Tra le diverse tipologie di

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1 Damiano Aquili *, Enrico Flamigni **, Enrico Quadrini *, Michele Marcantoni ***, Valerio Castaldo ** * Università Politecnica delle Marche, Ancona ** SCM Fonderie, Villa Verucchio (RN) *** Tre P Engineering s.r.l., Chiaravalle (AN) Esperienza di produzione di ghisa a grafite compatta mediante sottotrattamento di sferoidizzazione con filo Tra le tipologie di ghisa oggi in produzione, la CGI è quella che desta maggior interesse. La sua caratterizzazione, ormai consolidata, evidenzia le migliori caratteristiche della grigia e della sferoidale, rendendola particolarmente idonea all applicazione in campo motoristico e principalmente nel settore dei Diesel ad alte prestazioni Tra le diverse tipologie di ghisa oggi in produzione in campo industriale, la CGI è probabilmente quella che desta maggior interesse, vista anche la sua storia relativamente recente. La sua caratterizzazione, ormai consolidata, evidenzia le migliori caratteristiche della grigia e della sferoidale, rendendola particolarmente idonea all applicazione in campo motoristico e principalmente nel settore dei Diesel ad alte prestazioni. È proprio il crescente numero di progetti in tal senso che spinge le fonderie oggi produttrici di ghisa grigia e sferoidale ad avventurarsi nell arduo compito della messa a punto di un processo produttivo funzionale e svincolato dai costi di brevetto. Produzione di CGI Il processo di produzione della ghisa sferoidale si basa principalmente sull aggiunta di magnesio nel bagno metallico attraverso vari metodi. Tale elemento influisce, durante la solidificazione, sui meccanismi di segregazione della grafite. La CGI può essere prodotta attraverso gli stessi processi della ghisa sferoidale, adottando però un più accurato controllo del processo, data la ristrettezza delle condizioni in cui si deve operare. Molti dei vari processi produttivi studiati, basati su diversi elementi quali magnesio, cerio, azoto, titanio, leghe di magnesio e terre rare, sono ancora in fase sperimentale. Quello che, ad oggi, ha dato i risultati più concreti è il processo, ora legato a forti costi di brevetto, utilizzato fin dal 2000 da Fig. 1 Software che gestisce il riscaldamento del forno. 50

2 ottenuta con le stesse operazioni unitarie, materie prime, e materiale da inoculazione, sferoidizzazione e post-inoculazione, solo impiegando un diverso quantitativo di lega sferoidizzante. Le prove di sottotrattamento hanno inoltre permesso di studiare l influenza dei parametri del processo produttivo ed i rispettivi limiti. Per tale motivo si descriveranno il processo produttivo adottato, le prove di sottotrattamento con i relativi risultati fino alla messa a punto dei processi e l ottenimento dei vari tipi di CGI, secondo la classificazione riportata nella norma ASTM A84285 (Reapproved 1997) Standard Specification for Compacted Graphite Iron Castings. Fig. 2 L impianto. una nota casa automobilistica, che ha consentito di produrre basamenti di motori Diesel ad alte prestazioni soppiantando la ghisa grigia. Tale processo si basa sull aggiunta di magnesio al bagno metallico utilizzando una lega ternaria di FeSiMg. Nel corso degli ultimi anni il Reparto Fusorio della SCM fonderie di Villa Verucchio (RN), ha modificato il processo di aggiunta del magnesio nel bagno metallico passando dal metodo gasal al metodo con filo. Ciò ha comportato sostanziali modifiche e una nuova messa a punto del processo produttivo della ghisa sferoidale così come della ghisa a grafite compatta, la quale continua ad essere Fig. 3 La termocoppia. 51

3 Fig. 4 Schermata dell analisi termica. Processo produttivo e sottotrattamento a filo L attuale processo produttivo di ghisa sferoidale da parte della SCM Fonderie di Villa Verucchio prevede la fusione della carica metallica, realizzata mediante forno rotativo, seguita da trattamento con filo metallico. Un software dedicato (fi g.1 ) gestisce i diversi programmi di riscaldamento del forno, finché la temperatura all interno raggiunge i C. A questo punto si procede con una spillata di prova, dalla quale viene prelevato un campione di materiale da sottoporre immediatamente all analisi termica chimica. Nelle siviere è preventivamente posto del materiale precondizionante e perlitizzante, il cui scopo è quello di agire sul numero dei centri di nucleazione del materiale in solidificazione e sulla matrice. Fig. 5 Pastiglia di materiale. Per l analisi termica ci si affida ad un software realizzato da una precedente collaborazione tra SCM fonderie e l Università Politecnica delle Marche (figg. 2-3), mentre l analisi chimica è ottenuta mediante un Quantometro a cui sono sottoposti provini di materiale realizzati in maniera opportuna (figg. 4-5). I risultati dell analisi sul contenuto del forno forniscono due parametri fondamentali quali la T Liquidus, ossia la temperatura alla quale solidifica il primo germe, e il quantitativo di zolfo (S) contenuto nel fuso. Tali valori vengono utilizzati per definire le quantità dei correttivi (carbonio, silicio, manganese, stagno, rame...) da introdurre tramite inoculazione, in modo da fornire la tipologia di ghisa sferoidale richiesta e la corretta T Liquidus; quantitativi che vengono 52

4 Valore percentuale di zolfo Viene ricavata dall analisi chimica del forno e riportata sul software. Resa Parametro di processo fisso. Valore percentuale di magnesio (Mg) È il valore che consente alla grafite di raccogliersi nella forma voluta, viene ricavato sulla base dell esperienza del processo di produzione dei getti. Fig. 6 Quantometro. ricavati sulla base dell esperienza e di un software opportuno. Contemporaneamente alla spillata del materiale fuso in siviera, si procede alla correzione dell analisi con l aggiunta dei correttivi. Pesata la siviera, e ricavato così il peso del fuso, essa viene posizionata nella zona Trattamento 1, dove il metallo liquido viene portato alla temperatura di trattamento. Terminata questa fase la siviera raggiunge la zona Trattamento 2, dove la macchina del filo realizza contemporaneamente desolforazione, sferoidizzazione e post-inoculazione. In questa fase la siviera è chiusa ermeticamente in modo da evitare la fuoriuscita di materiale e consentire l aspirazione dei fumi, contenendo il classico flash (fig. 7). A questo punto la gestione dell impianto a filo è affidata ad un software dedicato (fig. 8). Sul software del trattamento a filo vengono precedentemente caricati i parametri di processo, alcuni dei quali vengono mantenuti fissi, mentre altri sono continuamente ottimizzati mediante piccole variazioni, (tutti i valori percentuali si riferiscono al peso): Peso del fuso È ricavato al momento, dalla differenza delle pesate della siviera vuota e piena. Temperatura di trattamento Viene decisa sulla base dell esperienza e del materiale da realizzare, una volta impostata nel software sarà l operatore a portare il fuso a questa temperatura. Fig. 7 Trattamento a filo. 53

5 Valore percentuale di post inoculante Decide la quantità di materiali da aggiungere al materiale fuso, viene ricavato sulla base dell esperienza. Velocità del filo sferoidizzante Decide la modalità di somministrazione del magnesio, viene ricavato sulla base dell esperienza. Velocità del filo post-inoculante Decide la modalità con cui il materiale post inoculante va somministrato. Sulla base di relazioni tra i precedenti parametri,il software restituisce i valori dei metri del filo sferoidizzante; metri del filo post-inoculante. L impianto dispone quindi di due fili: il primo costituito da una ferro lega di FeSiMg è il maggior responsabile dell abbassamento dello S, (che passa così da valori di 0,015-0,035 Tab. 1 Valori ottimali e valori limite dei principali parametri ottenuti dall analisi chimica. % S % Mg (min) % Mg (max) 0,005 0,050 0,055 0,006 0,052 0,057 0,007 0,052 0,057 0,008 0,055 0,060 0,009 0,060 0,01 Fig. 8 Software che gestisce il trattamento a filo. % a valori necessariamente minori dello 0,01%), e del contemporaneo raggruppamento del C in forma di sferoidi; il secondo filo costituito prevalentemente da Si fornisce invece il materiale per la postinoculazione, necessaria per il miglioramento delle caratteristiche meccaniche del getto.terminato il trattamento a filo viene misurata la temperatura del fuso per essere sicuri che corrisponda alla temperatura di colata; a fine trattamento viene eseguita un ulteriore analisi termica-chimica per controllare se i parametri fondamentali rispecchiano le specifiche (tab. 1). Se gli esiti sono positivi viene dato il via libera alla colata, cercando di limitare il più possibile il tempo relativo a questa operazione in modo da contenere il fenomeno dell evanescenza del magnesio (fi g.9 ). L attuale processo produttivo della ghisa a grafite compatta prevede le stesse identiche fasi del processo produttivo della ghisa sferoidale appena illustrato; i passaggi sono esattamente gli stessi, come pure il software e i parametri utilizzati, l unica differenza è relativa al dosaggio della lega sferoidizzante, il quale è adeguato al magnesio residuo necessario per il bagno metallico. 54

6 Parametri di processo Il processo produttivo della CGI e i relativi parametri di processo sono illustrati nella fi g.1 0. Il parametro principale su cui si è intervenuto per l ottenimento della CGI è appunto quello riguardante la percentuale di Mg, in quanto una sua variazione fornisce differenze sostanziali nella morfologia della grafite e di conseguenza nelle caratteristiche strutturali dei getti. I parametri di processo che sono stati presi in considerazione durante questa esperienza di produzione di CGI sono illustrati nella tab. 2. Le modifiche più importanti si possono riconoscere, tra la prova CGI8 e la prova CGI9 con una variazione della % Mg nella macchina del filo, mentre tra le prove CGI9 e CGI10 i parametri di processo subiscono un cambiamento consistente a seguito di una modifica dei materiali pre condizionanti e perlitizzanti. Caratterizzazione del materiale e messa a punto del processo di produzione L esperienza di produzione di CGI ha visto la realizzazione di tre serie di colate, (indicate con CGI , successive alle precedenti 7 esperienze di produzione di ghisa a grafite compatta), ciascuna consistente in cinque o sei provini di forma opportuna, in modo da poter essere sottoposti alla misurazione della velocità con gli ultrasuoni, e dopo tornitura, alle prove di trazione, di micro durezza e all analisi micro strutturale. Dai risultati delle precedenti prove sperimentali (tab. 3) si sono potute elaborare le seguenti considerazioni: Concentrazione % di magnesio residuo necessario per la produzione di CGI. Nel software viene impostato il valore desiderato della % di Mg residuo, rispettivamente 0,035 % per la CGI8, 0,030 % per la CGI9 e nuovamente 0,035 % per la CGI10, che però si scosterà (anche se di poco) dal valore ottenuto dall analisi al quantometro, ovvero percentuali di Mg di 0,032 per CGI8, 0,029 per CGI9 e 0,036 per CGI10. Tutti i provini ottenuti sono stati sottoposti ad analisi micrografica, e successivamente ad una elaborazione dell immagine tramite digitalizzazione (fi g.1 1 ). Con l utilizzo di un software opportuno, le particelle di grafite rilevate sono state filtrate prendendo come valore di soglia un area di 50 µm2, e per esse è stato calcolato il valore di Circolarità percentuale. Dal foglio di calcolo ottenuto è stata così misurata la circolarità media Tab. 2 Valori dei parametri di processo del trattamento a filo. Parametri di processo Prova CGI 8 Prova CGI 9 Prova CGI 10 Pre condizionante Tipologia A Tipologia A Tipologia B Materiale perilitizzante 0,03%Sn+Cu Peso materiale 2800 kg 3200 kg 2760 kg T di trattamento 1390 C 1403 C 1402 C % Mg (impostato) 0,035 0,030 0,035 % S (forno) 0,019 0,026 0,018 Resa (%) Metri filo sferoidizzante Velocità filo sferoidizzante Metri filo post inoculante Velocità filo post inoculante 37,2 44,1 37,2 24 m/min 24 m/min 26 m/min 30,1 29,8 9,9 52 m/min 52 m/min 30 m/min % Post inoculante 0,3 0,26 0,1 T di colata 1354 C 1368 C 1352 C 55

7 Fig. 9 Colata del bagno fuso in staffa. di ogni provino, riconducibile a tre fasce principali, 0-30%, 30-80% e %. I valori del primo range si riferiscono a particelle di forma lamellare, l ultimo a particelle sferoidali, e per esclusione l intervallo centrale corrisponde alla particelle di forma vermicolare, su cui si basa la valutazione della ghisa ottenuta. Le prove relative alla CGI8, con una % di Mg residuo pari a 0,032, hanno evidenziato una percentuale di vermiculi superiore al limite dell 80%, stabilito dall ASTM per catalogare il materiale come CGI, risultato supportato dall analisi micro strutturale. Le misurazioni sulla prova CGI9 e le osservazioni al microscopio, relativa a una % di Mg residuo di 0.029, hanno invece evidenziato % di CGI superiore alla soglia per i primi tre provini, mentre i due successivi mostrano una netta presenza di ghisa lamellare, con una percentuale di vermiculi che scende al di sotto del 55%. Tale valore di Mg è da considerarsi come limite inferiore, al di sotto del quale la distribuzione della grafite assume forma lamellare,con conseguente degenerazione della CGI in GG. La CGI10, dalla quale viene misurata una % di Mg residuo di 0.036, presenta quantitativi di vermiculi superiori, o di poco inferiori, alla soglia dell 80 %, questa volta a scapito di una importante percentuale di noduli, che definiscono in questa circostanza il limite superiore di Mg residuo consentito, al di sopra del quale la ghisa assume caratteristiche sempre più sferoidali. Azione materiale pre condizionante e perlitizzante. L azione del perlitizzante (Sn e Cu) può essere riconosciuta con una certa facilità, attraverso una maggiore resistenza meccanica a rottura e a snervamento riscontrata per la prova CGI10, rispetto alle precedenti. I valori di micro durezza sono inoltre i maggiori misurati. Ciò è da attribuire ad una matrice che nel caso della CGI10 è nettamente perlitica a differenza della natura decisamente ferriticoperlitica per le prove precedenti. Dalla digitalizzazione delle immagini prelevate dai vari campioni si registra, nel passaggio dal precondizionante di Tipologia A a Fig. 10 Flow chart dell attuale processo di produzione della CGI e variabili di processo. 56

8 quello di Tipologia B, un aumento del numero di particelle grafitiche. In immagini ottenute con ingrandimento 100x si passa da una stima media di circa particelle per il caso iniziale, a circa particelle con il pre condizionante di Tipologia B. Evanescenza del magnesio. Tale fenomeno, ovvero la tendenza del Mg a lasciare il bagno di fusione, è stato trattato analizzando provini della stessa serie, colati in successione. Le prove di trazione registrano una progressiva diminuzione della resistenza meccanica dei provini della stessa serie, fenomeno questo evidente sia nella CGI8 che nella serie CGI10, dove la diminuzione di carico di rottura è comunque contenuta entro il 10% nel primo caso e il 4% nel secondo. Nella serie CGI9 tale fenomeno è più evidente portando il materiale al cambiamento del grado di resistenza, si passa da un grado 300 a un grado resistenza non accettabile. Dal punto di vista micro strutturale, nella serie CGI9 l evanescenza del Mg è la causa del raggiungimento del limite inferiore di Mg; negli ultimi due provini colati infatti, la microstruttura ha assunto carattere lamellare. Nella serie CGI10 invece, dove si è sfiorato il limite superiore di Mg, l evanescenza ha consentito di rientrare entro il range ottimale, con un progressivo aumento della percentuale di vermiculi. L evanescenza viene riscontrata anche nella progressiva diminuzione dei valori della velocità degli ultrasuoni. Tab. 3 Risultati della prova di trazione e dell analisi chimica. Campione CE% Si% Mg% Ti% % Grafite compatta Resistenza a trazione R t (MPa) Limite di snervamento R 0 (MPa) allungamento % Classificazione ASTM A < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < 0.01 < < 0.01 < < f.r. Grado < f.r. Grado < 0.01 > Grado < 0.01 > Grado < Grado < 0.01 > Grado

9 Velocità degli ultrasuoni. La correlazione fra struttura e velocità, ha dato i risultati espressi nella tab. 4. Tutti i campioni mostrano velocità inferiori ai 5600 m/s tipici di ghise sferoidali, e solo la prima serie di provini (CGI8) ci si avvicina (risultato che ci saremmo aspettati per la CGI10); i restanti sono all interno, o molto prossimi, al range caratteristico della ghisa a grafite compatta, ( m/s). Per la seconda serie (CGI9) si registrano invece valori anomali relativamente al provino numeri 4 e 5, valori che verranno poi successivamente motivati, tramite micrografie, da una microstruttura di tipo lamellare. Tale aspetto, anche se non direttamente correlato con il processo metallurgico, è molto utile per il controllo dei getti prodotti mediante un procedimento non distruttivo, così come già viene fatto per i getti in ghisa sferoidale. Conclusioni Dal punto di vista dei vantaggi produttivi tale processo di Tab. 4 Risultati della velocità degli ultrasuoni. Fig. 11 Immagine digitalizzata di un provino di CGI (100x). sottotrattamento a filo consente ancor più di eguagliare la produzione di ghisa sferoidale e quella compatta, poiché oltre alle operazioni, e agli impianti, anche i materiali utilizzati sono gli stessi, unica variabile sono i settaggi del software che gestisce l impianto a filo. Dall analisi dei risultati di Provini CGI8 CGI9 CGI10 P P P P N.R 5345 P N.R 5340 P Valore medio caratterizzazione meccanica del materiale ottenuto, si evince una possibilità concreta da parte di SCM di Villa Verucchio di ottenere getti in ghisa a grafite compatta, utilizzando l attuale processo produttivo con aggiunta del Mg con il metodo a filo. Il vantaggio della completa intercambiabilità dei processi di produzione di GS e di CGI, associata alla relativa economicità di produzione (vista l assenza di elementi nobili quali il Titanio), rende tale processo di produzione una opportunità produttiva assolutamente valida e concreta. L attività di ricerca svolta rientra in un progetto biennale cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna, Misura 3.1.a progetto n.135/c 58