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Il produttore del compressore ci ha recentemente chiesto di esaminare la fusione di un cilindro che continuava a rompersi in corrispondenza della sede della valvola di scarico dopo circa 8.000 ore di funzionamento. La parte è stata prodotta in ghisa duttile convenzionale e la modalità di guasto combinava la fatica da impatto con l'usura da scorrimento. Questa è esattamente la situazione in cui le fusioni in ghisa sferoidale austemperata meritano uno sguardo attento prima che qualcuno ridisegni il componente in acciaio.
La ghisa duttile austemperata, comunemente chiamata ADI, è ghisa duttile che è stata trattata termicamente per raddoppiare all'incirca la sua resistenza pur mantenendo la libertà di forma di una parte fusa. In molti componenti attualmente realizzati in acciaio forgiato o fabbricato, ADI offre proprietà meccaniche comparabili a un costo inferiore e a un peso inferiore. Questo articolo spiega cos'è l'ADI, come funziona il processo di austempering, quali proprietà puoi specificare e dove dovresti pensarci due volte.
Cos'è la ghisa sferoidale austemperata?
L'ADI inizia come ferro duttile, noto anche come ferro nodulare o ferro a grafite sferoidale. La grafite nella sua struttura forma piccole sfere anziché le scaglie presenti nella ghisa grigia, e quella forma sferica è ciò che conferisce alla ghisa duttile la sua tenacità e allungamento. Se hai bisogno di un ripasso su come viene prodotta la ghisa duttile e in cosa differisce dalla ghisa grigia, questa panoramica della ghisa sferoidale spiega le basi.
Il trattamento di austempering trasforma la matrice metallica attorno a quei noduli di grafite in una struttura chiamata ausferrite. L'ausferrite è una miscela di ferrite aciculare fine e austenite arricchita di carbonio. Non è perlite, non bainite e non martensite temperata. La combinazione di quella matrice dura e resistente alla fatica con i noduli duttili di grafite conferisce all'ADI il suo insolito pacchetto di proprietà.
Un malinteso comune è che l'ADI sia semplicemente un tipo più forte di ghisa duttile. Il materiale di partenza è la ghisa duttile, ma il trattamento termico è ciò che produce i gradi ad alta resistenza. La ghisa duttile convenzionale offre resistenze a trazione comprese tra 400 e 700 MPa; I gradi ADI partono da circa 850 MPa e superano i 1.400 MPa.
Come funziona il processo di austemperatura
L'austempering è un trattamento termico in tre fasi che richiede un controllo molto maggiore rispetto a un tipico ciclo di tempra e rinvenimento.
- Austenitizzazione: il getto viene riscaldato nell'intervallo dell'austenite, solitamente da 830 a 930 ° C, e mantenuto fino a quando la matrice è completamente austenitica.
- Tempra: il getto viene trasferito rapidamente in un bagno di sali fusi mantenuto a una temperatura compresa tra 230 e 400 °C. Il bagno di sale raffredda la parte abbastanza velocemente da prevenire la formazione di ferrite o perlite, ma abbastanza uniforme da ridurre al minimo la distorsione.
- Trasformazione isotermica: il getto viene mantenuto alla temperatura del bagno di sale per un tempo definito mentre l'austenite si trasforma in ausferrite.
Il bagno di sali fusi è ciò che rende pratico il processo. La tempra in acqua è troppo aggressiva per le fusioni complesse e il raffreddamento ad aria è troppo lento per la maggior parte delle sezioni. Il sale fornisce una velocità di raffreddamento uniforme e controllabile. Dopo la tenuta isotermica, il getto viene rimosso e raffreddato a temperatura ambiente.
La temperatura del bagno salino ha un effetto diretto sulla qualità finale. Temperature più basse, circa da 230 a 315 °C, producono maggiore resistenza e durezza con minore duttilità. Temperature più elevate, circa da 315 a 400 °C, producono maggiore tenacità e allungamento. La stessa fusione di base può essere austemperata a diversi gradi semplicemente regolando il trattamento termico.
Proprietà meccaniche dei getti ADI
Le proprietà ADI sono standardizzate a livello internazionale, più comunemente secondo ASTM A897/A897M. La designazione del grado contiene tre numeri: resistenza alla trazione, resistenza allo snervamento e percentuale di allungamento. La tabella seguente riassume i gradi standard ADI.
| Grado | Resistenza alla trazione | Forza di rendimento | Allungamento | Durezza |
|---|---|---|---|---|
| 900-650-10 | 900 MPa (130 ksi) | 650 MPa (94 ksi) | 10% | 269-331 HB |
| 1050-700-7 | 1.050 MPa (152 ksi) | 700 MPa (102 ksi) | 7% | 302-375HB |
| 1200-850-4 | 1.200 MPa (174 ksi) | 850 MPa (123 ksi) | 4% | 341-401 HB |
| 1400-1100-1 | 1.400 MPa (203 ksi) | 1.100 MPa (160 ksi) | 1% | 388-477 HB |
| 1600-1300-1 | 1.600 MPa (232 ksi) | 1.300 MPa (189 ksi) | 1% | 402-512HB |
Cosa significano in pratica questi numeri: un grado 900-650-10 si comporta come un ferro strutturale tenace con una resistenza ben superiore alla ghisa duttile convenzionale. Un grado 1400-1100-1 si comporta più come una parte soggetta ad usura che trasporta anche un carico significativo.
ADI ha anche ottime prestazioni a fatica. La matrice ausferritica resiste all'innesco di cricche e le tensioni residue di compressione lasciate dall'austemperatura migliorano la resistenza alla fatica da flessione. Nel complesso, l'ADI si confronta favorevolmente con gli acciai al carbonio e bassolegati bonificati, il che lo rende un candidato per componenti in cui la forgiatura o la fabbricazione dell'acciaio è attualmente l'impostazione predefinita.
Applicazioni di getti in ghisa sferoidale austemperata
L'ADI è presente nelle trasmissioni automobilistiche, nelle attrezzature agricole, nei macchinari minerari, nei componenti ferroviari e nella movimentazione dei fluidi industriali. Il filo conduttore è una parte che trasporta carico, è soggetta a fatica o usura e trae vantaggio dal fatto di essere una fusione piuttosto che una saldatura o una forgiatura.
Componenti del compressore
I compressori impongono cicli di pressione, contatti striscianti ed elevate sollecitazioni locali. Cilindri, basamenti, piastre delle valvole e sedi di scarico necessitano di un materiale che non si usuri, non si sfreghi o non si crepi per decine di migliaia di ore. I getti dei cilindri ADI beneficiano della combinazione di durezza della superficie del foro e capacità di pressione. Una fonderia che già produce getti di cilindri per compressori nella ghisa sferoidale possiede la conoscenza di base dei materiali necessaria per valutare una versione austemperata per un'applicazione gravosa.
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Le pompe e le valvole devono affrontare l'erosione da cavitazione, i mezzi abrasivi e i requisiti di mantenimento della pressione. L'elevata durezza dell'ADI resiste alla cavitazione e all'erosione delle particelle meglio della ghisa duttile standard, mentre la duttilità dei gradi inferiori mantiene la parte sicura sotto carichi di picco. Giranti, anelli di usura e corpi valvola sono candidati naturali. Per fusioni del corpo pompa nel servizio ad alta prevalenza o con fanghi, la specifica di un grado austemperato può prolungare significativamente la durata di servizio.
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I sistemi di guida delle macchine utensili e i componenti strutturali necessitano di superfici rigide, smorzanti e resistenti all'usura. La ghisa duttile austemperata offre una durezza maggiore rispetto alla ghisa convenzionale, pur mantenendo le caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni che rendono la ghisa preziosa nelle macchine utensili. Guide di scorrimento, slitte e getti di basi per macchine utensili può essere prodotto con la forma quasi netta di una fusione e poi rettificato o raschiato fino alla geometria finale.
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ADI non è automaticamente la risposta giusta per ogni casting. Il trattamento termico aggiunge costi e il costo aggiuntivo deve essere giustificato.
Riduzione del peso
Poiché l'ADI è circa due volte più resistente della ghisa duttile convenzionale, le sezioni possono essere rese più sottili. Riduzioni di peso dal 20 al 30% sono realistiche quando una parte esistente in ghisa sferoidale viene riprogettata in ADI. Quando si sostituisce una struttura in acciaio, il costo per chilogrammo di ADI è inferiore e si risparmia la saldatura e la lavorazione post-saldatura richieste da una saldatura in acciaio.
Lavorazione dopo austemperatura
Il ferro austemperato è duro, tipicamente 300 HB e oltre. La foratura, maschiatura e fresatura dopo il trattamento termico richiede utensili in metallo duro e aumenta i costi di lavorazione. Molti produttori lavorano il pezzo allo stato di ghisa sferoidale e poi lo austemperano come fase quasi finale. Funziona quando il trattamento termico non distorce la parte oltre la tolleranza. Se la lavorazione deve avvenire dopo l'austempring, mantenere le sovrametalli piccole e pianificare attrezzature più dure.
Dimensioni della sezione e sensibilità del processo
La risposta di austempering dipende dallo spessore della sezione. Le sezioni pesanti possono raffreddarsi troppo lentamente al centro, producendo una struttura mista con proprietà inferiori a quelle indicate dal coupon di prova. Lo spessore uniforme delle pareti e le transizioni fluide ti proteggono da questo rischio. La tua fonderia dovrebbe confermare che il grado scelto può essere ottenuto nella sezione più spessa del pezzo.
Verifica della qualità
Le proprietà ADI non possono essere verificate mediante la sola misurazione della durezza. I campioni di prova dello stesso calore, le prove di trazione, la valutazione metallografica e le indagini sulla durezza attraverso la fusione costituiscono la normale suite di verifica. Se un fornitore non è in grado di fornire tale documentazione, trattare le specifiche del materiale con cautela. La fase del trattamento termico è quella in cui si crea o si perde la qualità ADI.
Collaborare con una fonderia che conosce la ghisa sferoidale
Il casting di base determina quanto lontano può portarti l'austempering. La qualità della fusione, la nodularità, il controllo del ritiro e la composizione chimica coerente vengono tutti stabiliti in fonderia prima che la parte raggiunga un bagno di sale. È qui che una fonderia dedicata di ghisa sferoidale aggiunge valore.
Haian Aoyu Machinery Manufacturing Co., Ltd. è una fonderia di ghisa duttile e ghisa grigia con sede a Nantong, in Cina, che fornisce getti di compressori, pompe, valvole e macchine utensili a clienti in Nord America, Europa e Asia. Con una capacità annua di 20.000 tonnellate, l'azienda produce esattamente le famiglie di componenti in cui l'ADI viene applicata più frequentemente, compresi corpi e cilindri di compressori, corpi di pompe e basi di macchine utensili. Il suo team di ingegneri esamina le condizioni di carico e gli ambienti di servizio su ogni progetto, il che rende la fase di preventivo il momento giusto per chiedere se un grado austemperato merita di essere preso in considerazione.
Quando ti rivolgi a una fonderia per informazioni su ADI, porta tre cose: la storia completa del carico del pezzo, il meccanismo di usura previsto e le tolleranze dimensionali che devono sopravvivere al trattamento termico. Molti componenti attualmente realizzati con ghisa duttile convenzionale o forgiati di acciaio potrebbero essere prodotti come getti di ghisa duttile austemperata. Il materiale è stato testato nella produzione per decenni e l'unico modo per sapere se è adatto al tuo componente è discuterne con una fonderia che comprenda il processo.
