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  • PRODUZIONE DI GHISA SFEROIDALE EGHISA 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 Produzione globale nel mondo Produzione globale in Italia 100 3Volumi di produzione Volumi di produzione[milioni di tonnellate] [milioni di tonnellate] 80 2,5 2 60 1,5 40 1 20 0,5 0 0 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Anno Anno 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 Produzione ghisa grigia 60% Percentuale su produzione 50% 40% totale Mondo 30% Italia 20% 10% 0% 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 19 19 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 Anno Produzione ghisa sferoidale 30,00% Percentuale su produzione 25,00% 20,00% totale Mondo 15,00% Italia 10,00%Escludendo Cina e India, la produzione di ghisa 5,00% sferoidale è pressoché pari a quella di ghisa 0,00% 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 grigia, nei restanti paesi che presentano i maggiori volumi di produzione Anno
  • 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 UNI EN 1563-2009 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.
  • 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 (CaC2)• Trattamento con lega Fe-Si-Mg per portare il magnesio a Fe-Si- concentrazioni dello 0,04-0,045% per ottenere una 0,04- adeguata sferoidizzazione degli elementi grafitici; trattamento a filo o metodo in-mold in-• 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) in-• 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 ferritica- 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, NiPROBLEMATICA:Notevole gap prestazionale tra la ghisa grigia e quella sferoidale, essendo quest’ultima una ghisa ad elevata resistenza meccanica ma con calo di capacità dismorzamento delle vibrazioni e conducibilità termica
  • LA GHISA A GRAFITE COMPATTA O VERMICULAREL’ 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 totaledella grafite precipitata, per poter parlare di ghisa CGI, è stabilita pari all’ 80%. Lapresenza di elementi lamellari “classici” deve essere tassativamente nulla, pena ildeterioramento delle caratteristiche meccaniche del getto.
  • LA GHISA A GRAFITE COMPATTA – PROPRIETA’ E APPLICAZIONILe caratteristiche della ghisa a grafite compatta risultano intermedie tra quelle della ghisasferoidale e quelle della ghisa grigia. Ad un incremento delle proprietà di resistenzameccanica ed all’ impatto rispetto a quest’ ultima, infatti, corrispondono una conduttivitàtermica, una colabilità ed un’ attitudine all’ assorbimento delle vibrazioni, maggiori di quelleproprie della ghisa sferoidale. GRIGIA COMPATTA SFEROIDALE Fragilità Buona duttilità Duttilità considerevole Bassa resistenza a trazione Alta resistenza Alta resistenza meccanica Elevato coefficiente di Buon coefficiente di Basso coefficiente di smorzamento smorzamento smorzamento Buona conducibilità termica Buona conducibilità termica Bassa conducibilità termicaAl momento non esistono impieghi industriali di larga scala per quanto riguarda la ghisacompatta: basti considerare che i rapporti Census relativi alla produzione mondiale da fonderianon 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 chela rendono competitiva per utilizzi in campo motoristico, soprattutto per i componenti di motoriDiesel ad alte prestazioni, fortemente sollecitati.
  • 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, rispettoalla ghisa grigia, la discreta duttilità della ghisa compatta – per la quale ha sensoparlare di tensione di snervamento, sussistendo un valore della tensione incorrispondenza del quale si passa da una deformazione elastica ad unadeformazione plastica - . Relativamente all’ allungamento, si precisa che, nel corsodi un’ esperienza effettuata presso la Fonderia SCM di Villa Verucchio sono statimisurati valori ben più elevati rispetto a quelli minimi stabiliti dalla norma – da 2,7 a6,8 % - .
  • LA GHISA A GRAFITE COMPATTA - PRODUZIONE • Trattamento di desolforazione, tramite utilizzo di carburo di calcio (CaC2) • Sottotrattamento con lega Fe-Si-Mg, per ottenere tenori Fe-Si- 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 carburigenoIl controllo dei parametri di processo per ottenere ghisa compatta – con unapercentuale di elementi grafitici vermicolari superiore all’ 80% - risulta comunquemolto delicato; la mancanza di processi di produzione che garantiscano affidabilità eripetibilità soddisfacenti è uno degli ostacoli principali alla rapida diffusione di questotipo di ghisa nel mercato – in aggiunta alle criticità in fase di lavorazione - .Risulterebbe inoltre certamente anti-economico affidarsi a processi di produzionebrevettati (SinterCast) .
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Proprietà riscontrate su provini in ghisa vermiculare • Velocità US compresa tra 5000 e 5300 m/s Velocità US / % compatta • Resistenza a trazione compresa tra 350 e 5700 500 MPa 5600 • Resistenza a snervamento compresa tra 270Velocità US [m/s] 5500 5400 5300 e 430 MPa 5200 5100 • Allungamento compreso tra il 2 e il 4% 5000 4900 • Durezza compresa tra 150 e 212 HB 0 20 40 60 80 100 % compatta • Resilienza compresa tra 2,5 e 4,5 J Resistenza a trazione / % compatta Allungamento / % compatta 700 10Resistenza a trazione [MPa] 600 9 8 Allungamento % 500 7 400 Rt 6 5 300 Rp 0,2% 4 200 3 2 100 1 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 % compatta % compatta
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Incidenza della composizione chimica della ghisa: Mg Resistenza a trazione / % MG Allungamento / % MG 700 10,0Resistenza a trazione [MPa] 650 9,0 600 8,0 Allungamento % 550 7,0 500 6,0 Rt 450 5,0 Rp 0,2% 400 4,0 350 3,0 300 2,0 250 1,0 200 0,0 0,011 0,013 0,015 0,017 0,019 0,021 0,023 0,011 0,013 0,015 0,017 0,019 0,021 0,023 %MG %MG Velocità US / % MG 5700 5600 Velocità US [m/s] 5500 5400 5300 5200 5100 5000 0,011 0,013 0,015 0,017 0,019 0,021 0,023 %MG
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Incidenza della composizione chimica della ghisa: Ti Resistenza a trazione / % TI Allungamento / % TI 700 14Resistenza a trazione [MPa] 650 12 600 Allungamento % 550 10 500 8 Rt 450 Rp 0,2% 6 400 350 4 300 2 250 200 0 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 %TI %TI Velocità US / % TI 5700 5600 Velocità US [m/s] 5500 5400 5300 5200 5100 5000 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 %TI
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIFIncidenza della composizione chimica della ghisa: perlitizzanti (Mn-Ni) (Mn- Resistenza a trazione / % MN Resistenza a trazione / % NI 700 700Resistenza a trazione [MPa] Resistenza a trazione [MPa] 650 650 600 600 550 550 500 500 Rt Rt 450 450 Rp 0,2% Rp 0,2% 400 400 350 350 300 300 250 250 200 200 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 %MN %NI Durezza / % NI Resilienza / % NI 220 5,0 4,5 210 4,0 200 3,5 Resilienza [J] Durezza [HB] 190 3,0 HB chiglia 2,5 180 2,0 170 1,5 1,0 160 0,5 150 0,0 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,04 0,05 0,06 0,07 %NI %NI
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIFIncidenza della composizione chimica della ghisa: perlitizzanti (Cu-Sn) (Cu- Resistenza a trazione / % CU Allungamento / % SN 700 7Resistenza a trazione [MPa] 650 6 600 Allungamento % 550 5 500 4 Rt 450 Rp 0,2% 3 400 350 2 300 1 250 200 0 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0 0,02 0,04 0,06 0,08 %CU %SN Durezza / % SN Resilienza / % SN 190 5 185 4,5 4 180 3,5 Resilienza [J] Durezza [HB] 175 3 170 HB pezzo 2,5 165 2 1,5 160 1 155 0,5 150 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 %SN %SN
  • PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF Proprietà meccaniche vs velocità US; influenza della velocità di raffr. Resistenza a trazione / Velocità US Allungamento / Velocità US 700 10Resistenza a trazione [MPa] 650 9 600 8 Allungamento % 550 7 500 6 Rt 450 5 Rp 0,2% 400 4 350 3 300 2 250 1 200 0 5000 5200 5400 5600 5800 5000 5100 5200 5300 5400 5500 5600 5700 Velocità US [m/s] Velocità US [m/s] Velocità US su getti, tacchetti e chiglie 5500 5400 Velocità US [m/s] 5300 Getto 5200 Tacchetto Chiglia 5100 5000 4900 0 10 20 30 40 N° staffa
  • PROVINI “A GRADINI” : VALUTAZIONE RITIRO E DUREZZA Prova III: Prova IV: Provino L [mm] Ritiro L Provino L [mm] Ritiro L 1 286,2 0,9% 1 286 1,0% 2 286,4 0,8% 2 285,6 1,1% 3 286,8 0,7% 3 286 1,0% Modello 288,8 Modello 288,8 Media 286,5 0,8% Media 285,9 1,0%Provino 10 mm [HB] 20 mm [HB] 40 mm [HB] 60 mm [HB] Provino 10 mm [HB] 20 mm [HB] 40 mm [HB] 60 mm [HB] 1 189 191 178 182 1 223 219 218 213 2 183 191 181 174 2 222 225 214 211 3 194 194 183 183 3 201 206 203 206Media spessore 189 192 181 180 Media spessore 215 217 212 210
  • PROVINI “A GRADINI” : VALUTAZIONE VELOCITA’ US Velocità US provini "a gradini" senza 10 mm Velocità US provini "a gradini" senza 10 mm 5400 5700 5350 5650 5600 5300Velocità US [m/s] Velocità US [m/s] 5550 5250 20 mm 20 mm 5500 40 mm 40 mm 5200 5450 60 mm 60 mm 5150 5400 Media senza 10 mm Media senza 10 mm 5350 5100 5300 5050 5250 5000 5200 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Provino Provino Velocità media US provini "a gradini" senza 10 mm Velocità media US provini "a gradini" senza 10 mm 5400 5500 5350 5470 5300 Velocità US [m/s] Velocità US [m/s] 20 mm 20 mm 5250 5440 40 mm 40 mm 5200 60 mm 60 mm 5150 5410 Media senza 10 mm Media senza 10 mm 5100 5380 5050 5000 5350
  • PROVINI “A K” : VALUTAZIONE RITIRO E PESO Prova III: Prova IV:Provino L Ritiro L Provino L Ritiro L 1 142,7 0,6% 1 142,7 0,6% 2 142,8 0,5% 2 142,8 0,5% 3 142,8 0,5% 3 142,6 0,6% 4 143 0,3% 4 142,6 0,6%Modello 143,5 Modello 143,5Media 142,8 0,5% Media 142,7 0,6% Provino Peso [kg] Provino Peso [kg] 1 1,38 1 1,38 2 1,38 2 1,38 3 1,38 3 1,38 4 1,40 4 1,40 5 1,40 Media 1,39 Media 1,39 Delta % 1,4% Delta % 1,4% Delta [g] 20 Delta [g] 20
  • “CILINDRETTI” : VALUTAZIONE DENSITA’ Prova II: Prova III: Prova IV:Vel. US tacchetto: 5160 m/s Vel. US tacchetto: 5010 m/s Vel. US chiglia: 5150 m/sVel. US provino: 5244 m/s Vel. US provino: 5095 m/s Vel. US provino: 5120 m/sDensità: 7068 kg/m^3 Densità: 7081 kg/m^3 Densità: 7056 kg/m^3 Densità media: 7068 kg/m^3 Vel. US provino: 4380 m/s Vel. US provino: 5645 m/sGrigia: Densità: 7140 kg/m^3 Sferoidale: Peso specifico: 7003 kg/m^3
  • 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 400-18- 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