Microstrutture della ghisa in competizione

Le caratteristiche applicative delle ghise dipendono dalla loro microstruttura, che si sviluppa e si stabilizza in maniera dipendente dalla composizione, dalle condizioni di raffreddamento imposte dal processo, dall’effettuazione di alcune operazioni tecnologiche come l’inoculazione e la sferoidizzazione, da eventuali trattamenti termici. In alcuni casi, si assiste a una vera e propria competizione tra differenti tipi di microstrutture.

Al momento della solidificazione eutettica, alla struttura austenitica possono abbinarsi la grafite (il risultato che quasi sempre si desidera ottenere) o la cementite (solo in alcuni specifici tipi di ghise). La grafite, inoltre, può assumere differenti morfologie (sferoidale, compatta, lamellare), che influenzano significativamente il comportamento finale della ghisa.

Al momento della decomposizione dell’austenite, a temperature nell’ordine dei 740 °C, possono formarsi costituenti microstrutturali quali la ferrite o la perlite (o entrambe), determinate dalla composizione specifica.

Infine, nel corso del trattamento termico di austempering, in cui l’obiettivo è generare la struttura ausferritica, bisogna evitare la formazione di carburi e di strutture di tipo bainitico.

Solidificazione e struttura eutettica: cementite e grafite

Nella solidificazione eutettica di un sistema Fe-C, possono prodursi la struttura eutettica stabile (austenite + grafite, alla temperatura nominale di 1153 °C), o la struttura eutettica metastabile (austenite + cementite, alla temperatura nominale di 1147 °C).

In realtà, tali strutture non si formano alla temperatura nominale, ma a una temperatura inferiore, determinata dalla cinetica di trasformazione e valutabile in termini di sottoraffreddamento.

L’eutettico stabile, il cui meccanismo di solidificazione è piuttosto complesso (poiché richiede la formazione di zone costituite da solo carbonio), necessita di un elevato sottoraffreddamento. L’eutettico metastabile è invece più “facile” a formarsi, ed è associato a un sottoraffreddamento di pochi gradi centigradi. In assenza di azioni esterne, la solidificazione di una ghisa è quindi associata alla formazione di un eutettico metastabile.

Questo scenario può però essere cambiato da vari fattori, fra cui:

  • La presenza, nella composizione della ghisa, di elementi grafitizzanti (come in particolare il silicio), in grado di innalzare la temperatura nominale dell’eutettico metastabile;
  • Un raffreddamento lento, che favorisce l’aggregazione di zone ricche di carbonio;
  • Il trattamento di inoculazione, che consiste nell’inserire nella ghisa liquida delle polveri fini di sostanze in grado di agire da “piattaforma” per la nucleazione della grafite.

Austenite

L’austenite è la soluzione solida del carbonio nella struttura cubica a facce centrate del ferro. Per effetto delle caratteristiche geometriche di tale reticolo e delle dimensioni atomiche di ferro e carbonio, la solubilità del carbonio stesso nell’austenite è piuttosto elevata, raggiungendo, nelle condizioni di temperatura più favorevoli, valori di poco superiori al 2% in peso.

Nelle ghise ipo-eutettiche, l’austenite è la prima fase a solidificare. In ogni caso, l’austenite è uno dei costituenti strutturali che si formano nella solidificazione eutettica (sia stabile che metastabile) delle ghise.

In corrispondenza della temperatura eutettoidica, l’austenite cessa di essere stabile e si trasforma generando, a seconda delle condizioni, ferrite o perlite, oppure entrambe.

Un raffreddamento veloce può consentire la presenza di austenite anche al di sotto della temperatura eutettoidica: in questo caso, un trattamento isotermo (o “isotermico”), a temperatura costante e opportunamente definita può portare alla formazione di ausferrite.

Ferrite e Perlite

In corrispondenza della temperatura eutettoidica, la fase austenitica non è più in condizioni di stabilità termodinamica, e tende quindi a trasformarsi. Tale trasformazione determina inizialmente la formazione di ferrite (che tende a nucleare e a svilupparsi all’interfaccia tra la grafite e la stessa austenite) e la liberazione di carbonio, che si deposita sulla grafite pre-esistente.

In un secondo momento, quando la ferrite ha “circondato” la grafite, diviene molto più agevolata dal punto di vista cinetico la formazione di perlite, cioè di una struttura a lamelle alternate di ferrite e cementite. L’evoluzione della decomposizione dell’austenite verso una struttura ferritica o perlitica o mista dipende dalla composizione della ghisa (il silicio è un elemento ferritizzante; rame e stagno sono elementi perlitizzanti) e dalla velocità di raffreddamento (se è elevata, viene favorita la formazione di perlite).

Una ghisa sferoidale a matrice ferritica presenta buone caratteristiche di duttilità, una a matrice perlitica si caratterizza per una maggiore resistenza. Controllare nella matrice le quantità di ferrite e perlite, significa essere in grado di modulare le caratteristiche di resistenza e duttilità della ghisa.

Ausferrite

La cosiddetta struttura ausferritica si sviluppa nel corso del trattamento di austempering. Alle temperature di austempering (indicativamente comprese tra 250 e 400 °C) l’austenite non è stabile e tende a trasformarsi. Il primo risultato della trasformazione è lo sviluppo di ferrite aciculare e l’arricchimento in carbonio da parte dell’austenite non ancora trasformata.

La struttura così descritta (aghetti di ferrite intimamente miscelati con una matrice di austenite ricca di carbonio) prende il nome di ausferrite. Tale struttura presenta una eccellente combinazione di tenacità e resistenza e conferisce alla ghisa caratteristiche meccaniche del tutto confrontabili a quelle dei migliori acciai.

Se il trattamento isotermo prosegue, l’eccesso di carbonio nell’austenite porta progressivamente alla formazione di carburi di ferro e a una attenuazione delle caratteristiche meccaniche e di tenacità.

Partners progetto Zanardi Academy