene invece utilizzato principalmente come materia prima per la produzione di acciaio e ghisa malleabile.
Nella ghisa, la maggior parte o tutto il carbonio esiste come grafite in fogli allo stato libero, con conseguente superficie di frattura grigia.
La ghisa grigia ha buone proprietà di colata, è facile da lavorare, ha una buona resistenza all'usura, processi di fusione e dosaggio semplici e un basso costo, che la rendono ampiamente utilizzata per la produzione di getti con strutture complesse e parti resistenti all'usura.
La ghisa grigia può essere suddivisa in ghisa grigia a base di ferrite, ghisa grigia a base di perlite e ghisa grigia a base di perlite in base alla struttura della matrice.
A causa della presenza di grafite a scaglie, la ghisa grigia ha bassa densità, resistenza, durezza e plasticità e tenacità nulle.
L'esistenza di questa grafite è simile alla presenza di molti piccoli intagli sul substrato di acciaio, che riducono l'area di appoggio e aumentano il numero di cricche, con conseguente bassa resistenza e scarsa tenacità della ghisa grigia, rendendola inadatta alla lavorazione a pressione.
Per migliorarne le proprietà, alcuni inoculanti come il ferrosilicio e il silicato di calcio vengono aggiunti al ferro fuso prima della colata per affinare la matrice di perlite.
La ghisa malleabile si ottiene da una base di ghisa bianca che viene fusa da una lega di ferro e carbonio a basso contenuto di carbonio e silicio. Dopo essere stata sottoposta a lungo a temperature elevate ricotturaLa cementite si decompone in ammassi di grafite flocculante, dando origine a un tipo di ghisa bianca grafitizzata.
La ghisa malleabile può essere suddivisa in due tipi in base alla sua microstruttura dopo il trattamento termico: ghisa malleabile a nucleo nero e ghisa malleabile perlata. La struttura della ghisa malleabile a nucleo nero è principalmente a base di ferrite (F) con grafite flocculante, mentre la struttura della ghisa malleabile perlitica è principalmente a matrice perlitica (P) con grafite flocculante.
Il terzo tipo è la ghisa malleabile a nucleo bianco, che ha una struttura che dipende dalle dimensioni della sezione. Per le sezioni piccole, la matrice è costituita da ferrite, mentre per le sezioni più grandi la superficie è costituita da ferrite e il centro da perlite e carbonio ricotto.
La ghisa da inoculo è prodotta quando la grafite diventa fine e uniformemente distribuita dopo il trattamento di inoculo.
Prima di versare la ghisa fusa (ghisa nodulare), viene aggiunto un agente sferoidizzante, comunemente composto da ferrosilicio o magnesio, per sferoidizzare la grafite nella ghisa. L'aggiunta dell'agente sferoidizzante migliora notevolmente la resistenza alla trazione, resistenza allo snervamentoplasticità e tenacità all'urto della ghisa nodulare. Ciò è dovuto al fatto che il carbonio (grafite) nella matrice della ghisa è presente in forma sferica, migliorando il suo effetto di scissione sulla matrice.
La ghisa sferoidale presenta diversi vantaggi, tra cui la resistenza all'usura, l'assorbimento degli urti, le buone prestazioni di processo e il basso costo. Questi vantaggi ne hanno determinato l'impiego diffuso in sostituzione della ghisa malleabile e di alcune parti in acciaio fuso e forgiato, come alberi a gomito, bielle, rulli e assali posteriori di automobili.
Tra gli elementi di lega più comuni nella ghisa legata vi sono silicio, manganese, fosforo, nichel, cromo, molibdeno, rame, alluminio, boro, vanadio, titanio, antimonio e stagno. Questi elementi migliorano le prestazioni della ghisa attraverso vari meccanismi:
Inoltre, l'inclusione di elementi di lega può alterare la struttura interna della ghisa, portando a nuovi cambiamenti di fase e migliorando così le sue prestazioni di processo, come la termoplasticità, la deformabilità a freddo, la lavorabilità, la temprabilità e la saldabilità. Ad esempio, il silicio e il carbonio insieme promuovono la grafitizzazione, migliorando la compattezza e la tenacità dei getti, riducendo la tendenza alla bocca bianca, stabilizzando l'austenite e affinando la grafite e la perlite.
Migliorando le proprietà meccaniche, la resistenza all'usura, all'ossidazione e alla corrosione della ghisa, gli elementi di lega migliorano le prestazioni complessive della ghisa legata.
La ghisa bianca, così chiamata per la sua superficie di frattura bianco-argentea, è un tipo di ghisa che non precipita grafite durante il processo di cristallizzazione. Questo tipo di ghisa ha un'elevata quantità di cementite libera nella sua struttura, con conseguente elevata durezza (generalmente superiore a HB500), ma è anche molto fragile. Grazie alla sua elevata durezza e resistenza all'usura, oltre che al suo basso costo, la ghisa bianca è una scelta valida per le applicazioni resistenti all'usura, nonostante sia considerata troppo fragile per molti componenti strutturali.
I principali campi di applicazione della ghisa bianca comprendono parti resistenti all'usura come utensili agricoli, sfere di macinazione, parti di mulini a carbone, pale di granigliatrici, parti di pompe per liquami, tubi di sabbia per colata e lo strato esterno di rulli di laminazione duri e freddi. Inoltre, viene utilizzato come materia prima per la produzione di acciaio e come grezzo per la produzione di ghisa malleabile. In particolare, la ghisa bianca al manganese e la ghisa bianca al tungsteno e cromo sono utilizzate rispettivamente per parti che richiedono lavorazioni meccaniche e condizioni con grandi carichi d'impatto, usura abrasiva a bassa sollecitazione e usura abrasiva da rettifica ad alta sollecitazione.
In termini di caratteristiche prestazionali, la ghisa bianca è dura e fragile, non è facile da lavorare e raramente viene utilizzata direttamente per la fusione di parti. Il suo carbonio esiste interamente sotto forma di cementite (Fe3C), il che le conferisce proprietà meccaniche superiori rispetto alla ghisa grigia e alla ghisa malleabile, e il suo processo di produzione è relativamente semplice. Tuttavia, a causa della sua fragilità, la ghisa bianca non può sopportare lavorazioni a freddo o a caldo e può essere utilizzata solo direttamente allo stato di colata.
La ghisa bianca, con la sua elevata durezza e resistenza all'usura, svolge un ruolo importante in scenari applicativi specifici, sebbene la sua fragilità ne limiti l'applicazione in una gamma più ampia.
Le differenze specifiche nelle proprietà meccaniche tra la ghisa grigia e la ghisa malleabile si riflettono principalmente nei seguenti aspetti:
Morfologia della grafite: La grafite nella ghisa grigia è a forma di fiocco, mentre quella nella ghisa malleabile è a forma di verme. Questa differenza nella morfologia della grafite porta a differenze nelle proprietà meccaniche. La grafite a scaglie conferisce alla ghisa grigia un certo grado di fragilità, mentre quella a verme contribuisce a migliorare la tenacità del materiale.
Proprietà meccaniche: A causa della diversa morfologia della grafite, le proprietà meccaniche della ghisa malleabile sono solitamente superiori a quelle della ghisa grigia. Le proprietà meccaniche della ghisa malleabile si collocano tra la ghisa duttile e la ghisa grigia, il che significa che è più resistente della ghisa grigia, ma non quanto la ghisa duttile.
Prestazioni di colata: Le prestazioni di colata della ghisa malleabile si collocano tra la ghisa grigia e la ghisa duttile. Ciò indica che la ghisa malleabile ha una buona adattabilità e flessibilità nel processo di colata, in grado di soddisfare le esigenze di diversi scenari applicativi.
Sensibilità alla composizione chimica: Rispetto alla ghisa grigia, la ghisa malleabile ha un impatto minore sulle proprietà meccaniche quando il contenuto di carbonio e silicio passa da ipoeutettico a eutettico. Ciò implica che la ghisa malleabile ha una maggiore flessibilità nella regolazione della composizione chimica per ottimizzare le prestazioni.
Capacità di trattamento termico: La ghisa malleabile può essere sottoposta a vari trattamenti termici, tra cui la tempra isotermica, che offre la possibilità di migliorare ulteriormente le sue proprietà meccaniche attraverso il trattamento termico.
L'influenza del processo di ricottura sulle proprietà meccaniche della ghisa malleabile può essere quantificata nei seguenti modi:
Miglioramento della resistenza e della plasticità: Grazie al trattamento di ricottura per grafitizzazione, la ghisa malleabile può raggiungere una maggiore resistenza, plasticità e tenacità all'impatto, consentendole di sostituire in una certa misura l'acciaio al carbonio. Rispetto alla ghisa grigia, la ghisa malleabile ha una resistenza e una plasticità migliori, soprattutto per quanto riguarda la resistenza agli urti a basse temperature.
Miglioramento della resistenza all'usura e dello smorzamento delle vibrazioni: La resistenza all'usura e lo smorzamento delle vibrazioni della ghisa malleabile sono superiori a quelli dell'acciaio al carbonio ordinario, grazie alla sua specifica microstruttura e composizione chimica. L'ottimizzazione del processo di ricottura può migliorare ulteriormente queste proprietà.
Accorciamento dei cicli di produzione e riduzione del consumo energetico: I miglioramenti nel processo di ricottura, come la regolazione del contenuto di carbonio e silicio e l'aggiunta di elementi come il bismuto, il boro e l'alluminio per il trattamento di modifica, possono non solo abbreviare il ciclo di ricottura, ma anche aumentare i tassi di qualificazione dei prodotti senza sacrificare le prestazioni meccaniche. Inoltre, la ricerca sui processi di ricottura rapida ha indicato che l'ottimizzazione delle condizioni di ricottura può ridurre efficacemente il consumo energetico e l'inquinamento ambientale.
Aumento del grado di grafitizzazione: Durante il processo di ricottura, la cementite eutettica della ghisa bianca subisce una grafitizzazione, un processo fondamentale per migliorare la tenacità e la plasticità della ghisa malleabile. L'ottimizzazione del processo di ricottura per grafitizzazione contribuisce a migliorare le proprietà meccaniche della colata.
Elevazione della tenacità alla frattura: Il processo di trattamento di preriscaldamento e la sua microstruttura hanno un effetto significativo sulla tenacità alla frattura della ghisa malleabile. Ottimizzando il tempo di ricottura e altri parametri di processo rilevanti, è possibile migliorare efficacemente la tenacità alla frattura della ghisa malleabile, che è fondamentale per aumentarne la durata e l'affidabilità.
Il processo di trattamento di sferoidizzazione della ghisa duttile comprende principalmente la sferoidizzazione e l'inoculazione, attraverso cui si ottiene grafite sferica. Questo metodo di trattamento riduce efficacemente l'effetto di frattura della grafite sulla matrice, migliorando significativamente le proprietà meccaniche della ghisa, tra cui plasticità, tenacità e resistenza. In particolare, il trattamento di sferoidizzazione consente alla grafite di esistere in forma sferica all'interno della ghisa. Questa struttura, rispetto alla grafite tradizionale a scaglie o flocculante, è più favorevole a ridurre la concentrazione di tensioni all'interno del materiale, migliorando le prestazioni complessive.
Il ruolo specifico del trattamento di sferoidizzazione consiste nel migliorare la microstruttura della ghisa, portando a una distribuzione più uniforme della grafite e riducendo il rischio di cricche e fratture causate dalla concentrazione di tensioni durante l'uso. Inoltre, la presenza di grafite sferica migliora la resistenza all'usura e lo smorzamento delle vibrazioni della ghisa, un aspetto particolarmente importante per le applicazioni che devono sopportare carichi elevati e condizioni di stress complesse. Per esempio, in parti come gli alberi a gomito delle macchine elettriche, la ghisa duttile è ampiamente utilizzata grazie alle sue eccellenti proprietà globali.
Il processo di trattamento di sferoidizzazione della ghisa duttile, modificando la forma della grafite, non solo aumenta la plasticità, la tenacità e la resistenza della ghisa, ma contribuisce anche a migliorare la resistenza all'usura e lo smorzamento delle vibrazioni, migliorando in una certa misura le prestazioni meccaniche. Questi miglioramenti fanno della ghisa duttile un materiale ad alta resistenza, buona tenacità e plasticità. Le sue prestazioni complessive si avvicinano a quelle dell'acciaio, rendendola adatta a varie applicazioni ingegneristiche che richiedono sollecitazioni complesse, elevata resistenza e buona tenacità.
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