Ghise. LEGHE Fe-C ( %); Leghe da fonderia (contengono Si fino al 3%); Basso costo.

Ghise

• LEGHE Fe-C (2.1-4.3%);

• Leghe da fonderia (contengono Si fino al 3%);

• Basso costo.

Diagramma stabile Fe-C Linea continua

Diagramma metastabile Fe –Cementite (FE₃C)

Linea

tratteggiata

Le ghise possono essere distinte in:

• ghise grigie, in cui il C è contenuto nella forma stabile (grafite);

• ghise bianche, in cui il C è contenuto nella forma metastabile (cementite Fe

C)

• La struttura e le proprietà fisiche della ghisa

dipendono dalla composizione chimica e dalle

velocità della solidificazione e del successivo

raffreddamento.

Ghisa grigia

• Durante il raffreddamento della ghisa,

l’ottenimento della grafite, forma stabile

del C, è favorito dalla presenza di elementi

grafitizzanti (Si,Al,Ni) e da basse velocità

di raffreddamento. Per le ghise grigie

occorre considerare il diagramma stabile.

Ghisa bianca

• L’evoluzione delle trasformazioni secondo

il diagramma metastabile, con la

formazione della cementite, è favorito dal

basso contenuto di elementi grafitizzanti

(Si,Al,Ni), dalla presenza di elementi che

favoriscono la formazione dei carburi

(Cr,V,ecc.) e da più elevate velocità di

raffreddamento. In tali casi occorre

considerare il diagramma metastabile (a

curve tratteggiate).

• Austenite

• Ferrite

• Cementite

• Grafite

• Perlite (eutettoide)

• Ledeburite (eutettico austenite-cementite)

200x 500 x

Microstruttura di una ghisa grigia ipo-eutettica (grafite+perlite) a diversi ingrandimenti

Sviluppo lamellare o a foglie della grafite eutettica

Microstruttura di una ghisa grigia iper-eutettica

(grafite+perlite): a) Campione non attaccato chimicamente- La grafite primaria o di schiuma a lamelle spesse è distinta dalla grafite eutettica a lamelle sottili (100x); b)campione attaccato chimicamente- La perlite è in buona parte risolta (500x);

a) b)

Ghisa bianca

Microstruttura di una ghisa bianca ipo- eutettica (ledeburite+perlite)

Eutettico (ledeburite)+perlite (austenite pro-eutettica trasformata) con sviluppo

ramificato o dendritico 500x; c) 1000x: a più elevato

ingrandimento appare il tipico aspetto a pelle di leopardo della ledeburite; la

perlite è in gran parte risolta.

Microstruttura di una ghisa bianca iper-eutettica (cementite+ledeburite)

a) 20x, b) 100x: Cementite primaria (lunghi aghi diritti)+eutettico

(ledeburite)

A più elevato ingrandimento (500x) appare la struttura a bastoncini del costituente austenitico nella

ledeburite.

Caratteristiche delle ghise

• Basso costo;

• Resistenza all’usura;

• Elevata rigidità;

• Resistenza alla compressione;

• T fusione bassa;

• Buona fluidità-getti complessi

Composizione

La ghisa comune contiene sempre almeno cinque elementi di lega sempre presenti : C, Si, S, Mn e P il complemento è Fe. Alle ghise speciali si

aggiungono in quantità variabili Ni, Cr, Mo, V, Cu.

• carbonio grafitico e carbonio combinato con il Fe per formare la cementite (Fe3C)

• La cementite è un composto duro, fragile, di aspetto e lucentezza metallica. Le ghise che lo contengono mostrano una superficie di

frattura lucente e presentano una bassa resistenza all'urto, ma

un'elevata resistenza all'usura. La ghisa di questo tipo è chiamata ghisa bianca.

• La grafite non ha aspetto metallico e la superficie di frattura della ghisa che la contiene appare grigia e piuttosto opaca.

Silicio

Il Si è il principale elemento grafitizzante nel sistema Fe-C. Esso si scioglie nella ferrite- e favorisce la decomposizione di Fe3C in Fe e grafite

producendo ghisa grigia. Le ghise grigie contengono una quantità  2% di Si.

Quanto maggiore è il contenuto di Si, tanto piú completa sarà la

decomposizione della cementite e di maggiori dimensioni i fiocchi di grafite. Il Si, data la sua solubilità nel reticolo del Fe-, aumenta la resistenza

meccanica della ferrite, ma essendo un elemento grafitizzante diminuisce la durezza della ghisa, poiché la cementite è sostituita progressivamente dalla

grafite.

Il Si aumenta anche la fluidità della ghisa liquida: per ottenere getti di qualità.

Grazie all'effetto lubrificante della grafite, la ghisa grigia possiede un'ottima lavorabilità alle macchine utensili. Inoltre, poiché la grafite occupa un maggior

volume nel solido di quello occupato dal carbonio in soluzione, la ghisa grigia solidifica con aumento di volume eliminando cosí i problemi presentati dal

ritiro nei getti di acciaio.

• Zolfo

• L'effetto dello zolfo è esattamente opposto a quello del silicio. Lo zolfo stabilizza la cementite e inibisce la grafitizzazione, favorendo la formazione di ghisa bianca.

Tuttavia l'effetto piú importante dello zolfo

è quello (nocivo) di aumentare la fragilità a

caldo quando è presente come FeS.

• Manganese

• L'effetto fragilizzante dello zolfo può essere in parte controllato con aggiunte di Mn poiché MnS è meno dannoso di FeS.

Come effetto indiretto, il Mn favorisce la grafitizzazione sottraendo S all'equilibrio.

Tuttavia il Mn in eccesso rispetto allo zolfo

stabilizza i carburi e quindi favorisce la

formazione di ghise bianche.

Fosforo

• Il fosforo è presente nelle ghise come Fe

P.

Esso forma un eutettico con la ferrite nelle ghise

grigie e con la ferrite e la cementite nelle ghise

bianche (eutettico fosforoso) Questi eutettici

fondono intorno a 950 °C e conferiscono alle

ghise fosforose un'elevata fluidità. Tuttavia il P

aumenta la fragilità e deve essere tenuto basso

nei getti nei quali è importante avere una buona

resistenza all'urto.

Ghise speciali: ferritiche

Ghise speciali: ferritiche

• raffreddamento lento di un getto di ghisa grigia con un contenuto di Si molto alto (~ 5%)

• una piccola distanza fra le lamelle di grafite favorisce la formazione dell’eutettoide stabile (grafite+ferrite).

• La struttura ottenuta costituita solo da ferrite e

grafite, e presenta limitata durezza, ridotta

resistenza meccanica e buona lavorabilità.

• Le ghise sferoidali, dette anche nodulari o duttili, hanno composizione analoga a quella delle ghise grigie perlitiche usuali, ma contengono piccole quantità di magnesio (Mg) o cerio (Ce) (agenti sferoidizzanti) aggiunti alla ghisa liquida immediatamente prima della colata in piccole quantità (totale <0.1%), provocando la formazione dei noduli sferici di grafite.

• Tipiche caratteristiche della ghisa sferoidale perlitica: Rm=550785 MPa, allungamento a rottura 13%, durezza HB 240290.

Ghise sferoidali

E’ possibile sottoporre le ghise sferoidali a trattamento termico finale di ricottura a circa 850-920° C per 2-3 ore, con lento raffreddamento fino a 600° C, in modo da provocare la decomposizione in grafite di tutta la cementite perlitica presente. La duttilità della struttura così ottenuta (ghisa sferoidale ferritica) è la massima possibile in una ghisa.

Tipiche caratteristiche della ghisa sferoidale ferritica: Rm=380535 MPa, allungamento a rottura 1530%, durezza HB 130170.

Ghise malleabili

• Anche le ghise bianche possono essere trattate

termicamente per migliorarne le caratteristiche

provocando in generale la decomposizione della

cementite e la formazione di noduli di grafite. Il

trattamento tipico prevede il riscaldamento e la

permanenza (40-90 ore) a temperatura intorno a

950° C. La struttura ottenuta dopo il

raffreddamento a temperatura ambiente è

ferritica oppure perlitica in dipendenza dalla

velocità di raffreddamento stessa.

• La ghisa malleabile a cuore nero si ottiene quando l’atmosfera che circonda la ghisa è neutra (procedimento americano). Al punto eutettoide la trasformazione può evolvere secondo diverse modalità.

Se il raffreddamento è relativamente veloce, la struttura risulta costituita da una matrice perlitica con fiocchi di grafite di forma irregolare; la perlite assume forma sferoidale. Tipiche caratteristiche della ghisa malleabile a cuore nero perlitica: Rm=440780 MPa, allungamento a rottura 612%, durezza HB 160270.

• Invece se il raffreddamento è lento si ottiene la formazione di ferrite e la ghisa mostra una struttura costituita da una matrice completamente ferritica con fiocchi di grafite . Tipiche caratteristiche della ghisa malleabile a cuore nero ferritica:

• Rm=280390 MPa, allungamento a rottura 1218%,

durezza HB 110150.

• La ghisa malleabile a cuore bianco si ottiene quando l’atmosfera che circonda la ghisa è decarburante (procedimento europeo). La ghisa è posta a contatto con un prodotto ossidante granulare a base di ossido ferrico (Fe2O3), in grado di produrre la decarburazione superficiale della ghisa stessa fino alla profondità voluta. Per spessori sottili, fino a circa 6 mm, in genere si ottiene una struttura completamente ferritica , duttile e decarburata, mentre per spessori più elevati si può avere al centro ferrite+perlite oppure perlite +cementite. Tipiche caratteristiche della ghisa malleabile a cuore bianco:

• Rm=310520 MPa, allungamento a rottura 57%,

durezza in superficie HB 120, al cuore fino a circa

HB 200.