Tipi di ghisa, classificazione, composizione, proprietà, marcatura e applicazione

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

Oggi non c'è quasi nessuna area della vita umana in cui non venga utilizzata la ghisa. Questo materiale è noto all'umanità da molto tempo e si è dimostrato eccellente da un punto di vista pratico. La ghisa è alla base di una grande varietà di parti, assiemi e meccanismi, e in alcuni casi anche di un prodotto autosufficiente in grado di svolgere le funzioni ad essa assegnate. Pertanto, in questo articolo presteremo molta attenzione a questo composto contenente ferro. Scopriremo anche quali sono i tipi di ghisa, le loro caratteristiche fisiche e chimiche.

Definizione

La ghisa è una lega davvero unica di ferro e carbonio, in cui Fe è superiore al 90% e C non è superiore al 6,67%, ma non inferiore al 2,14%. Inoltre, il carbonio si trova nella ghisa sotto forma di cementite o grafite.

Il carbonio conferisce alla lega una durezza sufficientemente elevata, tuttavia, allo stesso tempo, riduce la malleabilità e la duttilità. Di conseguenza, la ghisa è un materiale fragile. Inoltre, a determinati gradi di ghisa vengono aggiunti additivi speciali, che possono conferire al composto determinate proprietà. Il ruolo degli elementi di lega può essere: nichel, cromo, vanadio, alluminio. L'indice di densità della ghisa è di 7200 chilogrammi per metro cubo. Da cui si può concludere cheil peso della ghisa è un indicatore che non si può definire piccolo.

Sfondo storico

Il ferro fuso è noto da tempo all'uomo. La prima menzione della lega risale al VI secolo aC.

Nei tempi antichi, la Cina produceva ghisa con un punto di fusione abbastanza basso. La ghisa iniziò ad essere prodotta in Europa intorno al XIV secolo, quando furono utilizzati per la prima volta gli altiforni. A quel tempo, tale fusione di ferro veniva utilizzata per la produzione di armi, proiettili, parti di costruzione.

In Russia, la produzione di ghisa iniziò attivamente nel XVI secolo per poi espandersi rapidamente. Al tempo di Pietro I, l'impero russo riuscì a scavalcare tutti i paesi del mondo in termini di produzione di ferro, ma cento anni dopo iniziò nuovamente a perdere terreno nel mercato della metallurgia ferrosa.

La ghisa è stata utilizzata per creare una varietà di opere d'arte sin dal Medioevo. In particolare, nel X secolo, i maestri cinesi lanciarono una figura di leone davvero unica, il cui peso superava le 100 tonnellate. A partire dal XV secolo in Germania, e successivamente in altri paesi, si diffuse la fusione della ghisa. Ne sono stati ricavati recinti, grate, sculture di parchi, mobili da giardino, lapidi.

Negli ultimi anni del 18° secolo, la fusione del ferro era maggiormente coinvolta nell'architettura della Russia. E il 19° secolo era generalmente chiamato "l'età della ghisa", poiché la lega era molto attivamente utilizzata in architettura.

Caratteristiche

Ci sono diversi tipighisa, tuttavia, il punto di fusione medio di questo composto metallico è di circa 1200 gradi Celsius. Questa cifra è inferiore di 250-300 gradi rispetto a quella richiesta per la produzione dell'acciaio. Questa differenza è associata a un contenuto di carbonio piuttosto elevato, che porta a legami meno stretti con gli atomi di ferro a livello molecolare.

Al momento della fusione e della successiva cristallizzazione, il carbonio contenuto nella ghisa non ha il tempo di penetrare completamente nel reticolo molecolare del ferro, e quindi la ghisa alla fine risulta piuttosto fragile. A questo proposito, non viene utilizzato dove sono presenti carichi dinamici costanti. Ma allo stesso tempo, è eccellente per quelle parti che hanno maggiori requisiti di resistenza.

Tecnologia di produzione

Assolutamente tutti i tipi di ghisa sono prodotti in altoforno. In re altà, lo stesso processo di fusione è un'attività piuttosto laboriosa che richiede seri investimenti materiali. Una tonnellata di ghisa richiede circa 550 chilogrammi di coke e quasi una tonnellata di acqua. Il volume di minerale caricato nella fornace dipenderà dal contenuto di ferro. Molto spesso viene utilizzato il minerale, in cui il ferro è almeno il 70%. Una minore concentrazione dell'elemento è indesiderabile, poiché sarebbe antieconomico utilizzarlo.

Produzione della prima fase

Il ferro fusorio è il seguente. Prima di tutto, il minerale viene versato nel forno, così come i tipi di carbone da coke, che servono a pressurizzare e mantenere la temperatura richiesta all'interno del vano del forno. Inoltre, questi prodotti durante il processo di combustione sono attivamente coinvolti nelle reazioni chimiche in corsoruolo degli agenti di riduzione del ferro.

Allo stesso tempo, nel forno viene caricato un flusso che funge da catalizzatore. Aiuta le rocce a sciogliersi più velocemente, favorendo il rilascio di ferro.

È importante notare che il minerale subisce uno speciale pretrattamento prima di essere caricato nel forno. Viene frantumato in un impianto di frantumazione (le piccole particelle si sciolgono più velocemente). Viene quindi lavato per rimuovere le particelle prive di metallo. Successivamente, la materia prima viene cotta, a causa di ciò, lo zolfo e altri elementi estranei vengono rimossi da essa.

Seconda fase di produzione

Il gas naturale viene fornito al forno carico e pronto per il funzionamento tramite appositi bruciatori. La coca cola riscalda la materia prima. In questo caso viene rilasciato carbonio, che si combina con l'ossigeno e forma un ossido. Questo ossido partecipa successivamente al recupero del ferro dal minerale. Si noti che con un aumento della quantità di gas nel forno, la velocità della reazione chimica diminuisce e, quando viene raggiunto un determinato rapporto, si interrompe del tutto.

Il carbonio in eccesso penetra nella massa fusa e si unisce al ferro, formando infine ghisa. Tutti quegli elementi che non si sono sciolti sono in superficie e alla fine vengono rimossi. Questi rifiuti sono chiamati scorie. Può essere utilizzato anche per produrre altri materiali. I tipi di ghisa così ottenuti sono chiamati fonderia e ghisa.

Differenziazione

La moderna classificazione delle ghise prevede la suddivisione di queste leghe nelle seguenti tipologie:

• Bianco.
• Metà.
• Grigio con grafite lamellare.
• Grafite nodulare ad alta resistenza.
• Duttile.

Guardiamoli separatamente.

Ghisa bianca

Questa ghisa è quella in cui quasi tutto il carbonio è legato chimicamente. In ingegneria meccanica, questa lega non viene utilizzata molto spesso, perché è dura, ma molto fragile. Inoltre, non può essere lavorato con vari utensili da taglio, e quindi viene utilizzato per la fusione di parti che non richiedono alcuna lavorazione. Sebbene questo tipo di ghisa consenta la molatura con mole abrasive. La ghisa bianca può essere sia ordinaria che legata. Allo stesso tempo, la saldatura provoca difficoltà, poiché è accompagnata dalla formazione di varie cricche durante il raffreddamento o il riscaldamento, e anche per l'eterogeneità della struttura che si forma nel punto di saldatura.

Le ghise bianche resistenti all'usura sono ottenute per cristallizzazione primaria di una lega liquida durante il raffreddamento rapido. Sono più comunemente utilizzati per applicazioni con attrito a secco (ad es. pastiglie dei freni) o per la produzione di parti con maggiore resistenza all'usura e al calore (rulli di laminazione).

A proposito, la ghisa bianca ha preso il nome dal fatto che l'aspetto della sua frattura è una superficie radiosa e cristallina. La struttura di questa ghisa è una combinazione di ledeburite, perlite e cementite secondaria. Se questa ghisa è in lega, si trasforma in perlitetroostite, austenite o martensite.

Mezza ghisa

La classificazione delle ghise sarebbe incompleta senza menzionare questa varietà di leghe metalliche.

Questa ghisa è caratterizzata da una combinazione di carburo eutettico e grafite nella sua struttura. In generale, la struttura a tutti gli effetti ha la seguente forma: grafite, perlite, ledeburite. Se la ghisa viene sottoposta a trattamento termico o legatura, ciò porterà alla formazione di austenite, martensite o troostite aciculare.

Questo tipo di ghisa è piuttosto fragile, quindi il suo utilizzo è molto limitato. La lega stessa ha preso il nome perché la sua frattura è una combinazione di aree scure e chiare della struttura cristallina.

Il materiale di ingegneria più comune

La ghisa grigia GOST 1412-85 contiene circa il 3,5% di carbonio, dall'1,9 al 2,5% di silicio, fino allo 0,8% di manganese, fino allo 0,3% di fosforo e meno dello 0,12% di zolfo.

La grafite in tale ghisa ha una forma lamellare. Non richiede modifiche speciali.

Le piastre di grafite hanno un forte effetto indebolinte e quindi la ghisa grigia è caratterizzata da una resistenza all'urto molto bassa e da una pressoché totale assenza di allungamento (inferiore allo 0,5%).

La ghisa grigia è ben lavorata. La struttura della lega può essere la seguente:

• Ferrite-grafite.
• Ferrite-perlite-grafite.
• Perlite-grafite.

La ghisa grigia funziona molto meglio in compressione che in trazione. Ha inoltresalda abbastanza bene, ma ciò richiede un preriscaldamento e come materiale di riempimento dovrebbero essere utilizzate barre di ghisa speciali con un alto contenuto di silicio e carbonio. Senza preriscaldamento, la saldatura sarà difficile perché la ghisa sbiadirà nell'area di saldatura.

La ghisa grigia viene utilizzata per produrre parti che funzionano senza carichi d'urto (pulegge, coperture, basi).

La designazione di questa ghisa avviene secondo il seguente principio: SCH 25-52. Due lettere indicano che si tratta di ghisa grigia, il numero 25 è un indicatore della resistenza alla trazione (in MPa o kgf / mm 2), il numero 52 è la resistenza alla trazione al momento di piegatura.

Ferro sferoidale

La ghisa nodulare è fondamentalmente diversa dagli altri "fratelli" in quanto contiene grafite nodulare. Si ottiene introducendo speciali modificanti (Mg, Ce) nella lega liquida. Il numero di inclusioni di grafite e le loro dimensioni lineari possono essere differenti.

Cosa c'è di buono nella grafite sferoidale? Il fatto che una tale forma indebolisca minimamente la base metallica, che, a sua volta, può essere perlitica, ferritica o perlitica-ferritica.

A causa dell'uso di trattamenti termici o leghe, la base in ghisa può essere acicular-troostite, martensitica, austenitica.

I gradi di ghisa sferoidale sono diversi, ma in termini generali la sua designazione è la seguente: VCh 40-5. È facile intuire che HF è ghisa ad alta resistenza, il numero 40 è un indicatoreresistenza alla trazione (kgf/mm2), il numero 5 è relativo all'allungamento, espresso in percentuale.

Ferro sferoidale

La struttura della ghisa sferoidale è la presenza di grafite in essa in forma lamellare o sferica. Allo stesso tempo, la grafite lamellare può avere finezza e compattezza diverse, che, a loro volta, hanno un impatto diretto sulle proprietà meccaniche della ghisa.

La ghisa sferoidale industriale viene spesso prodotta con una base ferritica, che fornisce una maggiore duttilità.

L'aspetto della frattura del ferro duttile ferritico ha un aspetto vellutato nero. Maggiore è la quantità di perlite nella struttura, più leggera diventerà la frattura.

In generale, la ghisa sferoidale si ottiene da getti di ghisa bianca a causa della lunga permanenza in forni riscaldati ad una temperatura di 800-950 gradi Celsius.

Oggi ci sono due modi per produrre la ghisa sferoidale: europea e americana.

Il metodo americano consiste nel languire la lega nella sabbia ad una temperatura di 800-850 gradi. In questo processo, la grafite si trova tra i grani del ferro più puro. Di conseguenza, la ghisa diventa viscosa.

Nel metodo europeo, i getti languiscono nel minerale di ferro. La temperatura allo stesso tempo è di circa 850-950 gradi Celsius. Il carbonio passa nel minerale di ferro, a causa del quale lo strato superficiale dei getti viene decarburato e diventa morbido. La ghisa diventa malleabile, mentre il nucleo rimane fragile.

Marcatura della ghisa malleabile: KCh 40-6, dove KCh è, ovviamente, la ghisa malleabile; 40 - indice di resistenza alla trazione;6 – allungamento, %.

Altri indicatori

Per quanto riguarda la divisione delle ghise per resistenza, qui viene applicata la seguente classificazione:

• Resistenza tipica: σv fino a 20 kg/mm2.
• Resistenza aumentata: σv=20 - 38 kg/mm2.
• Elevata resistenza: σv=40 kg/mm2 e oltre.

Secondo la duttilità, le ghise si suddividono in:

• Non flessibile - allungamento inferiore all'1%.
• Basso plastico - da 1% a 5%.
• Plastica - dal 5% al 10%.
• Aumento della plasticità - oltre il 10%.

In conclusione, vorrei anche notare che le proprietà di qualsiasi ghisa sono influenzate in modo abbastanza significativo anche dalla forma e dalla natura del getto.