XXXIII CONGRESSO DI FONDERIA ASSOFOND

E. Foglio*, M. Gelfi*, A. Pola*, D. Lusuardi°

*DIMI - Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università

degli Studi di Brescia

°Fonderie Ariotti S.p.A.

CARATTERIZZAZIONE DI GETTI IN GHISA SFEROIDALE DI

GRANDI SPESSORI

BRESCIA, 10-11 NOVEMBRE 2016

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond 2

Introduzione Ghise sferoidali (DCI): - buone proprietà meccaniche (resistenza a rottura, resistenza all'usura e duttilità);

- eccellente colabilità (bassa temperatura di fusione, modesto ritiro, alta fluidità).

Microstrutture anomale “Difetti”

Proprietà meccaniche inferiori Dimensioni: 2700mm x 2700mm x 1200mm

Peso: 60t

Getti di grande spessore richiedono lunghi tempi di solidificazione

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond 3

Principali anomalie strutturali

Gli elementi microstrutturali più comuni e pericolosi che si possono riscontrare nei getti in ghisa sferoidale di grande spessore sono: 1. Degenerazione della morfologia dei noduli di grafite (grafite esplosa,

compatta, chunky e spiky).

Nodulo di grafite Grafite chunky Grafite spiky

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond 4

Gli elementi microstrutturali più comuni e pericolosi che si possono riscontrare nei getti in ghisa sferoidale di grande spessore sono: 1. Degenerazione della morfologia dei noduli di grafite (grafite esplosa,

compatta, chunky e spiky).

2. Dross superficiale (inclusioni non metalliche di forma irregolare generalmente presenti sulla superficie del getto).

3. Microporosità da ritiro.

2 3 2

Principali anomalie strutturali

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond 5

Res

iste

nza

a r

ott

ura

Rm

Tempo di solidificazione

Condizioni standard di produzione

Condizioni ideali senza strutture anomale

La corretta progettazione di getti pesanti in ghisa sferoidale richiede un database relativo a microstrutture e proprietà meccaniche che ad oggi è assente o molto scarso.

Effetto sulle proprietà meccaniche

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond 6

Scopo del lavoro Realizzazione di una serie di prove sperimentali per ottenere una completa caratterizzazione in termini di microstruttura e proprietà meccaniche di diversi tipi di ghise sferoidali impiegate in componenti di grande spessore, senza ricorrere al sacrificio di getti di produzione.

d=240mm

h=260mm

Messa a punto di una linea di produzione innovativa: campioni di ghisa di dimensioni contenute vengono solidificati all’interno di un forno elettrico in modo controllato per riprodurre le caratteristiche di pezzi di decine di tonnellate che richiedono tempi di solidificazione fino a 20 ore.

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond 7

Materiali considerati

Matrice ferritica standard

Matrice ferritica ad alto Si

Matrice perlitica

C 3,5-3,6 Si 2,4-2,5 Cu 0,1-0,2

C 3,3-3,4 Si 3,3-3,5 Cu <0,1

C 3,5-3,6 Si 2,0-2,2 Cu 0,8-1,0

Caratterizzazione delle tre tipologie di ghisa sferoidale prodotte con diversi tempi di solidificazione, per ottenere dati relativi a getti compresi nel range di peso tra 100-200 kg e 40-50 t.

8

Produzione di uno speciale crogiolo refrattario a base di allumina.

Preriscaldo del crogiolo nel forno elettrico a 1200°C.

Colata della ghisa nel crogiolo e riposizionamento del campione nel forno.

Controllo della potenza del forno per determinare il tempo di solidificazione.

Monitoraggio dell’intero ciclo di raffreddamento mediante termocoppia.

Procedura sperimentale

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Prove meccaniche e analisi microstrutturale

- Controllo ad ultrasuoni (EN 12680-3)

- Prove di trazione (EN ISO 6892-1: 2009)

- Durezza Brinell (UNI EN ISO 6506-1:2006)

- Prove di fatica (Metodo stair-case: UNI 3964/85)

- Analisi metallografica al microscopio ottico

- Indagine delle superfici di frattura tramite microscopia elettronica (SEM)

9

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Validazione dello studio Confronto tra le curve di raffreddamento, la microstruttura e le proprietà

meccaniche di campioni solidificati in modo controllato nel forno elettrico e componenti reali di grandi dimensioni (già testati in precedenza).

Getto in alto Si (3,4% Si), 200mm spessore,

peso: 9 t, circa 7 ore di

solidificazione.

Campione HSi-A (3,4% Si), peso: 80 kg,

6-7 ore di solidificazione.

10

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Validazione dello studio

Micro 100X: 100% ferrite

Forma della grafite: VI Dimensione della grafite : 4

Conteggio dei noduli: 8-10/mm2

Fusione Rm [MPa] Rp0,2% [MPa] Rp0,2%/Rm A% HB σf,50% [MPa]

Campione HSi-A 394±1 365±4 0,93 3,6±0,8 166±5 188±11

Getto in alto Si 390±8 352±2 0,90 3,4±1,6 164±4 179±15

Getto in alto Si

Ottima corrispondenza di microstruttura, proprietà meccaniche statiche e dinamiche: la validità del processo è stata confermata ed è stato intrapreso il lavoro di caratterizzazione dei diversi materiali.

Campione HSi-A

11

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Campioni studiati Campione Ghisa

Tempo di solidificazione [ore]

Temperatura eutettico [°C]

Durata eutettico [ore]

F-A Ferritica 3 1153 2,5 F-B Ferritica 6 1160 5 F-C Ferritica 12 1159 10 F-D Ferritica 20 1153 18

HSi-A Ferritica alto Si 6 1159 5 HSi-B Ferritica alto Si 12 1164 10 P-A Perlitica 13 1159 8,5

Inizio della trasformazione eutettica

Tsolidus: temperatura alla quale la ghisa è completamente solidificata

12

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Proprietà meccaniche statiche

Campione Tempo di

solidificazione [ore]

Rm [MPa] Rp0,2% [MPa]

Rp0,2%/Rm A% HB

F-A 3 329±17 286±3 0,87 3,1±1,4 153±4 F-B 6 353±8 298±2 0,84 4,2±0,8 165±8 F-C 12 295±8 275±4 0,93 2,9±0,2 144±2 F-D 20 249±29 / 1,00 0,0 162±8

GHISA SFEROIDALE FERRITICA STANDARD

13

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Campione Tempo di

solidificazione [ore]

Rm [MPa] Rp0,2% [MPa]

Rp0,2%/Rm A% HB

HSi- A 6 394±1 365±4 0,93 3,6±0,8 166±5 HSi- B 12 347±9 342±6 0,99 0,9±0,9 165±8

P-A 13 330±28 309±14 0,94 1,1±0,4 185±3

GHISA SFEROIDALE FERRITICA AD ALTO SILICIO E PERLITICA

Proprietà meccaniche statiche

14

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Resistenza a fatica Campione Ghisa Tempo di solidificazione [ore] Limite di fatica σf,50% [MPa]

F-A Ferritica 3 145±6

F-B Ferritica 6 167±18

F-C Ferritica 12 138±4

F-D Ferritica 20 130±17

HSi-A Ferritica alto Si 6 188±11

HSi-B Ferritica alto Si 12 157±10

P-A Perlitica 13 158±12

15

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Analisi metallografica MICROSCOPIO OTTICO

a,b) Matrice quasi completamente ferritica (più del 90%); piccole isole di perlite. c) Percentuale di perlite superiore al 75%.

Grafite prevalentemente sferoidale tranne alcune aree di grafite degenerata

(chunky, spiky). Conteggio dei noduli sempre molto basso (3-10 noduli/mm2). I campioni non

sono stati inoculati.

a b c

Ghisa ferritica Ghisa ferritica alto Si Ghisa perlitica

16

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Superfici di frattura CONSIDERAZIONI GENERALI

Nelle prove di trazione il meccanismo di rottura per clivaggio occupa quasi il 100% della superficie di frattura; gli unici segni di duttilità (dimples) si sono osservati in piccole aree tra i noduli.

Nella maggior parte dei campioni, microcavità da ritiro sono state identificate come punti d’innesco della rottura per fatica.

Esiste una buona corrispondenza tra le dimensioni del difetto iniziale e il numero di cicli a rottura dei campioni.

Clivaggio

Dimples

Porosità d’innesco

17

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Grafite sferoidale Grafite spiky

F-A

Grafite spiky F-D

Grafite chunky F-C

F-B Grafite chunky

GHISA SFEROIDALE FERRITICA STANDARD

Prove di trazione

Superfici di frattura

3 ore 6 ore

12 ore 20 ore

18

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

GHISA SFEROIDALE FERRITICA STANDARD

Prove di fatica

Grafite compatta

F-C

F-A Tracce di spiky F-B Chunky diffusa

F-D Aree di spiky

Superfici di frattura

3 ore 6 ore

12 ore 20 ore

19

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

GHISA SFEROIDALE FERRITICA AD ALTO SILICIO

Prove di trazione

Prove di fatica

HSi-A Grafite chunky

HSi-B Grafite spiky

Tracce di spiky

HSi-B HSi-A

Aree con chunky

Superfici di frattura

6 ore 12 ore

6 ore 12 ore

20

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

GHISA SFEROIDALE PERLITICA

Prove di trazione Prove di fatica

P-A

Chunky abbondante

Superfici di frattura

13 ore 13 ore

P-A

21

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Conclusioni

1- I risultati delle prove effettuate sui campioni di piccole dimensioni con solidificazione controllata sono paragonabili a quelli dei getti di produzione di grande spessore, sia in termini di microstruttura che di proprietà meccaniche. 2- Le ghise sferoidali ferritiche ad alto Si sono più adatte alla produzione di getti pesanti sottoposti a carichi di fatica rispetto a quelle ferritiche tradizionali e perlitiche. 3- Anche in getti solidificati molto lentamente, le microporosità hanno un effetto predominante sulla resistenza a fatica. 4- La grafite spiky risulta molto più dannosa rispetto alla chunky, determinando una notevole diminuzione delle proprietà meccaniche, sia di trazione che di fatica.

22

E. Foglio - 10-11 Novembre 2016, XXXIII Congresso di Fonderia Assofond

Grazie per l’attenzione!

INFO: eugenio.foglio@unibs.it

23