1. PRODUZIONE
DI GHISA SFEROIDALE E
GHISA A GRAFITE COMPATTA
Caratteristiche, quote di mercato
e prospettive future delle
ghise “di qualità”

2. MATERIALI DA FONDERIA
• Ghise (grigia, bianca, malleabile,
sferoidale, a grafite compatta, ghise
fortemente legate)
• Acciai
• Leghe di alluminio
• Altre leghe non ferrose (rame, magnesio,
zinco, ecc.)
Produzione SCM Fonderie: - Ghisa grigia
- Ghisa sferoidale
(- Ghisa a grafite compatta)

3. VOLUMI PRODUTTIVI INDUSTRIA
FUSORIA
Produzione globale nel mondo Produzione globale in Italia
100 3
Volumi di produzione
Volumi di produzione
[milioni di tonnellate]
[milioni di tonnellate]
80 2,5
2
60
1,5
40
1
20 0,5
0 0
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Anno Anno
La produzione globale dell’ industria fusoria nel
mondo è risultata approssimativamente pari a
80 milioni di tonnellate (dati Census aggiornati
al 2009 – moderncasting.com) .
La ghisa grigia occupa una fetta di mercato
quasi del 50%, seguita da ghisa sferoidale,
acciaio ed altre leghe non ferrose.

4. GHISA GRIGIA VS GHISA SFEROIDALE
Produzione ghisa grigia
60%
Percentuale su produzione
50%
40%
totale
Mondo
30%
Italia
20%
10%
0%
98
99
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
19
19
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
Anno
Produzione ghisa sferoidale
30,00%
Percentuale su produzione
25,00%
20,00%
totale
Mondo
15,00%
Italia
10,00%
Escludendo Cina e India, la produzione di ghisa 5,00%
sferoidale è pressoché pari a quella di ghisa 0,00%
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
grigia, nei restanti paesi che presentano i
maggiori volumi di produzione Anno

5. LA GHISA SFEROIDALE – PROPRIETA’
• Buon rapporto resistenza/peso
• Costo contenuto
• Buona resistenza per unità di costo
• Ottima combinazione tra proprietà a trazione e allungamento
• Lavorabilità alla macchina utensile minore rispetto alla ghisa grigia
La ghisa sferoidale prende il nome dalla
forma della grafite, che all’ esame
micrografico appare appunto sotto
forma di sferoidi o noduli, e non di
lamelle come per la ghisa grigia. Gli
sferoidi, al contrario delle lamelle,
esercitano un ostacolo alla
propagazione delle cricche anziché un
elemento scatenante, conferendo quindi
alla ghisa sferoidale una duttilità
sconosciuta alla tipologia lamellare.

6. LA GHISA SFEROIDALE - CLASSIFICAZIONE
UNI EN 1563-2009
La caratteristica fondamentale della ghisa
sferoidale, e dunque il principale vantaggio
conseguibile con un suo utilizzo, è la versatilità.
Effettuando un adeguato controllo sulla
composizione chimica, sui parametri di colata e
sulle modalità di raffreddamento della ghisa, è
infatti possibile ottenere diverse combinazioni di
resistenza alla trazione, resistenza all’ usura,
limite di fatica, tenacità, duttilità, ecc.

7. LA GHISA SFEROIDALE - PRODUZIONE
• Trattamento di desolforazione per portare il tenore di
zolfo nella ghisa al di sotto dello 0,018%, tramite utilizzo
di carburo di calcio (CaC2)
• Trattamento con lega Fe-Si-Mg per portare il magnesio a
Fe-Si-
concentrazioni dello 0,04-0,045% per ottenere una
0,04-
adeguata sferoidizzazione degli elementi grafitici;
trattamento a filo o metodo in-mold
in-
• Accorgimenti in fase di formatura e colata: adeguato
sistema di colata ed alimentazione del getto, utilizzo di
maniche e raffreddatori (forte tendenza al ritiro) ,
rigoroso rispetto dei tempi di colata (metodo in-mold)
in-
• Attenzione a materiali di carica, inoculazione, numero
adeguato di sfoghi, ecc.

8. LA GHISA SFEROIDALE – MICROSTRUTTURA
• Ghisa sferoidale ferritica: formata da sferoidi di grafite in una matrice di
ferrite. Presenta alta duttilità e tenacità, conduttività termica relativamente
buona, un’ elevata permeabilità magnetica, basse perdite per isteresi,
buone resistenza alla corrosione e lavorabilità alla macchina utensile;
• Ghisa sferoidale perlitica: formata da sferoidi di grafite in una matrice di
perlite. Rispetto alla tipologia ferritica presenta maggior durezza, perdite
per isteresi, resistenza a trazione e all’ abrasione, limite di fatica; al
contrario, minor duttilità, tenacità, conduttività termica e permeabilità
magnetica. E’ caratterizzata anch’ essa da buona lavorabilità alla macchina
utensile;
• Ghisa sferoidale ferritica-perlitica: formata da sferoidi di grafite in una
ferritica-
matrice mista ferrite (concentrata in grani contornanti gli elementi di
grafite) – perlite. E’ la tipologia più diffusa e generalmente meno costosa,
presenta caratteristiche intermedie rispetto alle tipologie ferritica e perlitica
e mantiene la buona lavorabilità alla macchina utensile.

9. LA GHISA SFEROIDALE - MICROSTRUTTURA

10. LA GHISA SFEROIDALE – COMPOSIZIONE CHIMICA
– Elementi utilizzabili nel trattamento di sferoidizzazione: Ca, Ce, La, Li, Mg, altre
terre rare
– Elementi di lega: Cu, Mo, Ni, Sn
– Elementi residuali: Cr, Mn, P, Ti, V
– Elementi insolubili (inoculanti) : Ba, Ca
– Elementi gassosi: H, N, O
– Elementi dannosi: Al, As, B, Bi, Cd, Pb, Sb, Se, Te, Zn, Zr
– Elementi che promuovono la comparsa di “chunk graphite”: Ca, Ce, Ni, Si
– Elementi che promuovono la comparsa di lamelle di grafite: Al, As, Bi, Cd, Cu,
Pb, S, Sb, Sn, Zn, Zr
– Elementi ferritizzanti: Al, Si, Ti, Zr
– Elementi perlitizzanti: As, Bi, Cr, Cu, Mn, Mo, N, Ni, P, S, Sb, Sn, V
– Elementi carburigeni: B, Bi, Ce, Cr, H, Mg, Mn, Mo, N, S, Sb, Se, Te, Ti, V
– Elementi con azione grafitizzante: Cu, Ni, Si, Sn
– Elementi che promuovono la generazione di ghisa bianca: Te
– Elementi che promuovono la segregazione di steadite: P
– Elementi che affinano la grafite: Cr, Mo, Ni
PROBLEMATICA:
Notevole gap prestazionale tra la ghisa grigia e quella sferoidale, essendo quest’
ultima una ghisa ad elevata resistenza meccanica ma con calo di capacità di
smorzamento delle vibrazioni e conducibilità termica

11. LA GHISA A GRAFITE COMPATTA O
VERMICULARE
L’ appellativo “vermiculare” è riferito alla forma della grafite, la quale precipita in
“vermi”, ovvero lamelle grossolane e spesse, con punte arrotondate.
A livello microstrutturale la CGI presenta una struttura solitamente mista ferritico-
perlitica – con minore tendenza alla ferritizzazione rispetto alla ghisa sferoidale - ,
con precipitazione di lamelle di grafite interconnesse, spesse, di lunghezza limitata,
contorte e dalle punte arrotondate. La percentuale minima di tali lamelle sul totale
della grafite precipitata, per poter parlare di ghisa CGI, è stabilita pari all’ 80%. La
presenza di elementi lamellari “classici” deve essere tassativamente nulla, pena il
deterioramento delle caratteristiche meccaniche del getto.

12. LA GHISA A GRAFITE COMPATTA – PROPRIETA’ E
APPLICAZIONI
Le caratteristiche della ghisa a grafite compatta risultano intermedie tra quelle della ghisa
sferoidale e quelle della ghisa grigia. Ad un incremento delle proprietà di resistenza
meccanica ed all’ impatto rispetto a quest’ ultima, infatti, corrispondono una conduttività
termica, una colabilità ed un’ attitudine all’ assorbimento delle vibrazioni, maggiori di quelle
proprie della ghisa sferoidale.
GRIGIA COMPATTA SFEROIDALE
Fragilità Buona duttilità Duttilità considerevole
Bassa resistenza a trazione Alta resistenza Alta resistenza meccanica
Elevato coefficiente di Buon coefficiente di Basso coefficiente di
smorzamento smorzamento smorzamento
Buona conducibilità termica Buona conducibilità termica Bassa conducibilità termica
Al momento non esistono impieghi industriali di larga scala per quanto riguarda la ghisa
compatta: basti considerare che i rapporti Census relativi alla produzione mondiale da fonderia
non ne tengono conto, contrariamente alla ghisa grigia, sferoidale e malleabile.
Attualmente viene utilizzata per la produzione di lingottiere, dischi freno nel settore ferroviario,
collettori di scarico, blocchi motore e teste motore. In particolare, presenta caratteristiche che
la rendono competitiva per utilizzi in campo motoristico, soprattutto per i componenti di motori
Diesel ad alte prestazioni, fortemente sollecitati.

13. LA GHISA A GRAFITE COMPATTA -
CLASSIFICAZIONE
ASTM A 842-85
(riapprovata nel 1997)
La tipologia ferritica 250 è ottenuta generalmente previo trattamento termico,
mentre la tipologia perlitica 450 necessita di aggiunta di elementi perlitizzanti,
solitamente senza che il trattamento termico risulti indispensabile. Si noti, rispetto
alla ghisa grigia, la discreta duttilità della ghisa compatta – per la quale ha senso
parlare di tensione di snervamento, sussistendo un valore della tensione in
corrispondenza del quale si passa da una deformazione elastica ad una
deformazione plastica - . Relativamente all’ allungamento, si precisa che, nel corso
di un’ esperienza effettuata presso la Fonderia SCM di Villa Verucchio sono stati
misurati valori ben più elevati rispetto a quelli minimi stabiliti dalla norma – da 2,7 a
6,8 % - .

14. LA GHISA A GRAFITE COMPATTA - PRODUZIONE
• Trattamento di desolforazione, tramite utilizzo di carburo
di calcio (CaC2)
• Sottotrattamento con lega Fe-Si-Mg, per ottenere tenori
Fe-Si-
di magnesio residuo compresi tra lo 0,01 e lo 0,015%
• Aggiunta di lega di titanio – es. 0,1% - per agevolare il
compito del chimico allargando il range di magnesio
residuo ammissibile e diminuirne l’ evanescenza;
attenzione all’ effetto carburigeno
Il controllo dei parametri di processo per ottenere ghisa compatta – con una
percentuale di elementi grafitici vermicolari superiore all’ 80% - risulta comunque
molto delicato; la mancanza di processi di produzione che garantiscano affidabilità e
ripetibilità soddisfacenti è uno degli ostacoli principali alla rapida diffusione di questo
tipo di ghisa nel mercato – in aggiunta alle criticità in fase di lavorazione - .
Risulterebbe inoltre certamente anti-economico affidarsi a processi di produzione
brevettati (SinterCast) .

15. PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF
Proprietà riscontrate su provini in ghisa vermiculare
• Velocità US compresa tra 5000 e 5300 m/s
Velocità US / % compatta
• Resistenza a trazione compresa tra 350 e
5700 500 MPa
5600
• Resistenza a snervamento compresa tra 270
Velocità US [m/s]
5500
5400
5300
e 430 MPa
5200
5100 • Allungamento compreso tra il 2 e il 4%
5000
4900 • Durezza compresa tra 150 e 212 HB
0 20 40 60 80 100
% compatta • Resilienza compresa tra 2,5 e 4,5 J
Resistenza a trazione / % compatta Allungamento / % compatta
700 10
Resistenza a trazione [MPa]
600 9
8
Allungamento %
500 7
400 Rt 6
5
300 Rp 0,2%
4
200 3
2
100
1
0 0
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
% compatta % compatta

16. PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF
Incidenza della composizione chimica della ghisa: Mg
Resistenza a trazione / % MG Allungamento / % MG
700 10,0
Resistenza a trazione [MPa]
650 9,0
600 8,0
Allungamento %
550 7,0
500 6,0
Rt
450 5,0
Rp 0,2%
400 4,0
350 3,0
300 2,0
250 1,0
200 0,0
0,011 0,013 0,015 0,017 0,019 0,021 0,023 0,011 0,013 0,015 0,017 0,019 0,021 0,023
%MG %MG
Velocità US / % MG
5700
5600
Velocità US [m/s]
5500
5400
5300
5200
5100
5000
0,011 0,013 0,015 0,017 0,019 0,021 0,023
%MG

17. PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF
Incidenza della composizione chimica della ghisa: Ti
Resistenza a trazione / % TI Allungamento / % TI
700 14
Resistenza a trazione [MPa]
650
12
600
Allungamento %
550 10
500 8
Rt
450
Rp 0,2% 6
400
350 4
300
2
250
200 0
0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
%TI %TI
Velocità US / % TI
5700
5600
Velocità US [m/s]
5500
5400
5300
5200
5100
5000
0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
%TI

18. PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF
Incidenza della composizione chimica della ghisa: perlitizzanti (Mn-Ni)
(Mn-
Resistenza a trazione / % MN Resistenza a trazione / % NI
700 700
Resistenza a trazione [MPa]
Resistenza a trazione [MPa]
650 650
600 600
550 550
500 500
Rt Rt
450 450
Rp 0,2% Rp 0,2%
400 400
350 350
300 300
250 250
200 200
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
%MN %NI
Durezza / % NI Resilienza / % NI
220 5,0
4,5
210
4,0
200 3,5
Resilienza [J]
Durezza [HB]
190 3,0
HB chiglia 2,5
180 2,0
170 1,5
1,0
160
0,5
150 0,0
0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,04 0,05 0,06 0,07
%NI %NI

19. PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF
Incidenza della composizione chimica della ghisa: perlitizzanti (Cu-Sn)
(Cu-
Resistenza a trazione / % CU Allungamento / % SN
700 7
Resistenza a trazione [MPa]
650
6
600
Allungamento %
550 5
500 4
Rt
450
Rp 0,2% 3
400
350 2
300
1
250
200 0
0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0 0,02 0,04 0,06 0,08
%CU %SN
Durezza / % SN Resilienza / % SN
190 5
185 4,5
4
180
3,5
Resilienza [J]
Durezza [HB]
175 3
170 HB pezzo 2,5
165 2
1,5
160
1
155 0,5
150 0
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
%SN %SN

20. PRIMI GRAFICI DI CORRELAZIONE – PROGETTO CRIF
Proprietà meccaniche vs velocità US; influenza della velocità di raffr.
Resistenza a trazione / Velocità US Allungamento / Velocità US
700 10
Resistenza a trazione [MPa]
650 9
600 8
Allungamento %
550 7
500 6
Rt
450 5
Rp 0,2%
400 4
350 3
300 2
250 1
200 0
5000 5200 5400 5600 5800 5000 5100 5200 5300 5400 5500 5600 5700
Velocità US [m/s] Velocità US [m/s]
Velocità US su getti, tacchetti e chiglie
5500
5400
Velocità US [m/s]
5300
Getto
5200 Tacchetto
Chiglia
5100
5000
4900
0 10 20 30 40
N° staffa

21. PROVINI “A GRADINI” : VALUTAZIONE RITIRO E DUREZZA
Prova III: Prova IV:
Provino L [mm] Ritiro L Provino L [mm] Ritiro L
1 286,2 0,9% 1 286 1,0%
2 286,4 0,8% 2 285,6 1,1%
3 286,8 0,7% 3 286 1,0%
Modello 288,8 Modello 288,8
Media 286,5 0,8% Media 285,9 1,0%
Provino 10 mm [HB] 20 mm [HB] 40 mm [HB] 60 mm [HB] Provino 10 mm [HB] 20 mm [HB] 40 mm [HB] 60 mm [HB]
1 189 191 178 182 1 223 219 218 213
2 183 191 181 174 2 222 225 214 211
3 194 194 183 183 3 201 206 203 206
Media spessore 189 192 181 180 Media spessore 215 217 212 210

22. PROVINI “A GRADINI” : VALUTAZIONE VELOCITA’ US
Velocità US provini "a gradini" senza 10 mm Velocità US provini "a gradini" senza 10 mm
5400 5700
5350 5650
5600
5300
Velocità US [m/s]
Velocità US [m/s]
5550
5250 20 mm 20 mm
5500
40 mm 40 mm
5200 5450
60 mm 60 mm
5150 5400
Media senza 10 mm Media senza 10 mm
5350
5100
5300
5050 5250
5000 5200
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Provino Provino
Velocità media US provini "a gradini" senza 10 mm Velocità media US provini "a gradini" senza 10 mm
5400 5500
5350
5470
5300
Velocità US [m/s]
Velocità US [m/s]
20 mm 20 mm
5250 5440
40 mm 40 mm
5200
60 mm 60 mm
5150 5410
Media senza 10 mm Media senza 10 mm
5100
5380
5050
5000 5350

23. PROVINI “A K” : VALUTAZIONE RITIRO E PESO
Prova III: Prova IV:
Provino L Ritiro L Provino L Ritiro L
1 142,7 0,6% 1 142,7 0,6%
2 142,8 0,5% 2 142,8 0,5%
3 142,8 0,5% 3 142,6 0,6%
4 143 0,3% 4 142,6 0,6%
Modello 143,5 Modello 143,5
Media 142,8 0,5% Media 142,7 0,6%
Provino Peso [kg]
Provino Peso [kg]
1 1,38
1 1,38
2 1,38
2 1,38
3 1,38
3 1,38
4 1,40
4 1,40
5 1,40
Media 1,39
Media 1,39
Delta % 1,4%
Delta % 1,4%
Delta [g] 20
Delta [g] 20

24. “CILINDRETTI” : VALUTAZIONE DENSITA’
Prova II: Prova III: Prova IV:
Vel. US tacchetto: 5160 m/s Vel. US tacchetto: 5010 m/s Vel. US chiglia: 5150 m/s
Vel. US provino: 5244 m/s Vel. US provino: 5095 m/s Vel. US provino: 5120 m/s
Densità: 7068 kg/m^3 Densità: 7081 kg/m^3 Densità: 7056 kg/m^3
Densità media: 7068 kg/m^3
Vel. US provino: 4380 m/s Vel. US provino: 5645 m/s
Grigia: Densità: 7140 kg/m^3
Sferoidale: Peso specifico: 7003 kg/m^3

25. CONCLUSIONI
• Risulta infondato il pregiudizio che descrive la ghisa come un
materiale fragile e “superato” , riferito alla più diffusa tipologia
lamellare
• La ghisa sferoidale, controllando adeguatamente le variabili di
processo, consente di ottenere caratteristiche meccaniche
paragonabili a quelle dell’ acciaio, con frequenti vantaggi in termini
di costo e peso dei componenti; il Laboratorio CRIF punterà inoltre a
sperimentare una procedura per la produzione di GS 400-18-LT
400-18-
senza necessità di trattamento termico, con conseguente riduzione
del lead time di produzione
• La ghisa a grafite compatta, una volta superate le problematiche di
produzione e lavorazione, potrà andare a colmare il gap
prestazionale tra i due tipi di ghisa più diffusi, proponendosi come
alternativa anche all’ utilizzo delle leghe leggere – a costo minore - ;
il Laboratorio CRIF si impegnerà nella messa a punto di un processo
di produzione semplice ed affidabile grazie anche all’ aggiunta di
una quantità ottimale di titanio, che consenta di promuovere la
produzione di tale tipo di ghisa anche in Italia senza il ricorso a
costose procedure brevettate