Guida ai tipi di ghisa Proprietà e lavorazione

Dai componenti critici dei motori automobilistici alle pentole da cucina di tutti i giorni e alle infrastrutture municipali sotto i nostri piedi, i tombini, questi oggetti apparentemente non correlati possono condividere un materiale comune: la ghisa. Ma quanto capisci veramente questo materiale versatile? Lungi dall'essere un'unica sostanza, la ghisa comprende un'intera famiglia di leghe, ciascuna con caratteristiche e applicazioni distinte. Questo articolo approfondisce le varietà di ghisa, le loro proprietà uniche e le considerazioni cruciali sulla lavorazione di questo materiale tecnico essenziale.

La ghisa è una lega ferro-carbonio con ferro (Fe) come componente principale e un contenuto di carbonio compreso tra il 2,1% e il 6,7%. Rispetto ad altri materiali metallici, la ghisa ha tipicamente un peso specifico più elevato (circa 7), che la rende più pesante e più dura. L'elevato contenuto di carbonio ne abbassa il punto di fusione, consentendo una fusione e una fusione relativamente facili, un fenomeno spiegato dalla "abbassamento del punto di congelamento", in cui l'aggiunta di sostanze a un materiale puro ne abbassa la temperatura di transizione liquido-solido.

Apprezzata per la sua elevata robustezza, resistenza all'usura e lavorabilità, la ghisa trova applicazioni in diversi settori, apparendo in componenti meccanici, prodotti industriali, sistemi idraulici e infrastrutture urbane.

Il ferro di elevata purezza (con un contenuto minimo di carbonio) si rivela troppo morbido e soggetto a ossidazione per l'uso pratico. Per aumentare la resistenza, i produttori in genere aggiungono carbonio e altri elementi, trasformandoli in ghisa o acciaio.

Questi tre materiali ferrosi differiscono principalmente per il contenuto di carbonio:

• Ferro puro:Meno dello 0,02% di carbonio
• Acciaio:Dallo 0,02% al 2,1% di carbonio
• Ghisa:Dal 2,1% al 6,7% di carbonio

L'acciaio si divide ulteriormente in acciaio al carbonio (contenente solo ferro più quantità regolamentate di carbonio, silicio, manganese, zolfo e fosforo) e acciaio legato (che incorpora elementi metallici aggiuntivi).

I materiali che si avvicinano ai livelli di carbonio del ferro puro mostrano una durezza e una resistenza all'usura inferiori, ma acquisiscono tenacità e punti di fusione più elevati. Al contrario, un contenuto di carbonio più elevato aumenta la durezza e la resistenza all’usura riducendo al contempo la tenacità e i punti di fusione, risultando in materiali più fragili.

"Colate" si riferisce a prodotti formati mediante colata di materiale fuso in stampi. Pertanto, la ghisa costituisce un materiale, mentre i getti rappresentano i prodotti realizzati con essa. Sebbene la ghisa compaia frequentemente nella produzione di getti, non tutti i getti derivano da essa. Ad esempio, l'acciaio fuso risulta dal riscaldamento dell'acciaio a 1500°C prima dell'iniezione nello stampo. Anche alluminio, rame e magnesio servono come materiali di fusione comuni.

Quando la ghisa contiene una notevole quantità di carbonio e silicio con raffreddamento lento, il carbonio cristallizza come grafite. Questa varietà, in cui il carbonio appare come scaglie di grafite che creano superfici di frattura grigie, guadagna il nome di ghisa grigia o ghisa a grafite lamellare. Tipicamente definita semplicemente "ghisa", la sua designazione "FC" (da "ferrum" e "colata") precede un numero di tre cifre che indica la resistenza alla trazione (ad esempio, FC150 significa ≥150 N/mm²).

Sebbene la ghisa grigia sia priva di robustezza e tenacità, offre eccellente colabilità, lavorabilità, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e smorzamento delle vibrazioni, qualità ideali per corpi macchina, componenti e blocchi motore.

Con un contenuto inferiore di carbonio/silicio o un raffreddamento rapido, il carbonio forma cementite (Fe3C) invece di grafite, producendo superfici di frattura bianche. Eccezionalmente dura e resistente all'usura ma fragile e difficile da lavorare, la ghisa bianca è ideale per applicazioni di lunga durata.

Presentando proprietà tra le varietà grigia e bianca, questo materiale industriale usato raramente mostra superfici di frattura maculate e scarsa lavorabilità.

L'aggiunta di magnesio (Mg) o cerio (Ce) crea strutture sferiche di grafite (denominate FCD), migliorando notevolmente la resistenza, molte volte maggiore della ghisa grigia, attraverso una ridotta concentrazione di stress. Questa "ghisa di alta qualità" offre un'eccellente resistenza meccanica, resistenza all'usura/al calore e tenacità trattabile termicamente, sebbene le aggiunte di magnesio possano causare ritiro e fori di spillo. La sua durezza e duttilità complicano la lavorazione.

Le applicazioni includono parti automobilistiche, chiusini e condotte a pressione che richiedono elevata resistenza.

Con proprietà intermedie alle varietà grigie e duttili, la CGI contiene strutture di grafite vermicolare (simili a vermi). Combina la resistenza della ghisa sferica con lavorabilità, colabilità, conduttività termica e smorzamento delle vibrazioni superiori: ideale per valvole idrauliche e blocchi cilindri.

La ghisa bianca trattata termicamente produce questa variante duttile, in cui la ricottura decompone la cementite in grafite. A differenza dei tipi grigi/duttili che formano la grafite durante la fusione, la ghisa malleabile la sviluppa dopo la fusione. Mantiene la colabilità superando la fragilità e il basso allungamento.

Esistono tre sottotipi in base al trattamento termico:

• Ferro malleabile Whiteheart:Decarburato con proprietà simili all'acciaio con fratture bianche; eccellente colabilità, tenacità e saldabilità.
• Ferro malleabile Blackheart:Forma strutture di ferrite e grafite per morbidezza e allungamento superiori; chiamato per le fratture nere.
• Ghisa malleabile perlitica:Un trattamento termico più breve crea perlite (strati alternati di ferro α e cementite) per tenacità e resistenza alla trazione eccezionali.

Questa categoria comprende le ghise arricchite con nichel (Ni), molibdeno (Mo) o elementi simili per migliorare le proprietà meccaniche. In mancanza di specifiche rigorose a causa delle diverse applicazioni, la ghisa legata appare in componenti sottoposti a sollecitazioni elevate come alberi a camme, tamburi dei freni e fasce elastiche.

L'elevato contenuto di carbonio della ghisa abbassa i punti di fusione, facilitando le operazioni di fusione. La morfologia della grafite (forma, dimensione, distribuzione) influenza le proprietà, consentendo la modifica del materiale attraverso il trattamento termico o la lega: un vantaggio significativo.

Tuttavia, l’elevato contenuto di carbonio in genere riduce la resistenza agli urti e la tenacità, limitando potenzialmente i metodi di lavorazione.

Generalmente presentando una buona lavorabilità, la ghisa offre una minore resistenza al taglio, una ridotta generazione di calore e una migliore gestione dei trucioli rispetto all'acciaio/acciaio inossidabile. Tuttavia, la corretta selezione dello strumento rimane fondamentale.

Le strutture in grafite frammentano i trucioli fornendo lubrificazione, riducendo la resistenza al taglio. Tuttavia, la durezza intrinseca della ghisa richiede inserti con angolo di spoglia negativo e angoli di spoglia ridotti per evitare scheggiature del tagliente. I materiali per utensili ad elevata durezza si rivelano essenziali.

L'eccellente espulsione del truciolo e la minima generazione di calore consentono generalmente la lavorazione a secco. La lavorazione a umido può controllare la polvere ma rischia di intasare le scanalature dell'utensile con trucioli umidi. Regola le condizioni di taglio in base al tipo di materiale: mentre la ghisa grigia si lavora facilmente, la durezza della ghisa duttile favorisce la formazione di taglienti di riporto e l'estrema durezza della ghisa bianca mette a dura prova la lavorazione.

Rispetto all'acciaio, l'alto contenuto di carbonio della ghisa complica la saldatura, causando fragilità (attraverso la rapida formazione di cementite indotta dal raffreddamento) e porosità (dalla combustione della grafite). Una saldatura di successo richiede preriscaldamento, elettrodi specializzati e modifiche tecniche.

Nonostante la percezione di fragilità, la ghisa offre eccezionale durezza, resistenza all'usura e smorzamento delle vibrazioni. Sebbene generalmente lavorabili, i suoi vari tipi richiedono attrezzature e condizioni adeguate. Tutte le varietà condividono caratteristiche di durezza e fragilità, che richiedono misure contro la scheggiatura di utensili/pezzi e il degrado delle apparecchiature dovuto alla polvere. Per avere successo nella lavorazione della ghisa è necessario comprendere le proprietà di ciascun tipo e selezionare di conseguenza gli utensili adatti.