La ghisa sferoidale ad alto silicio

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1 La ghisa sferoidale ad alto silicio Solid Solution Strengthened Ferritic SG Iron EN 1563:2010 RIO TINTO Iron & Titanium SORELMETAL Congresso Assofond novembre 2014

2 I tipi normali dalla norma europea

3 I nuovi tipi nella norma EN 1563:2012

4 Introduzione Di recente ( ), la commissione europea di standardizzazione, ha ufficializzato dei nuovi tipi di gs dietro la spinta di fonderie e officine di lavorazione del nord di Europa (Volvo, Componenta, ecc.); questi nuovi tipi avrebbero migliori caratteristiche meccaniche oltreché una buona lavorabilità. EN-GJS , e Il tipo «600-10» sviluppato dalla Fiat negli ultimi 30 anni non impone alcuna specifica strutturale a differenza dei nuovi tipi ISO che richiedono: un contenuto minimo di ferrite del 95% un contenuto massimo di perlite del 5% e non più dell 1% di carburi con un silicio compreso fra il 3.2 ed il 4.3%. Ricordiamo qui che i livelli più alti sono di normale impiego nel caso delle ghise sferoidali dette SiMo.

5 L aspetto micrografico Microstruttura di una gs (a sinistra) e di una gs (a destra) (Tecnologia materiali Volvo)

6 L aspetto micrografico (a) (b) (a) Ghise sferoidale al 60% perlite (b) Ghisa sferoidale ad alto silicio. La dimensione dei noduli appare meno uniforme

7 l aspetto micrografico Nelle ghise perlitico ferritiche tradizionali le proprietà sono ottenute mediante alligamento con Sn, Cu e Mn in % dipendenti dagli spessori

8 l aspetto micrografico Nei nuovi tipi ciò lo si ottiene con una ferrite indurita per soluzione solida di silicio su livelli compresi fra 3,2 e 4,3 %, valori che non dipendono dagli spessori

9 Sforzo (MPa) Il silicio e la resistenza Allungamento (%) Rapporto sforzo/allungamento in funzione del tenore di silicio

10 Resistenza all impatto a -20 C (Joules) Il silicio e la resilienza Ricerca interna alla Sorel di Tracy % Silicio Il silicio ha un effetto deleterio sulla «temperatura di transizione» e rende la ghisa fragile a basse temperature. Quindi I nuovi tipi non sostituiranno mai i tipi ferritici noti come LT et LT.

11 La resilienza - alcune considerazioni Ricordiamo qui che una prova pratica giornaliera di resilienza in fonderia si esegue all atto della smaterozzatura. E noto che le ghise più perlitiche si smaterozzano più facilmente mentre lo contrario succede con le ghise ferritiche. Ciò si riflette nel tipo di frattura: netta nel primo caso e con deformazione nel secondo caso. Tuttavia ciò non ci porta a pensare che le ghise ferritiche siano più resistenti di quelle perlitiche anzi sappiamo che è l esatto contrario. Il motivo è spiegato dal tipo di prova (Charpy intaglio a V) che è ritenuto poco adatto per misurare la tenacità del materiale. Nelle gs la tenacità va riferita alla capacità del materiale sotto sforzo a deformarsi in presenza di difetti che agiscono come innesco di cricche. Quindi l allungamento abbinato ad un maggiore snervamento costituisce un buon mix che risulta essere più favorevole alle ghise ad alto silicio rispetto a quelle tradizionali.

12 Aspetti metallurgici legati al silicio Diagramma Fe-C per 3 livelli di silicio: 0, 2% e 3,8%) Il silicio sposta l eutettico a valori più bassi di carbonio: al 3% per un tenore di silicio al 3,8%. Ciò riduce la % di grafite disponibile per l autoalimentazione. Ciò per esperienza di Componenta favorisce una maggiore tendenza alla porosità rispetto a quelle delle ghise tradizionali

13 Maggiore sensibilità alla porosità

14 Il silicio e la colabilità Livello di riempimento in relazione al tenore di silicio e alla temperatura di colata Utilizzando un provino ad «arpa» su due livelli di temperatura (1.320 e C) a dispetto del livello di silicio non sono state riscontrate differenze di colabilità

15 Il silicio e la grafite a pezzi (Chunk) Con tenori alti di silicio il rischio di grafite Chunk è possibile nelle sezioni spesse (>50 mm), quindi per ottimizzare le proprietà di questi materiali si suggerisce di introdurre lo 0,005% de antimonio opp. di bismuto in abbinamento al cerio nelle modalità già note.

16 Ghise ad alto silicio esempi applicativi Particolare rotante per manipolazione pesi in ghisa L autore con il particolare rotante in gs Il materiale consente di avere delle proprietà molto costanti e tolleranze di 20µm.

17 Mozzo anteriore per trattori Pezzo ridisegnato in gs tipo sostituisce un pezzo in acciaio con i vantaggi di un minor peso e una maggiore capacità di carico

18 Pezzo per sospensione neumatica per autobus Particolare ridisegnato 8 mm spessore con riduzione di peso in gs

19 Supporto per tubo di scarico Riduzione di peso e altre funzioni in gs

20 I potenziali vantaggi delle ghise sferoidali ad alto silicio Migliore lavorabilità: Poiché la struttura è uniforme («solo» ferrite e grafite) le macchine utensili non incontrano fasi a durezza differenziata (ferrite + carburi) come nei tipi ferritico-perlitici (500-7 & 600-3). Inoltre si riscontrano meno differenze fra lotto e lotto. Minore sensibilità alla cementite e saldabilità migliore. Maggiore tenacità (a cariche statiche) più vicine a quella del acciaio A parità di resistenza lo snervamento è maggiore (13-27%): per i progettisti questo vantaggio permette una riduzione della sezione e quindi dei pesi. Un allungamento maggiore in rapporto della resistenza: un materiale con buone caratteristiche di deformazione prima della frattura è molto apprezzata dai progettisti e di sicuro sviluppo nel campo automotrice. Le proprietà meccaniche sono più costanti e la struttura non dipende dagli spessori.

21 Gli svantaggi Data la presenza massiccia di ferrite non è possibile l indurimento superficiale. Difficoltà operative in ragione della diversa composizione base del materiale. Maggiore sensibilità alla porosità. Non soddisfano le proprietà per impiego a basse temperature.

22 Bibliografia 1.Lars Byorkegren & Kenneth Hamberg «Silicon Alloyed Ductile Iron with Excellent Ductility and Machinability» 2003 Keith Millis Symposium on Ductile Cast Iron. 2.Dr.-Ing. Wolfram Stets, Dr.-Ing. Herbert Löblich, Prof. Dr.-Ing. Peter Schumacher, Dr. Gert Gassner «Solution Strengthened Ferritic Spheroidal Graphite Cast Iron according DIN EN 1563: Production, Properties and Application» - IFG CastTech, Krefeld, High Silicon Ductile Iron. 3.Seyfi Degirmenci, Bulent Şirin, Bert Duit - Componenta Dökümcülük Tic. Ve San. A.Ş.) «EN 1563 New Generation Ductile Irons» - Ankiros Int. Foundry Congress, September 2014

23 Grazie dell attenzione