Il trattamento termico della ghisa presenta analogie e differenze rispetto a quello dell’acciaio. Il trattamento termico della ghisa non è in grado di migliorare la morfologia né la distribuzione della grafite nella microstruttura originaria. Per la ghisa grigia, l’effetto di concentrazione delle sollecitazioni causato dalla grafite lamellare rappresenta il fattore principale che influenza le prestazioni; pertanto, l’effetto rinforzante del trattamento termico sulla ghisa grigia risulta molto meno significativo rispetto a quello osservato su acciaio e ghisa nodulare. Di conseguenza, i processi di trattamento termico della ghisa grigia comprendono principalmente ricottura, normalizzazione, ecc.
Per la ghisa nodulare, poiché la grafite si presenta sotto forma sferica, l’effetto di fratturazione sulla matrice viene notevolmente ridotto. La struttura della matrice può esprimere appieno le proprie caratteristiche grazie al trattamento termico, con un miglioramento significativo delle proprietà meccaniche. Pertanto, analogamente all’acciaio, la ghisa duttile può essere sottoposta a ricottura, normalizzazione, tempra e rinvenimento, tempra a più temperature, tempra mediante riscaldamento induttivo e trattamenti termici superficiali chimici.
Processo di trattamento termico della ghisa:
1. Ricottura per lo scarico delle tensioni
A causa dello spessore non uniforme delle pareti dei getti, durante il riscaldamento, il raffreddamento e le trasformazioni di fase si generano sollecitazioni efficaci e sollecitazioni strutturali. Inoltre, nei pezzi di grandi dimensioni, le tensioni interne tendono a persistere anche dopo la lavorazione; tutte queste sollecitazioni interne devono essere eliminate. La temperatura di riscaldamento tipica per la ricottura di rilassamento delle tensioni è compresa tra 500 e 550 °C, con un tempo di mantenimento di 2–8 ore, seguita da raffreddamento in forno (per la ghisa grigia) o raffreddamento all’aria (per la ghisa nodulare). Questo processo consente di eliminare dal 90 al 95% delle tensioni interne del getto, senza tuttavia modificare la microstruttura della ghisa. Se la temperatura supera i 550 °C oppure il tempo di mantenimento risulta eccessivo, si verifica invece una grafitizzazione, con conseguente riduzione della resistenza e della durezza del getto.
2. Ricottura ad alta temperatura per la grafitizzazione volta a eliminare la ghisa bianca
Durante il raffreddamento del getto, è frequente la formazione di una zona bianca sulla superficie e nelle sezioni sottili. Tale microstruttura bianca risulta dura e fragile, con scarsa lavorabilità e tendenza allo sfaldamento. Pertanto, è necessario adottare un processo di ricottura (o normalizzazione) per eliminare questa struttura bianca. Procedimento di ricottura: riscaldamento a 550–950 °C per 2–5 ore, seguito da raffreddamento in forno fino a 500–550 °C, quindi raffreddamento all’aria fuori dal forno. Durante la fase di mantenimento ad alta temperatura, la cementite libera e la cementite eutettica vengono decomposte in grafite e austenite, mentre la cementite secondaria e la cementite eutettoidica subiscono ulteriori decomposizioni nel corso del successivo raffreddamento, determinando così la grafitizzazione. A causa della decomposizione della cementite, la durezza diminuisce, migliorando di conseguenza la lavorabilità.
3. Normalizzazione della ghisa duttile
Lo scopo della normalizzazione della ghisa sferoidale è ottenere una microstruttura a matrice perlitica, affinare i grani e uniformare la struttura, al fine di migliorare le proprietà meccaniche dei getti. Talvolta, la normalizzazione costituisce anche una preparazione, dal punto di vista microstrutturale, per la tempra superficiale della ghisa sferoidale. La normalizzazione può essere suddivisa in normalizzazione ad alta temperatura e normalizzazione a bassa temperatura. La temperatura di normalizzazione ad alta temperatura generalmente non supera i 950–980 °C, mentre la normalizzazione a bassa temperatura viene eseguita riscaldando il materiale nell’intervallo della temperatura eutettoidica, cioè tra 820 e 860 °C. Dopo la normalizzazione, è spesso necessario effettuare un trattamento per eliminare le sollecitazioni interne generate durante tale processo.
4. Tempra e rinvenimento della ghisa sferoidale
Al fine di migliorare le proprietà meccaniche della ghisa duttile, i getti vengono generalmente riscaldati a 30–50 °C al di sopra della temperatura Afc1 (Afc1 rappresenta la temperatura finale di formazione della fase A durante il riscaldamento) e, dopo una fase di mantenimento termico, vengono temprati in olio per ottenere una microstruttura martensitica. Per ridurre adeguatamente le tensioni residue dopo la tempra, è consigliabile eseguire, in genere, un rinvenimento successivo alla tempra. La microstruttura risultante dal rinvenimento a bassa temperatura è costituita da martensite temprata, bainite e grafite sferoidale; tale struttura presenta una buona resistenza all’usura ed è impiegata per componenti che richiedono elevata resistenza all’usura e alta resistenza meccanica. Il rinvenimento a media temperatura si effettua tra 350 e 500 °C; dopo questo trattamento, la microstruttura è composta da troostite temprata e grafite sferoidale, adatta per pezzi spessi che richiedono buona resistenza all’usura, stabilità e elasticità. Il rinvenimento ad alta temperatura avviene tra 500 e 600 °C; in seguito al trattamento, la microstruttura risulta essere sorbite temprata con grafite sferoidale, caratterizzata da ottime proprietà complessive di tenacità e resistenza, motivo per cui è ampiamente utilizzata nella produzione.
5. Tempra isotermica della ghisa duttile
La ghisa duttile può ottenere elevata resistenza, buona plasticità e tenacità dopo la tempra isotermica. La scelta della temperatura di riscaldamento per la tempra isotermica tiene principalmente conto del fatto di ottenere una microstruttura completamente costituita da austenite, senza presenza di ferrite residua, evitando al contempo la crescita dei grani di austenite. In genere, la temperatura di riscaldamento viene fissata a 30–50 °C al di sopra della temperatura Afc1, in modo da garantire l’ottenimento di una struttura bainitica inferiore con proprietà meccaniche complessivamente elevate. Dopo la tempra isotermica della ghisa sferoidale legata al magnesio e all’alluminio con aggiunta di terre rare, si ottengono valori di σb pari a 1200–1400 MPa, αk di 3–3,6 J/cm² e una durezza HRC di 47–51. Tuttavia, va precisato che è necessario eseguire un trattamento di rinvenimento successivo alla tempra isotermica.
6. Tempra superficiale
Per migliorare la durezza superficiale, la resistenza all’usura e la resistenza a fatica di alcuni getti, può essere impiegata la tempra superficiale. Sia i getti in ghisa grigia sia quelli in ghisa duttile possono essere sottoposti a tempra superficiale. In genere si utilizzano tecniche quali la tempra superficiale mediante riscaldamento induttivo ad alta (o media) frequenza e la tempra superficiale tramite contatto elettrico.
7. Trattamento termico chimico
Per i getti che richiedono resistenza all’usura superficiale, resistenza all’ossidazione e resistenza alla corrosione, è possibile adottare processi di trattamento termico chimico analoghi a quelli impiegati per l’acciaio, come la clorurazione dolce a gas, la clorurazione, la borurazione, la solforizzazione, ecc.