Grafite a pezzi grossi nelle fusioni di ghisa sferoidale: perché si forma e come le fonderie la prevengono

Grafite a pezzi grossi nelle fusioni di ghisa sferoidale: perché si forma e come le fonderie la prevengono

Un basamento macchina in ghisa sferoidale con pareti prossime ai 200 mm lascia alla fonderia un aspetto perfetto: superfici pulite, dimensioni solide, durezza normale. Mesi dopo, un campione lavorato dal centro della parete più spessa testa un allungamento del 3-4% invece del 10% promesso dalla qualità, oppure si apre una fessura da fatica accanto alla sede del cuscinetto. Sezionando la fusione in quel punto, la grafite apparirà sbagliata: invece di noduli rotondi discreti, il microscopio mostra grappoli di particelle collegate a forma di corallo, racchiuse tra i bracci dei dendriti. Si tratta di grafite grossa e il materiale è stato compromesso prima che la parte trasportasse un carico.

La versione breve: La grafite grossa è il difetto caratteristico della ghisa duttile a sezione pesante . Si forma dove la solidificazione è più lenta, prospera su alto contenuto di silicio, alto contenuto di carbonio equivalente e terre rare residue e danneggia l'allungamento e la resistenza alla fatica molto più di quanto la durezza possa mai rivelare. Entrambe le precondizioni – un punto caldo a raffreddamento lento e una chimica permissiva – possono essere eliminate, il che lo rende uno dei difetti più controllabili che una fonderia deve affrontare. Ciò che segue copre il difetto stesso, il danno che provoca e le contromisure che bloccano la produzione.

Cos'è in realtà la grafite grossa

La grafite grossa non è un'inclusione estranea o una cavità da ritiro. Si tratta di una morfologia della grafite: il carbonio che avrebbe dovuto essere congelato in noduli sferici isolati cresce invece come particelle aggregate e interconnesse che al microscopio sembrano esplose o vermicolari. Appare in grappoli o in posizioni interdendritiche, e ad uno sguardo casuale può essere confuso con la grafite di tipo D dei ferri a parete sottile, sebbene appartenga a sezioni pesanti, raffreddate lentamente, non a pareti sottili a congelamento rapido.

Due abitudini rendono facile non notarlo. Innanzitutto, si concentra nel centro termico di una sezione pesante - l'ultimo metallo a solidificarsi - mentre la forma di grafite sulla pelle e nei pezzi di routine può sembrare perfettamente normale. In secondo luogo, su una superficie lavorata o fratturata si manifesta solo come uno scurimento localizzato, una macchia grigia sfocata che è facile da interpretare erroneamente come una macchia o un problema di alimentazione. Quando è evidente una frattura, la grafite connessa ha già costruito una rete di percorsi di crepe già pronti.

Se hai bisogno prima di un ripasso, il ns introduzione in linguaggio semplice alla ghisa sferoidale copre come il materiale differisce dalla ghisa grigia.

Perché le sezioni pesanti e il raffreddamento lento lo innescano

La variabile di controllo è il tempo di solidificazione locale. In una parete di 25 mm la reazione eutettica termina rapidamente ed ogni nodulo si sviluppa autonomamente fino a formare una sfera. Nel nucleo della colonna di una macchina o nel mozzo del basamento di un compressore, la stessa reazione può durare molte volte più a lungo e le particelle di grafite sospese nell'ultimo liquido tra le celle eutettiche si collegano e crescono come un aggregato invece di rimanere separate. Il difetto si manifesta esattamente dove l'esperienza lo prevede: nelle giunzioni dei muri, nelle sporgenze spesse, sotto la sabbia dell'alimentatore.

La chimica decide se quel lento raffreddamento può causare danni. Tre fattori di composizione emergono costantemente. Il silicio è quello dominante: il difetto è raro intorno al 2% di silicio e la sua incidenza sale rapidamente verso e oltre il 3%, il che è uno dei motivi per cui i ferritici rinforzati con soluzioni ad alto contenuto di silicio richiedono particolare attenzione nelle sezioni pesanti. Un equivalente ad alto contenuto di carbonio aggiunge esposizione. Le terre rare sono più sottili: cerio e lantanio sono necessari in piccole quantità per una robusta reazione nodulare, ma i residui intermedi sono ripetutamente collegati alla grafite grossa in lastre e barre pesanti.

La grafite grossa non porta sfortuna. È ciò che fa il ferro duttile quando il raffreddamento lento incontra una chimica permissiva – ed entrambe le variabili possono essere gestite.

Il danno che provoca alle proprietà meccaniche

Le perdite non sono uniformi e questa asimmetria è ciò che rende pericoloso il difetto. La durezza si sposta appena, perché la matrice metallica è sostanzialmente invariata. La resistenza alla trazione in una zona interessata diminuisce in genere di circa il 10-20%. L’allungamento viene colpito molto più duramente: perdite della metà o più vengono comunemente riportate quando la grafite grossa occupa una quota significativa della superficie di frattura. La resistenza alla fatica di solito soffre più di tutte, perché la grafite interconnessa agisce come un incavo interno: una fessura non ha più bisogno di iniziare in superficie, può iniziare in profondità all'interno del muro.

Pericolo — La durezza non rileva questo difetto. Una regione colpita da grossi pezzi può risultare completamente normale in un test di durezza mentre il suo allungamento e la sua resistenza alla fatica sono silenziosamente crollati. L'accettazione della sezione pesante deve basarsi su prove di trazione su materiale rappresentativo.

Come le fonderie lo trovano prima del cliente

L'individuazione deve andare alla ricerca del difetto, perché il difetto non arriva all'ispezione di routine. Il metodo diretto è il sezionamento: tagliare il pezzo fuso – o un campione sacrificale dalla stessa posizione termica – nei punti caldi noti, preparare la superficie e valutare metallograficamente la forma della grafite rispetto alle tabelle di confronto standard. Gli ispettori controllano anche l'oscuramento localizzato sopra descritto su superfici lavorate o fratturate. Per i getti troppo grandi da sezionare, i test ad ultrasuoni fungono da strumento di screening, poiché la grafite degradata forma una velocità del suono misurabilmente inferiore; l'eventuale zona segnalata viene poi confermata metallograficamente.

Informazioni — Una barra di prova fusa separatamente descrive la fusione, non la fusione. Per le sezioni pesanti, insistere su provini attaccati alle pareti più spesse o su campioni tagliati da zone calde definite, prima di accettare qualsiasi risultato di proprietà.

Prevenzione: chimica e solidificazione, gestite insieme

Leve della chimica

La prima leva è la composizione. Le fonderie che versano sezioni pesanti mantengono abitualmente il silicio al livello più basso consentito dal grado - per le ghise duttili ferritiche strutturali che di solito significa rimanere nell'intervallo compreso tra il 2,0 e il 2,4% anziché spostarsi verso il 3 - e mantengono sotto controllo l'equivalente di carbonio per lo stesso motivo. Le terre rare residue sono gestite deliberatamente: quanto basta per garantire la nodularità, mai più del necessario. Laddove una sezione necessita di un'assicurazione extra, le microaggiunte di antimonio dell'ordine di decine di ppm sono una contromisura consolidata, e nei gradi ad alto contenuto di silicio lo stagno ha mostrato un effetto soppressivo simile.

Avvertenza — Queste aggiunte funzionano proprio perché sono piccole. L'antimonio in eccesso promuove forme degenerate di grafite e la rimozione completa delle terre rare lascia la reazione nodulare fragile contro oligoelementi dannosi. Le contromisure funzionano come una finestra bilanciata, non come interruttori indipendenti.

Leve di raffreddamento e design

La seconda leva è la solidificazione stessa. I brividi contro le pareti dei punti caldi, le nervature e le alette che assottigliano le giunzioni massicce e le sezioni di parete onestamente proporzionate riducono il tempo di solidificazione locale, la causa principale del difetto. Anche la progettazione dell’alimentazione è importante, perché un hotspot alimentato ma non refrigerato rimane comunque troppo a lungo al di sopra del solidus. La simulazione della solidificazione, eseguita prima del getto del primo getto, individua i centri termici sul computer invece che nel contenitore dei rottami.

Cosa dovrebbero inserire gli acquirenti nelle specifiche

Gran parte della protezione che riceve un acquirente viene decisa nella fase delle specifiche. Assegnare un nome inequivocabile al grado - ASTM A536 65-45-12 o 80-55-06, o gli equivalenti EN-GJS e ISO 1083 - quindi indicare dove devono essere dimostrate le proprietà. Il requisito che i provini di trazione siano attaccati alle pareti più pesanti o tagliati da zone definite, modifica il comportamento della fonderia in un modo che un numero su un disegno non potrà mai fare. Definire l'accettazione della grafite sulle sezioni hotspot facendo riferimento alle tabelle di confronto standard e per le parti veramente massicce considerare lo screening ultrasonico contrattuale.

Anche lo stato del trattamento termico merita una linea a parte. Una ricottura ferritizzante conferisce ai gradi ricchi di allungamento il loro carattere, ma nessuna ricottura può riparare la grafite grossa che si è formata durante la solidificazione.

Un numero di grado su un disegno non prova nulla riguardo al centro di un muro di 200 mm. Il luogo di campionamento lo fa.

Successo — La frase più preziosa in una specifica di fusione di sezioni pesanti è quella che indica il luogo di campionamento. Tutto il resto ne consegue.

Dove il rischio si concentra nei componenti reali

I componenti più esposti sono quelli che gli utenti finali vedono raramente: forme massicce e portanti in ghisa sferoidale con pareti spesse e intersecanti. Le basi delle macchine utensili concentrano il metallo esattamente nel modo in cui si ottengono lunghi tempi di solidificazione e la loro stabilità dimensionale negli anni di servizio dipende da una matrice sana all'interno della parete. Li trattiamo come un grosso orologio in grafite dalla prima simulazione in poi.

Fusione di base per macchine utensili in ferro duttile Questa base in resina colata in sabbia supporta mandrini, bancali e piani di lavoro, fornendo la rigidità e la resistenza alle vibrazioni che mantengono le macchine utensili precise. Le sue spesse pareti intersecanti richiedono una solida forma di grafite all'interno della fusione. Visualizza il prodotto →

Le colonne delle macchine utensili hanno lo stesso profilo: alte, spesse e strutturalmente centrali, con l'ulteriore esigenza che la geometria rimanga fedele mentre la macchina sta tagliando. La forma della grafite all'interno del muro fa parte di questa promessa.

Fusione di colonne per macchine utensili per rigidità e posizionamento La colonna supporta e posiziona l'utensile, il piano di lavoro o il pezzo e deve mantenere fedele la geometria durante il taglio. Le sezioni alte e con pareti spesse rendono la struttura interna della grafite e la stabilità dimensionale le principali preoccupazioni in termini di qualità. Visualizza il prodotto →

I componenti del compressore combinano lo spessore della sezione con il servizio di rotazione. I basamenti e i corpi impilano spesse sporgenze delle sedi dei cuscinetti e pareti dei cilindri in un unico pezzo fuso, e le apparecchiature rotanti non perdonano i difetti interni. Il nostro programma di fusione del compressore copre corpi, basamenti, sedi dei cuscinetti, sedi dei rotori e cilindri in cui questa combinazione è di routine.

Carter del compressore in fusione con sedi dei cuscinetti spesse Questo basamento combina sezioni pesanti, sporgenze delle sedi dei cuscinetti e pareti dei cilindri in un unico pezzo fuso per il servizio rotante. L'attrezzatura rotante tollera pochi difetti interni, quindi è essenziale una solida solidificazione in pareti spesse. Visualizza il prodotto →

I corpi delle pompe e le parti che trattengono la pressione aggiungono carichi ciclici sopra le sezioni pesanti, e i componenti dell’energia eolica – mozzi e telai principali in ghisa sferoidale a sezione pesante – si collocano all’estremità più impegnativa dello stesso problema.

La linea di fondo

La grafite grossa nelle fusioni in ghisa duttile è un difetto del tempo e della chimica: cresce dove le sezioni pesanti si raffreddano lentamente e una composizione permissiva lo consente, lascia intatta la durezza e riduce sproporzionatamente l'allungamento e la resistenza alla fatica mentre si nasconde dai controlli di routine.

• Si forma nei centri termici delle sezioni pesanti, non nelle pareti sottili.
• Il silicio si sposta verso il 3%, l’alto contenuto di carbonio equivalente e i residui intermedi di terre rare aumentano il rischio.
• Rilevamento significa sezionare i punti caldi per la metallografia: la durezza e i campioni di pelle non lo riveleranno.
• Finestre di silicio di fascia bassa, residui di terre rare ricoperte, piccole aggiunte di antimonio o stagno e raffreddamento locale sono tutti fattori che lo sopprimono.
• Lo strumento più potente a disposizione dell'acquirente è una specifica che indica il grado, il luogo di campionamento e l'accettazione della grafite in base al punto caldo.

Nessuna di queste misure è esotica; sono una pratica standard in qualsiasi fonderia che versa regolarmente basi e telai di diverse tonnellate. La differenza tra una fusione pesante che funziona per decenni e una che si rompe durante il servizio viene solitamente decisa mesi prima della consegna: nella scheda chimica, nel modello di simulazione e nel piano di campionamento. Le fonderie che controllano quei documenti, e gli acquirenti che li leggono, raramente riscontrano grossi pezzi di grafite in un rapporto di fallimento.