ITMI930305A1

ITMI930305A1 - Ghisa nodulare e procedimento per ottenere ghisa nodulare

Info

Publication number: ITMI930305A1
Application number: IT000305A
Authority: IT
Inventors: Jan Vatavuk
Original assignee: Cofap
Priority date: 1992-02-18
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1994-08-18
Also published as: ITMI930305A0; GB9303156D0; GB2265154A; IT1263941B; DE4305027A1; BR9200615A

Description

"GHISA DODULARE E PROCEDIMENTO PER OTTENERE GHISA NODULARE"

La presente invenzione riguarda una nuova composizione di ghisa nodulare, particolarmente utile nella fabbricazione di fasce elastiche o anelli di pistone per motori a combustione interna, ed un procedimento per ottenere detta nuova ghisa nodulare.

E' gi? noto l'impiego di ghisa nodulare avente elevate caratteristiche meccaniche, simili a quelle dell'acciaio nella fabbricazione di fasce elastiche per motori a combustione interna. Nondimeno, anche con queste elevate caratteristiche meccaniche, queste fasce elastiche di ghisa nodulare della tecnica nota non soddisfano sempre i requisiti di resistenza all'usura nei motori a combustione interna.

Pertanto, uno scopo della presente invenzione ? quello di fornire una nuova composizione di ghisa nodulare, particolarmente utile nella fabbricazione di fasce elastiche per motori a combustione interna, che presenti una resistenza all'usura che ? ottimizzata rispetto alle parti di ghisa nodulare sinora note.

Un ulteriore scopo della presente invenzione ? quello di fornire un procedimento per ottenere detta ghisa nodulare.

Ancora un altro scopo della presente invenzione ? quello di fornire una fascia elastica fatta di ghisa nodulare, che sia pi? resistente all'usura.

Secondo il primo aspetto della presente invenzione, la ghisa nodulare in questione ? formata da una matrice bainitica, martensitica, perlitica o ferritica avente un grado di purezza di circa il 99,6% e contenente da 10 a 12% in volume di particelle di grafite sferoidali disperse in essa, e fra circa 0,2 e 1,2% in volume di particelle di carburo di elevata durezza del tipo MC, in cui M ? almeno uno degli elementi scelti dal gruppo costituito da Ti, Ta, Zr Hf, V e Nb.

La ghisa nodulare menzionata precedentemente presenta particelle dure disperse nella matrice metallica, consententi l'ottenimento di un aumento sostanziale nella resistenza all'usura abrasiva poich?, impiegando un pezzo prodotto con questo materiale, le particelle dure divengono sporgenti rispetto alla superficie d'usura della matrice circostante.

Nel caso particolare di fasce elastiche per motori a combustione interna, la matrice metallica fatta di ghisa nodulare tende a essere sottoposta a usura abrasiva, nella regione del bordo pi? esterno della fascia, durante il funzionamento del motore. Detta usura, tuttavia, ? ridotta nel presente materiale grazie alla sporgenza superficiale di dette particelle o isole di materiale molto pi? duro. Una riduzione della pressione di contatto nella matrice ? pure ottenuta, minimizzando l'usura adesiva.

Riassumendo, si pu? asserire che, durante l'usura abrasiva di un pezzo realizzato con il presente materiale, le particelle di materiale duro funzionano come elementi di bloccaggio, arrestanti i graffi d'usura responsabili della rimozione graduale di materiale dalla matrice, evitando cos? danneggiamento da graffiatura. Bench? non sia discusso pi? dettagliatamente nella presente descrizione, si deve notare che le particelle di materiale duro tendono pure a ridurre l'abrasione provocata dall'usura corrosiva dei pezzi realizzati con la nuova ghisa nodulare .

Conformemente ad un secondo aspetto della presente invenzione, il procedimento per ottenere la ghisa nodulare in questione comprende le fasi di:

a)- Aggiungere un bagno di ghisa grigia contenente meno di 0,015% di zolfo e meno di 0,04% di fosforo, una carica fra circa 0,2 e 1,2% riferito al peso del bagno di almeno una ferrolega avente la formula Fe-FeM o Fe-MC, in cui M ? almeno uno degli elementi scelti dal gruppo costituito da Ti, Ta, Zr, Hf, V e Nb;

b)- Effettuare almeno una noduliz zazione del bagno, introducendo ferrosilicio-magnesio in esso .

Impiegando il procedimento precedentemente menzionato, ? possibile ottenere la ghisa nodulare della presente invenzione con l'ulteriore osservazione che la nodulizzazione del bagno di, ghisa grigia contenente, ancora in solamente una fase, l'elemento o gli elementi che formano le particelle dure, provoca una drastica alterazione, dopo la colata del pezzo, nella morfologia dei carburi di MC, particolarmente quando M ? niobio, da uno scritto Cinese alla formazione di isole poligonali idiomorfe aventi una fase dura in seguito alla solidificazione del bagno in un pezzo colato o fuso. Dette isole poligonali idiomorfe di materiale duro che sono disperse nella matrice di ghisa nodulare sono discontinue, non formando percorsi di propagazione di incrinature, come si verifica con le fasi dure del tipo a scritte Cinesi nelle ghise grigie. Inoltre, queste isole poligonali idiomorfe di materiale duro presentano una larghezza media che ? leggermente maggiore di quella dei graffi o delle incisioni di usura abrasiva realizzate sui pezzi formati con la ghisa nodulare secondo la presente invenzione. L'invenzione sar? ora descritta facendo riferimento ai disegni acclusi in cui:

la Fig. 1 illustra in una rappresentazione metallografica, isole di carburo di niobio (NbC) disperse, come una fase dura, in una matrice di ghisa nodulare grigia della tecnica nota, dette isole presentando una morfologia del tipo a scritte o caratteri Cinesi;

la Fig. 2 illustra in una rappresentazione metallografica, isole di carburo di niobio (NbC) disperse, come una fase dura, in una matrice di ghisa nodulare secondo la presente invenzione, dette isole presentando una morfologia poligonale idiomorfa;

la Fig. 3 illustra, in una rappresentazione metallografica ingrandita, una matrice di ghisa nodulare di martensite temprata, contenente isole poligonali idiomorfe di carburo di niobio, che arrestano le incisioni o graffi di usura abrasiva a cui il pezzo ? stato sottoposto; e

la Fig. 4 illustra in una rappresentazione metallografica, una situazione simile a quella rappresentata in Fig. 3, indicante il meccanismo per arrestare i graffi o incisioni di usura nel pezzo, detto meccanismo essendo definito dalle particelle dure di carburo di niobio nella matrice di ghisa nodulare di martensite temprata.

Come ? illustrato in Fig. 1, l'aggiunta di carburi di MC alle ghise grigie (grafite lamellare) determina la formazione di pezzi colati o fusi presentanti le particelle di un materiale molto pi? duro, come carburo di niobio, disperse nella matrice di ghisa, sotto forma di linee allungate del tipo a scritte o caratteri Cinesi. Queste linee allungate di materiale molto pi? duro definiscono percorsi naturali per la propagazione di incrinature nel pezzo e hanno larghezza ridotta, limitando cos? la sua capacit? ad arrestare i graffi di usura abrasiva nel pezzo formato da detto materiale. La Fig. 1 illustra le isole di grafite lamellare e le linee allungate di carburo di niobio (NbC) disperse nella matrice di ghisa grigia (FeFe). In Figura 2, le particelle di materiale molto pi? duro formate da carburi di MC sono disperse nella matrice di ghisa nodulare (FeFe nodulare) sotto forma di isole aventi una morfologia discontinua e presentanti un'area media la cui sezione trasversale ? superiore alla larghezza dei graffi d'usura, come ? rappresentato nelle Fig. 3 e 4.

L'esempio illustrato nelle Fig. 2, 3 e 4 si riferisce ad una matrice di martensite temprata contenente, in dispersione, particelle di carburo di niobio (NbC). Tuttavia, si deve comprendere che il medesimo effetto pu? essere previsto per altre matrici come ad esempio: bainitiche, perlitich.e e anche ferritiche di alta durezza. La matrice ferrosa deve presentare un grado di purezza tale che lo zolfo sia inferiore a 0,015% e che il fosforo sia inferiore a 0,04%.

Tra gli elementi di lega disponibili per l'applicazione in ghise, alcuni sono di interesse principale, come quelli che formano, col carbonio, i materiali compositi aventi elevata durezza e elevato punto di fusione, con interferenza minima nelle reazioni allo stato solido e allo stato liquido della ghisa, e con piccola alterazione nelle fasi di fabbricazione quando gli altri elementi della lega sono mantenuti inalterati. Elementi con queste propriet? sono gli elementi formatori di carburi di tipo MC, in cui M pu? comprendere almeno uno dei seguenti elementi: Ti, Ta, Zr, Hf, V e Nb, con una ampia solubilit? mutua.

Tra gli elementi precedentemente citati, il niobio ? stato scelto come il formatore di MC, a causa della sua disponibilit? commerciale, come pure delle sue caratteristiche particolarmente interessanti, con piccola interferenza, nelle reazioni di nodulizzazione, essendo cos? molto vicino alle condizioni ideali che sono state descritte precedentemente. Il niobio reagisce con il carbonio ad alta temperatura, oltre ad avere una bassa solubilit? nella matrice ferrosa quando nella forma di carburo, il che pu? essere osservato studiando il prodotto della solubilit? di questo elemento in detta matrice, con il vantaggio addizionale di presentare un recupero del 90% nelle aggiunte.

Il procedimento per ottenere la ghisa nodulare della presente invenzione comprende la fase iniziale di fornire un bagno di ghisa grigia avente un grado di purezza tale da presentare quantit? di zolfo e fosforo inferiori a 0,015% e 0,04% rispettivamente, questo bagno essendo costituito da un carico metallico solido alimentato ad un forno che ? adeguato per la colata di esso, come un forno all'arco elettrico trifase. Questo carico metallico ? calcolato in funzione del prodotto finale che deve essere ottenuto e comprende un carico basilare costituito da ghisa di prima fusione, acciaio e scarti (rottami, trucioli e spuntoni).

Dopo il caricamento nel forno, il carico, basilare ? fuso, quindi esso riceve l'aggiunta di circa da 0,2 a 1,2% di ferroleghe a base di Si, Ni, Mo e Nb, i componenti di lega essendo analizzati chimicamente, al fine di ottenere la composizione finale desiderata. Gli elementi C e Si possono, eventualmente, risentire di alcune correzioni .

Nel paragrafo precedente, ? stata menzionata l'aggiunta di una ferrolega a base di niobio, oltre alle ferroleghe gi? note per aggiunte di quel tipo, come ferrosilicio , ferronickel e ferromolibdeno . Tuttavia, come si ? menzionato precedentemente, il nuovo elemento di ferrolega pu? essere costituito da almeno uno degli elementi scelti dal gruppo costituito da Ti, Ta, Zr, Hf, V e Nb.

La correzione del bagno finale viene attuata nel forno elettrico (altoforno) in cui ? aggiunto niobio (in ferrolega), poich? esso richiede elevata temperatura per lo scioglimento. Solamente piccole correzioni finali di niobio (o altri elementi della lega d'aggiunta) possono essere effettuate successivamente, fuori dal forno e prima dello scarico negli stampi.

Nel caso di aggiunta di niobio, si ? tro- , vato pi? adeguato operare con una ferrolega contenente tra circa il 60 e l'85% di niobio.

Dopo la completa fusione delle leghe di addizione con il carico metallico di base, il bagno viene trasferito, attraverso un contenitore di fusione, ad un altro forno, come ad esempio un forno Detroit, in cui possono ancora essere eseguite alcune piccole regolazioni finali della nuova ferrolega.

La nodulizzazione del bagno di ferro in fusione ? ottenuta, almeno in una prima fase, in un recipiente di reazione e mediante inoculazione di una certa quantit? di ferro, silicio e magnesio (Fe, Si, Mg) nel bagno.

La proporzione della lega nodulizzante ? determinata preliminarmente, mediante metodi noti come una funzione della quantit? di unit? colate che devono essere prodotte nella reazione.

Appena dopo la prima fase di nodulizzazione, il bagno viene condotto alla scarica finale in meno di 3 minuti, controllando la temperatura del metallo nella reazione di nodulizzazione, la temperatura dello stampo di raffreddamento, la quantit? di vernice protettiva applicata allo stampo di raffreddamento e l'analisi chimica el metallo che viene fuso.

Durante lo scarico del metallo negli stampi, il carico in fusione ? sottoposto ad una seconda fase di inoculazione, mediante una seconda fase di inoculazione di Fe-Si.

Dopo rimozione dagli stampi, i pezzi di ghisa nodulare sono normalmente sottoposti a soffiatura di getti e identificati per ciascun lotto o per ciascuna carica. Per ciascuna carica viene eseguita un'analisi metallografica dell'ultimo pezzo stampato, questo tipo di analisi consentendo una valutazione al 100% delle reazioni .

I pezzi cos? prodotti possono avere le loro propriet? ferritiche ulteriormente aumentate per ulteriore lavorazione della fascia elastica, che ? pure rapidamente raffreddata e temprata. La Tabella 1 mostra tipici valori di durezza per alcuni carburi, come pure matrici metalliche.

TABELLA 1

PROPRIET?? FISICA DI ALCUNI CARBURI E "FASI"

La Tabella 2 mostra l'aumento di resistenza all'usura quando niobio viene aggiunto nell'intervallo da 0,2 a 1,2% in peso della ghisa nodulare, rispetto a alta ghisa nodulare, con le altre variabili che sono inalterate. L'usura ? stata misurata in una fascia o anello raschiaolio (077 h 2mm), che ? stata provata per 94 ore in un motore a ciclo Otto avente 4 cilindri (1,6 litri 60 KW) con due fasce in ciascun materiale.

TABELLA 2

RISULTATI DELL?USURA IN FASCE CON O SENZA NbC

VARIAZIONI NELLE DIMENSIONI DELLE FASCE (mm)* ;; ;; * Media in una coppia di 5 misurazioni per fascia nella direzione radiale.

La Tabella 3 mostra la composizione di base delle leghe provate.

TABELLA 3

Il contenuto di niobio varier? antro l'intervallo precedente, conformemente ai requisiti della applicazione. Requisiti pi? severi corrispenderanno allo spostamento del contenuto di niobio al limite superiore di detto intervallo-L'utilit? di questo concetto di aumento nella resistenza d'usura ? valida per variazioni dimensionali nella direzione radiale per anelli o fasce di compressione e anelli o fasce raschiaolio, come pure per minimizzare la perdita d'altezza degli anelli o fasce di compressione nella prima gola.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Ghisa nodulare caratterizzata dal fatto che essa comprende: una matrice metallica bainitica, martensitica, perlitica o ferritica, avente un grado di purezza di circa il 99 , 6 % , in cui i contenuti di zolfo e di fosforo sono mantenuti inferiori a 0,015% e 0,04% rispettivamente; da 10 a 12% in volume di particelle di grafite e tra circa 0,2 e 1,2% in volume di particelle di carburo di elevata durezza del tipo MC, dette particelle essendo disperse nella matrice metallica fusa, in cui M ? almeno uno degli elementi scelti dal gruppo costituito da Ti, Ta, Zr, Hf,V e Nb.
2 . Ghisa nodulare secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta matrice metallica di martensite temprata contiene, in dispersione, particelle di carburo di niobio (NbC ).
3. Procedimento per ottenere ghisa nodulare caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: aggiungere ad un bagno di ghisa grigia contenente meno di 0,015% di zolfo e meno di, 0,04% di fosforo, una carica tra circa 0,2 e 1,2% riferito al peso del bagno di almeno una ferrolega avente la formula Fe-FeM, o Fe-MC in cui M ? almeno uno degli elementi scelti dal gruppo costituito da Ti, Ta, Zr, Hf, V e Nb; effettuare almeno una nodulizzazione del bagno, mediante inoculazione di magnesio a basso tenore di ferrosilicio in esso; e scaricare il bagno metallico nodulizzato negli stampi.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta nodulizzazione ? ottenuta in almeno due fasi di inoculazione di un magnesio a basso tenore di ferrosilicio nel bagno metallico, la seconda inoculazione essendo effettuata durante lo scarico del bagno .
5. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto bagno di ghisa grigia ? realizzato aggiungendo ad un bagno basilare di ghisa di prima fusione, acciaio e scarti, ferroleghe a base di Si, Ni e Mo e almeno uno degli elementi scelti dal gruppo costituito da Ti, Ta, Zr, Hf. V e Nb.
6 . Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che dette ferroleghe includono una ferrolega presentante fra circa il 60 e l'85% di niobio.