CORRELAZIONE MICROSTRUTTURA PROPRIETÀ MECCANICHE

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1 ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI XXXIV CONVEGNO NAZIONALE SETTEMBRE 2005, POLITECNICO DI MILANO CORRELAZIONE MICROSTRUTTURA PROPRIETÀ MECCANICHE DELLA GHISA GRIGIA P. Baicchi a *, L. Collini a M. Guidetti c R. Konecna b V. Majerova b G. Nicoletto a a Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Parma, Parco Area delle Scienze 181/A, Parma b Department of Materials Engineering, University of Žilina, Žilina, Slovakia b CASAPPA Fluid Power Design, Via Balestrieri 1, Cavalli di Collecchio (Parma), Italy Sommario Le proprietà meccaniche di un materiale dipendono fortemente dalle sue caratteristiche microstrutturali. L oggetto di questo studio è una ghisa grigia, con la quale la società Casappa di Parma realizza i corpi pompa, a partire da getti prodotti da tre differenti fornitori. In seguito ad un estesa caratterizzazione meccanica, le proprietà, in termini di trazione e fatica, sono risultate molto variabili da fonderia a fonderia, e anche fra provini ricavati dallo stesso corpo pompa è stata misurata un elevata dispersione statistica. Questo ha spinto la ricerca delle cause nella microstruttura del materiale. Sono state eseguite sezioni metallografiche dei campioni utilizzati per i test e sono stati misurati parametri relativi a lamelle di grafite, celle eutettiche ed inclusioni e questi valori sono stati correlati alle proprietà meccaniche misurate, in modo da capire le ragioni di tale comportamento. Abstract Mechanical properties strongly depend on the micro-structural characteristics of the materials. The object of this study is a grey cast iron, with which a society in Parma realizes pomp bodies from castings produced by three different suppliers. Subsequently to a wide mechanical characterization, the properties, in terms of tensile and fatigue test, result very varying from foundry to foundry, and also among specimens drawn by the same body, an elevated statistic dispersion has been measured. This has pushed the research of the causes in the microstructure of the material. Metallographic sections of the specimens, used for the tests, are been performed and they have been measured parameters related to lamellae of graphite, eutectic cells and inclusions and these values have been correlated to the measured mechanical properties, so that to understand the reasons for such behavior. Parole chiave: ghisa grigia, getti, proprietà meccaniche, trazione, fatica, microstruttura, metallografia 1. INTRODUZIONE La ghisa grigia è usata in molte applicazioni industriali per alcune sue caratteristiche, quali la flessibilità d uso, l ottima colabilità, il basso costo e l ampia gamma di proprietà meccaniche che la rendono ottima in diverse applicazioni. Ad esempio, le ghise a matrice perlitica sono utilizzate quando l applicazione richiede elevato modulo di Young, buona resistenza all usura o capacità di raggiungere elevati valori di finitura superficiale. D altro canto una ghisa a matrice ferritica è preferibile in componenti che devono essere lavorati alle macchine utensili, resistere agli shock termici, possedere un elevato smorzamento interno o che devono essere colati in sezioni sottili, [1]. * Corresponding author: Tel.: ; Fax.: ; baicchi@ied.unipr.it

2 Lo spunto per questo lavoro deriva dalla collaborazione con un azienda che produce pompe oleodinamiche che operano in presenza di gravose condizioni di carico dinamico. Le richieste del mercato di elevata affidabilità strutturale dei componenti ha motivato lo sviluppo di una collaborazione con l azienda per lo sviluppo di criteri di progettazione a fatica di getti in ghisa grigia, dato che comunque questo materiale è altamente competitivo dal punto di vista dei costi. I corpi delle pompe oggetto di questo studio sono realizzate in ghisa grigia perlitica, denominata EN-GJL-300 [2], e presentano una forma tridimensionale complessa, con intagli geometrici che risultano potenzialmente critici per i carichi a cui il corpo è sottoposto (Fig. 1). Preliminarmente alla fase di sviluppo di metodologie di progettazione a fatica si è impostata una estesa caratterizzazione meccanica dei getti. Si sono considerati i corpi pompa prodotti da tre diverse fonderie (identificate con le lettere A,B e C) per determinare l incidenza delle diverse prassi di fonderia sulle proprietà meccaniche sia statiche sia dinamiche. Sono state condotte caratterizzazioni a trazione, a fatica e prove di propagazione di fessure di fatica (allo scopo di determinare il K th ) ricavando i provini direttamente da getti. Successivamente è stata effettuata un estesa caratterizzazione metallografica per determinare parametri relativi alla grafite, alla matrice e ad altri aspetti come le celle eutettiche e il contenuto di steatite [3,4,6]. 2. LA GHISA GRIGIA Figura 1: Pompe ad ingranaggi. Il corpo è ottenuto per fusione di ghisa grigia Il materiale in esame è una ghisa grigia lamellare a matrice completamente perlitica. Le lamelle sono costituite da grafite e presentano forme sottili e aguzze, non presentano un orientamento preferenziale e spesso si trovano raggruppate in rosette (fig.2 a). La tipologia di lamelle appartiene a quella del gruppo A (Fig. 3) [1] Lamelle di grafite Piani alternati di ferrite e cementite 20 µm a) b) Figura 2: Sezioni metallografiche della ghisa grigia lamellare a) ingrandimento 200X non attaccata b) attaccata con Nital 3%

3 Figura 3: Tipologie di lamelle classificate secondo la distribuzione [1] La perlite è un prodotto della trasformazione eutettoidica ed è costituita da piani lamellari di ferrite e cementite (fig.2 b). Presenta resistenza e durezza maggiore della ferrite, ma duttilità minore. Queste caratteristiche dipendono principalmente dalla distanza tra i piani. I valori maggiori sono stati trovati nella perlite con piccoli spazi interlamellari, associati ad un raffreddamento rapido. La ferrite è la fase Fe a basso contenuto di carbonio. Ha bassa resistenza ma elevata duttilità. E favorita da elementi grafitizzanti quali il silicio così come da una raffreddamento lento, caratteristico di forti spessori. Si trova spesso con la grafite sottoraffreddata. La cementite è un composto intermetallico duro e fragile di Fe e C. E favorito in aree con raffreddamento rapido (sezioni sottili, spigoli, superfici esterne dei getti). Si trova soprattutto in ghise con basso contenuto di carbonio [1]. Dal punto di vista meccanico la ghisa grigia, denominata EN-GJL-300, presenta le caratteristiche nominali riportate in tabella 1 [1,2]. Tabella 1: Caratteristiche meccaniche nominali EN-GJL-300 Norma di Riferimento: UNI-EN 1561 Nome Commerciale: G 30 Designazione Simbolica: EN-GJL-300 CARATTERISTICHE MECCANICHE Modulo di Young [MPa] Coefficiente di Poisson 0,26 Carico di Rottura[MPa] 300 Carico unitario di scostamento dalla Proporzionalità[MPa] 195 Durezza Brinell 185 Allungamento % 0,3 Resistenza a Fatica a Flessione[MPa] 140 Resistenza a Fatica Trazione[MPa] 75

4 Tabella 2. Composizione chimica delle ghise prodotte dai tre fornitori Foundry C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Sn Ti V Al Pb Mg A B C Da un analisi della composizione chimica (tabella 2) si evince che i tre materiali presentano una composizione che rientra nei limiti previsti dalla normativa di riferimento. Non ci sono sostanziali differenze a livello di componenti principali, eccetto che per il contenuto di silicio, minore per la ghisa A, che influenza il valore del carbonio equivalente. Il carbonio equivalente CE = C + (Si + P) / 3, che indica se la ghisa è ipo-, iper- o eutettoidica (rispettivamente CE minore, maggiore o uguale a 4,3%), varia da un minimo di 3,815 (A) a un massimo di 3,851 (B). Di conseguenza le tre ghise sono ipoeutettoidiche e il valore presenta una bassissima dispersione. 3. CARATTERIZZAZIONE MECCANICA 3.1. Prove di trazione Le prove di trazione sono state condotte su macchina servoidraulica MTS810 collegata ad un pc per il controllo delle operazioni e la gestione dei dati. Con questa prova si determina la curva di trazione sforzo σ deformazione ε. Il sistema è dotato di una cella di carico per la determinazione della forza, con fondoscala 25 kn e di un estensometro per campionare il valore della deformazione ε, su base di misura di 25 mm, comunque variabile a seconda della geometria del provino e della precisione desiderata. L output viene visualizzato real-time in un grafico σ-ε ed i dati campionati vengono salvati in un file di testo per essere successivamente elaborati per ricavare la curva di trazione (fig.5). Sono state misurate tutte le grandezze caratteristiche principali del materiale, come il carico ultimo di rottura R m, il carico di scostamento dalla proporzionalità R p0.2, il modulo di Young E e l allungamento percentuale a rottura A% mm Stress (MPa) b 21a 21b 19a 19b 17a 17b 15a 15b 16a 18a 18b 22a 23a 23b 0 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 Strain (mm/mm) Figura 4: Posizione di estrazione dei provini dai getti Figura 5: Curve di trazione per il materiale della fonderia B 18 provini Sono state effettuate prove ripetute utilizzando un numero adeguato di campioni per ciascuna fonderia per il trattamento statistico dei parametri ricavati. I provini, ricavati direttamente da getto, presentano forma cilindrica con sezione minima di 6 mm di diametro e due afferraggi piani per il collegamento con quelli della macchina. Dal grafico di figura 5 si può notare come i risultati presentino un elevata dispersione anche in un materiale prodotto nella medesima fonderia. Se già all interno di una singola fonderia vengono prodotti materiali nominalmente identici, ma con proprietà che presentano un elevata dispersione, tale dispersione verrà ulteriormente amplificata se si considera lo stesso materiale prodotto da un altra

5 fonderia. Nella figura 6 sono riportate le distribuzioni statistiche del carico di rottura R m e di quello di scostamento dalla proporzionalità R p0.2 e in figura 7 quella relativa al modulo elastico E. La ghisa con le migliori caratteristiche di resistenza statica è quella prodotta dalla fonderia A. I risultati dell elaborazione statistica, unitamente all allungamento percentuale a rottura sono riportati nella tabella riassuntiva 4. Prob 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 A B C Emedio = 108,6 Gpa σ = 5,4 Gpa Emedio = 111,0 Gpa σ = 3,9 Gpa Emedio = 116,1 Gpa σ = 5,5 Gpa 0,02 Figura 6: Elaborazione statistica del R m e del R p Modulo elastico (GPa) Figura 7: Elaborazione statistica del modulo elastico E 3.2 Prove di fatica Per caratterizzare il materiale dal punto di vista dinamico è stata utilizzata una macchina a flessione rotante (R=-1), funzionante a 50 Hz. I provini, ricavati direttamente dal grezzo di fusione, hanno un diametro di 12 mm e sezione minima raccordata (K t = 1.05) di 6 mm. La metodologia di prova utilizzata è la norma industriale giapponese, che prevede l utilizzo di un numero limitato di provini, 8 per il tratto a vita finita (4 livelli, 2 provini per livello) e 6 per determinare il limite di fatica S W (staircase ridotto). Figura 8: Risultati della prova di fatica Lo stair-case consiste nella variazione di carico di uno step a seconda che sia avvenuta o meno la rottura del provino, a prescindere dal numero di cicli. Il test viene interrotto a 10 7 cicli e la prova viene denominata run-out. Lo step di tensione è pari alla deviazione standard ottenuta dall analisi statistica del tratto inclinato. Il numero di provini previsto è tale da permettere la determinazione della curva di Wöhler e del limite di fatica con un affidabilità del 50%. [5] La metodologia è semplice da applicare a materiali come acciai ed allumini, ma per un materiale come la ghisa i punti risultano molto dispersi rispetto alla linea di tendenza, come si può vedere nel diagramma di figura 8, dove sono riportati i dati

6 relativi ad ogni singolo provino. L andamento delle curve di figura 8 e i limiti di fatica, riportati in tabella 4, classificano le tre ghise in ordine inverso rispetto alla resistenza statica. La ghisa prodotta dalla fonderia C è quella che presenta il miglior comportamento dal punto di vista della resistenza dinamica. La prima cosa che si può notare è l elevata dispersione dei risultati passando da fonderia a fonderia, ma anche a livelli di indagine inferiori (materiale di una singola fonderia o addirittura provini ricavati dallo stesso getto) si trovano valori estremamente dispersi. 3.2 Determinazione del K th L obiettivo della prova è quello di determinare un valore di K th che provochi l arresto della cricca propagante operando una variazione di carico graduale e discreta in modo da produrre un K decrescente con l avanzare della cricca. Il provino utilizzato viene ricavato da un tondo di 12 mm, ha una lunghezza complessiva di circa 65mm e presenta le due estremità filettate con una filettatura M12X1,25 per consentire l afferraggio, la parte centrale presenta due facce piane parallele di lunghezza 25mm. Al centro del provino viene realizzato un intaglio laterale a V di lunghezza di 2 (fig. 9). In questa zona lo spessore del provino è 2 mm. Il carico applicato è un carico alternato di trazione e compressione. F Figura 9: - Geometria dei provini utilizzati per il test DK (MPa*m^0,5) ,5 2 DK 1,5 P ,5 0-0,5 P (kn) -15 a (mm) -1 Figura 10: Andamento del K in funzione di a con carico a gradini decrescente La metodologia adottata è quella di diminuire gradualmente il carico alternato durante l avanzamento della cricca per abbassare il valore di K fino ad un valore che provochi l arresto della propagazione. Il K diminuisce se il carico applicato diminuisce ottenendo così l effetto desiderato. Data l impossibilità di effettuare questa variazione di carico in modo lineare a causa della tecnologia

7 della macchina utilizzata che non prevede l utilizzo di software, si è proceduto con una variazione discreta del carico. Ogni qualvolta si registrava un avanzamento significativo della lunghezza di cricca si riduceva il carico di un certo gradino P per ridurre il valore del K, in maniera analoga a quella illustrata nel diagramma di figura 10. Dalle prove effettuate si sono ricavati i valori di K th riportati in tabella ANALISI METALLOGRAFICA QUANTITATIVA Sezioni metallografiche dei campioni sono state acquisite attraverso microscopio ottico. In seguito all elaborazione digitale sono state effettuate misure quantitative dell area (AL), dell asse maggiore (AM) e del fattore di forma (SF) delle lamelle di grafite, si veda figura 11. Infine si è quantificata la dimensione media del diametro delle celle eutettiche (EC) e la presenza di fosforo sottoforma di fosfuro eutettico di ferro, figura 13 e 14 [3,4]. La forma delle lamelle di grafite e la loro dimensione influisce sulla resistenza dinamica del materiale, perché possono rappresentare dei veri e propri intagli del materiale. In quest ottica un analisi quantitativa dei parametri sopra descritti può rappresentare un indicatore della resistenza a fatica del materiale. Da un analisi dei valori delle grandezze misurate (riportati in figura 12) emerge che la ghisa della fonderia A presenta le lamelle più grandi e con la forma tendenzialmente più aguzza. Le lamelle della ghisa prodotta dalla fonderia C risultano molto lunghe e sottili, ma con vertici più regolari (fattore di forma più alto). L analisi delle sezioni metallografiche è stata condotta con strumenti molto sofisticati e tecniche particolari di attacco chimico e illuminazione con luce polarizzata. L attacco chimico permette di evidenziare particolari che sul materiale non attaccato non si potrebbero notare, quali i piani alternati di ferrite e cementite che costituiscono la fase perlitica della matrice, i carburi, i solfuri, i contorni delle celle eutettiche ed eventuali inclusioni. area asse maggiore shape factor = 1 shape factor = 0 Figura 11: Parametri misurati delle tre ghise Il fosfuro eutettico di ferro (PE) è una fase che presenta temperatura di fusione molto più bassa di quelle del materiale base, per cui risulta l ultimo a solidificare e questo causa, durante il ritiro di solidificazione, la formazione di microvuoti che si possono osservare in prossimità di macchie bianche con forma complessa. Fonderia A Fonderia B Fonderia C Area Major axis Shape factor Figura 12: Valori medi di AL, AM e SF misurati attraverso le immagini digitali

8 Potenzialmente il PE è dannoso per quanto riguarda le proprietà meccaniche [1,6,]. Questo parametro dipende principalmente dalla composizione chimica del liquido di partenza. Le celle eutettiche sono delle microcelle di composizione preponderante eutettica in cui è presente uno scheletro ramificato di grafite, il diametro delle celle influenza le proprietà meccaniche del materiale. Se aumenta il numero di celle per unità di volume, aumenta anche la resistenza alla trazione. Il surriscaldamento e il tempo di mantenimento in temperatura riducono il numero di nuclei di solidificazione (di conseguenza aumenta il diametro delle celle eutettiche), mentre inoculanti come lo zolfo o silicati di ferro producono l effetto opposto [1,6]. Nella tabella riassuntiva 4 sono stati quantificati questi parametri in termini di percentuale di fosforo (PE) e diametro medio delle celle eutettiche (EC). Figura 13: Fosfuro eutettico di ferro con microporo (in alto a sinistra) e alcune inclusioni. Attacco Klemm Figura 14: Celle eutettiche su sezione metallografica sottoposta a color etching. 5. DISCUSSIONE Il processo tecnologico di fusione influisce sulla microstruttura del materiale e di conseguenza anche sulle caratteristiche meccaniche. Come già detto, la composizione chimica del liquido di partenza influisce sulla presenza di inclusioni più o meno dannose, come per esempio la steatite, la velocità di raffreddamento provoca la formazione di lamelle e celle eutettiche più o meno grandi. Questi parametri, molto variabili da fonderia a fonderia, si ripercuotono sulla microstruttura e di conseguenza sulle proprietà meccaniche della ghisa grigia. In questa sezione verranno presentati alcuni aspetti relativi a questo problema e un tentativo di correlare i parametri microstrutturali quantificati con le proprietà meccaniche ricavate dalla campagna di prove eseguite. Tabella 4: Riassuntivo delle proprietà meccaniche e microstrutturali Fonderia R m R e E A% σ W K th PE* EC* AL* AM* (MPa) (MPa) (GPa) (%) (MPa) (MPa m 1/2 ) (%) (mm) (µm 2 ) (µm) SF* A B C * PE = fosfuro eutettico; EC=diametro medio delle celle eutettiche; AL=area lamelle; AM=asse maggiore lamelle; SF=fattore di forma lamelle 5.1 Correlazione con la normativa Dal punto di vista meccanico, le proprietà statiche classificano la ghisa prodotta dalla fonderia A al primo posto. I valori determinati, risultano inferiori al valore richiesto dalla UNI-EN 1561, ma se si considera lo spessore di parete del getto da cui sono stati estratti i provini (24 mm), i valori determinati rientrano nei limiti previsti dalla normativa, come si può verificare in figura 4.

9 EN-GJL 300 Resistenza (MPa) Spessore di parete (mm ) Figura 15: Andamento di R m previsto dalla norma in funzione dello spessore di parete. Viceversa le proprietà dinamiche, in termini di limite di fatica, classificano le tre ghise in ordine inverso, mentre per quanto riguarda la propagazione di fessure la ghisa delle fonderia B, presenta il K th più alto. 5.2 Correlazione microstruttura-proprietà meccaniche Analizzando il contenuto di fosforo, la ghisa della fonderia C presenta il valore più alto. Il fosforo aumenta il valore della durezza superficiale e questo potrebbe ritardare l innesco di una cricca, migliorando il valore della resistenza a fatica. Se invece si considera, come da letteratura, l effetto danneggiante del fosforo, un aumento di PE è associato ad un calo della resistenza statica. Per quanto riguarda le celle eutettiche, se si considerano alla stessa stregua dei grani negli acciai, la ghisa con le celle più fini (fonderia C) è quella che presenta il valore più alto di S W. Infine per quanto riguarda le lamelle di grafite, quelle di dimensioni maggiori e forma più aguzza sono state trovate nella ghisa della fonderia A, quella che presenta il valore più basso di limite di fatica. Il valore di K th è solamente una stima, che risulta massima nella ghisa della fonderia B, quella che presenta i valori più alti di modulo di Young ed allungamento percentuale A%, lamelle piuttosto piccole e il più basso contenuto di fosforo, tuttavia il numero di prove effettuato è limitato, infatti sono in corso ulteriori approfondimenti riguardanti la propagazione di fessure di fatica. 6. CONCLUSIONI Nel presente contributo è stato effettuato un confronto tra un materiale, nominalmente identico, di un componente meccanico, in particolare un corpo-pompa di forma particolarmente complessa, realizzato per fusione da tre differenti fonderie. In una prima fase è stata effettuata un estesa campagna di caratterizzazione meccanica del materiale, dal punto di vista statico e dinamico, dove sono emerse delle proprietà che presentano grande variabilità già fra provini dello stesso fornitore (ricavati da corpi pompa differenti o in posizioni differenti dello stesso componente), ma soprattutto fra provini ricavati da corpi prodotti da fornitori diversi. La ragione di questo si può attribuire in prima battuta al processo tecnologico di fusione, da cui dipende la microstruttura. Nella seconda fase è stata effettuata, per l appunto, un analisi metallografica di alcuni parametri microstrutturali, per quantificare le conseguenze di queste differenze a livello di processo tecnologico ed infine è stato fatto un tentativo di correlare quelle che sono le caratteristiche microstrutturali misurate con le proprietà meccaniche ricavate sperimentalmente. Concludendo, i risultati ottenuti, testimoniano che queste differenze nella microstruttura portano ad una variabilità nelle prestazioni meccaniche del materiale, infatti a livello di resistenza a trazione il fosforo ha un effetto danneggiante, ma allo stesso tempo provoca un aumento della durezza superficiale che si ripercuote sulla resistenza a fatica, la quale risulta più alta in quel materiale che presenta un contenuto di fosforo maggiore. Allo stesso modo, celle eutettiche di dimensioni minori sono state misurate nella ghisa che presenta la maggiore resistenza a fatica, così come le lamelle più

10 piccole erano quelle presenti nella ghisa con la migliore resistenza alla propagazione di fessure di fatica. Tutto questo porta alla conclusione che uno studio approfondito del processo di fusione può portare all ottenimento di una microstruttura controllata e di conseguenza anche ad un controllo delle proprietà meccaniche della ghisa grigia. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia la società Casappa Fluid Power Design S.p.A. di Parma, per avere messo a disposizione il materiale e la propria attrezzatura, in particolare l Ing. Pietro Ghillani, l Ing. Marco Manara e tutti i tecnici che hanno collaborato alla realizzazione dei campioni per le prove meccaniche e per l analisi metallografica. BIBLIOGRAFIA [1] Davis J. R., Cast Irons / Metallurgy and Properties of Ductile Irons, ASM specialty handbook, ASM International, 1996 [2] European Standard EN 1561, Gray cast iron classification, 1997 [3] Skočovský, P. - Matejka, M., Mikroštruktúra liatin, Fompex, Trenčín, 1994 [4] Majerová, V., Konečná, R., Nicoletto, G., Štruktúrna analýza odliatkov zo sivej liatiny, SEMDOK Sulov, SK, [5] Bokuvka O., Nicoletto G., Kunz L., Palcek, P., Chalupova, M., Low and high frequency fatigue testing, CETRA, University of Žilina, SK, 2002 [6] Velde, C.: The Solidification of Gray Cast Iron. December 4, 1999