Proprietà statiche delle ghise ADI e IDI

I componenti strutturali meccanici vengono spesso progettati considerando i carichi statici e ciclici in termini di massima sollecitazione equivalente non superiore allo snervamento convenzionale Rp0.2. Il processo di progettazione di un componente meccanico inizia, tuttavia, solo dopo l’individuazione del materiale idoneo, ed è quindi fondamentale che il progettista abbia a disposizione tutti i dati di cui necessita.

Come per le ghise sferoidali, anche le ghise ADI si differenziano in base ai gradi, che servono per distinguere le ghise in funzione del loro livello di resistenza. I gradi ADI JS/800-10 (Rp0.2 = 500 Mpa), ADI JS/900-8 (Rp0.2 = 600 Mpa) e ADI JS/1050-6 (Rp0.2 = 700 Mpa), per le loro caratteristiche meccaniche e l’ottima lavorabilità, risultano interessanti per realizzare componenti come:

  • Bracci sospensione e fusi a snodo per sistemi sospensione per veicoli on-road e veicoli off-road
  • Corpi riduttore e portasatelliti a uno, due o tre piani per riduttori epicicloidali per impianti eolici e industriali
  • Scatole differenziali e assali sistemi di trasmissione per mietitrebbie e trattori;
  • Ruote motrici e ruote folli per il sottocarro
  • Attacchi rapidi e sistemi di aggancio per il settore agricolo e forestale.

Quando si parla di applicazioni strutturali il campo è molto ampio sia in termini di applicazioni, sia di settori di mercato.

Il grado ADI JS1200/3 è un grado che si posiziona nella zona di mezzo tra impieghi a fatica e impieghi a usura.

Negli anni sono stati realizzati:

  • Corazze e martelli per il settore minerario
  • Lame per impieghi forestali, vista l’ottima resistenza all’usura abbinata ad un buon comportamento a fatica
  • Componenti dentati per sistemi di trasmissione o sistemi di ammortizzazione (scatole e coperchi) per carrelli ferroviari.

I gradi ADI JS/1400-1 (Rp0.2 = 1100 Mpa), ADI HBW400 (Rp0.2 = 1100 Mpa) e ADI HBW450 (Rp0.2 = 1400 Mpa) vengono tipicamente scelti per applicazioni dove è richiesta un’ottima resistenza all’usura come per:

  • Piastre di protezione
  • Corazze e martelli
  • Ruote motrici per il sottocarro.

Il grado IDI 800-6 (Rp0.2 = 480 MPa), particolarmente adatto all’impiego per la fabbricazione di getti per i quali sia desiderata una favorevole combinazione di resistenza e duttilità, è ottimale soprattutto sui grandi spessori e quando non è possibile mantenere una sufficiente uniformità degli stessi.

L’assenza di perlitizzanti e l’ottenimento della struttura mediante trattamento termico consentono, infatti, di avere caratteristiche meccaniche uniformi al variare dello spessore di parete. Modulando il contenuto di silicio (nel range normalmente ammesso per le ghise sferoidali ferritiche) è possibile ottimizzare resistenza o duttilità.

Figura 1

ADI – Minimum values from international standard ISO17804:2020 (separately cast samples)
IDI – Zanardi Database (separately cast samples)
Tensile test according to standard EN ISO 6892-1:2009, specimen diameter Φ14 mm; Brinell hardness test according to standard EN ISO 6506-1:2014.

Figura 2

Resilienza

E’ stato proposto che la differenza di energia assorbita durante il test di resilienza tra le due famiglie di materiali consista nello “Shear Lips Advantage” degli acciai, in uno stato di tensione piana sulle superfici esterne della provetta di resilienza per una estensione maggiore di quella che caratterizza le ghise sferoidali.

Da tale concetto, si può evincere che la principale differenza tra ghise sferoidali e acciai risiede nel comportamento post necking, dove gli acciai comuni mostrano una marcata strizione, a differenza delle ghise sferoidali dove risulta impedita dalla presenza degli sferoidi.

Pertanto, la resilienza delle ghise non è confrontabile con quella degli acciai per il differente comportamento della frattura in condizioni di tensione piana; la resilienza è pertanto applicabile all’interno della stessa famiglia di materiali. Oltre a quanto descritto, la resilienza è utile per determinare la temperatura di transizione duttile-fragile e rappresenta un valido strumento per il controllo di processo.

Figura 3

Per quanto riguarda le ghise sferoidali austemperate ADI, i progettisti possono considerare che in aggiunta all’elevato livello di resistenza offerto, la temperatura di transizione duttile-fragile è molto bassa grazie alla matrice ausferritica.

Passando alle ghise IDI, rispetto ad una ghisa perlitico-ferritica di pari resistenza, offrono una duttilità moderatamente più elevata ed anche più stabile al variare della temperatura. Modulando il contenuto di silicio (nel range normalmente ammesso per le ghise sferoidali ferritiche) è possibile ottimizzare resistenza o duttilità: a basso tenore di silicio si ottiene la migliore resistenza all’impatto, anche se non ai livelli delle ADI800-10, ADI900-8 e ADI1050-6; all’aumentare del tenore di silicio, aumenta la resistenza a scapito della duttilità.

Figura 3

Zanardi experimental database (separately cast samples).
Impact test according to standard UNI EN ISO148-1:2016; specimen’s size 10 x 10 x 55 mm un-notched, striker radius R2 mm, initial energy 450 J. The impact test shall be carried out on four unnotched test pieces; the lowest impact energy value shall be discarded, and the average of the three remaining values shall be used, according to ISO 17804:2020. Same procedure is used for IDI.

Resistenza all’usura

Tra le ghise sferoidali, il materiale che meglio si presta per applicazioni ad usura è la ghisa ADI: tutte le ghise sferoidali austemperate offrono un sensibile miglioramento della resistenza a usura se confrontate con le ghise convenzionali ed anche con la ghisa IDI, in particolare gli alti gradi.

Tabella 3

Minimum values from international standard ISO17804:2020 (separately cast samples).
Tensile test according to standard EN ISO 6892-1:2009, specimen diameter Φ14 mm; Brinell hardness test according to standard EN ISO 6506-1:2014.

La presenza di austenite residua porta, infatti, un’ulteriore caratteristica molto importante alle ghise ADI: essa può essere sottoposta alla cosiddetta “trasformazione indotta da stress in esercizio” quando sottoposta ad elevati sforzi normali.

Trasformazione indotta da stress in esercizio nelle ghise ADI

Questa trasformazione, che consente alle ghise ADI di ottenere una notevole resistenza all’usura, è più efficace di un semplice indurimento. La trasformazione, infatti, avviene con aumento localizzato di volume, che causa uno stato di compressione superficiale nell’area interessata. La possibile formazione e crescita di cricche viene così inibita e la resistenza a fatica del materiale aumenta.

Le ghise ADI esibiscono una resistenza a usura migliore rispetto agli acciai con struttura martensitica di pari durezza.
Gli impieghi prevalenti riguardano sistemi tribologici in cui il processo di usura è costituito dall’abrasione (i.e componenti sottocarro come sprocket, martelli per mulini, corazze) oppure da strisciamento-rotolamento (i.e ingranaggi, sistemi camma-punteria).

Nel primo caso, tipicamente, prevale l’aspetto della durezza ed in certa misura della resistenza all’impatto (≥ ADI1400).
Nel secondo caso, oltre alla resistenza a usura, sono richieste anche elevata resistenza fatica e buona lavorabilità (ADI800-ADI1050-ADI1200); l’ottima resistenza a usura per strisciamento-rotolamento è ottenuta anche grazie al ruolo dei noduli di grafite, i quali si comportano come lubrificante solido interponendosi tra i corpi a contatto, riducendo l’attrito e contemporaneamente il coefficiente d’usura.

La caratterizzazione del processo di usura per abrasione può essere condotta mediante PAT (Pin Abrasion Test), ed è in grado di riprodurre in modo attendibile il meccanismo di usura abrasiva in differenti condizioni di carico, velocità relativa tra i corpi e durata.

Figura 3

Nel nostro caso sono state condotte prove con lo scopo di comparare differenti materiali, anche competitor, nelle seguenti condizioni:

  • Secondo standard ASTM G132-96;
  • Condizioni di prova: pin (materiale da testare) φ 8mm, disco abrasivo ZrO P100, raffreddamento con acqua, velocità media di strisciamento 1,05 m/s, carico 0.7 Mpa;
  • Resistenza a usura relativa secondo la definizione:

Equazione 2

dove W rappresenta il tasso di usura di materiale perso.
E’ stato assunto come materiale di riferimento la ghisa Ni-Hard (Wr=100%). I risultati in termini di resistenza a usura relativa sono riportati nella seguente figura.

Figura 2

La caratterizzazione del processo di usura per strisciamento-rotolamento può essere condotta in modo attendibile mediante test disc on disc (che si effettua con due dischi che rotolano e strisciano uno sull’altro a velocità diverse per riprodurre le condizioni di esercizio tipiche degli ingranaggi), con i dischi sia lubrificati sia a secco (l’attrito e l’usura dei componenti a contatto dipendono fortemente dallo stato di lubrificazione).

In presenza di lubrificazione, è possibile riprodurre fenomeni di fatica di contatto (pitting) tipici dell’ingranamento di ruote dentate in corrispondenza del diametro primitivo (si rimanda all’allegato #zz).
Nel nostro caso, operando a secco è possibile analizzare al meglio il ruolo della microstruttura nel comportamento a usura di differenti materiali replicando i meccanismi di usura adesiva e tribossidativa (allegato #y).

Per i campioni lavorati meccanicamente dopo il trattamento termico (ADI 800, ADI 1050 e IDI) il meccanismo di usura è l’adesione. Poiché nelle condizioni a secco l’usura è, di solito, moderata quando il meccanismo è la tribo-ossidazione, sono stati indagati campioni realizzati con processo differente (trattamento termico alla fine delle lavorazioni meccaniche) in modo da avere uno strato di ossido superficiale capace di favorire l’usura tribo-ossidativa moderata (ADI 1200- ADI 1400-ADI WR2).

La prova a usura di rotolamento-strisciamento a secco è stata eseguita con l’ausilio di un tribometro (Universal tribometer mod. Amsler A135) in configurazione disco contro disco.

Figura 6

Le condizioni di prova riprodotte sono rappresentate in figura 7.

Figura 7

I risultati ottenuti in termini di tasso di usura mostrano che le ghise ADI di basso grado (Upper ADI, ADI800-10, ADI900-8 e ADI1050-6) hanno un comportamento a usura migliore, anche dell’acciaio nitrurato competitor, con tassi di usura assai bassi. Le ghise “ossidate” invece mostrano un comportamento peggiore (e più diversificato ma tipico dell’usura tribossidativa moderata) dell’acciaio.

Le ghise ADI 800 e ADI 1050 (ed anche la ghisa IDI) si usurano attraverso un meccanismo di adesione ottenendo valori del
tasso di usura minori ad ogni carico applicato; il merito sta nello sviluppo di uno strato tribologico chiamato “Mechanically Mixed Layer” e nell’azione lubrificante dei noduli di grafite che abbassa il coefficiente d’attrito.

Figura 8. Andamento del tasso di usura in funzione del carico applicato

Figura 9. Mechanically Mixed Layer

Si può notare la formazione di uno strato superficiale per via dell’intensa deformazione plastica nella zona di contatto. Lo strato tribologico in questione viene appunto chiamato MML (mechanically mixed layer). Si ritiene che l’MML si formi al raggiungimento di una deformazione critica, alla quale si innescano moti turbolenti di materiale promossi dall’effetto di taglio intenso realizzando una sorta di protezione ad elevata durezza.

I campioni inizialmente ossidati a causa del trattamento termico effettuato successivamente alla lavorazione meccanica, si usurano per frantumazione dello strato ossidato. All’aumento di durezza del materiale, consegue una diminuzione della duttilità che non rende più possibile la formazione dello strato tribologico duro protettivo MML.

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