Nell'industria della fonderia, la qualità degli agenti cementanti influisce direttamente sulla qualità della ghisa fusa, sulle prestazioni di fusione e sul costo finale. L’azoto e lo zolfo sono due elementi molto critici, i loro effetti sono complessi e richiedono un controllo rigoroso.
I. Gli effetti dell'azoto (N): un'arma a doppio-taglio
L'azoto ha un duplice ruolo nel ferro fuso e il suo impatto dipende dalla composizione del ferro fuso, dalla velocità di raffreddamento e dal contenuto finale di azoto.
1. Effetti positivi (effetti benefici, in condizioni moderate e controllate):
• Rafforzamento della ferrite: l'azoto si dissolve nella ferrite, svolgendo un ruolo nel rafforzamento della soluzione solida e aumentando leggermente la resistenza della ghisa.
• Austenite stabilizzante: aiuta a stabilizzare la struttura dell'austenite.
• Promuove la formazione di carburo: combinato con alcuni elementi, può favorire la formazione di perlite, aumentandone resistenza e durezza.
• Come elemento di lega: in alcune ghise grigie o duttili di alta qualità-, quantità adeguate di azoto possono formare minuscoli nitruri con magnesio, calcio, ecc., agendo come nuclei per la cristallizzazione della grafite, raffinando la grafite, migliorando la morfologia della grafite e migliorando così le proprietà meccaniche del materiale.
2. Effetti negativi (pericoli, quando il contenuto è troppo elevato o le condizioni sono sfavorevoli):
• Formazione di pori di azoto (fori di spillo): questo è il pericolo più mortale dell'azoto. Quando il contenuto di azoto disciolto nella ghisa fusa è troppo elevato, la solubilità dell'azoto diminuisce drasticamente durante il processo di solidificazione del getto. L'azoto sovrasaturo precipita sotto forma di bolle, formando pori sottocutanei o pori fini e dispersi. Questi pori compromettono gravemente la densità, le proprietà meccaniche e la qualità della superficie del getto.
• Induzione di grafite fratturata (deformità della grafite indotta dall'azoto-): nella ghisa grigia ipereutettica, un contenuto di azoto eccessivamente elevato porta a una crescita anomala di scaglie di grafite, formando morfologie di grafite taglienti e fratturate che rompono gravemente la matrice, riducendo drasticamente la resistenza e la tenacità della fusione, in particolare la tenacità agli urti e la resistenza alla fatica.
• Maggiore fragilità della colata: nitruri eccessivi aumentano la fragilità del materiale.
Gli agenti cementanti sono una delle principali fonti di azoto nel ferro fuso. Soprattutto quando si utilizza una carica del forno con un'elevata percentuale di rottami di acciaio, i rottami di acciaio stessi contengono azoto e se l'agente di cementazione ha un elevato contenuto di azoto (come alcuni agenti di cementazione di coke di petrolio), può facilmente portare a un eccessivo contenuto di azoto totale nel ferro fuso.
II. L'influenza dello zolfo (S): da "dannoso" a "utile"
L'influenza dello zolfo differisce sostanzialmente tra la ghisa grigia e la ghisa duttile.
1. In ghisa grigia:
• Visione tradizionale (nocivo): lo zolfo forma solfuro di ferro (FeS) a basso-punto di fusione-, distribuito ai bordi dei grani, aumentando la fragilità a caldo dei getti, riducendo la fluidità e favorendo il ritiro. È generalmente considerato un elemento dannoso e deve essere controllato.
• Comprensione moderna (moderatamente vantaggiosa): quantità adeguate di zolfo (generalmente consigliate 0,06%-0,12%) possono combinarsi con il manganese per formare particelle di solfuro di manganese (MnS) ad alto-punto di fusione. Queste particelle possono agire come nuclei per la formazione di grafite, promuovendo la grafitizzazione, raffinando la grafite e migliorando così la resistenza e la durezza della ghisa grigia. Pertanto, nei moderni processi di fusione, un contenuto di zolfo inferiore non è sempre migliore; piuttosto, deve essere stabilizzato entro un intervallo adeguato.
• Il ruolo degli agenti cementanti: se l'agente cementante contiene troppo zolfo, causerà drastiche fluttuazioni nel contenuto di zolfo del ferro fuso, rendendolo difficile da controllare. Gli agenti cementizi stabili a basso-zolfo sono la base per la produzione di ghisa grigia di alta-qualità.
2. Nella ghisa duttile:
• Un elemento altamente dannoso: lo zolfo è il "nemico numero uno" della ghisa sferoidale. Lo zolfo ha un'affinità molto forte per gli agenti sferoidizzanti (come Mg, Ce, ecc.) e reagirà preferenzialmente con gli agenti sferoidizzanti per formare solfuri (come MgS), consumando una grande quantità di preziosi agenti sferoidizzanti e portando alla degradazione della sferoidizzazione.
• Danni alla sferoidizzazione della grafite: dopo aver consumato l'agente sferoidale, lo zolfo residuo interferirà con la crescita sferoidale della grafite, portando alla deformazione dello sferoide della grafite, alla riduzione del numero di sferoidi di grafite e alla comparsa di grafite in scaglie, deteriorando gravemente le proprietà meccaniche.
• Rischio di inclusioni: la maggiore formazione di scorie di solfuro aumenta il rischio di difetti di inclusione.
• Requisiti rigorosi per i carburatori: pertanto, la produzione di ghisa duttile deve utilizzare carburatori con un contenuto di zolfo estremamente basso (tipicamente S < 0,05%, quelli di alta-qualità richiedono < 0,02%) per ridurre il contenuto di zolfo del ferro grezzo e garantire l'effetto di sferoidizzazione e la stabilità.
III. Raccomandazioni per le imprese di fonderia:
1. Chiarire le esigenze: in primo luogo, determinare se produrre ghisa grigia o ghisa duttile e la qualità target.
2. Controllare rigorosamente le materie prime: gestire i carburatori come materiali di processo importanti piuttosto che come materiali ausiliari ordinari. Stabilire standard di approvvigionamento chiari e rigorosi per il contenuto di azoto e zolfo.
3. Dare priorità ai carburatori-di alta qualità:
• Carburatori grafitati: realizzati con elettrodi o scarti di grafite, hanno un elevato contenuto di carbonio, un contenuto estremamente basso di zolfo e azoto e un elevato tasso di assorbimento, che li rende la scelta migliore per la produzione di ghisa di alta-qualità (in particolare ghisa duttile e ghisa grigia di alta-grado), ma sono più costosi.
• Carburatori di coke di petrolio calcinato ad alta-temperatura: dopo un'accurata calcinazione, lo zolfo, l'azoto e le sostanze volatili vengono significativamente ridotti, offrendo un elevato rapporto costo-efficacia e rendendoli una scelta di fascia medio-e-alta-ampiamente utilizzata.
• Evitare l'uso di: coke di petrolio o ricarburanti a base di carbone-non calcinati o leggermente calcinati, poiché il loro elevato contenuto di zolfo, azoto e sostanze volatili porta facilmente a difetti di fusione.
Rafforzare il monitoraggio del processo: esegui regolarmente analisi pre-del forno (ad esempio, analisi spettrale) sul ferro fuso per monitorare le variazioni del contenuto di azoto e zolfo, consentendo aggiustamenti tempestivi del processo.
In sintesi, l'azoto e lo zolfo nei ricarburatori sono le variabili fondamentali che determinano la stabilità della qualità della colata. Selezionando e controllando scientificamente la qualità dei ricarburanti, è possibile evitare efficacemente difetti importanti come porosità, deformità della grafite e scarsa sferoidizzazione, migliorando la qualità della fusione e l'efficienza produttiva.
