materiali

La ghisa delle griglie per canalette Greenpipe

La ghisa è una lega metallica composta principalmente da ferro e carbonio, caratterizzata da un tenore di carbonio compreso tra 2,06% e 6,67% (2,06%  < C < 6,67%) e ottenuta per riduzione dei minerali di ferro mediante l’utilizzo di carbon coke all’interno degli altoforni (ndr: gli acciai sono leghe metalliche con tenore di carbonio compreso tra 0,08% e 2,06%).

LA PRODUZIONE DELLA GHISA IN ALTOFORNO (ghisa di prima fusione)

L’altoforno è una struttura verticale che può raggiungere altezze oltre gli 80 metri e un diametro maggiore di circa 10 metri all’interno della quale avviene la produzione della ghisa.

La parete di un altoforno è costituita da mattoni refrattari, rivestita esternamente di acciaio a formare una intercapedine che consente il passaggio di acqua fredda con lo scopo di impedire un eccessivo riscaldamento della struttura. L’altoforno produce, oltre alla ghisa, anche due sottoprodotti, ovvero gas povero (o gas d’altoforno) e le loppe (o scorie d’altoforno): il primo, per motivi ecologici e di risparmio di denaro, viene raccolto e riutilizzarlo nei ricuperatori Cowper per il riscaldamento dei forni; le seconde (0,3 t. per ogni tonnellata di ghisa prodotta) sono costituite da silice, calce, allumina, magnesia, anidride fosforica, ossido di ferro, ecc. e vengono trasformate in granuli per poi essere impiegate nelle fabbriche di cemento (il cosiddetto cemento d’altoforno o cemento Portland).

Ogni 6/8 ore viene spillata dall’altoforno la cosiddetta ghisa di prima fusione. Colata direttamente in un contenitore mobile su rotaia, chiamato carro siluro, la ghisa viene così trasportata verso gli impianti per la trasformazione in acciaio (acciaieria) o verso siti di raffreddamento nei quali viene messa in apposite forme dette lingottiere (pani di ghisa o, in inglese, pig iron). Circa l’80% della ghisa di prima fusione viene utilizzata per la produzione di acciaio.

Il processo produttivo del materiale consta di tre momenti cruciali e si può brevemente descrivere come segue:

  1. carica dell’altoforno; avviene dall’alto (bocca) ed è formata da strati di minerale ferroso (ematite Fe2O3, magnetite Fe3O4, siderite FeCO3, e pirite FeS2), calcare e coke.
    Quest’ultimo ha le funzioni di operare le riduzioni e le carburazioni, di produrre calore e di sostenere la carica fino alla parte bassa dell’altoforno, essendo l’unico materiale che non fonde.
    I materiali vengono introdotti a strati alterni e con regolata intermittenza e scendono lentamente verso la parte bassa del forno. Ai suddetti materiali si aggiungono anche dei “fondenti” (argilla, sabbia, ecc.), ovvero delle sostanze che facilitano la fusione delle impurità (ganga) contenute nei minerali di ferro e a fine processo costituiscono la già citata loppa di altoforno.
  2. ingresso aria preriscaldata; l’iniezione di aria calda arricchita di ossigeno, detta “vento caldo” (1100-1200 °C), avviene in continuo attraverso una corona di tubi (detti tubiere) in corrispondenza della sacca del forno. Essa provoca la combustione del coke con formazione di CO, il che porta la temperatura ad innalzarsi fino a 2.000 °C.
    Il gas così creatosi sale verso l’alto e riduce, all’altezza della zona denominata tino, gli ossidi di ferro che incontra (separazione dell’ossigeno dal ferro).
  3. A livello del ventre si ha sostanzialmente ferro puro a contatto del carbonio con conseguente carburazione (legame del ferro con una parte di carbonio) e gocciolamento nel crogiolo di un liquido composto da ferro, carbonio, manganese, fosforo, zinco, silicio (C=4,1-4,4%; Mn=0,5-1,5%; P=0,1-0,9%; S<0,1%; Si=0,5%) e altre scorie, ovvero la ghisa e la loppa (quest’ultima si trova in uno strato galleggiante sul bagno di ghisa fusa, per effetto del differente peso specifico). Nel crogiolo si hanno temperature di ca. 1.600°C.

Si omettono per semplicità tutte le formule chimiche di riduzione e carburazione dei minerali ferrosi che avvengono nell’altoforno. Si deve anche considerare che i minerali ferrosi introdotti sono solitamente accompagnati da altri elementi (che possono avere effetti sia positivi che negativi sul prodotto finale), come lo zolfo, il fosforo, l’arsenico, sempre indesiderabili, ed il manganese, in genere bene accetto, pertanto il numero di reazioni chimiche che bisognerebbe esaminare è davvero molto elevato.

GHISE DI SECONDA FUSIONE

I pani di ghisa così ottenuti sono alla base della produzione o dell’acciaio o delle ghise di seconda fusione, ovvero di quelle ghise che poi effettivamente vengono utilizzate in fonderia per la produzione di manufatti finiti seguendo un processo di colata all’interno di stampi (la ghisa presenta una buona colabilità grazie alla riduzione della temperatura di fusione dovuta alla percentuale di carbonio).

La ghisa di prima fusione viene inserita o in un forno di forma cilindrica, chiamato cubilotto, o in un forno elettrico insieme a rottami di ferro, carbon coke ed altri additivi ad hoc. La miscelazione di questi “ingredienti” e la gestione del processo fusorio e produttivo (velocità di raffreddamento, temperature di produzione, eventuali trattamenti termici a posteriori) possono dar vita a differenti tipologie di ghise di seconda fusione – che d’ora in poi definiremo per semplicità “ghise” -. L’elemento distintivo tra le categorie di ghisa è il carbonio e il suo modo di presentarsi nel materiale finito: il C può trovarsi o combinato come cementite o libero come grafite e, in questo secondo caso, occorrerà stabilire la morfologia e la distribuzione della grafite stessa.

La classificazione delle ghise di seconda fusione, soprattutto da quando negli ultimi anni soni state create nuove “miscele”, non è semplicissima ma può comunque essere schematizzata come segue:

  • Ghisa bianca (C -> cementite)
  • Ghisa malleabile, a cuore bianco (detta europea) o a cuore nero (detta americana), ottenuta per trattamento termico dalla ghisa bianca (C -> grafite)
  • Ghisa grigia (C -> grafite) che può essere di tipo:
    • Lamellare
    • Sferoidale

I termini “bianca” e “grigia” derivano dal caratteristico colore delle superfici di frattura.

GHISA BIANCA

Quando la maggior parte del carbonio presente nella ghisa è combinato con il ferro sotto forma di cementite (Fe3C), la ghisa viene classificata come ghisa bianca; poiché la cementite è un carburo, la ghisa bianca ha un’elevata durezza (fino a 500 Vickers, HV) e un’alta resistenza all’usura ed alla corrosione ma è molto fragile. Le ghise bianche si ottengono per rapido raffreddamento e contengono elementi, detti antigrafitizzanti, che favoriscono la combinazione del ferro con il carbonio per creare cementite Fe3, come ad esempio il Manganese, il Molibdeno ed il Cromo (quest’ultimo migliora anche la resistenza all’usura). Un altro fattore che favorisce la creazione di ghisa bianca sono le sezioni sottili per le quali la velocità di raffreddamento è evidentemente elevata.

Questo tipo di ghisa viene utilizzato per realizzare parti soggette ad usura ma non ad urti, come ad esempio cilindri di laminatoi, matrici per trafilatura, ugelli per estrusione, punte di aratri, ecc.).

Designazione: GB O (ghisa bianca non legata), GB L (ghisa bianca debolmente legata), GB Cr 12 (ghisa bianca legata contenete il 12% di cromo), GB CrNi 9 5. La norma di riferimento è la UNI 8845.

GHISA MALLEABILE

Questo tipo di ghisa viene prodotto a partire da quella bianca non legata, riscaldandola in pezzi di piccolo spessore (limite notevole nella produzione di ghisa malleabile) ad elevata temperatura (900-1000 ºC) per decine di ore, in ambiente ossidante o riducente (ricottura o malleabilizzazione), in modo da favorire la decomposizione della cementite e la sua trasformazione in noduli di grafite (detti flocculi).

In base alle caratteristiche dell’atmosfera in cui è effettuato il trattamento, si possono avere risultati diversi:

  • se l’ambiente è ossidante, si ottiene la ghisa malleabile a cuore bianco la cui superficie è quasi completamente decarburata e a struttura ferritica; viene usata per produrre raccordi idraulici;
  • se l’ambiente è riducente, si ottiene la ghisa malleabile a cuore nero. In questo caso la cementite si trasforma parzialmente in flocculi di grafite in una struttura perlitica o ferritica a seconda di come avviene il raffreddamento.

Possiede buona colabilità e lavorabilità all’utensile, nonché discrete proprietà resistenziali all’usura e alla rottura e viene usata per realizzare strumenti agricoli, bielle e carter. Alla ghisa bianca a cuore nero possono essere aggiunti elementi di lega per migliorarne alcune proprietà come, ad esempio, il rame (tra lo 0.25 e l’1.25%) che ne aumenta la resistenza alla corrosione, mantenendo elevata durezza, il carico di rottura e di snervamento e la duttilità(1).

Designazione: W-400-05 (ghisa malleabile a cuore bianco), B-350-10 (ghisa malleabile a cuore nero). La norma di riferimento è la UNI EN 1562.

GHISA GRIGIA LAMELLARE

Si ottiene aumentando la percentuale di elementi grafitizzanti, su tutti il silicio, che favoriscono la trasformazione del carbonio in grafite lamellare, e riducendo quella di elementi antigrafitizzanti. La presenza di grafite sotto forma di lamelle, la cui quantità è inversamente proporzionale alla velocità di raffreddamento, facilita la lavorazione alle macchine utensili ma interrompe parzialmente il reticolo cristallino, diminuendo la resistenza a trazione e annullando quasi del tutto le caratteristiche di snervamentoduttilità e resilienza. Non è saldabile ma smorza le vibrazioni. Viene usata per realizzare testate, tubi, valvolame raccordi, caldaie, termosifoni, basamenti, ecc.

Designazione: nell’Unione Europea, la ghisa grigia viene indicata con la sigla GJL seguita da un numero che indica la resistenza minima a trazione (Rm) in MPa – es. GJL-250. EN-GJL-200, EN-GJL-250, ecc. (molto usata è anche la norma tedesca DIN 1691 che designa la ghisa grigia con il simbolo alfanumerico GG seguito dalla resistenza minima a trazione in 10-1 MPa – es. GG 25). La norma di riferimento è la UNI EN1561..

GHISA GRIGIA SFEROIDALE (detta anche duttile o nodulare)

La ghisa sferoidale deve la sua “fortuna”, oltre che al suo nome, anche alla forma della grafite che appare sotto forma di “sferoidi” e non di lamelle come per la ghisa lamellare. Ciò gli conferisce una proprietà non presente negli altri tipi di ghisa ovvero la duttilità (1): gli sferoidi impediscono la propagazione delle cricche a differenza della grafite lamellare che offre, invece, una via preferenziale per la loro propagazione. La presenza degli sferoidi non indebolisce la matrice metallica, pertanto le caratteristiche meccaniche della ghisa sferoidale presentano un notevole miglioramento rispetto a quelle di tutti gli altri tipi di ghisa, tanto da avvicinarsi a quelle degli acciai (questo tipo di ghisa è stata, sin dalla sua “scoperta” nel dopoguerra, una valida alternativa all’utilizzo di acciaio e delle altre ghise). La ghisa sferoidale, che può subire allungamento durante la prova di trazione, conserva le migliori caratteristiche tipiche delle ghise, fra cui la colabilità e lo smorzamento delle vibrazioni. Ha inoltre un ottimo rapporto resistenza/peso, una buona lavorabilità sotto gli utensili, un costo contenuto.

I campi di impiego più comuni della ghisa sferoidale sono: la produzione di elementi impiegati nel settore automobilistico ed aeronautico, di ruote dentate, di monoblocchi, di tubi, di griglie per canali di drenaggio, ed elementi di coronamento e chiusura e di moltissimi altri prodotti usati in vari ambiti ingegneristici.

Designazione: nell’Unione Europea la ghisa sferoidale viene indicata con la sigla GJS seguita da un numero che individua la resistenza minima a trazione (Rm) in MPa e da un secondo numero che indica l’allungamento minimo percentuale (A%). I due numeri sono separati da un trattino – es. EN-GJS-350-22, EN-GJS-400-18, EN-GJS-500-7, ecc. (molto usata è anche la norma tedesca DIN 1693-1 che designa la ghisa sferoidale con il simbolo alfanumerico GGG seguito dalla resistenza minima a trazione in 10-1 MPa – es. GGG 40). La norma di riferimento è la UNI EN1563.

LA COMPOSIZIONE DELLA GHISA SFEROIDALE: L’IMPORTANZA DEL MAGNESIO

La composizione chimica di base di una ghisa sferoidale (non legata) dovrebbe prevedere i seguenti range dei differenti componenti:

C Si Mn P S Mg
3.3÷3.8% 1.8 ÷2.8% ≤0.6% ≤0.1% ≤0.02% 0.03÷0.05%

Il magnesio (Mg) è un elemento fondamentale per la “buona riuscita” di una ghisa sferoidale. Esso, infatti, garantisce le condizioni per una corretta nucleazione degli sferoidi di grafite essendo il più efficace e sperimentato nodulizzante.

Il contenuto minimo di Mg attivo in un getto per sferoidizzare la grafite è compreso fra lo 0.03% e lo 0.05% (una concentrazione maggiore di quella necessaria potrebbe favorire la formazione di scoria dannosa per la qualità del getto).

L’aggiunta dell’agente sferoidizzante alla ghisa base per renderla sferoidale rappresenta pertanto la fase più importante del processo produttivo.

immagine al microscopio di una ghisa sferoidale 500/7

Il magnesio è caratterizzato da un basso peso specifico e da un basso punto di ebollizione per cui l’aggiunta di Mg puro ai bagni di ghisa sarebbe inefficace, in quanto esso galleggerebbe in superficie e, evaporando, brucerebbe senza dare alcuna azione, anzi si formerebbero delle scorie che genererebbero difetti nei getti. Inoltre, quando è aggiunto allo stato puro, il Mg presenta inconvenienti come brusche reazioni ed esplosioni gassose. Altri effetti secondari di un cattivo utilizzo del magnesio sono la formazione di risucchi del getto e l’incrostamento delle siviere. Risulta quindi molto più conveniente impiegare il Mg in lega con elementi che ne aumentano il peso specifico e innalzano il punto di ebollizione. Le leghe più usate sono Fe-Si-Mg e Ni-Mg.

I METODI DI SFEROIDIZZAZIONE E LA MATRICE METALLICA RISULTANTE

I metodi di sferoidizzazione usati industrialmente sono numerosi e vari: Opened Ladle-Sandwich Process (ossia in siviera aperta), Tundish Ladle Process (in siviera chiusa), In-Mold Process (inserimento del Mg direttamente nello stampo prima della colata) e il Cored Wire Process (a filo). La scelta è funzione di diversi fattori quali: la quantità di ghisa da trattare, il tempo di attesa che intercorre tra la sferoidizzazione e la colata, la ghisa base e quindi il mezzo fusorio, i costi, la riproducibilità, le limitazioni ambientali, ecc.

La formazione degli sferoidi avviene all’interno di una matrice metallica che può assumere differenti tipi di strutture in funzione di vari fattori (come, ad esempio, la velocità di raffreddamento del getto): ferritica, ferrito-perlitica, perlitica. Negli ultimi decenni sono stati ottimizzati differenti trattamenti termici e differenti composizioni chimiche, modificando in tal modo la microstruttura della matrice ed è stato possibile ottenere differenti combinazioni delle proprietà meccaniche controllando la microstruttura, ottenendo, tra le altre, ghise sferoidali austenitiche, bainitiche, austemperate.

Vediamo un po’ più nel dettaglio questi sei tipi principali di ghisa sferoidale:

  • ghisa sferoidale ferritica: formata da sferoidi di grafite in una matrice di ferrite, presenta alta duttilità e tenacità, buona resistenza alla corrosione e lavorabilità alla macchina utensile;
  • ghisa sferoidale perlitica: formata da sferoidi di grafite in una matrice di perlite e, rispetto alla tipologia precedente, mostra maggior durezza e resistenza a trazione e all’abrasione ma minore duttilità e tenacità; la lavorabilità alla macchina utensile si mantiene inalterata. La perlitizzazione della matrice avviene per aggiunta degli elementi rame e stagno: il rame agisce come perlitizzante per concentrazioni superiori allo 0,15%, mentre lo stagno per concentrazioni superiori allo 0,015%.
  • ghisa sferoidale ferritica-perlitica: formata da sferoidi di grafite in una matrice mista ferrite – perlite, presenta caratteristiche intermedie rispetto alle due tipologie viste sinora, mantiene la buona lavorabilità alla macchina utensile ed è la più diffusa grazie al fatto che è la meno costosa tra tutte;
  • ghisa sferoidale “austenitica”: contiene elevate concentrazioni di nichel (18-36%) e, a volte, cromo (fino al 6%); al variare dei tenori degli elementi di lega, si possono raggiungere resistenze a trazione di 380-550 MPa e allungamenti del 4-40%; le ghise austenitiche presentano elevata resistenza alla corrosione e all’usura, ottime proprietà meccaniche sia a bassa che ad alta temperatura;
  • ghisa sferoidale “bainitica”: ottenibile con percentuali di nichel e molibdeno comprese tra l’1% e il 3%, per elevare la resistenza all’abrasione e le proprietà tensili (sono comunque poco diffuse);
  • ghisa sferoidale ottenuta con “tempra bainitica” (Austempered Ductile Iron, ADI): scoperta recentemente, presenta un’ottima combinazione di tenacità, resistenza all’abrasione e resistenza a trazione (si possono raggiungere valori circa doppi rispetto a quelli delle tipologie tradizionali di ghisa sferoidale a parità di allungamento – arrivando addirittura oltre i 1.500 Mpa); inoltre il limite di fatica è molto elevato il che le consente di “sostituire” l’acciaio riducendo costo e peso dei componenti.

Per produrre una buona ghisa sferoidale è da evitare o limitare la presenza di elementi promotori di carburi quali cromovanadio, molibdeno e boro (il magnesio può avere un effetto di stabilizzazione dei carburi di questi elementi). Ciò è possibile tramite inoculazione nel bagno fuso di opportuni additivi: il tipo di inoculante, la sua quantità e la fase di inoculazione sono stabiliti in base alle caratteristiche della ghisa in uscita dal forno e alle specifiche del getto che si vuole ottenere. 

Inoltre, è assolutamente necessario abbattere lo zolfo residuo presente nel bagno fuso, in quanto è uno degli elementi a più elevato potere antigrafitizzante e, combinandosi col magnesio, potrebbe neutralizzare l’effetto sferoidizzante di quest’ultimo.

Un ulteriore aspetto, certamente non secondario e legato alla qualità del getto in ghisa sferoidale, è la velocità di raffreddamento che può influenzare localmente la microstruttura. A raffreddamenti troppo rapidi possono far seguito tensioni residue, presenza di cementite e generazione di zone temprate caratterizzate da durezza elevata e fragilità (quindi il getto sarà di difficile lavorabilità). A raffreddamenti troppo lenti possono essere associate la formazione di sferoidi di forma irregolare che potrebbero influenzare in modo negativo le proprietà meccaniche del getto. È possibile porre rimedio ai difetti causati da velocità di raffreddamento non adeguate grazie a trattamenti termici, che però costituiscono un aggravio dei costi di produzione.

(1) La duttilità è una proprietà tecnologica della materia che indica la capacità di un corpo o di un materiale di deformarsi plasticamente sotto carico prima di giungere a rottura, cioè la capacità di sopportare deformazioni plastiche (definizione tratta da Wikipedia).

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