Mtll Metallurgia Acciai e ghise

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1 Acciai e ghise Mtll Metallurgia Acciai e ghise Prof. Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario di ricevimento: i Mercoledì Tel iacoviello@unicas.itit Sito didattico:

2 Ghise Acciai e ghise Sono leghe ferrose che durante la solidificazione formano, almeno in parte, l eutettico ledeburitico Il passaggio dal diagramma metastabile (linee continue a quello stabile (linee tratteggiate) è legata alla decomposizione della cementite: Fe 3 C 3Fe+C

3 Acciai e ghise Nel caso delle ghise, l influenza dei vari elementi di lega, g, oltre a riguardare la microstruttura (elementi alfageni e gammageni) e la capacità di formare precipitati (ossidi, carburi, nitruri), deve considerare anche la capacità di agevolare la decomposizione della cementite, ovvero il loro effetto grafitizzante. Il fenomeno della grafitizzazione dipende: - dalla velocità di raffreddamento (natura della parete del getto, grandezza del pezzo), con la grafitizzazione che viene agevolata da velocità di raffreddamento basse. - dalla presenza di elementi grafitizzanti, quali il Si, o di antigrafitizzanti, quali il Mn. I tenori negli elementi normali di elaborazione, Mn, Si, P, sono normalmente più elevati che negli acciai.

4 Acciai e ghise IlSi è l elemento grafitizzante per eccellenza Il tenore di C corrispondente all eutettico (C e ) diminuisce secondo la relazione: C e = Si/3.2 IlNi ha un effetto grafitizzante 4 volte inferiore a quello del Si Al,, Ti,, Zr hanno una influenza simile a quella del Si IlCu è un debole grafitizzante e promuove la formazione di perlite IlCr promuove la formazione di carburi Così pure Mo, V, Mn, W Ta stabilizza i carburi

5 Influenza della velocità di raffreddamento sulla microstruttura Acciai e ghise Se si considera un tondo di diametro φ crescente, al centro si avranno velocità di raffreddamento via via sempre minori.

6 Acciai e ghise Gli elementi di grafite sono classificati in base a (UNI ): Forma Distribuzione Dimensione

7 Forma degli elementi di grafite I) Lamelle sottili con punte aguzze II) Noduli con accentuate ramificazioni di lamelle III)Lamelle spesse con punte arrotondate IV) Flocculi frastagliati V) Flocculi compatti VI) Noduli a contorno circolare, quasi regolare (sferoidi) Acciai e ghise

8 Distribuzione degli elementi di grafite Acciai e ghise A) Distribuzione uniforme B) Rosette non orientate C) Lamelle non orientate D) Lamelle in zone interdendritiche E) Lamelle interdendritiche

9 Dimensione degli elementi di grafite Acciai e ghise Tabella di comparazione per elementi di grafite lamellari (ingrandimento 100x)

10 Dimensione degli elementi di grafite Acciai e ghise Tabella di comparazione per elementi di grafite sferoidali (ingrandimento 100x)

11 Il primo ponte in ghisa risale al 1779 Acciai e ghise

12 Acciai e ghise Le ghise sono tradizionalmente classificate nei seguenti gruppi: ghise grigie, così chiamate dal colore scuro delle superfici di frattura, grazie alla presenza di carbonio grafitico; ghise bianche, così chiamate dal colore chiaro delle superfici di frattura, per la presenza del carbonio sotto forma di cementite; ghise malleabili, così chiamate per la loro elevata deformabilità; ghise sferoidali, in cui gli elementi di grafite si trovano sotto forma sferoidale; ghise legate, che, grazie ad elevati tenori di alcuni elementi di lega, sono caratterizzate da particolari proprietà, come la resistenza al calore ed alla corrosione.

13 Ghise grigie g Acciai e ghise Sono dette tali dal colore della superficie di frattura 2<%C<4.5 1 < %Si < 3 Durante la solidificazione si forma l eutettico grafite-cristali γ. Per ottenere la resistenza di un getto di ghisa grigia si utilizza il seguente nomogramma HB provetta } R provetta R getto HB getto

14 Acciai e ghise Le curve σ - ε non seguono la legge di Hooke Il modulo di Young E è determinato arbitrariamente mediante delle formule empiriche oppure con assimilandolo alla pendenza fra l origine ed un punto corrispondente ad una sollecitazione pari ad 1/4 R m Hanno una buona resistenza all usura e lavorabilità (per asportazione di truciolo). Sopra i 300 C si hanno: - grafitizzazione e formazione carburi - processi di ossidazione e corrosione - trasformazioni allotropiche

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16 Ghise bianche Acciai e ghise Il carbonio si trova legato a formare cementite. La ghisa solidifica e raffredda secondo il sistema metastabile. Per ottenerla si possono modificare la composizione chimica oppure la velocità di raffreddamento 2.5 < %C < 3.5 (dipended dll dalla durezza desiderata) %Si <0.7 Cr (di solito <2%, può arrivare al 27%) favorisce la formazione di carburi Cu produce un affinamento della struttura Mo ha un comportamento simile a quello del Cr V forma e stabilizza i carburi Te stabilizza i carburi B simile al Te, affina anche il grano C Si Mn Cr Ni Mo S P HB Hanno una elevata resistenza all usura ed all abrasione, ma sono più fragili e più dure delle ghise grigie. Necessitano di un trattamento a C per eliminare le tensioni residue

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18 Ghise malleabili Sono ottenute da ghise bianche Sono caratterizzate da una certa plasticità a freddo Si ottengono mediante malleabilizzazione Si possono avere due processi di malleabilizzazione: a cuore bianco a cuore nero Ghise malleabili a cuore bianco Acciai e ghise Riscaldamento a C 1000 Cin ambiente decarburante (Fe 2 O 3 ) Permanenza per un tempo sufficiente ( h) Grafitizzazione Diffusione del C Decarburazione superficiale Raffreddamento a T ambiente molto lento Piccole sezioni: matrice ferritica Grosse sezioni: matrice perlitica

19 Ghise malleabili a cuore nero Acciai e ghise Riscaldamento a 950 C in ambiente neutro Permanenza per un tempo sufficiente Grafitizzazione Diminuzione della solubilità del C nella austenite Raffreddamento a T ambiente molto lento Matrice prevalentemente ferritica La grafite che si ottiene è sotto forma di noduli di ricottura

20 Ghise sferoidali Acciai e ghise La grafite precipita sotto forma di noduli Sono duttili %C = %Si = 2-3 %Mn = %P < %S < 0.02 Gli elementi che permettono la sferoidizzazione della grafite sono Mg, Ce,Ca, Li, Na, Ba. %Mg residuo =

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22 Acciai e ghise Trattamenti termici Stabilizzazione i ( C): per eliminare i tensioni i interne Ricottura ( C): per ottenere una struttura ferritica, per ottenere la massima deformabilità plastica Normalizzazione (900 C): per ottenere struttura perlitica Bonifica Tempra superficiale alla fiamma Tempra superficiale ad induzione Austempering Ghisa sferoidale austemperata

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24 Ghise resistenti alla corrosione Acciai e ghise %Si > 3 promuove la formazione di una pellicola superficiale protettiva negli ambienti ossidanti %Cr < 35 favorisce la formazione di un ossido protettivo agli ambienti ossidanti %Ni < 32 migliora la resistenza agli ambienti riducenti %Cu < 6 migliora la resistenza all acido solforico R m = MPa Ghise al Si Ghise al Cr Ghise al Ni %C %Si %Mn %Ni - < %Cr %Cu - <3 <7 %Mo <3.5 <4 <1

25 Ghise resistenti al calore Acciai e ghise Non si deve avere una eccessiva dilatazione per grafitizzazione La penetrazione dell ossigeno deve essere perlomeno limitata Si deve avere una buona resistenza alla criccatura per urto termico Si, Cr promuovono la formazione di uno strato protettivo Ni, Mo aumentano la tenacità ed R m ad elevata T Mn, P, Cr, Mo, V riducono dilatazione della ghisa, in quanto stabilizzano i carburi Ghisa lamellare Ghisa sferoidale Al Silicio Al Cromo Al Nickel %C <2.9 %Si %Mn %Ni - < %Cr R m = MPa (matrice perlitica) R m = MPa (matrice austenitica)

26 Leghe di Alluminio (Al) Leghe non ferrose L Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà: R m = MPa R e = MPa HB = 18 E = 66,6 GPa I prodotti commerciali dell alluminio sono tipicamente leghe contenenti Cu, Si Zn, Mg e Mn 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx Al di purezza industriale Leghe contenenti Cu Leghe contenenti Mn Leghe contenenti Si Leghe contenenti Mg 6xxx Leghe contenenti ti Mg + Si 7xxx 8xxx Leghe contenenti Zn Altre leghe

27 Trattamenti termici leghe Al Leghe non ferrose Omogeneizzazione: Sono dei riscaldamenti effettuati a C per 6-48 ore effettuati per disciogliere tutte le fasi eventualmente precipitate. ii Trattamenti di addolcimento: hanno lo scopo di addolcire un metallo indurito (p.e. a seguito di tempra strutturale). Se si tratta di restaurazione viene effettuata a C, mentre se si tratta di una recristallizzazione si effettua a C per ore Tempra di soluzione (o tempra strutturale) + invecchiamento (naturale o artificiale).

28 Leghe non ferrose

29 Leghe non ferrose

30 Leghe non ferrose Esempio di precipitazioni: lega Al-Li 8090

31 Leghe di Rame (Cu) L Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà: R m = MPa R e = 7-30 MPa HB = 40 E = 117 GPa Le leghe più diffuse sono quelle con: Zn (ottone) Sn (bronzo) Si (bronzo al silicio) Al (bronzo all alluminio i o cupralluminio i Ni (cupronichel, monel) Leghe non ferrose