La ghisa

      

La ghisa è una lega metallica costituita da ferro (Fe) e carbonio (C), con contenuto di carbonio superiore al 2,11% e inferiore al 6,67% che, attraverso i processi di raffinazione, può essere ridotto a valori non superiori al 4%, in modo da rendere il materiale sufficientemente duttile e malleabile e da ridurne l'eccessiva fragilità che lo renderebbe inadatto alle lavorazioni plastiche come la laminazione, lo stampaggio o la fucinatura.

Nella ghisa sono presenti talvolta anche altri elementi, come molibdeno, nichel e cromo; questi elementi sono in grado di fornire alcune peculiarità al materiale.

Proprietà della ghisa

      

Anche in assenza di proprietà fornite da altri elementi eventualmente presenti nella lega, la ghisa è caratterizzata dalle seguenti caratteristiche:

• l’aspetto è di un colore grigio metallizzato, con una superficie ruvida e porosa;
• buona resistenza all'usura e basso coefficiente di attrito;
• elevata conduttività termica, che ne permette l'uso come dissipatore di calore;
• resistenza alla pressione idraulica o pneumatica, in virtù della sua struttura di grana omogenea e sottile;
• alta resistenza alla fatica, che permette di evitare che si formino fratture dovute a sollecitazioni ripetute;
• eccezionale resistenza alla corrosione, praticamente simile a quella di alcuni materiali non ferrosi;
• buona durezza, associata, però, ad una marcata fragilità;
• buona resistenza alla compressione, ma resistenza limitata a trazione e flessione;
• ottima fusibilità che anche a temperature non molto elevate, le consentono di essere colata facilmente negli stampi, ottenendo getti compatti;
• bassa densità (o massa volumica), che favorisce la riduzione del peso dei componenti meccanici dei macchinari costruiti, oltre che del costo del materiale stesso.

I difetti della ghisa sono:

• fragilità, cioè la scarsa resistenza agli urti;
• scarsa malleabilità, che la contraddistingue per la sua inadeguatezza alle lavorazioni plastiche;

La ghisa è fragile perché la sua struttura cristallina è formata da grani separati da fessure che possono causare la rottura del materiale quando è sottoposto a sforzi eccessivi. Inoltre, la presenza di impurità come zolfo e fosforo può ridurre ulteriormente la resistenza del materiale alla rottura. Per questa ragione, la ghisa viene utilizzata principalmente in applicazioni dove la sua fragilità non è un problema, come ad esempio nelle parti delle macchine che richiedono resistenza alla compressione e alla usura.

Raffinazione della ghisa

      

La ghisa viene prodotta in altoforno mediante il processo di fusione del minerale di ferro. Il procedimento prevede il caricamento alternato di minerale di ferro, coke e calcare all'interno del forno, che viene riscaldato alla temperatura di 1800°C tramite l'uso di aria calda soffiata attraverso delle aperture nella parte inferiore.

Durante il processo di fusione, il minerale di ferro si combina con il coke per formare il ferro greggio, che contiene impurità come zolfo e carbonio. Il calcare viene utilizzato per aiutare a separare le impurità dalla ghisa liquefatta, formando la loppa, cioè scorie che possono essere facilmente separate dal metallo fuso.

Una volta che la ghisa è completamente fusa e le impurità sono state estratte, il metallo fuso viene versato in stampi per solidificare e creare pezzi di ghisa grezza. Questi pezzi vengono successivamente lavorati e rifiniti per essere utilizzati in una varietà di applicazioni industriali e manifatturiere.

La ghisa grezza è inadatta agli usi industriali a causa del suo elevato tenore di carbonio, ma può essere trasformata in acciaio, attraverso ulteriori lavorazioni (processi di conversione) oppure trasformato in ghisa idonea all'impiego attraverso un processo di raffinazione: tale processo consiste in una seconda fusione con l'aggiunta di rottami di ghisa di qualità superiore, di acciaio o di altre sostanze fondenti, in modo da migliorare le caratteristiche ed eliminare le impurità che renderebbero la ghisa troppo fragile. Il materiale così ottenuto si chiama ghisa di seconda fusione.

La ghisa viene realizzata largamente nella produzione di getti di fusione e per la realizzazione di pezzi semplici come chiusini stradali, padelle, rulli per mulini , ma anche complessi, come il blocco motore di auto o stufe, formabili facilmente tramite colata.

La ghisa, proveniente dall'altoforno, è chiamata ghisa grezza (o ghisa di prima fusione) per distinguerla dalle ghise ottenute da successive lavorazioni. La ghisa grezza si distingue in ghisa bianca o ghisa grigia che sono connotate da diverse composizioni come rappresentato in tabella seguente.

Ghisa grezza
Elementi	Ghisa bianca %	Ghisa grigia %
Carbonio (C)	3,5	4
Silicio (Si)	0,7	2,5
Manganese (Mn)	2	0,8
Fosforo (P)	0,2	0,5
Zolfo (S)	0,04	0,04

Alcune lavorazioni possono essere realizzate direttamente in fonderia, ottenendo prodotti quali panchine per i parchi pubblici, chiusini di pozzetti stradali e basamenti per macchine utensili, rulli per mulini, oppure successivamente affinata per ottenere acciaio.

La principale differenza tra la ghisa e l'acciaio risiede nella composizione chimica e nelle proprietà fisiche dei due materiali, con la ghisa che è più fragile e meno resistente rispetto all'acciaio.

L'acciaio, d'altra parte, è una lega di ferro e carbonio con una percentuale di carbonio inferiore al 2,11%. L'acciaio ha una maggiore resistenza e duttilità rispetto alla ghisa, ed è comunemente utilizzato in applicazioni dove è richiesta una maggiore resistenza alla trazione, come ad esempio nelle costruzioni di edifici, automobili e macchinari industriali.

Ghisa bianca

      

La ghisa bianca è caratterizzata dalla presenza in lega del manganese, che favorisce l'unione del carbonio con il ferro (Fe₃C).
La principale ghisa bianca, nota come ghisa malleabile, offre il vantaggio di poter essere facilmente lavorata attraverso macchine utensili.
I pezzi ottenuti da tale ghisa possono essere sottoposti a saldature e brasature, trattati mediante tempra e rinvenuti sullo strato superficiale.
La ghisa bianca malleabile può essere impiegata per la realizzazione di pezzi colati con pareti sottili, come, per esempio, raccordi filettati, manicotti di raccordo per biciclette e motociclette, tamburi dei freni, dischi dei freni, scatole del cambio.

Ghisa grigia

      

La ghisa grigia è caratterizzata dalla presenza in lega del silicio che, durante il raffreddamento, favorisce la separazione del carbonio sotto forma di grafite. (La grafite è un minerale che rappresenta una delle forme di carbonio esistenti in natura).

Particolare interesse riveste la ghisa a grafite lamellare, una tipologia di ghisa grigia preparata in forni a fusione (cubilotto o forni elettrici), partendo da ghisa grigia grezza, rottami (ghisa frantumata o rottami d'acciaio) e materiali di riciclaggio, con l'aggiunta di calce per eliminare le impurità sotto forma di scorie.
In tale ghisa, dopo un lento raffreddamento, il carbonio si presenta sotto forma di grafite, principalmente in lamelle (piccoli fogli), che si accumula tra i cristalli del materiale di base.

È l'elevata quantità di carbonio presente (2,8÷3,6%) a determinare il punto di fusione relativamente basso e la buona attitudine alla colata, così come la resistenza a trazione e l'allungamento molto ridotti.

La ghisa a grafite lamellare è impiegata prevalentemente in campo automobilistico per la produzione di blocchi motori, bielle, pistoni, collettori di scarico, tamburi e dischi dei freni, coperchi e spingi disco delle frizioni.

La norma UNI EN 1561 classifica i getti di ghisa grigia secondo le caratteristiche meccaniche del materiale, resistenza a trazione o durezza. Semplificando, in base alla resistenza alla trazione si distinguono sei ghise grigie, la cui designazione è riportata nella tabella seguente.

Designazione	Resistenza a trazione [N/mm2]
EN-GJL-100	100÷200
EN-GJL-150	150÷250
EN-GJL-200	200÷300
EN-GJL-250	250÷350
EN-GJL-300	300÷400
EN-GJL-350	350÷450

Ghisa sferoidale

      

La ghisa sferoidale, caratterizzata dalla presenza di grafite sottoforma di piccole sfere (noduli), si ottiene aggiungendo del magnesio in fase di fusione. Tale ghisa, più conosciuta come ghisa duttile, è facile da lavorare, particolarmente fusibile e molto resistente all'usura; il suo strato superficiale può essere anche temprato.

La resistenza a flessione e trazione può essere aumentata attraverso trattamento termico. Per le sue caratteristiche, è impiegata in campo automobilistico, in particolare nella realizzazione di alberi a gomito, alberi a camme, bielle, tamburi e dischi dei freni.

La norma UNI EN 1563 classifica i getti di ghisa a grafite sferoidale secondo caratteristiche meccaniche del materiale quale la resistenza a trazione o la durezza, come riportato in tabella seguente.

Designazione	Resistenza a trazione [N/mm2]
EN-GJS-350-22	350
EN-GJS-400-18	400
EN-GJS-400-15	400
EN-GJS-450-10	450
EN-GJS-500-7	500
EN-GJS-600-3	600
EN-GJS-700-2	700
EN-GJS-800-2	800
EN-GJS-900-2	900