Che cos’è la ghisa ISO K?
Per incominciare sappiate che esistono 5 tipi principali di ghisa:
- Ghisa grigia (GCI)
- Ghisa malleabile (MCI)
- Ghisa nodulare (NCI)
- Ghisa a grafite compatta (CGI)
- Ghisa duttile austemperata (ADI)
La ghisa è un composto di Fe-C con tenore relativamente alto di Si (1-3%). Il tenore di lega è superiore al 2%, corrispondente alla massima solubilità del carbonio nella fase austenitica. Cr (cromo), Mo (molibdeno) e V (vanadio) formano dei carburi che aumentano robustezza e durezza ma riducono la lavorabilità.
- Codici MC della ghisa
- Ghisa malleabile (MCI) K 1.1-1.2 e ghisa grigia (GCI) K 2.1-2.3
- Ghisa nodulare (NCI) K 3.1-3.5
- Ghisa a grafite compatta (CGI) K 4.1-4.2
- Ghisa duttile austemperata (ADI) K 5.1- 5.3
Lavorabilità in generale
- Si tratta di un materiale a truciolo corto con un buon controllo truciolo nella maggior parte delle condizioni. Forza di taglio specifica: 790 – 1350 N/mm²
- Le lavorazioni a velocità elevate, specialmente nelle ghise con inclusioni di sabbia, provocano usura da abrasione
- Le ghise NCI, CGI ed ADI richiedono un’attenzione particolare a causa delle diverse caratteristiche meccaniche e della presenza di grafite nella matrice, rispetto alla GCI normale
- Le ghise spesso vengono lavorate con inserti negativi, che hanno taglienti robusti e garantiscono condizioni applicative sicure
- I substrati di carburo dovrebbero essere duri e i rivestimenti dovrebbero essere di ossido di alluminio spesso, per garantire una buona resistenza all’usura da abrasione
- Le ghise generalmente vengono lavorate senza refrigerante ma possono essere utilizzate anche in condizioni “umide”, sostanzialmente per ridurre al minimo la contaminazione delle polveri dovuta al carbonio e al ferro. Vi sono anche qualità adatte per lavorazioni con adduzione di refrigerante
Influenza della durezza
- Nel caso delle ghise, l’influenza della durezza sulla lavorabilità è analoga a quella degli altri materiali
- Ad esempio, le ghise ADI (Ghisa Nodulare Austemperata), CGI (Ghisa a Grafite Compatta) e NCI (Ghisa Nodulare) possono avere durezze massime di 300-400
- HB. Le ghise MCI e GCI hanno una durezza media di 200-250 HB
La ghisa bianca può arrivare ad avere una durezza superiore a 500 HB con tempi di raffreddamento rapidi, quando il carbonio reagisce con il ferro per formare un carburo Fe3C.
Il trattamento di austempering (tempra bainitica) converte la ghisa duttile (NCI) in ghisa duttile austemperata (ADI).
Ghisa malleabile (MCI) K 1.1-1.2 e ghisa grigia (GCI) K 2.1-2.3
Definizione
La ghisa malleabile è ricavata da una matrice di ferro quasi bianca che viene sottoposta a trattamento termico in due fasi, producendo una struttura di carbonio ferritica+perlitica+rinvenuta, con conseguente formazione di grani di grafite irregolari, se confrontati alla struttura lamellare della ghisa grigia, maggiormente tendente a produrre fratture. Ciò significa che il materiale malleabile è meno sensibile alla formazione di cricche e i valori di resistenza a rottura e allungamento sono maggiori.
La ghisa grigia contiene grafite con la tipica forma a fiocco e le caratteristiche principali sono: bassa resistenza agli urti (fragilità); buona conducibilità termica, minore sviluppo di calore durante il funzionamento del motore e durante il processo di taglio; buone proprietà di smorzamento, assorbe le vibrazioni del motore.
Componenti comuni
Tra i componenti realizzati in MCI figurano: cuscinetti per assali, ruote ferroviarie, accessori per tubi e ingranaggi ad alta resistenza. Tra i componenti realizzati in GCI figurano: padelle, blocchi motore, cilindri per compressori, ingranaggi e scatole del cambio.
Lavorabilità
La ghisa malleabile ha un’elevata resistenza a trazione rispetto alla GCI e assomiglia alla NCI per quanto riguarda la lavorabilità ma entrambe hanno una lavorabilità eccellente. In generale, la ghisa con struttura perlitica è maggiormente soggetta all’usura da abrasione, mentre le strutture ferritiche sono più soggette all’usura per adesione.
Le forze di taglio generate sono basse e la lavorabilità è molto buona. Durante il processo di taglio, l’usura è solo quella per abrasione; non c’è usura chimica. La ghisa grigia spesso è legata con il cromo per migliorare le caratteristiche meccaniche. La maggiore resistenza determina quindi una minore lavorabilità.
Ghisa nodulare (NCI) K 3.1-3.5
Definizione
La ghisa nodulare contiene grafite di forma sferica e le sue caratteristiche principali sono buona rigidità (modulo di Young); buona resistenza agli urti = materiale tenace, non fragile; resistenza alla trazione; scarse proprietà di smorzamento, non assorbe le vibrazioni del motore; scarsa conducibilità termica, maggiore sviluppo di calore nel processo di taglio. In confronto alla GCI, la grafite della NCI si presenta in forma di noduli, a cui sono dovuti i maggiori valori di resistenza a trazione e tenacità rispetto alla GCI.
Componenti comuni
Mozzi, tubazioni, rulli, collettori di scarico, alberi motore, scatole del differenziale, semicuscinetti, tubi di scappamento, piastre di scartamento, scatole per turbocompressori, frizioni a disco e volani.
Le scatole per turbocompressori e i tubi di scarico sono spesso realizzati in ghisa legata con SiMo che è maggiormente resistente al calore.
Lavorabilità
La ghisa nodulare ha una forte tendenza a formare tagliente di riporto. Questa tendenza è più forte nei materiali NCI più teneri, con tenore di ferrite elevato. Quando si lavorano componenti a tenore di ferrite elevato e con tagli interrotti, l’usura per adesione è spesso il meccanismo di usura dominante. Questo può comportare problemi di sfaldamento del rivestimento.
Il problema dell’adesione è meno pronunciato con materiali NCI più duri che hanno un maggiore contenuto di perlite. In questo caso, sono più probabili l’usura per abrasione e/o la deformazione plastica.
Ghisa a grafite compatta (CGI) K 4.1-4.2
Definizione
La CGI è un materiale che può soddisfare la richiesta, sempre in aumento, di resistenza e riduzione del peso, pur mantenendo una lavorabilità ragionevole. Le caratteristiche termiche e di riduzione delle vibrazioni della CGI sono intermedie tra quelle della NCI e della GCI. La resistenza alla fatica del metallo è doppia rispetto alla ghisa grigia. Le particelle di grafite della CGI sono allungate e orientate in modo casuale, come nella ghisa grigia, ma sono più corte, più spesse e con bordi arrotondati. La morfologia simile al corallo della CGI, i bordi arrotondati e le superfici irregolari delle particelle di grafite determinano una forte adesione tra la grafite e la matrice di ferro. È per questa ragione che le proprietà meccaniche della CGI sono tanto migliori rispetto alla ghisa grigia. La ghisa CGI con tenore di perlite inferiore al 90% è la più comune.
Componenti comuni
La CGI è adatta alla produzione di motori che richiedono materiali più resistenti e leggeri, in grado di assorbire maggiore potenza. Il peso del blocco motore da solo può essere ridotto del 20% rispetto a una versione realizzata in GCI. Altri esempi possono essere testate dei cilindri e freni a disco.
Lavorabilità
Dal punto di vista della lavorabilità, la ghisa a grafite compatta si trova tra la ghisa grigia e quella nodulare. Con una resistenza alla trazione di due o tre volte superiore a quella della ghisa grigia e una minore conducibilità termica, la lavorazione della CGI genera maggiori forze di taglio e più calore nella zona di taglio. Il maggiore tenore di titanio nella CGI incide negativamente sulla durata utensile.
Le lavorazioni più comuni sono la spianatura e la barenatura delle canne dei cilindri. Eseguendo la fresatura circolare anziché la barenatura delle canne dei cilindri si può aumentare durata utensile e produttività..
Ghisa duttile austemperata (ADI) K 5.1- 5.3
Definizione
La ghisa duttile austemperata è un sottogruppo delle ghise sottoposte a trattamento termico. L’austempering (tempra bainitica) converte la ghisa duttile in ghisa duttile austemperata (ADI) che ha eccellenti caratteristiche di resistenza, tenacità e resistenza a fatica. L’ADI ha una maggiore resistenza per unità di peso rispetto all’alluminio e una resistenza all’usura paragonabile all’acciaio. I valori di resistenza a trazione e resistenza allo snervamento sono doppi rispetto alla ghisa duttile standard. La resistenza a fatica è maggiore del 50% e può aumentare ulteriormente nel caso della pallinatura e della rullatura di filetti.
Componenti comuni
Grazie alle loro prestazioni eccezionali, le fusioni in ADI stanno avendo sempre più il sopravvento sui pezzi forgiati e le fusioni in acciaio, le strutture saldate, l’acciaio da cementazione e l’alluminio. Questo materiale è principalmente utilizzato nell’industria automobilistica, per realizzare componenti di sospensioni e trasmissioni. Inoltre, è utilizzato nell’industria della produzione di energia, nell’industria mineraria e nell’edilizia.
Lavorabilità
Rispetto alla NCI, è possibile prevedere una riduzione del 40-50% nella durata utensile. Resistenza alla trazione e duttilità della ADI sono vicini a quelli dell’acciaio ma il processo di formazione dei trucioli classifica la ADI come una ghisa duttile (formazione di trucioli segmentati). La microdurezza dell’ADI è superiore, se confrontata a quella degli acciai di durezza comparabile. Le qualità superiori di ADI contengono particelle dure nella microstruttura. Gli elevati carichi termici e meccanici, dovuti all’elevata resistenza ed utilità, determinano una concentrazione dell’usura in prossimità del tagliente, a causa del processo di formazione di trucioli segmentati, e usura sull’angolo di spoglia superiore. L’incrudimento durante la formazione dei trucioli determina elevate forze di taglio dinamiche. La temperatura del tagliente è un fattore importante nel determinare l’usura.