Tesi Appiani Andrea

168 Pages·2010·14.68 MB·Italian

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
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Dedicata ai miei genitori
Agostino ed Eliana

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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
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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

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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
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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.
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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
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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.
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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.
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