Il contenuto di carbonio è la variabile più influente nella metallurgia della ghisa. Ghisa è definito da un contenuto di carbonio compreso tra il 2,0% e il 4,5% in peso – ben al di sopra dell’intervallo 0,02–2,0% dell’acciaio. All'interno di questo intervallo, anche uno spostamento dello 0,3% nel carbonio può alterare radicalmente la microstruttura, la resistenza meccanica, la durezza, la lavoabilità e il comportamento termico di un pezzo fuso. Comprendere come il carbonio interagisce con il ferro – e con altri elementi leganti – è il fondamento per produrre getti che funzionino in modo affidabile in servizio.
A differenza dell'acciaio, dove il carbonio è mantenuto basso per massimizzare la duttilità e la tenacità, la ghisa mantiene deliberatamente elevati livelli di carbonio per ottenere colabilità, smorzamento delle vibrazioni e resistenza all'usura superiori. La distinzione fondamentale sta nella forma che il carbonio assume all’interno della matrice metallica solidificata.
Il carbonio nella ghisa esiste in una delle due forme primarie: as grafite libera (carbonio elementare precipitato durante la solidificazione) o come carburo di ferro (Fe₃C, chiamato anche cementite) . La forma dominante è determinata dal contenuto di carbonio, dalla velocità di raffreddamento e dalla presenza di altri elementi, in particolare il silicio. Questa distinzione non è estetica; definisce se il ferro è grigio, bianco, malleabile o duttile, ciascuno con proprietà meccaniche profondamente diverse.
I diversi gradi di ghisa non sono categorie arbitrarie: sono il risultato di intervalli di carbonio deliberatamente controllati combinati con condizioni di lavorazione specifiche.
| Tipo in ghisa | Contenuto di carbonio (%) | Forma di carbonio | Caratteristiche chiave |
|---|---|---|---|
| Ferro grigio | 2,5 – 4,0% | Grafite in scaglie | Buona lavorabilità, elevato smorzamento, bassa resistenza alla trazione |
| Ferro Bianco | 1,8 – 3,6% | Cementite (Fe₃C) | Estremamente duro, fragile, eccellente resistenza all'usura |
| Ferro malleabile | 2,0 – 2,9% | Carbone temperato (rosette) | Buona duttilità dopo la ricottura, resistente agli urti |
| Ferro duttile (nodulare). | 3,2 – 4,2% | Grafite sferoidale | Elevata resistenza alla trazione, duttilità, resistenza alla fatica |
| Ferro a grafite compattato | 3,1 – 4,0% | Grafite vermicolare (simile a un verme). | Intermedio tra la ghisa grigia e quella duttile |
Il carbonio non agisce in modo isolato. Anche il silicio e il fosforo contribuiscono all'efficace comportamento "simile al carbonio" della massa fusa. Gli ingegneri della fonderia utilizzano il Formula dell'equivalenza del carbonio (CE). per tenere conto di queste interazioni:
CE = %C (%Si %P) / 3
Il ferro puro solidifica a 1.538°C. Il punto eutettico del sistema ferro-carbonio si verifica a CE = 4,3% , che è la composizione con il punto di fusione più basso (~1.150°C) e la migliore fluidità. La maggior parte della ghisa grigia commerciale ha come obiettivo un CE di 3,9–4,3% per bilanciare la colabilità con le prestazioni meccaniche.
La relazione tra contenuto di carbonio e proprietà meccaniche non è lineare: dipende fortemente da come il carbonio è distribuito all’interno della matrice. Esistono tuttavia chiare tendenze direzionali.
Nella ghisa grigia, aumento del carbonio totale in generale riduce la resistenza alla trazione perché scaglie di grafite più grandi e più grossolane agiscono come concentratori di stress. La ghisa grigia raggiunge tipicamente resistenze a trazione di 150–400MPa , rispetto a 400–900MPa per la ghisa duttile dove lo stesso carbonio è presente sotto forma di sfere anziché di scaglie. La morfologia della grafite conta più della percentuale totale di carbonio.
Una maggiore quantità di carbonio sotto forma di cementite (ferro bianco) aumenta notevolmente la durezza: in genere raggiunge il ferro bianco 400–700 HBW , rispetto a 150-300 HBW per la ghisa grigia. Tuttavia, ciò avviene a scapito di una duttilità prossima allo zero. Nei getti refrigerati, uno strato superficiale di ferro bianco duro viene creato intenzionalmente sulle superfici soggette ad usura mentre la massa rimane grigia.
Il ferro grigio ha duttilità sostanzialmente nulla (allungamento <0,5%) dovuto alle scaglie di grafite che fungono da tacche interne. La ghisa duttile, con carbonio uguale o superiore ma in forma nodulare, raggiunge valori di allungamento di 2–18% a seconda del grado: un notevole miglioramento reso possibile esclusivamente dal cambiamento della morfologia della grafite attraverso il trattamento con il magnesio, non dalla riduzione del carbonio.
La grafite libera funge da lubrificante integrato durante la lavorazione, ecco perché la ghisa grigia è uno dei metalli più facili da lavorare . Un contenuto di grafite più elevato (maggiore carbonio nella ghisa grigia) generalmente migliora la lavorabilità. Il ferro bianco, al contrario, è estremamente difficile da lavorare a causa del suo contenuto di cementite e viene generalmente utilizzato solo in forma grezza o rettificata.
Al di là delle proprietà meccaniche, il contenuto di carbonio influisce direttamente sul verificarsi dei comuni difetti di fusione, alcuni causati da una quantità eccessiva di carbonio, altri da una quantità insufficiente.
Sia il carbonio che il silicio promuovono espansione della grafite durante la solidificazione . Quando la grafite precipita, si espande volumetricamente, contrastando parzialmente il restringimento che si verifica quando il metallo liquido si raffredda. Un contenuto di carbonio più elevato nella ghisa grigia (CE vicino al 4,3%) produce un'espansione della grafite sufficiente da raggiungere ritiro netto prossimo allo zero , riducendo la necessità di alzate di grandi dimensioni. La ghisa grigia a basso tenore di carbonio (CE ~ 3,6%) può presentare un ritiro netto di 0,5–1,5% , che richiede un'attenta progettazione del montante.
Nelle ghise ipereutettiche (CE > 4,3%), la grafite primaria precipita prima della reazione eutettica e può galleggiare sulla superficie superiore del getto o dello stampo. Questo Grafite "kish". crea vuoti superficiali, inclusioni e difetti estetici. Il controllo del carbonio al di sotto della soglia ipereutettica impedisce la formazione di kish.
Quando il contenuto di carbonio e la velocità di raffreddamento non corrispondono, in particolare nelle sezioni sottili con CE limite, si verifica una formazione parziale di ferro bianco accanto alle regioni di ferro grigio. Questo Microstruttura "a chiazze". produce una durezza imprevedibile e non uniforme, rendendo la lavorazione incoerente e le prestazioni meccaniche inaffidabili. È considerato un difetto in tutti i progetti di fusione a freddo, tranne che intenzionali.
Il carbonio non agisce mai da solo. Il silicio è l'elemento grafitizzante più potente della ghisa e lavora in collaborazione diretta con il carbonio per determinare la microstruttura finale. Il contenuto di silicio nella ghisa commerciale varia tipicamente da Dall'1,0% al 3,0% .
Questo è il motivo per cui specificare solo il carbonio non è sufficiente: gli ingegneri della fonderia specificano sempre sia il carbonio che il silicio insieme e in genere monitorano CE come parametro di controllo del composito.
Il controllo del contenuto di carbonio nella produzione è una disciplina sia chimica che di processo. I seguenti metodi sono una pratica standard nelle fonderie moderne:
Il contenuto di carbonio è la variabile principale della metallurgia della ghisa, ma il suo effetto è sempre espresso attraverso la sua interazione con la velocità di raffreddamento, il contenuto di silicio e le condizioni di lavorazione. Il carbonio totale determina la quantità di grafite o carburo che si può formare; l'ambiente di elaborazione determina quale fare. Che l'obiettivo sia la capacità di smorzamento della ghisa grigia, la resistenza all'usura della ghisa bianca o la tenacità della ghisa duttile, il raggiungimento di una qualità di fusione costante inizia con un controllo preciso del carbonio supportato dall'analisi della fusione in tempo reale. Sia per gli ingegneri della fonderia che per gli acquirenti di colate, specificare e verificare il carbonio – sempre insieme al silicio e al CE – non è facoltativo; è il punto di partenza di ogni casting di qualità.
