10. Trattamenti termici delle ghise.
Le ghise sono costitute da una matrice comparabile a quella di un acciaio nella quale sono distribuite delle lamelle o degli sferoidi di grafite (ghise grigie) o dei carburi (ghise bianche).
La matrice può essere trattata secondo i principi esposti nel caso degli acciai, tenendo conto che:
· La grafite ed i carburi sono delle “riserve” di carbonio che, messo in soluzione durante il riscaldamento, può portare alla saturazione in carbonio della matrice (che si trova essenzialmente allo stato austenitico).
· Durante il raffreddamento l’austenite si può impoverire in carbonio per la precipitazione di grafite o di carburi.
La matrice delle ghise si trasforma come un acciaio il cui tenore in carbonio cambia durante il trattamento:
- Nelle condizioni convenienti di temperatura e di permanenza, la cementite (metastabile) può trasformarsi in grafite (stabile).
- Per le ghise a grafite lamellare, una severità troppo importante del mezzo di tempra può portare a degli incidenti di tempra non accettabili: per tale ragione si ha l’esclusione della tempra con acqua per le ghise.
10.1 I trattamenti di ricottura.
Ricottura di distensione.
Tale trattamento ha come obbiettivo quello di distendere le sollecitazioni residue di colata dovute alla complessità delle forme ed alla eterogeneità delle leggi di raffreddamento nei diversi punti del pezzo. La ricottura di distensione si impone solo per i pezzi per i quali la stabilità dimensionale sia prioritaria.Essa consiste in un riscaldamento a 500-550°C per le ghise non legate, 550-600°C per le ghise mediamente legate, 600-650°C per le ghise fortemente legate. La permanenza a tale temperatura è di almeno 2 h per uno spessore di 25 mm ed una ora in più ogni 25 mm di spessore in più. La velocità di raffreddamento è compresa fra 20 e 40°C/h fino ad una temperatura compresa fra 100 e 300°C, in corrispondenza del quale il pezzo è raffreddato all’aria.
Ricottura di addolcimento.
Al fine di aumentare la lavorabilità alle macchine utensili delle ghise perlitiche a grafite lamellare o sferoidale, si può procedere ad un addolcimento (diminuzione della durezza, con un aumento della plasticità). Si può effettuare:- La grafitizzazione dei carburi liberi, che si effettua a circa 850-950°C (in fase g). La grafitizzazione si ottiene dopo un tempo variabile da qualche decina di minuti a qualche ora (in funzione della massività del pezzo, del tenore in Si, del tenore degli elementi carburigeni).
- La globulizzazione della cementite eutettoidica o la coalescenza della perlite mediante mantenimento per qualche ora ad Ac
1. Tale punto può essere stimato mediante formule empiriche in funzione della composizione chimica. Tale globulizzazione è in generale accompagnata da una ferritizzazione più o meno importante.- La ferritizzazione totale mediante austenitizzazione della matrice seguita da un raffreddamento molto lento in corrispondenza dell’attraversamento di Ar1, in modo da ottenere l’eutettoide ferrite-grafite del sistema stabile. La velocità di raffreddamento di qualche °C/h per un tenore basso di Si (< 1.5%) ed una grafite grossolana (tipo A), di qualche decina o centinaia di °C/h per un tenore elevato in Si (>3%) ed una grafite di
tipo fine (tipo D).
10.2. I trattamenti di bonifica o di tempra isoterma.
Utilizzabile per le ghise ordinarie, il trattamento di bonifica è soprattutto applicato alle ghise legate la cui velocità critica è bassa, o che sono martensitiche dopo raffreddamento all’aria. L’austenitizzazione fa variare il tenore in carbonio della matrice ma può anche comportare la grafitizzazione dei carburi eutettici. L’ingrossamento del grano g è un fenomeno meno importante che per gli acciai.
Grazie alla tempra, la matrice è trasformata in M e/o B con un tasso di A
res più o meno elevato. Con il rinvenimento l’austenite residua scompare e si ha la trasformazione della martensite. La grafite ed i carburi hanno un ruolo trascurabile.I trattamenti di tempra isoterma sono applicabili alle ghise, specialmente a quelle sferoidali. Essi possono essere effettuati nelle seguenti condizioni:
- a temperature più basse (Ms + 10°C) con formazione di bainite inferiore di elevata durezza e di elevata resistenza meccanica ed all’usura.
- a temperature prossime alla transizione bainite inferiore-bainite superiore, che permette di ottenere una duttilità ed una tenacità migliorata ed Rm ed Re ancora elevate.
10.3 Il trattamento di malleabilizzazione.
I vantaggi offerti dalla ghisa (facilità di colata, buona lavorabilità alle macchine utensili) sono limitati dalla presenza di grafite lamellare che implica un metallo fragile, caratterizzato da un piccolo allungamento a rottura.
Un modo per mitigare, almeno parzialmente questa influenza negativa, è quello di utilizzare le ghise sferoidali, le cui caratteristiche si avvicinano a quelli degli acciai per getti. Un’altra possibilità è offerta dal trattamento di malleabilizzazione delle ghise bianche, ottenibili mediante uno dei due seguenti trattamenti:
· ricottura grafitizzante, che permette di ottenere una ghisa malleabile a cuore nero, la cui grafite nodulare permette una deformazione plastica più o meno elevata;
· ricottura decarburante, che permette di ottenere una ghisa malleabile a cuore bianco analoga ad un acciaio dolce.
Malleabilizzazione per ricottura decarburante (ghise malleabili a cuore nero).
E’ un processo termochimico durante il quale i pezzi sono portati a 1050-1070°C per 50-100 h in un forno ermetico ad atmosfera controllata. Il carbonio della ghisa viene eliminato progressivamente per ossidazione effettuata dalla fase gassosa secondo la C + O2 ® CO2 durante il riscaldamento, e CO2 + C Û 2CO durante il mantenimento. Il biossido di carbonio è rigenerato mediante iniezione di aria satura di vapore d’acqua : CO + H2O Û CO2 + H2 in modo da mantenere il rapporto CO/CO2 al valore ottimale.La sequenza dei fenomeni che avvengono è, schematicamente, la seguente:
- sulla superficie del pezzo si ha l’ossidazione del carbonio in soluzione solida nell’austenite (che ha la tendenza ad impoverirsi di carbonio);
- diffusione del carbonio dal cuore verso la superficie.
- mantenimento della saturazione dell’austenite per la messa in soluzione della cementite
Fe3C e delle grafite formatasi dalla decomposizione della cementite. La grafite di solidificazione viene eliminata difficilmente, e si preferisce utilizzare delle ghise bianche povere in Si (0.4-0.7) in modo da limitare la grafitizzazione della cementite durante il mantenimento.Il metallo ottenuto è essenzialmente costituito da ferrite ed è assimilabile ad un acciaio dolce. La decarburazione può essere totale solo su un piccolo spessore (<5mm).
Per degli spessori più elevati, il cuore contiene della grafite della grafite ed eventualmente della perlite. Il processo è quindi limitato ai piccoli spessori, e, per i piccoli pezzi, è in concorrenza con le leghe sinterizzate o con la ghisa malleabile a cuore nero. Tuttavia la ghisa malleabile a cuore bianco ha il vantaggio di una buona saldabilità (assenza di grafite).
Malleabilizzazione per ricottura grafitizzante (ghise malleabili a cuore bianco).
E’ un trattamento che utilizza il passaggio dal sistema metastabile al sistema stabile (figura 18). Il risultato può essere una ghisa malleabile ferritica oppure “perlitica”.
Nel primo caso il trattamento comprende due fasi:
- grafitizzazione durante il mantenimento a 900-950°C per 6-12 h. La decomposizione in fase solida della cementite Fe
3C ® g + Cgr permette di ottenere una grafite in noduli frastagliati, che hanno un effetto di intaglio sulla matrice poco importante. La grafitizzazione dipende essenzialmente dalla temperatura di mantenimento, dal tenore di silicio, dall’impiego di elementi nucleanti (B, Al);- ferritizzazione durante il raffreddamento, che deve essere lento (15 h fra 800 e 680°C) perché g possa
trasformarsi in a e grafite secondo il sistema stabile (ferritizzazione diretta) o perché la perlite che si può
eventualmente formare possa dare luogo ad a e grafite.
La ghisa malleabile “perlitica” a cuore nero è ottenuta a partire da una ghisa malleabile ferritica austenitizzata per 2h a 900°C, che viene temprata all’olio e, quindi rinvenuta a 700°C (1-2 h). In effetti il risultato è una
matrice sorbitica.
Figura 18
