Cos’è la ghisa sferoidale isotermata (IDI)

Le ghise sferoidali ferritico – perlitiche sono caratterizzate da una significativa sensibilità allo spessore, il quale determina la velocità di raffreddamento nella forma dopo la solidificazione, quindi la durezza e le proprietà meccaniche.

Nel caso della ghisa sferoidale isotermata (IDI), una struttura austenitica in equilibrio con una frazione ferritica (ciò si ottiene con un’austenitizzazione nell’intervallo intercritico), raffreddata molto più velocemente di quanto non accade ad esempio nella forma in terra (minuti anziché ore), provoca una trasformazione dell’austenite in perlite caratterizzata da una significativamente minore sensibilità allo spessore e da una favorevole interconnessione con la fase ferritica (grazie alla ridotta mobilità del carbonio imposta dal veloce raffreddamento).

La ghisa IDI è quindi particolarmente adatta all’impiego per la fabbricazione di getti di spessore significativo e non uniforme, per i quali sia desiderata una favorevole combinazione di resistenza e duttilità.

Particolarità della ghisa isotermata (IDI)

Il termine “isotermata” (isothermed) è un neologismo che deve essere mantenuto distinto nel suo significato dal termine “isotermica” (isothermic).

Una trasfomazione isotermica avviene, per definizione, a temperatura costante (è il caso dell’austempering delle ADI). Il significato da attribuire al termine “isotermata” è quello di una trasformazione strutturale che avviene in regime di raffreddamento continuo (continuous cooling) imposto dalla immersione rapida del getto in un bagno di sale a temperatura costante superiore alla temperatura di trasformazione martensitica.

La temperatura del sale è isotermica, ma non quella del getto durante la trasformazione, la cui velocità di discesa è imposta dal sale e guidata dallo spessore del getto.

Il profilo termico in tutti i punti del getto (temperatura vs tempo) è identico a quello che si avrebbe nel caso di un trattamento di austempering.

Ciò che cambia è il fatto che, nel caso della IDI, il getto non contiene leganti, quindi attraversa il naso perlitico e giunge finalmente all’equilibrio con la temperatura del sale quando la struttura austenitica di partenza è già stata trasformata in perlite.

Tempra in bagno di sale

Caratteristiche microstrutturali della ghisa sferoidale isotermata (IDI)

A riguardo delle caratteristiche microstrutturali della ghisa sferoidale isotermata (IDI) è bene sottolineare che, la fase di austenitizzazione si compie ad una temperatura all’interno dell’intervallo intercritico (tra AC1 e AC3), come accade con le ghise ADI intercritiche (ad esempio SAE J 2477 AD750), e prima della tempra la struttura è composta da austenite e ferrite proeutettoide.

Attraversando il naso perlitico, l’austenite si trasforma in perlite, mentre la ferrite proeutettoide rimane intrasformata.

Nel caso di getti di basso spessore, la velocità di raffreddamento imposta dal sale potrebbe essere sufficientemente elevata da evitare il naso perlitico, anche se il getto non è stato addizionato di leganti.

Su tali spessori potremmo ritrovare strutture ausferritiche, avvenendo la trasformazione alla temperatura isotermica del bagno di sale (come accade nell’austempering).

In ogni caso, è evitata la formazione di martensite, essendo la temperatura del bagno di sale superiore a quella di trasformazione martensitica (Ms).

Questa è la ragione principale per la quale le ghise IDI sono adatte per getti di spessore sufficientemente elevato ed anche non uniforme.

La struttura che si ottiene è una miscela di ferrite e perlite. La distribuzione delle fasi si differenzia da quella tradizionale delle ghise sferoidali grezze di fusione per il maggior grado di affinazione e l’inedita interconnessione tra le fasi stesse.

Questa struttura è denominata “perferritica”: un neologismo coniato per riassumere la natura perlitico-ferritica del materiale con una previsione di migliori caratteristiche rispetto alle tradizionali ghise perlitico-ferritiche. La struttura perferritica, grazie all’interconnessione delle fasi, evoca una valutazione di maggior perfezione strutturale.

IDI – Matrice Perferritica (×200)

Caratteristiche meccaniche della ghisa sferoidale isotermata (IDI)

Il comportamento meccanico delle ghise IDI è simile per natura a quello delle ghise sferoidali perlitico-ferritiche, trattandosi in tutti i casi di strutture basate sulla fase alfa (cubica a corpo centrato), però con un apprezzabile miglioramento dell’indice di qualità (Rm2, A5), grazie all’affinamento ed alla interconnessione delle fasi che aumentano la resistenza (Rm2, Rp0,2) a parità di allungamento (A5) garantito dalla frazione ferritica.

Poiché il bagno di sale impone un drastico raffreddamento del getto, sono attenuate le differenze nelle velocità di raffreddamento in corrispondenza di differenti spessori, quindi sono attenuate anche le differenze nelle microstrutture e conseguentemente nelle caratteristiche meccaniche, per le quali la causa di differenziazione principale potrebbe attribuirsi alle differenti nodularità piuttosto che alla velocità di raffreddamento.

Possible microstructure evolution with different cooling rates

Table 1 – Proprietà statiche

Table 2 – Resilienza provetta senza intaglio

Caratteristiche di impiego delle ghise sferoidale isotermate (IDI) e confronto con le ghise ADI

Le ghise sferoidali isotermate trovano impiego in diversi ambiti e applicazioni. Uno tra i più vantaggiosi è associato a getti di spessore sufficientemente elevato, soprattutto in presenza di importanti disuniformità dimensionali.

Nel caso di getti in parete sottile ed uniforme (tipicamente getti automotive come le scatole differenziale) è più vantaggioso ottenere buoni risultati con processi di fonderia as cast di qualità (Fiat 52215 Gh 60.38.10, +GF+ SiBoDur).

Volendo ottenere le migliori possibili prestazioni per getti di spessore non eccessivo, il golden standard è evidentemente rappresentato dall’applicabile grado di ghisa sferoidale austemperata (ADI).

I getti in ADI incontrano tuttavia una limitazione in relazione allo spessore del getto.

Infatti, aumentando la quantità di leganti necessaria per evitare il naso perlitico, aumentano proporzionalmente i costi di produzione, introducendo allo stesso tempo cause di peggioramento delle caratteristiche meccaniche dovute alla segregazione di detti elementi, vuoi per l’elevato tenore, vuoi per la distanza tra gli sferoidi.

Le ghise IDI non presentano questo tipo di limitazione, trovandosi anche nelle migliori condizioni per l’ottenimento di un getto sano allo stato grezzo di fusione (ferritico).

In questo modo, aumentando lo spessore del getto ed eventualmente anche la disuniformità tra gli spessori, si riduce la convenienza all’impiego di ghise ADI ed aumenta la convenienza di impiego delle ghise IDI.

Nel confronto tra le varie opzioni di scelta dei materiali e dei processi, è necessario evitare illusioni. Ad esempio: aumentare la temperatura di austenitizzazione nelle ADI, riducendo in questo modo la necessità di leganti, non risolve correttamente i problemi, anche se, apparentemente, nella prova di trazione sono rispettate le specifiche. Infatti, potrebbero verificarsi zone di austenite instabile, con pregiudizio per la lavorabilità e per alcune situazioni di sollecitazione.

È necessario anche allontanarsi dall’idea che le ghise sferoidali ad alto silicio costituiscano la moderna soluzione efficiente: ciò che appare nella prova di trazione uniassiale non è rappresentativo del comportamento in condizioni di triassialità dello stato di sforzo.

Di seguito, un esempio di applicazione in IDI prodotta da Zanardi Fonderie S.p.a.:

Componenti per motore idraulico

Settore: Industriale
Applicazione: Motore idraulico
Corpo distributore