La ghisa contro l’acciaio fuso

Castabilità

La maggior parte delle persone non ha mai incontrato il ferro o l’acciaio allo stato fuso – il che è comprensibile, dato che il ferro fonde a circa 2300˚F e l’acciaio a 2600˚F, ed entrambi sono versati in stampi a temperature ancora più elevate. Le persone che lavorano con il ferro liquido e l’acciaio scoprono rapidamente che differiscono drammaticamente in termini di versabilità e tassi di ritiro.

La ghisa è relativamente facile da fondere, poiché si versa facilmente e non si ritira tanto quanto l’acciaio. Questo significa che riempie facilmente i vuoti complessi in uno stampo e richiede meno materiale fuso per farlo. Questa fluidità rende la ghisa un metallo ideale per strutture architettoniche o ornamentali come recinzioni e panchine.

La colata di acciaio è molto più difficile. È meno fluido del ferro fuso e più reattivo ai materiali dello stampo. Inoltre si restringe di più quando si raffredda, il che significa che più materiale fuso deve essere versato – tipicamente in un serbatoio in eccesso, chiamato riser, da cui una colata attinge mentre si raffredda.

Le colate, comunque, tipicamente non si raffreddano uniformemente nelle loro strutture interne. Le aree esterne e le porzioni più sottili si raffreddano e si restringono a tassi diversi rispetto alle aree interne e alle porzioni più voluminose, creando spesso tensioni interne, o stress, che possono essere alleviati solo attraverso il trattamento termico. L’acciaio è molto più suscettibile del ferro alle tensioni da ritiro, e in alcune situazioni, queste tensioni possono portare a significativi vuoti interni e/o esterni, e possibili fratture finali.

Per queste ragioni, l’acciaio fuso richiede più attenzione e ispezione durante il processo di fusione, rendendo la produzione più intensiva di risorse.

Macchinabilità

A seconda dell’applicazione finale, le parti fuse possono aver bisogno di essere lavorate per raggiungere tolleranze specifiche, o per creare una finitura desiderata. Come minimo, oggetti come cancelli e guide devono essere tagliati e rettificati.

La lavorabilità è la misura di quanto sia facile tagliare o rettificare un dato materiale; alcuni materiali sono più difficili da lavorare di altri. Come regola generale, i metalli con alte aggiunte di leghe per migliorare le prestazioni meccaniche hanno una lavorabilità inferiore.

La ghisa è tipicamente molto più facile da lavorare dell’acciaio. La struttura della grafite nella ghisa si rompe più facilmente e in modo più uniforme. I ferri più duri, come la ghisa bianca, sono molto più difficili da lavorare a causa della loro fragilità.

L’acciaio non è così facile da tagliare con la stessa consistenza, e causa una maggiore usura degli utensili, con conseguenti costi di produzione più elevati. Anche gli acciai temprati, o quelli con un contenuto di carbonio più elevato, aumentano l’usura degli utensili. Gli acciai più morbidi non sono necessariamente migliori, tuttavia – gli acciai a basso contenuto di carbonio, nonostante siano più morbidi, possono diventare gommosi e difficili da lavorare.

Smorzamento delle vibrazioni

Le proprietà di smorzamento dovrebbero essere considerate quando si seleziona un materiale di fusione, poiché una mancanza di capacità di smorzamento può portare a vibrazioni e rumore eccessivi, come squilli o stridori. A seconda di dove viene usato un materiale, uno smorzamento efficace può portare a prestazioni più robuste e affidabili.

Le strutture di grafite nella ghisa, specialmente le formazioni a scaglie nella ghisa grigia, sono particolarmente buone per assorbire le vibrazioni. Questo rende la ghisa ideale per i blocchi motore, gli alloggiamenti dei cilindri, i basamenti delle macchine e altre applicazioni dove la robustezza e la precisione sono importanti. Ridurre le vibrazioni può minimizzare lo stress e prevenire l’usura delle parti mobili.

Resistenza alla compressione

La resistenza alla compressione è la capacità di un materiale di resistere a forze che ridurrebbero la dimensione dell’oggetto. Questo è opposto alle forze dirette a strappare un materiale. La resistenza alla compressione è vantaggiosa nelle applicazioni meccaniche in cui la pressione e il contenimento sono fattori. In genere, la ghisa ha una migliore resistenza alla compressione rispetto all’acciaio.

Resistenza agli urti

Finora, potrebbe sembrare che ci siano più vantaggi nell’usare la ghisa che l’acciaio, ma l’acciaio ha un vantaggio significativo: la resistenza agli urti. L’acciaio è eccellente nel sopportare impatti improvvisi senza piegarsi, deformarsi o rompersi. Questo è dovuto alla sua tenacità: la sua capacità di resistere ad alte forze di stress e deformazione.

La forza senza duttilità si traduce in un materiale fragile che è altamente suscettibile di frattura – e la ghisa è il manifesto della forza senza duttilità. A causa della sua fragilità, la ghisa ha una gamma limitata di applicazioni.

Al tempo stesso, un’alta duttilità, o la capacità di deformarsi senza cedimenti, non è molto utile senza la forza di sopportare un impatto significativo. Un elastico, per esempio, può subire una deformazione significativa senza rompersi, ma la quantità di forza che può sopportare è molto limitata.

Mentre il ferro può essere più facile da lavorare nella maggior parte delle applicazioni di fusione, l’acciaio ha un mix ottimale di forza e duttilità che lo rende estremamente duro. Le qualità resistenti agli urti e la natura portante dell’acciaio lo rendono desiderabile per molte applicazioni meccaniche e strutturali – ecco perché l’acciaio è il metallo più usato al mondo.

Resistenza alla corrosione

Il ferro ha una migliore resistenza alla corrosione dell’acciaio. Entrambi i metalli si ossideranno in presenza di umidità, ma il ferro svilupperà una patina per prevenire la corrosione profonda dell’integrità del metallo.

Un altro modo per prevenire la corrosione è con la vernice o il rivestimento in polvere. Qualsiasi scheggia o crepa che espone il metallo sottostante può portare alla corrosione, quindi la manutenzione regolare è importante per i metalli rivestiti.

Se la resistenza alla corrosione, pur mantenendo un aspetto argentato in metallo grezzo, è un fattore importante, gli acciai legati sono probabilmente un’opzione migliore – in particolare gli acciai inossidabili, che hanno cromo e altre leghe aggiunte per prevenire l’ossidazione.

Resistenza all’usura

La ghisa in genere ha una migliore resistenza all’usura meccanica dell’acciaio, specialmente in situazioni di attrito. Il maggior contenuto di grafite nella ghisa crea un lubrificante grafitico secco che permette alle superfici solide di scorrere l’una contro l’altra senza deteriorare la qualità della superficie.

L’acciaio si usura più facilmente del ferro, ma può ancora essere resistente a certi tipi di abrasione. Alcune aggiunte di leghe possono anche migliorare le qualità di abrasione dell’acciaio.

Costo

La ghisa è spesso più economica dell’acciaio fuso a causa dei minori costi dei materiali, dell’energia e del lavoro necessari per produrre un prodotto finale. L’acciaio grezzo è più costoso da acquistare e richiede più tempo e attenzione per la fusione. Quando si progettano prodotti fusi, tuttavia, vale la pena considerare l’uso a lungo termine e i costi di sostituzione. Le parti che sono più costose da produrre possono finire per costare meno nel lungo periodo.

L’acciaio è anche disponibile in molte forme prefabbricate, come fogli, barre, tubi e travi, e spesso può essere lavorato o assemblato per soddisfare una particolare applicazione. A seconda del prodotto e della quantità richiesta, fabbricare prodotti in acciaio esistenti può essere un’opzione conveniente.

Diversi tipi di ghisa e acciaio fuso

Abbiamo confrontato le qualità delle forme più basilari di ghisa (ferro grigio) e acciaio fuso (acciaio dolce o al carbonio), ma la composizione specifica e la struttura di fase di ferro e acciaio possono influenzare notevolmente le proprietà meccaniche. Per esempio, il carbonio in una ghisa grigia standard prende la forma di fiocchi di grafite taglienti, mentre la ghisa duttile presenta strutture di grafite più sferoidali. La grafite a scaglie è ciò che rende il ferro grigio fragile, mentre le particelle rotonde di grafite nel ferro duttile migliorano la tenacità, rendendolo più adatto ad applicazioni di resistenza agli urti.

Le leghe possono essere aggiunte sia al ferro che all’acciaio per progettare le proprietà desiderate. Il manganese, per esempio, aumenta la tenacità, mentre il cromo migliora la resistenza alla corrosione. La variazione del contenuto di carbonio è anche ciò che distingue tra acciai a basso, standard e ad alto contenuto di carbonio – quantità più alte che rendono i materiali molto più duri.

In definitiva, la scelta tra ghisa e acciaio fuso dipenderà dal tipo e dall’applicazione dell’installazione finale.

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