ITVR20100124A1 - Procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale austemperata particolarmente resistente all¿usura - Google Patents
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Description
PROCEDIMENTO PER LA PRODUZIONE DI COMPONENTI MECCANICI IN GHISA SFEROIDALE AUSTEMPERATA PARTICOLARMENTE RESISTENTE ALL’USURA
DESCRIZIONE
Il presente trovato si riferisce ad un procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale austemperata particolarmente resistente all’usura.
Attualmente sono note, e particolarmente impiegate per la realizzazione di vari tipi di componenti meccanici, ghise sferoidali austemperate di varie tipologie e di diverse strutture.
Il trattamento termico necessario per ottenere tale tipologia di ghisa consiste in un trattamento di completa austenitizzazione, con mantenimento del componente a temperatura superiore alla temperatura limite superiore di austenitizzazione (comunemente indicata con Ac3) seguita da una tempra in bagno di sali fusi.
La struttura finale che si ottiene, denominata tecnicamente struttura ausferritica, Ã ̈ composta da ferrite aciculare e austenite. Questa particolare struttura conferisce al materiale elevate caratteristiche meccaniche.
Essendo fondamentale evitare che durante il raffreddamento possa formarsi della perlite, Ã ̈ necessario legare il materiale con elementi leganti quali il nichel e/o il molibdeno.
Con riferimento allo standard internazionale ISO 17804:2005 “Founding – Ausferritic spheroidal graphite cast irons – Classification†, Table 1 e Annex C, le caratteristiche meccaniche variano con la struttura, e quindi con la durezza. In particolare, all’aumentare della durezza, aumenta la resistenza a trazione minima e diminuisce l’allungamento minimo. Analoghe relazioni si ritrovano nello standard ASTM A 897/A 897/M – 06 “Standard Specification for Austempered Ductile Iron Castings†ed in altri standard di questa famiglia di materiali.
E’ noto come, in generale, tutti i gradi di ghise sferoidali austemperate rappresentate nella norma citata mostrano una buona resistenza all’usura, senza bisogno di specifici trattamenti superficiali. Questa caratteristica non à ̈ esplicitamente evidenziata nella norma, in quanto di difficile e non standardizzata determinazione. Il fenomeno, da tempo ampiamente descritto in letteratura, à ̈ da attribuirsi all’effetto combinato di due caratteristiche concorrenti:
- proporzione di ferrite aciculare nella matrice e sua durezza
- trasformazione di una parte (fino all’8%) dell’austenite in martensite, per effetto di una pressione (effetto PITRAM pressure induced transformation of residual austenite into martensite) e/o di uno stato tensionale (effetto SITRAM stress induced transformation of residual austenite into martensite).
All’aumentare della durezza del materiale, aumenta il contributo della prima caratteristica e diminuisce quello della seconda.
Il citato standard internazionale ISO 17804:2005 definisce, nell’Annex A “Abrasion-resistant grades of ausferritic spheroidal graphite cast iron†i gradi ISO17804/JS/HBW400 e ISO17804/JS/HBW450. Si tratta dei due gradi raccomandati per applicazioni richiedenti alta resistenza all’usura.
In questo caso, il massimo contributo alla resistenza all’usura à ̈ dato dall’elevata proporzione di ferrite aciculare nella matrice e dalla sua durezza.
E’ noto come, in generale, tutti i gradi di ghise sferoidali austemperate rappresentate nella norma citata provengono da un processo di colata e successivo trattamento termico di austempering atto a conferire il massimo possibile di stabilità all’austenite trasformata (parte alta della curva di Dorazil). Questa condizione si rende necessaria per poter gestire il processo in condizioni controllate e ripetitive. E’ noto anche come il tempo ottimale, rispetto a questo requisito, di permanenza nel bagno di sali dipende essenzialmente dallo spessore del getto, dalla temperatura di austenitizzazione, dalla temperatura di tempra isoterma, dal contenuto di Silicio, Manganese ed altri elementi a forte segregazione, come il Molibdeno.
E’ anche noto che una quantità eccessiva di elementi a forte segregazione, come il Manganese ed il Molibdeno, provocano una dilatazione molto grande del tempo necessario di permanenza nel bagno termale. Per questo, gli elementi a forte segregazione, come il Manganese ed il Molibdeno devono essere limitati entro valori che rendono il processo industrialmente realizzabile.
Il grafico riportato in figura 1, tratto da “Section IV Ductile Iron Databook for Design Engineers http://www.ductile.org/didata/Section4/Figures/pfi g4_23.htm†, dà evidenza della resistenza all’usura per vari materiali.
Tale grafico comparativo dimostra il vantaggioso comportamento, nella resistenza all’usura, delle ghise ADI, rispetto ai materiali con i quali sono state confrontate.
I valori di resistenza all’usura offerti dalle ghise ADI, vantaggiosi in molte applicazioni nelle quali si à ̈ riusciti ad evitare la tempra ad induzione delle ghise e/o degli acciai, la nitrurazione delle ghise e/o degli acciai, la cementazione degli acciai, quali, ad esempio:
- ruote motrici per cingoli di macchine movimento terra
- corpi riduttore epicicloidale con dentature brocciate
- alberi motore
- ecc.,
si sono dimostrati insufficienti nelle applicazioni dove à ̈ richiesta una più elevata resistenza all’usura, quali ad esempio:
- corazze per frantoi lapidei e per l’industria del cemento
- coclee per l’industria del cemento
- martelli per frantoi lapidei
- rulli laminatori per argille
- ecc.
Per queste applicazioni le ghise ADI non sono sufficienti ed à ̈ necessario ricorrere alle ghise resistenti all’abrasione. Questi materiali, oltre che essere penalizzati dal costo associato ad un alto contenuto di leganti carburigeni (si tratta infatti di ghise bianche ledeburitiche) sono ancora più limitati nell’impiego dalla loro fragilità , conseguenza della struttura bianca ledeburitica. Nei frequenti casi in cui à ̈ richiesta una ancorché limitata resistenza agli urti, à ̈ necessario impiegare acciai resistenti all’usura che, come à ̈ noto, sono caratterizzati da un procedimento di fonderia più complesso e costoso di quello tipico della fonderia di ghisa. Per questo motivo, si sono esperiti tentativi per incrementare la resistenza all'usura/abrasione mediante l'introduzione di carburi nella fase di colata così da ottenere una ghisa cosiddetta CADI (Carbidic Austempered Ductile Iron).
Se da un lato le ghise CADI consentono appunto di ottenere componenti meccanici particolarmente resistenti all'usura, d'altro canto essi risultano più fragili di quanto normalmente richiesto in molte applicazioni, oltre che di difficile ottenimento.
Il diagramma rappresentato in figura 2, tratto da “Agricultural Applications of Austempered Cast Irons by Kathy L. Hayrynen PhD FASM, Tim Dorn, John R. Keough PE, Vasko Popovski PE, Steven Sumner, Arron Rimmel PhD†, mostra il miglioramento della resistenza all’usura/abrasione delle ghise CADI, confrontate con le ghise resistenti all’abrasione, tanto maggiore quanto più elevato à ̈ il contenuto di carburi.
Corrispondentemente, aumentando il tenore di carburi, aumenta la fragilità .
Compito precipuo del presente trovato à ̈ quello di mettere a disposizione un nuovo procedimento per la produzione di ghisa sferoidale austemperata che consenta di ottenere un materiale presentante un'ottima resistenza all'usura e, al contempo, una sufficiente resilienza.
Questo compito, nonché altri scopi ancora che meglio appariranno in seguito, vengono raggiunti da un procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale secondo quanto indicato nelle successive rivendicazioni indipendenti.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di alcune forme di esecuzione preferite ma non esclusive di un procedimento per la produzione di ghisa sferoidale secondo il presente trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni in cui:
la figura 1 mostra un diagramma comparativo relativo alla resistenza all'usura di diversi materiali metallici, tra cui varie ghise ADI e varie tipologie di acciai e ghise sferoidali bonificate;
la figura 2 mostra un diagramma simile al precedente in cui si confronta il comportamento di una ghisa ADI e di ghise CADI con differente percentuali di carburi con ghise resistenti all’abrasione;
la figura 3 Ã ̈ una vista prospettica di un martello sottoposto ad un procedimento secondo il trovato; mentre
la figura 4 mostra la micrografia a 500 ingrandimenti di un componente sottoposto ad un procedimento secondo il trovato.
Negli esempi di realizzazione che seguono, singole caratteristiche, riportate in relazione a specifici esempi, potranno in realtà essere intercambiate con altre diverse caratteristiche, esistenti in altri esempi di realizzazione.
Inoltre, à ̈ da notare che tutto quello che nel corso della procedura di ottenimento del brevetto si rivelasse essere già noto, si intende non essere rivendicato ed oggetto di stralcio (disclaimer) dalle rivendicazioni.
Con riferimento alle Figure sopra citate, il presente trovato si riferisce ad un procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale quali, ad esempio, corazze per frantoi lapidei e per l’industria del cemento, coclee per l’industria del cemento, martelli per frantoi lapidei, rulli laminatori per argille e componentistica meccanica in genere.
In particolare, tale procedimento prevede le seguenti fasi:
• realizzare un getto di un componente meccanico in ghisa sferoidale con una percentuale di struttura perlitica superiore al 70% presentante un contenuto in carbonio compreso tra il 2,5% e il 4,0%, un contenuto in silicio compreso tra l'1,5% e il 3,5%, un contenuto in manganese compreso tra lo 0,6% e l'1,2%, un contenuto in molibdeno compreso tra lo 0% e l'1%, un contenuto in cromo tra lo 0% e 0,50%;
• portare detto getto in ghisa con percentuale di struttura perlitica superiore al 70% ad una temperatura superiore alla temperatura superiore di austenitizzazione (Ac3) per un tempo necessario ad ottenere una struttura completamente austenitica;
• eseguire un trattamento termico di tempra interrotta in bagno di sale comprendente una fase di raffreddamento di detti componenti meccanici in un bagno di sale ad una velocità di raffreddamento superiore alla velocità critica e una fase di mantenimento isoterma ad una temperatura compresa tra 250 °C e 320 °C per un tempo compreso tra 10 minuti e 60 minuti per ottenere una matrice comprendente austenite insatura meta-stabile in percentuale compresa tra il 40% e il 90% del totale.
In particolare, si à ̈ rilevato essere particolarmente opportuno che la percentuale di perlite nel getto su cui eseguire il trattamento termico sia superiore all'80%.
Opportunamente, il getto del componente meccanico in ghisa sferoidale sottoposto al procedimento secondo il trovato presenta un contenuto in nichel compreso tra lo 0% e lo 3% e un contenuto in rame compreso tra lo 0% e lo 1,2%.
Preferibilmente, si può prevedere che il getto del componente meccanico in ghisa sferoidale sottoposto al procedimento secondo il trovato presenti un contenuto in silicio compreso tra l'1,5% e il 2,5%.
Vantaggiosamente, il getto del componente meccanico in ghisa sferoidale sottoposto al procedimento secondo il trovato presenta un contenuto in molibdeno compreso tra lo 0,4% e l'1%.
Sperimentalmente, si à ̈ inoltre riscontrato particolarmente vantaggioso dal punto di vista delle caratteristiche meccaniche tipiche dei componenti sottoposti al procedimento secondo il trovato, partire da getti in ghisa sferoidale presentanti una percentuale di perlite sostanzialmente pari all'85%.
Vantaggiosamente, la temperatura preferibilmente utilizzata per eseguire la fase isoterma della tempra interrotta à ̈ compresa tra 290 °C e 310 °C.
Nello specifico, per trattamento termico di tempra interrotta si intende un raffreddamento con velocità superiore a quella critica, mantenendo il getto a temperatura isoterma superiore a quella della trasformazione martensitica MS; la sosta a tale temperatura ha una durata sufficiente a far partire la reazione ausferritica ai bordi degli sferoidi ed à ̈ interrotta ad uno stadio tale da ottenere la desiderata proporzione di austenite metastabile. Il controllo del processo à ̈ reso possibile dall’accentuato rallentamento della reazione, indotto dal relativamente alto tenore di leganti ad alta segregazione.
La temperatura cui vengono mantenuti i componenti meccanici, come detto, durante la fase di austenitizzazione, Ã ̈ superiore alla temperatura tecnicamente individuata come Ac3, o temperatura di completa austenitizzazione per il tempo necessario ad ottenere una struttura completamente austenitica.
Ciò si può ottenere scegliendo una temperatura superiore ai 850 °C e inferiore agli 910 °C e, vantaggiosamente, a seconda del contenuto in carbonio e di silicio, compresa tra 880 °C e 900°C.
Tali temperature sono indicative per ghise presentanti un contenuto in carbonio di circa il 3,5% e in silicio di circa il 2% ma, naturalmente, possono variare a seconda delle percentuali di tali elementi nel getto da sottoporre al trattamento termico.
Per ottenere una struttura completamente austenitica, si riscontra sperimentalmente che, a seconda delle dimensioni del componente meccanico, il tempo di mantenimento del componente meccanico alla temperatura di austenitizzazione Ac3Ã ̈ compreso tra 90 minuti e 210 minuti, preferibilmente tra 120 minuti e 180 minuti.
Preferibilmente, durante il trattamento di tempra interrotta, la fase di mantenimento isotermo presenta una durata compresa tra 10 minuti e 30 minuti.
Il procedimento secondo il trovato si basa essenzialmente sull’addizione di un elevato tenore di leganti ad alta segregazione, quali il manganese ed il molibdeno. In tal modo, la reazione ausferritica parte con velocità apprezzabile dai bordi degli sferoidi (First To Freeze = First To React) dove la concentrazione di manganese e molibdeno à ̈ minima e quella del silicio à ̈ massima, rallentando molto rapidamente quando la reazione avanza in direzione dei bordi dei grani (Last To Freeze = Last To React).
Grazie a questo forte rallentamento, indotto dall’elevato tenore di elementi segreganti, si riesce a controllare la struttura composta da ferrite aciculare di elevata durezza e austenite stabilizzata in prossimità dei bordi degli sferoidi, associata ad una importante frazione di austenite metastabile verso i bordi dei grani.
ESEMPIO 1
Si à ̈ realizzata, mediante un getto di fusione, un martello del peso di circa 1.74 Kg e in ghisa a matrice prevalentemente perlitica (perlite in percentuale superiore al 80%) avente una percentuale di carbonio pari al 3,47 %, una percentuale di silicio pari al 2,08 %, una percentuale di Manganese pari all’1,07% e una percentuale di Molibdeno pari al 0,94%.
Il componente à ̈ stato portato ad una temperatura di completa austenitizzazione (superiore a Ac3) pari a 890°C ed à ̈ stato mantenuto a tale temperatura per 120 minuti.
E' stato quindi eseguito un trattamento di tempra interrotta in bagno di sale a 250 °C.
Sul pezzo finito à ̈ stata riscontrata una durezza media di circa 520 HB.
Tutte le caratteristiche del trovato, su indicate come vantaggiose, opportune o simili, possono anche mancare o essere sostituite da equivalenti. Il trovato così concepito à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo.
Si à ̈ in pratica constatato come in tutte le forme realizzative il trovato abbia raggiunto il compito e gli scopi ad esso preposti.
Commento sulle caratteristiche meccaniche dei componenti trattati.
Nella fattispecie i componenti prodotti in ghisa sferoidale austemperata secondo il trovato hanno sempre mostrato, a parità di durezza, una resistenza all’usura abrasiva superiore (di circa il 10-15 % ) rispetto alle tradizionali ghise austemperate ed agli acciai Q&T.
Inoltre, tali componenti hanno sempre mostrato una resistenza all’impatto superiore alle ghise CADI o alle ghise bianche.
In pratica le dimensioni potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze anche se si à ̈ riscontrato che il procedimento secondo il trovato risulta particolarmente efficace per trattare componenti di dimensioni fino a 100 mm.
Inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.
Laddove le caratteristiche tecniche nelle rivendicazioni sono seguite riferimenti numerici e/o sigle, detti riferimenti numerici e/o sigle sono stati aggiunti all’unico scopo di aumentare l’intelligibilità delle rivendicazioni e pertanto detti riferimenti numerici e/o sigle non producono alcun effetto sull’ambito di ciascun elemento identificato solo a titolo indicativo da detti riferimenti numerici e/o sigle.
Claims (6)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: • realizzare un getto di un componente meccanico in ghisa con una percentuale di struttura perlitica superiore al 70% presentante un contenuto in carbonio compreso tra il 2,5% e il 4,0%, un contenuto in silicio compreso tra l'1,5% e il 3,5%, un contenuto in manganese compreso tra lo 0,6% e l'1,2%, un contenuto in molibdeno compreso tra lo 0% e l'1% e un contenuto in cromo compreso tra lo 0% e lo 0,5%; • portare detto getto in ghisa con percentuale di struttura perlitica superiore al 70% ad una temperatura superiore alla temperatura superiore di austenitizzazione (Ac3) per un tempo necessario ad ottenere una struttura completamente austenitica; • eseguire un trattamento termico di tempra interrotta in bagno di sale comprendente una fase di raffreddamento di detti componenti meccanici in un bagno di sale ad una velocità di raffreddamento superiore alla velocità critica e una fase di mantenimento isoterma ad una temperatura compresa tra 250 °C e 320 °C per un tempo compreso tra 10 minuti e 60 minuti per ottenere una matrice comprendente austenite insatura meta-stabile in percentuale compresa tra il 40% e il 90% del totale.
- 2. Procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto getto di un componente meccanico in ghisa presenta una percentuale di struttura perlitica compresa tra l'80% e il 90%.
- 3. Procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto getto di un componente meccanico in ghisa presenta un contenuto in nichel compreso tra lo 0% e 3%, e un contenuto in rame compreso tra lo 0% e lo 1,2%,
- 4. Procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto mantenimento isotermo durante detta fase di tempra interrotta à ̈ eseguito ad una temperatura compresa tra 290 °C e 310 °C.
- 5. Procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta temperatura di austenitizzazione à ̈ compresa tra 860 °C e 920 °C, preferibilmente compresa tra 890 °C e 900 °C.
- 6. Procedimento per la produzione di componenti meccanici in ghisa sferoidale secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, durante detto trattamento di tempra interrotta, detta fase di mantenimento isotermo presenta una durata compresa tra 10 minuti e 30 minuti.
Priority Applications (4)
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