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  • PRODUZIONE DI GHISA SFEROIDALE E GHISA A GRAFITE COMPATTA Caratteristiche, quote di mercato e prospettive future delle ghise “di qualità”
  • MATERIALI DA FONDERIA
    • Ghise (grigia, bianca, malleabile, sferoidale, a grafite compatta, ghise fortemente legate)
    • Acciai
    • Leghe di alluminio
    • Altre leghe non ferrose (rame, magnesio, zinco, ecc.)
    Produzione SCM Fonderie: - Ghisa grigia - Ghisa sferoidale (- Ghisa a grafite compatta)
  • VOLUMI PRODUTTIVI INDUSTRIA FUSORIA La produzione globale dell’ industria fusoria nel mondo è risultata approssimativamente pari a 80 milioni di tonnellate (dati Census aggiornati al 2009 – moderncasting.com) . La ghisa grigia occupa una fetta di mercato quasi del 50%, seguita da ghisa sferoidale, acciaio ed altre leghe non ferrose.
  • GHISA GRIGIA VS GHISA SFEROIDALE Escludendo Cina e India, la produzione di ghisa sferoidale è pressoché pari a quella di ghisa grigia, nei restanti paesi che presentano i maggiori volumi di produzione
  • LA GHISA SFEROIDALE – PROPRIETA’
    • Buon rapporto resistenza/peso
    • Costo contenuto
    • Buona resistenza per unità di costo
    • Ottima combinazione tra proprietà a trazione e allungamento
    • Lavorabilità alla macchina utensile minore rispetto alla ghisa grigia
    La ghisa sferoidale prende il nome dalla forma della grafite, che all’ esame micrografico appare appunto sotto forma di sferoidi o noduli, e non di lamelle come per la ghisa grigia. Gli sferoidi, al contrario delle lamelle, esercitano un ostacolo alla propagazione delle cricche anziché un elemento scatenante, conferendo quindi alla ghisa sferoidale una duttilità sconosciuta alla tipologia lamellare.
  • LA GHISA SFEROIDALE - CLASSIFICAZIONE La caratteristica fondamentale della ghisa sferoidale, e dunque il principale vantaggio conseguibile con un suo utilizzo, è la versatilità. Effettuando un adeguato controllo sulla composizione chimica, sui parametri di colata e sulle modalità di raffreddamento della ghisa, è infatti possibile ottenere diverse combinazioni di resistenza alla trazione, resistenza all’ usura, limite di fatica, tenacità, duttilità, ecc. UNI EN 1563-2009
  • LA GHISA SFEROIDALE - PRODUZIONE
    • Trattamento di desolforazione per portare il tenore di zolfo nella ghisa al di sotto dello 0,018%, tramite utilizzo di carburo di calcio (CaC 2 )
    • Trattamento con lega Fe-Si-Mg per portare il magnesio a concentrazioni dello 0,04-0,045% per ottenere una adeguata sferoidizzazione degli elementi grafitici; trattamento a filo o metodo in-mold
    • Accorgimenti in fase di formatura e colata: adeguato sistema di colata ed alimentazione del getto, utilizzo di maniche e raffreddatori (forte tendenza al ritiro) , rigoroso rispetto dei tempi di colata (metodo in-mold)
    • Attenzione a materiali di carica, inoculazione, numero adeguato di sfoghi, ecc.
  • LA GHISA SFEROIDALE – MICROSTRUTTURA
    • Ghisa sferoidale ferritica: formata da sferoidi di grafite in una matrice di ferrite. Presenta alta duttilità e tenacità, conduttività termica relativamente buona, un’ elevata permeabilità magnetica, basse perdite per isteresi, buone resistenza alla corrosione e lavorabilità alla macchina utensile;
    • Ghisa sferoidale perlitica: formata da sferoidi di grafite in una matrice di perlite. Rispetto alla tipologia ferritica presenta maggior durezza, perdite per isteresi, resistenza a trazione e all’ abrasione, limite di fatica; al contrario, minor duttilità, tenacità, conduttività termica e permeabilità magnetica. E’ caratterizzata anch’ essa da buona lavorabilità alla macchina utensile;
    • Ghisa sferoidale ferritica-perlitica: formata da sferoidi di grafite in una matrice mista ferrite (concentrata in grani contornanti gli elementi di grafite) – perlite. E’ la tipologia più diffusa e generalmente meno costosa, presenta caratteristiche intermedie rispetto alle tipologie ferritica e perlitica e mantiene la buona lavorabilità alla macchina utensile.
  • LA GHISA SFEROIDALE - MICROSTRUTTURA
  • LA GHISA SFEROIDALE – COMPOSIZIONE CHIMICA
      • Elementi utilizzabili nel trattamento di sferoidizzazione: Ca, Ce, La, Li, Mg, altre terre rare
      • Elementi di lega: Cu, Mo, Ni, Sn
      • Elementi residuali: Cr, Mn, P, Ti, V
      • Elementi insolubili (inoculanti) : Ba, Ca
      • Elementi gassosi: H, N, O
      • Elementi dannosi: Al, As, B, Bi, Cd, Pb, Sb, Se, Te, Zn, Zr
      • Elementi che promuovono la comparsa di “chunk graphite”: Ca, Ce, Ni, Si
      • Elementi che promuovono la comparsa di lamelle di grafite: Al, As, Bi, Cd, Cu, Pb, S, Sb, Sn, Zn, Zr
      • Elementi ferritizzanti: Al, Si, Ti, Zr
      • Elementi perlitizzanti: As, Bi, Cr, Cu, Mn, Mo, N, Ni, P, S, Sb, Sn, V
      • Elementi carburigeni: B, Bi, Ce, Cr, H, Mg, Mn, Mo, N, S, Sb, Se, Te, Ti, V
      • Elementi con azione grafitizzante: Cu, Ni, Si, Sn
      • Elementi che promuovono la generazione di ghisa bianca: Te
      • Elementi che promuovono la segregazione di steadite: P
      • Elementi che affinano la grafite: Cr, Mo, Ni
    PROBLEMATICA: Notevole gap prestazionale tra la ghisa grigia e quella sferoidale, essendo quest’ ultima una ghisa ad elevata resistenza meccanica ma con calo di capacità di smorzamento delle vibrazioni e conducibilità termica
  • LA GHISA A GRAFITE COMPATTA O VERMICULARE L’ appellativo “vermiculare” è riferito alla forma della grafite, la quale precipita in “vermi”, ovvero lamelle grossolane e spesse, con punte arrotondate. A livello microstrutturale la CGI presenta una struttura solitamente mista ferritico-perlitica – con minore tendenza alla ferritizzazione rispetto alla ghisa sferoidale - , con precipitazione di lamelle di grafite interconnesse, spesse, di lunghezza limitata, contorte e dalle punte arrotondate. La percentuale minima di tali lamelle sul totale della grafite precipitata, per poter parlare di ghisa CGI, è stabilita pari all’ 80%. La presenza di elementi lamellari “classici” deve essere tassativamente nulla, pena il deterioramento delle caratteristiche meccaniche del getto.
  • LA GHISA A GRAFITE COMPATTA – PROPRIETA’ E APPLICAZIONI Le caratteristiche della ghisa a grafite compatta risultano intermedie tra quelle della ghisa sferoidale e quelle della ghisa grigia. Ad un incremento delle proprietà di resistenza meccanica ed all’ impatto rispetto a quest’ ultima, infatti, corrispondono una conduttività termica, una colabilità ed un’ attitudine all’ assorbimento delle vibrazioni, maggiori di quelle proprie della ghisa sferoidale. Al momento non esistono impieghi industriali di larga scala per quanto riguarda la ghisa compatta: basti considerare che i rapporti Census relativi alla produzione mondiale da fonderia non ne tengono conto, contrariamente alla ghisa grigia, sferoidale e malleabile. Attualmente viene utilizzata per la produzione di lingottiere, dischi freno nel settore ferroviario, collettori di scarico, blocchi motore e teste motore. In particolare, presenta caratteristiche che la rendono competitiva per utilizzi in campo motoristico, soprattutto per i componenti di motori Diesel ad alte prestazioni, fortemente sollecitati. Bassa conducibilità termica Buona conducibilità termica Buona conducibilità termica Basso coefficiente di smorzamento Buon coefficiente di smorzamento Elevato coefficiente di smorzamento Alta resistenza meccanica Alta resistenza Bassa resistenza a trazione Duttilità considerevole Buona duttilità Fragilità SFEROIDALE COMPATTA GRIGIA
  • LA GHISA A GRAFITE COMPATTA - CLASSIFICAZIONE ASTM A 842-85 (riapprovata nel 1997) La tipologia ferritica 250 è ottenuta generalmente previo trattamento termico, mentre la tipologia perlitica 450 necessita di aggiunta di elementi perlitizzanti, solitamente senza che il trattamento termico risulti indispensabile. Si noti, rispetto alla ghisa grigia, la discreta duttilità della ghisa compatta – per la quale ha senso parlare di tensione di snervamento, sussistendo un valore della tensione in corrispondenza del quale si passa da una deformazione elastica ad una deformazione plastica - . Relativamente all’ allungamento, si precisa che, nel corso di un’ esperienza effettuata presso la Fonderia SCM di Villa Verucchio sono stati misurati valori ben più elevati rispetto a quelli minimi stabiliti dalla norma – da 2,7 a 6,8 % - .
  • LA GHISA A GRAFITE COMPATTA - PRODUZIONE
    • Trattamento di desolforazione, tramite utilizzo di carburo di calcio (CaC 2 )
    • Sottotrattamento con lega Fe-Si-Mg, per ottenere tenori di magnesio residuo compresi tra lo 0,01 e lo 0,015%
    • Aggiunta di lega di titanio – es. 0,1% - per agevolare il compito del chimico allargando il range di magnesio residuo ammissibile e diminuirne l’ evanescenza; attenzione all’ effetto carburigeno
    Il controllo dei parametri di processo per ottenere ghisa compatta – con una percentuale di elementi grafitici vermicolari superiore all’ 80% - risulta comunque molto delicato; la mancanza di processi di produzione che garantiscano affidabilità e ripetibilità soddisfacenti è uno degli ostacoli principali alla rapida diffusione di questo tipo di ghisa nel mercato – in aggiunta alle criticità in fase di lavorazione - . Risulterebbe inoltre certamente anti-economico affidarsi a processi di produzione brevettati (SinterCast) .
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Proprietà riscontrate su provini in ghisa vermiculare
    • Velocità US compresa tra 5000 e 5300 m/s
    • Resistenza a trazione compresa tra 350 e 500 MPa
    • Resistenza a snervamento compresa tra 270 e 430 MPa
    • Allungamento compreso tra il 2 e il 4%
    • Durezza compresa tra 150 e 212 HB
    • Resilienza compresa tra 2,5 e 4,5 J
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Incidenza della composizione chimica della ghisa: Mg
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Incidenza della composizione chimica della ghisa: Ti
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Incidenza della composizione chimica della ghisa: perlitizzanti (Mn-Ni)
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Incidenza della composizione chimica della ghisa: perlitizzanti (Cu-Sn)
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Proprietà meccaniche vs velocità US; influenza della velocità di raffr.
  • PROVINI “A GRADINI” : VALUTAZIONE RITIRO E DUREZZA Prova III: Prova IV:
  • PROVINI “A GRADINI” : VALUTAZIONE VELOCITA’ US
  • PROVINI “A K” : VALUTAZIONE RITIRO E PESO Prova III: Prova IV:
  • “ CILINDRETTI” : VALUTAZIONE DENSITA’ Prova III: Prova IV: Prova II: Grigia: Sferoidale:
  • CONCLUSIONI
    • Risulta infondato il pregiudizio che descrive la ghisa come un materiale fragile e “superato” , riferito alla più diffusa tipologia lamellare
    • La ghisa sferoidale, controllando adeguatamente le variabili di processo, consente di ottenere caratteristiche meccaniche paragonabili a quelle dell’ acciaio, con frequenti vantaggi in termini di costo e peso dei componenti; il Laboratorio CRIF punterà inoltre a sperimentare una procedura per la produzione di GS 400-18-LT senza necessità di trattamento termico, con conseguente riduzione del lead time di produzione
    • La ghisa a grafite compatta, una volta superate le problematiche di produzione e lavorazione, potrà andare a colmare il gap prestazionale tra i due tipi di ghisa più diffusi, proponendosi come alternativa anche all’ utilizzo delle leghe leggere – a costo minore - ; il Laboratorio CRIF si impegnerà nella messa a punto di un processo di produzione semplice ed affidabile grazie anche all’ aggiunta di una quantità ottimale di titanio, che consenta di promuovere la produzione di tale tipo di ghisa anche in Italia senza il ricorso a costose procedure brevettate