CARATTERIZZAZIONE DI GETTI IN GHISA SFEROIDALE DI GRANDI SPESSORI

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1 XXXIII CONGRESSO DI FONDERIA ASSOFOND BRESCIA, NOVEMBRE 2016 CARATTERIZZAZIONE DI GETTI IN GHISA SFEROIDALE DI GRANDI SPESSORI E. Foglio*, M. Gelfi*, A. Pola*, D. Lusuardi *DIMI - Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università degli Studi di Brescia Fonderie Ariotti S.p.A.

2 Introduzione Ghise sferoidali (DCI): - buone proprietà meccaniche (resistenza a rottura, resistenza all'usura e duttilità); - eccellente colabilità (bassa temperatura di fusione, modesto ritiro, alta fluidità). Getti di grande spessore richiedono lunghi tempi di solidificazione Microstrutture anomale Difetti Proprietà meccaniche inferiori Dimensioni: 2700mm x 2700mm x 1200mm Peso: 60t 2

3 Principali anomalie strutturali Gli elementi microstrutturali più comuni e pericolosi che si possono riscontrare nei getti in ghisa sferoidale di grande spessore sono: 1. Degenerazione della morfologia dei noduli di grafite (grafite esplosa, compatta, chunky e spiky). Nodulo di grafite Grafite chunky Grafite spiky 3

4 Principali anomalie strutturali Gli elementi microstrutturali più comuni e pericolosi che si possono riscontrare nei getti in ghisa sferoidale di grande spessore sono: 1. Degenerazione della morfologia dei noduli di grafite (grafite esplosa, compatta, chunky e spiky). 2. Dross superficiale (inclusioni non metalliche di forma irregolare generalmente presenti sulla superficie del getto). 3. Microporosità da ritiro

5 Effetto sulle proprietà meccaniche Resistenza a rottura R m Condizioni standard di produzione Condizioni ideali senza strutture anomale Tempo di solidificazione La corretta progettazione di getti pesanti in ghisa sferoidale richiede un database relativo a microstrutture e proprietà meccaniche che ad oggi è assente o molto scarso. 5

6 Scopo del lavoro Realizzazione di una serie di prove sperimentali per ottenere una completa caratterizzazione in termini di microstruttura e proprietà meccaniche di diversi tipi di ghise sferoidali impiegate in componenti di grande spessore, senza ricorrere al sacrificio di getti di produzione. Messa a punto di una linea di produzione innovativa: campioni di ghisa di dimensioni contenute vengono solidificati all interno di un forno elettrico in modo controllato per riprodurre le caratteristiche di pezzi di decine di tonnellate che richiedono tempi di solidificazione fino a 20 ore. h=260mm d=240mm 6

7 Materiali considerati Matrice ferritica standard C 3,5-3,6 Si 2,4-2,5 Cu 0,1-0,2 Matrice ferritica ad alto Si C 3,3-3,4 Si 3,3-3,5 Cu <0,1 Matrice perlitica C 3,5-3,6 Si 2,0-2,2 Cu 0,8-1,0 Caratterizzazione delle tre tipologie di ghisa sferoidale prodotte con diversi tempi di solidificazione, per ottenere dati relativi a getti compresi nel range di peso tra kg e t. 7

8 Procedura sperimentale Produzione di uno speciale crogiolo refrattario a base di allumina. Preriscaldo del crogiolo nel forno elettrico a 1200 C. Colata della ghisa nel crogiolo e riposizionamento del campione nel forno. Controllo della potenza del forno per determinare il tempo di solidificazione. Monitoraggio dell intero ciclo di raffreddamento mediante termocoppia. 8

9 Prove meccaniche e analisi microstrutturale - Controllo ad ultrasuoni (EN ) - Prove di trazione (EN ISO : 2009) - Durezza Brinell (UNI EN ISO :2006) - Prove di fatica (Metodo stair-case: UNI 3964/85) - Analisi metallografica al microscopio ottico - Indagine delle superfici di frattura tramite microscopia elettronica (SEM) 9

10 Validazione dello studio Confronto tra le curve di raffreddamento, la microstruttura e le proprietà meccaniche di campioni solidificati in modo controllato nel forno elettrico e componenti reali di grandi dimensioni (già testati in precedenza). Campione HSi-A (3,4% Si), peso: 80 kg, 6-7 ore di solidificazione. Getto in alto Si (3,4% Si), 200mm spessore, peso: 9 t, circa 7 ore di solidificazione. 10

11 Validazione dello studio Campione HSi-A Getto in alto Si Micro 100X: 100% ferrite Forma della grafite: VI Dimensione della grafite : 4 Conteggio dei noduli: 8-10/mm 2 Fusione R m [MPa] R p0,2% [MPa] R p0,2% /R m A% HB σ f,50% [MPa] Campione HSi-A 394±1 365±4 0,93 3,6±0,8 166±5 188±11 Getto in alto Si 390±8 352±2 0,90 3,4±1,6 164±4 179±15 Ottima corrispondenza di microstruttura, proprietà meccaniche statiche e dinamiche: la validità del processo è stata confermata ed è stato intrapreso il lavoro di caratterizzazione dei diversi materiali. 11

12 Campioni studiati Campione Ghisa Tempo di Temperatura Durata eutettico solidificazione [ore] eutettico [ C] [ore] F-A Ferritica ,5 F-B Ferritica F-C Ferritica F-D Ferritica HSi-A Ferritica alto Si HSi-B Ferritica alto Si P-A Perlitica ,5 T solidus: temperatura alla quale la ghisa è completamente solidificata Inizio della trasformazione eutettica 12

13 Proprietà meccaniche statiche Campione GHISA SFEROIDALE FERRITICA STANDARD Tempo di solidificazione [ore] R m [MPa] R p0,2% [MPa] R p0,2% /R m A% HB F-A 3 329±17 286±3 0,87 3,1±1,4 153±4 F-B 6 353±8 298±2 0,84 4,2±0,8 165±8 F-C ±8 275±4 0,93 2,9±0,2 144±2 F-D ±29 / 1,00 0,0 162±8 13

14 Proprietà meccaniche statiche Campione GHISA SFEROIDALE FERRITICA AD ALTO SILICIO E PERLITICA Tempo di solidificazione [ore] R m [MPa] R p0,2% [MPa] R p0,2% /R m A% HB HSi- A 6 394±1 365±4 0,93 3,6±0,8 166±5 HSi- B ±9 342±6 0,99 0,9±0,9 165±8 P-A ±28 309±14 0,94 1,1±0,4 185±3 14

15 Resistenza a fatica Campione Ghisa Tempo di solidificazione [ore] Limite di fatica σ f,50% [MPa] F-A Ferritica 3 145±6 F-B Ferritica 6 167±18 F-C Ferritica ±4 F-D Ferritica ±17 HSi-A Ferritica alto Si 6 188±11 HSi-B Ferritica alto Si ±10 P-A Perlitica ±12 15

16 Analisi metallografica MICROSCOPIO OTTICO a b c Ghisa ferritica Ghisa ferritica alto Si Ghisa perlitica a,b) Matrice quasi completamente ferritica (più del 90%); piccole isole di perlite. c) Percentuale di perlite superiore al 75%. Grafite prevalentemente sferoidale tranne alcune aree di grafite degenerata (chunky, spiky). Conteggio dei noduli sempre molto basso (3-10 noduli/mm 2 ). I campioni non sono stati inoculati. 16

17 Superfici di frattura CONSIDERAZIONI GENERALI Nelle prove di trazione il meccanismo di rottura per clivaggio occupa quasi il 100% della superficie di frattura; gli unici segni di duttilità (dimples) si sono osservati in piccole aree tra i noduli. Clivaggio Porosità d innesco Dimples Nella maggior parte dei campioni, microcavità da ritiro sono state identificate come punti d innesco della rottura per fatica. Esiste una buona corrispondenza tra le dimensioni del difetto iniziale e il numero di cicli a rottura dei campioni. 17

18 Superfici di frattura GHISA SFEROIDALE FERRITICA STANDARD Prove di trazione F-A Grafite chunky F-B Grafite sferoidale Grafite spiky 3 ore 6 ore Grafite chunky F-C Grafite spiky F-D 12 ore 20 ore 18

19 Superfici di frattura GHISA SFEROIDALE FERRITICA STANDARD Prove di fatica Tracce di spiky F-A Chunky diffusa F-B 3 ore 6 ore F-C Aree di spiky F-D Grafite compatta 12 ore 20 ore 19

20 Superfici di frattura GHISA SFEROIDALE FERRITICA AD ALTO SILICIO Prove di trazione Grafite chunky HSi-A Grafite spiky HSi-B 6 ore 12 ore Prove di fatica HSi-A HSi-B Aree con chunky Tracce di spiky 6 ore 12 ore 20

21 Superfici di frattura GHISA SFEROIDALE PERLITICA Prove di trazione Prove di fatica P-A P-A Chunky abbondante 13 ore 13 ore 21

22 Conclusioni 1- I risultati delle prove effettuate sui campioni di piccole dimensioni con solidificazione controllata sono paragonabili a quelli dei getti di produzione di grande spessore, sia in termini di microstruttura che di proprietà meccaniche. 2- Le ghise sferoidali ferritiche ad alto Si sono più adatte alla produzione di getti pesanti sottoposti a carichi di fatica rispetto a quelle ferritiche tradizionali e perlitiche. 3- Anche in getti solidificati molto lentamente, le microporosità hanno un effetto predominante sulla resistenza a fatica. 4- La grafite spiky risulta molto più dannosa rispetto alla chunky, determinando una notevole diminuzione delle proprietà meccaniche, sia di trazione che di fatica. 22

23 Grazie per l attenzione! INFO: eugenio.foglio@unibs.it 23