Ghisaè un gruppo di leghe ferro-carbonio con un contenuto di carbonio superiore al 2%.La sua utilità deriva dalla sua temperatura di fusione relativamente bassa.I costituenti della lega ne influenzano il colore quando vengono fratturati: la ghisa bianca ha impurità di carburo che consentono il passaggio diretto delle crepe, la ghisa grigia ha scaglie di grafite che deviano una fessura passante e danno origine a innumerevoli nuove crepe quando il materiale si rompe, e la ghisa duttile ha caratteristiche sferiche. "noduli" di grafite che impediscono alla fessura di progredire ulteriormente.

Il carbonio (C) compreso tra l'1,8 e il 4% in peso e il silicio (Si) tra l'1 e il 3% in peso sono i principali elementi di lega della ghisa.Le leghe di ferro con un contenuto di carbonio inferiore sono note come acciaio.

La ghisa tende ad essere fragile, ad eccezione delle ghise malleabili.Con il suo punto di fusione relativamente basso, buona fluidità, colabilità, eccellente lavorabilità, resistenza alla deformazione e all'usura, le ghise sono diventate un materiale tecnico con un'ampia gamma di applicazioni e vengono utilizzate in tubi, macchine e parti dell'industria automobilistica, come cilindri testate, blocchi cilindri e scatole del cambio.È resistente ai danni dovuti all'ossidazione.

I primi manufatti in ghisa risalgono al V secolo a.C. e furono scoperti dagli archeologi nell'attuale Jiangsu in Cina.La ghisa veniva utilizzata nell'antica Cina per la guerra, l'agricoltura e l'architettura.Durante il XV secolo, la ghisa fu utilizzata per i cannoni in Borgogna, in Francia e in Inghilterra durante la Riforma.La quantità di ghisa utilizzata per i cannoni richiedeva una produzione su larga scala. Il primo ponte in ghisa fu costruito nel 1770 da Abraham Darby III ed è noto come The Iron Bridge nello Shropshire, in Inghilterra.La ghisa veniva utilizzata anche nella costruzione di edifici.

Elementi di lega

Le proprietà della ghisa vengono modificate aggiungendo vari elementi di lega o leganti.Accanto al carbonio, il silicio è il legante più importante perché costringe il carbonio a uscire dalla soluzione.Una bassa percentuale di silicio permette al carbonio di rimanere in soluzione formando carburo di ferro e la produzione di ghisa bianca.Un'alta percentuale di silicio spinge il carbonio fuori dalla soluzione formando grafite e la produzione di ghisa grigia.Altri agenti leganti, manganese, cromo, molibdeno, titanio e vanadio contrastano il silicio, favoriscono la ritenzione del carbonio e la formazione di tali carburi.Il nichel e il rame aumentano la resistenza e la lavorabilità, ma non modificano la quantità di grafite formata.Il carbonio sotto forma di grafite si traduce in un ferro più morbido, riduce il restringimento, riduce la resistenza e diminuisce la densità.Lo zolfo, in gran parte un contaminante quando presente, forma solfuro di ferro, che impedisce la formazione di grafite e aumenta la durezza.Il problema con lo zolfo è che rende viscosa la ghisa fusa, causando difetti.Per contrastare gli effetti dello zolfo, viene aggiunto il manganese perché i due si trasformano in solfuro di manganese invece che in solfuro di ferro.Il solfuro di manganese è più leggero della massa fusa, quindi tende a galleggiare fuori dalla massa fusa e nelle scorie.La quantità di manganese necessaria per neutralizzare lo zolfo è 1,7 × contenuto di zolfo + 0,3%.Se si aggiunge più di questa quantità di manganese, si forma carburo di manganese, che aumenta la durezza e il raffreddamento, tranne che nella ghisa grigia, dove fino all'1% di manganese aumenta la resistenza e la densità.

Il nichel è uno degli elementi di lega più comuni perché affina la struttura della perlite e della grafite, migliora la tenacità e uniforma le differenze di durezza tra gli spessori delle sezioni.Il cromo viene aggiunto in piccole quantità per ridurre la grafite libera, produrre freddo e perché è un potente stabilizzante del carburo;il nichel viene spesso aggiunto insieme.Una piccola quantità di stagno può essere aggiunta in sostituzione dello 0,5% di cromo.Il rame viene aggiunto nella siviera o nella fornace, nell'ordine dello 0,5–2,5%, per diminuire il freddo, affinare la grafite e aumentare la fluidità.Il molibdeno viene aggiunto nell'ordine dello 0,3–1% per aumentare il freddo e affinare la struttura della grafite e della perlite;viene spesso aggiunto insieme a nichel, rame e cromo per formare ferri ad alta resistenza.Il titanio viene aggiunto come degasatore e disossidante, ma aumenta anche la fluidità.Lo 0,15–0,5% di vanadio viene aggiunto alla ghisa per stabilizzare la cementite, aumentare la durezza e aumentare la resistenza all'usura e al calore.Lo 0,1–0,3% di zirconio aiuta a formare grafite, disossidarsi e aumentare la fluidità.

Nella ghisa malleabile viene aggiunto bismuto, nella scala dello 0,002–0,01%, per aumentare la quantità di silicio che può essere aggiunta.Nel ferro bianco viene aggiunto boro per favorire la produzione di ferro malleabile;riduce anche l'effetto grossolano del bismuto.

Ghisa grigia

La ghisa grigia è caratterizzata dalla sua microstruttura grafitica, che fa sì che le fratture del materiale abbiano un aspetto grigio.È la ghisa più comunemente usata e il materiale fuso più utilizzato in base al peso.La maggior parte delle ghise ha una composizione chimica pari al 2,5–4,0% di carbonio, 1–3% di silicio e il resto di ferro.La ghisa grigia ha una resistenza alla trazione e agli urti inferiore rispetto all'acciaio, ma la sua resistenza alla compressione è paragonabile all'acciaio a basso e medio tenore di carbonio.Queste proprietà meccaniche sono controllate dalla dimensione e dalla forma delle scaglie di grafite presenti nella microstruttura e possono essere caratterizzate secondo le linee guida fornite dalla ASTM.

Ghisa bianca

La ghisa bianca presenta superfici bianche fratturate a causa della presenza di un precipitato di carburo di ferro chiamato cementite.Con un contenuto di silicio inferiore (agente grafitizzante) e una velocità di raffreddamento più rapida, il carbonio nella ghisa bianca precipita dalla massa fusa come cementite in fase metastabile, Fe₃C, anziché grafite.La cementite che precipita dalla massa fusa si forma come particelle relativamente grandi.Quando il carburo di ferro precipita, ritira il carbonio dalla fusione originale, spostando la miscela verso una miscela più vicina all'eutettico, e la fase rimanente è l'austenite ferro-carbonio inferiore (che raffreddandosi potrebbe trasformarsi in martensite).Questi carburi eutettici sono troppo grandi per fornire il vantaggio di quello che viene chiamato indurimento per precipitazione (come in alcuni acciai, dove precipitati di cementite molto più piccoli potrebbero inibire [la deformazione plastica] impedendo il movimento delle dislocazioni attraverso la matrice di ferrite di ferro puro).Piuttosto, aumentano la durezza apparente della ghisa semplicemente in virtù della loro durezza molto elevata e della loro frazione volumetrica sostanziale, tale che la durezza apparente può essere approssimata mediante una regola di miscele.In ogni caso, offrono durezza a scapito della tenacità.Poiché il carburo costituisce una grande frazione del materiale, la ghisa bianca potrebbe ragionevolmente essere classificata come cermet.Il ferro bianco è troppo fragile per essere utilizzato in molti componenti strutturali, ma con una buona durezza e resistenza all'abrasione e un costo relativamente basso, trova impiego in applicazioni come le superfici soggette ad usura (girante e voluta) di pompe per liquami, rivestimenti a guscio e barre di sollevamento in sfere mulini e mulini di macinazione autogeni, sfere e anelli nei polverizzatori di carbone e denti della benna da scavo di una terna (sebbene l'acciaio martensitico fuso a medio carbonio sia più comune per questa applicazione).

È difficile raffreddare i getti spessi abbastanza velocemente da solidificare completamente la massa fusa come ghisa bianca.Tuttavia, è possibile utilizzare un raffreddamento rapido per solidificare un guscio di ghisa bianca, dopodiché il resto si raffredda più lentamente per formare un nucleo di ghisa grigia.Il getto risultante, chiamato acolata refrigerata, presenta i vantaggi di una superficie dura con un interno un po' più resistente.

Le leghe di ferro bianco ad alto contenuto di cromo consentono la fusione in sabbia di getti massicci (ad esempio, una girante da 10 tonnellate), poiché il cromo riduce la velocità di raffreddamento richiesta per produrre carburi attraverso spessori maggiori di materiale.Il cromo produce anche carburi con un'impressionante resistenza all'abrasione.Queste leghe ad alto contenuto di cromo attribuiscono la loro durezza superiore alla presenza di carburi di cromo.La forma principale di questi carburi è quella eutettica o primaria M₇C₃carburi, dove "M" rappresenta ferro o cromo e può variare a seconda della composizione della lega.I carburi eutettici si formano come fasci di aste esagonali cave e crescono perpendicolarmente al piano basale esagonale.La durezza di questi carburi è compresa tra 1500 e 1800 HV.

Ghisa malleabile

La ghisa malleabile inizia come una colata di ferro bianco che viene poi trattata termicamente per un giorno o due a circa 950 °C (1.740 °F) e poi raffreddata per un giorno o due.Di conseguenza, il carbonio nel carburo di ferro si trasforma in grafite e ferrite più carbonio (austenite).Il processo lento consente alla tensione superficiale di formare la grafite in particelle sferoidali anziché in scaglie.A causa del loro rapporto d'aspetto inferiore, gli sferoidi sono relativamente corti e distanti l'uno dall'altro e hanno una sezione trasversale inferiore rispetto a una fessura o a un fonone che si propaga.Presentano inoltre bordi smussati, a differenza delle lamelle, che alleviano i problemi di concentrazione delle sollecitazioni riscontrati nella ghisa grigia.In generale, le proprietà della ghisa malleabile sono più simili a quelle dell'acciaio dolce.Esiste un limite alle dimensioni che un pezzo può essere fuso in ghisa malleabile, poiché è realizzato in ghisa bianca.

Ghisa duttile