Design and characterization of niobium alloyed ductile iron castings

This research, conducted in collaboration with Ariotti Spa, aims to evaluate an alternative to austempered ductile iron (ADI), for reducing the direct costs related to heat treatment or the indirect related to machining operations, for the production of thick components such as satellite carriers for wind use. In this regard, after the study of the state of the art, three different chemical compositions have been selected, characterized by different contents of Nb, C and Sn, for each one two castings characterized by different thermal modules have been produced. The ImageJ analysis of the micrographs of the metallographic samples has allowed to verify the effectiveness of Nb carbides as nucleation centers for graphite nodules and of Sn in maximizing nodularity. The mechanical characterization, consisting in hardness evaluation and uniaxial tensile test, has been carried out both on as-cast samples and on heat treated samples, subjected to normalizing and bainitic quenching followed by tempering. Different cooling rates for normalizing and holding temperatures for bainitic quenching have been evaluated for defining the heat treatments to be applied. Moreover, XRD analysis has been exploited to assess the presence of residual austenite after bainitic quenching, but also after tempering. Mechanical characterization has shown that the material, regardless of the chemical composition, in as-cast conditions has properties similar to a medium-high performance ductile iron, classifiable as GJS-600-3C. The normalized specimens exhibit high mechanical strength, comparable to a GJS-700-2C, but at the same time brittle behaviour, which has caused elongation at break values lower than the minimum defined by the standards. The SEM analysis of the fracture surfaces has made it possible to verify that the high degree of brittleness is related to high concentrations of inclusions and especially of V and Mo carbides. Samples subjected to bainitic quenching and tempering have exhibited the best combination of mechanical properties and are classifiable as GJS-800-2C, but elongation at break values lower than ADI. The bainitic quenching and tempering treatment could provide an alternative to ADI considering that, although it is characterized by longer treatment times compared to austempering, it leads to a structure without residual austenite characterized by high thermal and mechanical stability, which allows to minimize the handling costs related to machining operations compared to ADI.

Questa ricerca, svolta in collaborazione con Ariotti Spa, si propone di valutare un’alternativa alle ghise duttili austemperate (ADI), con lo scopo di diminuire i costi diretti di trattamento termico e indiretti in termini di lavorazione meccanica, per la produzione di componenti con spessori elevati quali portasatelliti per impiego eolico. A tal proposito, in seguito allo studio dello stato dell’arte si sono selezionate tre diverse composizioni chimiche caratterizzate da contenuti diversi di Nb, C, Sn e per ognuna delle tre si son prodotti due getti caratterizzati da moduli termici diversi. L’analisi tramite ImageJ delle micrografie ha consentito di verificare l’efficacia dei carburi di Nb come centri di nucleazione per i noduli grafitici e dello Sn nel massimizzarne il grado di nodularità. In seguito, la caratterizzazione meccanica, consistente in valutazione della durezza e test a trazione uniassiale, si è svolta sia su provini as-cast, che su provini soggetti a trattamento termico di normalizzazione e di tempra bainitica seguita da rinvenimento. Si sono testati diverse velocità di raffreddamento per la normalizzazione e diverse temperature di mantenimento per la tempra bainitica per definire i trattamenti termici ottimali. Mentre per valutare la presenza di austenite residua nei campioni soggetti a tempra bainitica, si è sfruttata l’analisi XRD. La caratterizzazione meccanica ha evidenziato che il materiale, indipendentemente dalla composizione chimica, in condizioni as-cast mostra proprietà simili ad una ghisa duttile a prestazioni medio-elevate, classificabile come GJS-600-3C. Allo stesso tempo i provini normalizzati hanno esibito un’elevata resistenza meccanica, in linea con quella di una ghisa duttile GJS-700-2C, ma al contempo un comportamento fragile, che ha causato allungamenti a rottura inferiori ai valori minimi riportati negli standard. L’analisi SEM delle superfici di frattura ha consentito di verificare che l’elevato grado di fragilità è correlato a concentrazioni elevate di inclusioni e soprattutto di carburi di V e Mo. I campioni soggetti a tempra bainitica e rinvenimento hanno esibito la migliore combinazione di proprietà meccaniche e sono classificabili come GJS-800-2C, ma hanno mostrato un carattere fragile evidenziato da valori di allungamento a rottura inferiori a quelli delle leghe ADI. Il trattamento di tempra bainitica e rinvenimento rappresenta un'alternativa alle ADI, infatti, sebbene sia caratterizzato da tempi di trattamento più lunghi rispetto all'austempering, porta ad una struttura priva di austenite residua e caratterizzata da elevata stabilità termica e meccanica, che permette di minimizzare i costi legati alle lavorazioni meccaniche rispetto alle leghe ADI.