POLITECNICO DI MILANO Polo Regionale di Lecco Facoltà di Ingegneria Industriale Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica Correlazione tra proprietà e struttura di una ghisa vermicolare Relatore: Prof. Giuseppe SILVA Co-relatore: Ing. Riccardo GEROSA Tesi di Laurea di: Andrea Appiani Matr. 720627 Anno Accademico 2009 - 2010 - 2 - Dedicata ai miei genitori Agostino ed Eliana - 3 - Indice Introduzione........................................................................................................7 1 Le ghise..................................................................................................11 1.1 Ghisa grigia.................................................................................15 1.2 Ghisa bianca................................................................................18 1.3 Ghisa malleabile..........................................................................19 1.4 Ghise legate.................................................................................21 1.5 Ghisa sferoidale...........................................................................23 1.6 Ghisa vermicolare........................................................................36 2 Trattamenti del bagno metallico..........................................................59 2.1 Desolforazione.............................................................................59 2.2 Morfologia della grafite...............................................................60 2.3 Teorie di inoculazione.................................................................66 2.4 Inoculazione.................................................................................69 3 Solidificazione e grafitizzazione...........................................................73 3.1 Teorie di grafitizzazione..............................................................74 3.1.1 Teoria della crescita dei cristalli....................................77 3.1.2 Teoria della matrice........................................................80 3.1.3 Comparazione tra teorie esistenti e crescita dendritica..81 3.2 Formazione di ferrite e perlite.....................................................82 3.3 Formazione di carburi..................................................................83 4 Fonderia ................................................................................................85 4.1 Fusione in terra............................................................................91 4.2 Fusione a cera persa.....................................................................93 4.3 Polycast........................................................................................94 4.4 Fusione in conchiglia...................................................................94 4.5 Pressofusione...............................................................................95 4.6 Shell molding...............................................................................96 4.7 Formatura delle anime.................................................................99 4.8 Distaffatura, smaterozzatura e finitura......................................101 5 Trattamenti termici ………...............................................................103 5.1 Distensione................................................................................106 5.2 Ricottura....................................................................................107 5.2.1 Ricottura per eliminare i carburi liberi.........................107 - 4 - 5.2.2 Ricottura di ferritizzazione parziale.............................110 5.2.3 Ricottura di ferritizzazione totale.................................110 5.3 Trattamenti con T > A ...........................................................111 C3 5.3.1 Normalizzazione..........................................................111 5.3.2 Austempering...............................................................112 5.3.3 Tempra martensitica.....................................................113 5.3.4 Tempra superficiale......................................................113 6 Lavorazioni meccaniche ………........................................................115 6.1 Tornitura....................................................................................117 6.2 Fresatura....................................................................................118 6.3 Lavorabilità della ghisa sferoidale.............................................119 6.4 Lavorabilità della ghisa vermicolare.........................................120 7 Prove ed analisi effettuate ……….....................................................127 7.1 Analisi microstrutturale e test di durezza..................................127 7.1.1 Microstruttura del materiale non trattato......................127 7.1.2 Microstruttura del materiale trattato.............................131 7.1.3 Dimensione del grano cristallino.................................133 7.1.4 Spazio intergrafitico.....................................................134 7.1.5 Prove di durezza...........................................................135 7.2 Studio sulla distribuzione delle particelle di grafite...................135 7.3 Prove di trazione........................................................................145 7.4 Prove di fatica............................................................................151 7.5 Analisi dei pezzi danneggiati nella lavorazione........................158 7.6 Simulazione di colata.................................................................162 Conclusioni .....................................................................................................165 Bibliografia .....................................................................................................166 Ringraziamenti ...............................................................................................167 - 5 - Sommario Il ciclo produttivo di un rocchetto in ghisa CGI250 impiegato per l’avvolgimento di fili tessili prevede, dopo la fusione del getto, un trattamento termico di ricottura per garantire al pezzo la lavorabilità alle macchine utensili. L’azienda ha eseguito prove di lavorazione su rocchetti non trattati, riscontrando dei problemi di usura e rottura dell’utensile, senza però rilevare grandi diversità a livello metallurgico tra la ghisa trattata e quella non trattata . La tesi quindi si focalizzerà sulla caratterizzazione dei due materiali, con lo scopo di evidenziare le differenze e di determinare il motivo per cui la ghisa non trattata mostri problemi di lavorabilità, pur avendo caratteristiche simili a quella ricotta. Difficoltà ulteriori per lo studio derivano dal fatto che il materiale impiegato è poco diffuso sia in fonderia che in letteratura: si tratta di una ghisa sferoidale degradata in vermicolare e mostra una microstruttura molto eterogenea. La geometria del rocchetto è inoltre assai complicata, con forti variazioni di spessore e pure la morfologia delle cave per l’avvolgimento del filo è molto complessa, soprattutto per le lavorazioni alle macchine utensili. Parole chiave: CGI = ghisa vermicolare, SGI = ghisa sferoidale, FGI = ghisa grigia, CE = carbonio equivalente Abstract The production cycle of a textile reel made of CGI250 schedules an heat treatment (annealing) to assure the machinability on the tool machines. Fondershell made a machining experiment on the untreated reel, finding tool problems but not great metallurgical differences between the untreated iron and the treated one. The thesis will focalize on the characterization of the two materials, aiming to highlight the differences and to understand why the untreated iron shows machinability problems, although having similar characteristics to the annealed one. Further difficulties derive from the fact that this kind of cast iron is rarely spread both in foundry and in literature: the examined material is a spheroidal graphite iron degradated to compacted graphite iron. Besides, the geometry of the reel is very complex, with great thickness variations and the morphology of the quarries for the reeling is as well very complicated, in particular for the tool machining. Keywords: CGI = compacted graphite iron, SGI = spheroidal graphite iron, FGI = flake graphite iron, CE = equivalent carbon - 6 - Introduzione Il presente lavoro di tesi si inserisce in una collaborazione tra il laboratorio SIMET di Lecco del Politecnico di Milano e FonderShell, azienda operante nel settore metallurgico. La Fondershell nasce nel 1970 dal fondatore Luciano Chiesa per la produzione di ricambi nel settore motociclistico realizzati con la prima tecnologia Cronig (shell molding). Negli anni ‘80 l'azienda ha aggiunto alla formatura in guscio anche la formatura in terra a verde per la produzione di piccole e medie serie di getti in ghisa. Durante gli anni ‘90 converte i mezzi fusori dal cubilotto a carbone al sistema a induzione e sviluppa anche le produzioni di acciai inossidabili per il settore idraulico. Dal 2000 con una decisa strategia aziendale FonderShell amplia la produzione di getti fusi con tecnologia shell molding, sostituendo gli impianti di formatura in terra con macchine di formatura shell molding di nuova generazione e innovativi impianti fusori.. Fig.1 – Anime e getti prodotti dalla Fondershell Attualmente la fonderia è specializzata nella realizzazione di getti fusi del peso variabile da 0,1 a 70Kg, annoverando tra i clienti aziende leader sul mercato. FonderShell è in continuo sviluppo e crescita in molteplici settori: dall’oleodinamica e l’idraulica all’automotive, dalla trattoristica e macchine movimento terra alle macchine tessili. La formatura shell molding permette la realizzazione di getti fusi con caratteristiche superiori alla formatura tradizionale: è possibile così ottenere migliori finiture, alta precisione, profili finiti, spessori sottili, assenza di porosità, ripetibilità delle prese di lavorazione e delle parti grezze ed è quindi un’alternativa alla microfusione e alla cera persa. Con i propri getti FonderShell è in grado di ridurre i costi in modo sensibile permettendo l’applicazione di processi di automazione nella lavorazione meccanica, eliminando sovrametalli ed ulteriori stadi di finitura con conseguente riduzione dei tempi di lavorazione, riducendo il peso e riprogettando il componente che, grazie alla potenzialità della tecnologia shell molding, può essere più appetibile sul mercato. - 7 - L’azienda produce anche rocchetti di ghisa vermicolare per l’avvolgimento di fili tessili e tali componenti saranno oggetto di studio in questa tesi. Fig.2 - A sinistra il rocchetto finito, a destra il getto prima della lavorazione Il pezzo viene ottenuto per fusione, dopodichè è trattato termicamente con una ricottura di dieci ore a 900°C in atmosfera controllata seguita da un raffreddamento in forno fino a 550°C: questo trattamento permette di conseguire una lavorabilità eccezionale alle macchine utensili per ottenere le dimensioni e le forme richieste. L’ufficio tecnico dell’azienda ha provato ad eliminare la ricottura dal processo produttivo. L’esperimento ha portato ad un pezzo con una durezza che è molto simile a quella del rocchetto trattato ma con una lavorabilità nettamente inferiore: le frese utilizzate, infatti, hanno un forte decremento della vita utile. Si pone allora il problema di indagare il motivo per cui a parità di comportamento meccanico il materiale trattato abbia una lavorabilità così elevata. Il materiale studiato è denominato CGI250 e si tratta di una ghisa sferoidale degradata in vermicolare: si parla quindi di un materiale con caratteristiche intermedie tra la ghisa sferoidale (SGI) e quella vermicolare (CGI). Fig.3 - Micrografie a 100x della microstruttura della ghisa in esame prese in sezioni differenti dello stesso pezzo: a sinistra si nota la maggior densità di particelle grafitiche e la maggiore tendenza alla morfologia sferoidale; a destra invece la nodularità diminuisce a favore della forma vermicolare Dalle analisi micrografiche, infatti, si nota come la grafite si presenta non completamente in forma vermicolare ma con un aspetto sferoidale in diverse - 8 - zone o in forma sferoidale degradata in altre. Questo materiale viene classificato come compacted graphite iron, ma non si tratta esattamente di una ghisa vermicolare, bensì di una ghisa poco conosciuta e studiata. L’analisi di questa tesi, sarà quindi eseguita prendendo in considerazione sia le caratteristiche della ghisa CGI che di quella SGI e tenendo in debito conto il fatto di trovarsi davanti ad un materiale particolare che presenta proprietà e comportamenti intermedi tra la ghisa vermicolare e quella sferoidale. A complicare ulteriormente lo studio vi è la geometria del pezzo, molto complessa e caratterizzata da forti variazioni di spessore, come visibile in Fig.4. Fig.4 – Sezione verticale del rocchetto Il primo passo per analizzare un problema di questo tipo è la caratterizzazione del materiale, sia perché in questo modo è possibile disporre di dati fondamentali per l’analisi, sia perché la ghisa vermicolare è un metallo particolare poco diffuso in fonderia e anche poco studiato nella letteratura tecnica. Se si pensa poi che il materiale utilizzato per i fusi non è pura ghisa vermicolare, ma è una ghisa sferoidale degradata, si possono facilmente comprendere le difficoltà incontrate nella caratterizzazione e nell’inquadramento di questa lega esclusiva. Verranno presi in considerazione sia componenti allo stato as-cast che dopo trattamento. Si inizia quindi con delle prove di trazione per determinare le caratteristiche meccaniche e di deformabilità dei cilindri in analisi. - 9 - Verrà inoltre analizzata la struttura del materiale sia nelle varie zone del rocchetto, sia nei bardotti realizzati per la prova di trazione, concentrando l’attenzione sulla forma dei vermicoli e sulla rilevazione delle percentuali di grafite totale, grafite sferoidale, ferrite e perlite. Altro passo per la caratterizzazione del materiale dopo averne calcolato la macrodurezza, è il test di microdurezza, eseguito per assicurarci che la struttura della matrice abbia le stesse caratteristiche. Saranno realizzate analisi microscopiche per il calcolo della dimensione media del grano cristallino e dello spazio intergrafitico e saranno studiati i pezzi non trattati che hanno mostrato problemi di lavorabilità. Verranno infine effettuati test di avanzamento della cricca per determinare il ∆K e la legge di Paris. th Le prove sono finalizzate a mettere in evidenza le differenze tra la ghisa nello stato as-cast e quella dopo ricottura. Il tutto è coadiuvato da una continua ricerca in letteratura. Nel capitolo seguente si introduce una trattazione generale delle ghise e un’analisi particolare di quella vermicolare e sferoidale, che sono le principali costituenti del materiale in esame. Si concentra poi l’attenzione sui fenomeni fisico-chimici e sui processi industriali che portano alla realizzazione di un getto di ghisa, sui trattamenti termici atti a modificare le proprietà del pezzo ed infine sulle lavorazioni alle macchine utensili che portano il getto ad assumere le dimensioni e la forma desiderate. Dopo aver descritto i passaggi che portano il componente dalla fusione alla finitura, verranno illustrate le analisi di laboratorio ed i test effettuati. - 10 -