Ghisa e acciaio: le differenze

Ferro e carbonio danno origine a due grandi famiglie di materiali, separate da una soglia di carbonio: gli acciai e le ghise. Sembra una distinzione tecnica, ma cambia tutto: gli acciai si forgiano, si laminano e si saldano; le ghise si fondono e si colano in stampi, sono dure e resistenti a compressione ma fragili. Capire dove passa il confine, e perché, è la base per scegliere il materiale giusto.

Vediamo qual è la differenza di composizione fra ghisa e acciaio, come si classificano le ghise e perché hanno proprietà così diverse.

La soglia del carbonio

La distinzione fra acciaio e ghisa si basa anzitutto sul tenore di carbonio. Convenzionalmente si chiamano acciai le leghe ferro-carbonio con meno del 2,1% circa di carbonio, e ghise quelle con un tenore superiore (in pratica tipicamente fra il 2,5% e il 4%). Quel 2,1% non è arbitrario: corrisponde alla massima solubilità del carbonio nell’austenite. Oltre quella soglia il carbonio in eccesso non può più stare disciolto e deve precipitare come fase separata, il che cambia radicalmente il comportamento del materiale.

In realtà la distinzione più sostanziale è funzionale: l’acciaio è una lega pensata per essere lavorata plasticamente — forgiata, laminata, trafilata — mentre la ghisa è una lega progettata per essere colata, cioè versata liquida in uno stampo per ottenere direttamente il pezzo. L’alto tenore di carbonio abbassa il punto di fusione e migliora la colabilità, ma rende il materiale troppo fragile per la deformazione plastica.

Acciaio: duttile e saldabile

Gli acciai, con il loro tenore di carbonio più basso, conservano sufficiente duttilità da poter essere deformati a freddo e a caldo, e in genere si saldano bene. Le loro proprietà coprono un’enorme gamma, dal tenero acciaio da costruzione (basso carbonio) al durissimo acciaio per utensili (alto carbonio), e si modulano con i trattamenti termici. È il materiale strutturale per eccellenza: travi, lamiere, fili, organi di macchine.

Le famiglie di ghise

Il carattere di una ghisa dipende soprattutto da come si presenta il carbonio in eccesso: legato come cementite oppure libero come grafite, e in che forma. Da qui le principali famiglie.

Nella ghisa grigia, la più comune, il carbonio precipita come lamelle di grafite: la frattura appare grigia (da cui il nome) e le lamelle, pur indebolendo il materiale, gli conferiscono un’eccellente capacità di smorzare le vibrazioni e una buona lavorabilità alle macchine utensili. La ghisa bianca trattiene invece tutto il carbonio come cementite: è durissima e resistente all’usura, ma estremamente fragile. La ghisa sferoidale (o duttile) si ottiene aggiungendo piccole quantità di magnesio, che fanno crescere la grafite in noduli sferici anziché in lamelle taglienti: il risultato è una ghisa molto più tenace e duttile, capace di sopportare anche carichi a trazione.

Perché la ghisa è fragile

La fragilità della ghisa nasce dalla presenza di fasi dure e discontinue: la cementite, intrinsecamente fragile, e le lamelle di grafite, che interrompono la continuità del metallo e fanno da inneschi di frattura. Per questo la ghisa resiste benissimo a compressione ma male a trazione e agli urti. Trasformando la grafite da lamelle a noduli (ghisa sferoidale) si attenua molto questo limite, avvicinando il comportamento a quello di un acciaio, pur mantenendo i vantaggi di colata della ghisa.

< 2,1% C: acciaio (deformabile)   |   > 2,1% C: ghisa (da colata, fragile)

Perché conta nella pratica

La scelta fra acciaio e ghisa, e fra i diversi tipi di ghisa, è una decisione progettuale di base. Un albero soggetto a flessione e fatica vuole un acciaio o al più una ghisa sferoidale; un basamento che deve smorzare vibrazioni e resistere a compressione si presta benissimo alla ghisa grigia; un componente che deve resistere all’abrasione può richiedere la durezza della ghisa bianca. Capire perché questi materiali si comportano così diversamente — tutto dalla quantità e dalla forma del carbonio — permette di scegliere bene e di evitare rotture fragili inattese.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra ghisa e acciaio?

La differenza principale è il tenore di carbonio: gli acciai ne contengono meno del 2,1% circa, le ghise di più (tipicamente 2,5–4%). Quella soglia corrisponde alla massima solubilità del carbonio nell’austenite. Funzionalmente, l’acciaio è fatto per essere deformato plasticamente (forgiato, laminato, saldato), mentre la ghisa è fatta per essere colata in stampi ed è generalmente fragile.

Perché la ghisa è fragile?

Perché contiene fasi dure e discontinue: la cementite, intrinsecamente fragile, e le lamelle di grafite, che interrompono la continuità del metallo e fanno da inneschi di frattura. Per questo la ghisa resiste molto bene a compressione ma male a trazione e agli urti. Trasformando la grafite in noduli sferici (ghisa sferoidale) la fragilità si riduce notevolmente.

Che cos’è la ghisa grigia?

È la ghisa più comune, in cui il carbonio in eccesso precipita come lamelle di grafite, che danno alla frattura un aspetto grigio. Le lamelle indeboliscono il materiale ma gli conferiscono un’ottima capacità di smorzare le vibrazioni e una buona lavorabilità alle macchine utensili: per questo si usa per basamenti, blocchi motore e bancali.

Che cos’è la ghisa sferoidale?

È una ghisa in cui la grafite, grazie all’aggiunta di piccole quantità di magnesio, cresce in noduli sferici anziché in lamelle taglienti. La forma sferica concentra molto meno gli sforzi, per cui la ghisa sferoidale (o duttile) è assai più tenace e duttile delle altre ghise e sopporta anche carichi a trazione, mantenendo i vantaggi di colata.

Perché la ghisa si fonde più facilmente dell’acciaio?

Perché l’alto tenore di carbonio abbassa la temperatura di fusione e migliora la colabilità del metallo liquido. Questo rende la ghisa ideale per essere versata in stampi e ottenere pezzi di forma complessa direttamente per colata, mentre l’acciaio, con meno carbonio, fonde a temperature più alte ma resta abbastanza duttile da essere lavorato plasticamente.