ACCIAI INOSSIDABILIACCIAI INOSSIDABILI

Introduzione

A) Effetto della composizione

- Materiali per l’ingegneria ⇒ acciai resistenti alla corrosione per

Cr ≥ 12% ⇒ acciaio inossidabile;

- Cr ≥ 12% ⇒ passiva la superficie dell’acciaio con strato di ossido

(qualche A) ⇒ protegge il metallo dalla corrosione;

- Strato di ossido ⇒ acciaio in contatto con mezzi ossidanti (aria..)

- Cr < 12% ⇒ acciaio con certa resistenza a corrosione;

- Aggiunta di Ni ⇒ migliora la resistenza alla corrosione in

ambiente neutro o leggermente ossidante

( aumenta il costo dell’acciaio);

⇒ in opportune concentrazioni:

a) aumenta la duttilità e formabilità,

b) struttura austenitica a T ambiente

- Aggiunta di Mo ⇒ migliora la resistenza a corrosione da cloruri

- Aggiunta di Al ⇒ migliora la resistenza alla scagliatura ad alta T

B) Leghe Ferro-Cromo.

Diagramma Fe-Cr: due aspetti importanti ⇒ la zona γ, la fase σ.+ Formazione della zona γ.

++ Cr: a) CCC come ferrite α ⇒ stabilizza ed allarga il campo della fase α ⇒ zona γ ristretta (CFC)

b) raffreddando dall’interno della zona γ ⇒ ferrite αc) raffreddando dall’interno della zona α (Cr > 13%)

⇒ ferrite α con Cr in soluzione solida.

+ Formazione della fase σ a T < 821°C con Cr attorno a 46% ⇒ fase dura e fragile ⇒ infragilisce l’acciaio

Diagramma Fe - Cr

C) Leghe Fe-Cr-C

- C ⇒ stabilizza il campo della fase γ

- il confine della fase γ ⇒ aumenta fino a Cr = 18% con C = 0,6%

- C>0.6% ⇒ formazione di carburi liberi

- Formazione di carburi: (Fe,Cr)3C → (Cr,Fe)7C3 → (Cr,Fe)23C6

(Cr,Fe)23C6 → ai confini di grano di acciai durante determinati

trattamenti termici (k1)

- (Cr,Fe)7C3 → all’interno dei grani (k2)

D) Leghe Fe-Cr-Ni-C

- L’aggiunta di Ni (CFC) stabilizza l’austenite (CFC) e contrasta la

formazione di ferrite; in quantità opportune e basso C ⇒ l’austenite

a T ambiente (inox austenitici).

-Fe-18% Cr-8%Ni. Solubilità di C in γ diminuisce rapidamente con la T.+ Raffreddamento rapido di acciaio γ con C ≈ 0,08%: → C in

soluzione (equilibrio instabile: a T medio alte → formazione di (Cr,Fe)23C6)

+ raffreddamento lento: C espulso → (Cr,Fe)23C6 al confine di grano

Formazione di carburi

Elementi Ti Nb Ta Mo Cr Fe

Composti TiC NbC Ta2C MoCMo2C

Cr2CCr7C3Cr4C

Fe3C

Effetto dei carburi al confine di grano.

+ (Fe,Cr)23C6 → cattura Cr al confine di grano →concentrazione di Cr < 12% → abbassa la resistenza a corrosione+ (Fe,Cr)23C6 si forma a T comprese tra 350-950°C

++ Rimedi: -- basso contenuto di C ( casi di acciai ferritici ed austenitici)-- aggiunta di elementi molto affini per il C→Ti, Nb ⇒ Acciai stabilizzati

Elementi aggiunti:+ Ni, C, N, Mn, Cu → favoriscono la formazione di γ+ Cr, Mo, Si, Ti, Nb, Al → favoriscono la formazione di α

Diagramma di Schaeffler: strutture al grezzo di fusione per giunzioni saldate:

elementi ferritizzanti → cromo equivalenteelementi austenitizzanti → nichel equivalente

Classificazione degli acciai inossidabili

- esempio UNI: X8Cr17 - molto usata la classificazione AISI (430)

1) Acciai Inossidabili ferritici: Cr 11-30%, C <0,12%, altri elementi aggiunti in piccole dosi per aumentare la resistenza a corrosione o di altre proprietà. Lavorabilità.

++ basso C ⇒ non consente la trasformazione austenite-ferrite ⇒non trattabile a caldo

++ piccole quantità di C in molti acciai ferritici ⇒ indurimento se temprati da alte T

2) Acciai martensitici: Cr 12-17%, C 0,1-1%. Induribili per trattamento termico ⇒ martensite; elevata durezza con C = 1% e appropriato trattamento termico. Piccole aggiunte di altri elementi ⇒ aumenta resistenza a corrosione, resistenza e tenacità

3) Acciai austenitici: leghe ternarie Ni: 6-22%. Non induribili per trattamento termico; austenite a T amb.; maggiore duttilità e resistenza a corrosione. Corrosione intergranulare: modificare composizione o trattamenti termici particolari.

4) Acciai inossidabili induriti per precipitazione. Cr: 10-30%, + Nie Mo. Fasi che precipitano: da Cu, Al, Ti e Nb ⇒ elevata resistenza e resistenza a corrosione.

Acciai inossidabili ferritici

non hanno punti critici A1, A3

a) Composizione.+ leghe Fe-Cr-C con Cr 12-30%, C basso

+ nella II figura: per C = 0,1% a 900°C presenza di austenite,

T < 900°C austenite ⇒ ferrite + carburi, in condizioni di

equilibrio.

+ con raffreddamenti rapidi (saldatura), austenite ⇒ martensite

+ nuovi acciai : riduzione di elementi austenitizzanti C,N →

acciai ELI

- AISI 405: 12-13%Cr, , basso C

- AISI 409 con Ti o Nb ⇒ stabilizza C ed N

- AISI 430: più usato: 17%Cr

- AISI 409 Ti x 6C⇒ per saldatura, elimina formazione di martensite

- AISI 446 più resistente ad ossidazione

Trattamenti Termici 650-830°C

- senza trattamenti termici solo "particolare ricottura" ⇒

compromesso tra proprietà meccaniche e resistenza a corrosione,

elimina tensioni interne da lavorazioni a freddo o saldature

- se dopo lavorazione a freddo ⇒ ricristallizzazione

- se dopo saldatura ⇒ restaura la duttilità e resistenza a corrosione

- tempo:1-2h, evitare ingrossamento del grano

- precauzioni: evitare permanenza tra 400-570°C

- scarso effetto sull'incrudimento - resistenza a corrosione: > dei martensitici- AISI 430 usato con acidi mediamente ossidanti e a contatto con

alimenti- buona resistenza a corrosione localizzata.

Proprietà a basse temperature

- non adatti (CCC): T transizione duttile-fragile a T ambiente-dimensioni del grano, contenuto di elementi interstiziali, fasi disperse

Proprietà ad alte temperature -resistenza allo scagliamento aumenta con contenuto di cromo-AISI 430: resiste all'ossidazione fino a 800-850°C-AISI 446 fino a 1100-1150°C-Sensibile a infragilimento: 400-600°C-Infragilimento da fase σ: lunghi tempi tra 550-850°C-Ingrossamento del grano

Acciai inossidabili Martensitici

Leghe Fe-Cr-C: - Cr tra 11-18%, - punti di trasformazione A1 A3 ⇒ riscaldo in

campo austenitico ⇒ martensite al raffreddamento.

Tipi di Acciai

Acciaio 420: forgiabile, indurito con trattamento termico⇓

con Ni-Mo⇒ 422: più resistente

In esercizio: temprati e distesi; se rinvenuti a 600°C⇒ diminuzione della resistenza a corrosione (carburi di Cr)

⇓diminuzione di C ⇒ 410: rinvenibile a diverse T ⇒ ampio intervallo di durezze.

Aggiunte di Ni ⇒ 414 e 431 aumento di tenacità e resistenza a corrosione

431 con più alto contenuto di leganti ⇒ più resistente a corrosione

440: resistenza ad alcuni ambienti corrosivi (Mo)resistenti ad usura.

Trattamenti Termici(Simili ad acciai da Bonifica)

Curve spostate verso destra

⇓

Tempra completa anche in grossi spessori

1) Ricottura

+ effettuata a T< A3 e A1 ⇒ aumentare la lavorabilità+ a volte preceduta da normalizzazione ⇒ martensite

2) Tempra

+ presenza di Cr ⇒ bassa conducibilità ⇒ bassa velocità diriscaldo,

+ + conveniente per pezzi incruditi con variazioni di sezione,T ≈ 900°C fino a riscaldo completo ⇒ in T di tempra;

+ + pezzo di grandi dimensioni: preriscaldo a ≈ 550°C;+ + alte T di tempra ⇒ valori massimi di durezza e tenacità

dopo distensione;+ + basse T di tempra ⇒ migliore tenacità dopo

rinvenimento;+ raffreddamento: in aria per pezzi di forma irregolare

in olio a 40-90°C, durezze superiori

3) Rinvenimento

a) per acciai a basso e medio C ⇒ migliore combinazione di: ++ proprietà meccaniche: 600-670°C ++ resistenza a corrosione: < 430°C

+ tempo: maggiori con T minori+ velocità raffreddamento alta (olio) ⇒ elevata tenacità

+ T 430-570°C ⇒ fragilità da rinvenimento bassa resistenza a corrosione

b) per acciai ad alto C (440): solo distensione.

4) Distensione

+ elimina le tensioni residue, migliora la stabilità meccanica (dopo

tempra o deformazioni a freddo)

+ per tutti gli acciai ⇒ appena dopo tempra (evita cricche)

+ per acciai ad alto C: unico trattamento dopo tempra,

per gli altri è alternativo al rinvenimento

⇓ ⇓ ⇓

le proprietà finali dipendono dalla T di tempra

Proprietà temperature diverse da T ambiente

+ tenacità condizionata dal trattamento termico

Acciaio tipo 410

Proprietà temperature diverse da T ambiente

+ comportamento analogo a quello di acciai da bonifica

+ di solito non usati ad T ⇒ perdono i vantaggi della bonifica

+ esposti ad T se rinvenuti a T 120-169°C > a quella di impiego.

+ 410 fino a 700°C (servizio continuo)

+ tipi con Ni, Mo, W, V buona resistenza a creep ⇒ tubi per

generatori di vapore.

Acciai inossidabili Austenitici

- Leghe Fe-Cr-Ni: Cr 12÷30%, Ni 8÷35%, C 0,03÷0,25%:

austenite stabile a T amb, dopo raffreddamento da T di

ricottura (es. 1050°C); Ms < T amb.

- Leghe con Cr<18%, Ni< 8% (tipo 301): austenite non stabile a

T amb. se deformata plasticamente → parte dell’austenite in

martensite;

- C 0,03÷0,25%: in tipo 18-8, solubilità diminuisce rapidamente

con T, raffreddamento lento da 1050°C → ai confini:

a) carburi di Cr tra 850-400°C;

b) Cr < 12% → corrosione intergranulare

- più resistenti a corrosione rispetto a ferritici, martensitici

- produzione: oltre il 60% degli acciai inox.

Composizione- primi acciai C = 0,25%→ sensibili a corrosione intergranulare

⇓C < 0,25% → AISI 302, 304

⇓altra via → aggiunta di Ti/Nb → più affini del Cr per C (formazione di carburi) → 321, 347

- a bassissimo C (insufflaggio di O2): < 0,03% → 304 L- più alto Ni → austenite stabilizzata: acciai da imbutitura, (305) - elevato Cr → 309*, 310* (crescente anche Ni) → migliora:

a) la resistenza all’ossidazione alle alte Tb) caratteristiche meccaniche

→ 308: alto % di Cr → struttura austeno-ferritica, inferrite precipitazione di carburi (più Cr e meno C):filo d’apporto per saldature.

- Mo: 2÷ 3% → 316, buona resistenza al pitting Cl-

3÷ 4% → 317, max resistenza al pitting

- Ti (≥5xC%) → 321 acciai stabilizzati

- Nb (≥10xC%) → 347 “ “

- C (0,15%): aumenta proprietà meccaniche, riduce resistenza a

corrosione: 302, 303.

- S, Se: lavorabilità alla macchine (303Se)

Trattamenti Termici

1) Solubilizzazione

Scopo: - solubilizzare i carburi- rimuovere le variazioni strutturali (ferrite, martensite) a seguito di processi di formatura

Come: - riscaldare a T > 1000°C, tempi brevi (spessore pezzi )→non influisce su proprietà meccaniche ma su ingrossamento del grano ∝ corrosione intergranulare

- raffreddamento rapido (850-450°C: evita formazione σ e carburi) in acqua (no pezzi molto grandi!).

in aria: pezzi sottili.Caso: 304 dopo saldatura: non raffreddabile velocemente e non

solubilizzabile → sostituito con acciai stabilizzati.

2) Sensibilizzazione

Scopo: testare la suscettibilità alla corrosione intergranulare →intervallo di T e tempo per precipitazione dei carburi

3) StabilizzazioneScopo: evitare formazione di carburi di cromo al confine di

grano→ aumenta resistenza a corrosione intergranulare.Acciai: 321(Ti), 347 (Nb)Come: a 880°C, 2h (dimensioni del pezzo), raffreddamento in ariaCosa accade: in 321, 347: - formazione di TiC, NbC nel grano

- stabilizzazione dell’austenite per eliminazione di Ti

+ sensibilizzazione a 650°C: manca C per formarecarburi di Cr.

Impieghi: - ad alte T (creep)

- per T< 425°C → 304L, 316L con C < 0,03% (costo inferiore).

4)Distensione

Scopo: - eliminare tensioni interne dopo cicli di formatura →tensocorrosione;

- non necessaria se il pezzo non sottoposto atensocorrosione

Come: riscaldo a T < 450°C, mantenimento, 0,5-2h, raffreddarein aria.

Caso: - acciai saldati non raffreddabili rapidamente (dimensioni)- decappare e passivare le superfici ossidate → uso di acciai

stabilizzati o della serie L.

Proprietà Meccaniche a T ambiente

- allo stato solubilizzato: non hanno punto di snervamento (Rs = 0,2% di L0)

- R compresa tra 550-650 N/mm2 con Rs basso, elevata duttilitàe tenacità.

Effetto dell’incrudimento

- L’incrudimento aumenta R ma produce in acciai tipo 301 anche

martensite metastabile (nelle forme α’ ed ε) che dipende dalla

composizione (bassa concentrazione di elementi stabilizzanti

l’austenite: C, Ni, N) e da modalità di deformazione: T amb.

- La martensite → in austenite per riscaldamento:

ε → 150-400°C

α’ → 400-800°C

Effetti dell’incrudimento

Proprietà a basse T

- Valori di R e altre proprietà, Tenacità

Proprietà ad alte T

- Usati ad alte T per: a) resistenza all’ossidazione: Cr

b) elevate proprietà: Ni →

+ aumenta R e K (austenite)

+ resistenza a fatica termica,

a carburazione e nitrurazione

+ si degrada con S → solfuro di Ni

c) sensibilità all’infragilimento da

+ separazione di carburi

+ formazione di fase σ

- si forma sia dalla fase α che da γ

- è lenta a T< 600°C ma diventa veloce come T aumenta

- precipita in poche ore da strutture bifasiche (γ+α); molte ore in

acciai austenitici al Cr-Ni nell’intervallo di T: 750-900°C.

- la favoriscono elementi ferritizzanti: Si, Mo, Ti, Nb, Al

- la rallentano elementi austenitizzanti: Ni, C, N, Mn

- la fase σ: molto dura e fragile → aumenta la durezza e resistenza,

diminuisce la tenacità e duttilità

- altera le proprietà meccaniche a caldo.

Acciai Indurenti Per Precipitazione (P.H.)

P.H. → Precipitation Hardening

- Meccanismo di rafforzamento:

+elementi aggiunti che formano precipitati che si oppongono

al movimento delle dislocazioni,

+ elementi solubili nella matrice solo ad alta T → raffreddando

formano soluzioni solide sovrassature (sss) → rinvenendo

formano precipitati fini e coerenti

- Proprietà: resistenti a corrosione, più resistenti degli austenitici

Acciai Inossidabili Bifasici (DUPLEX)

- Struttura: austenite-ferrite

- Costo limitato da usare in condizioni di corrosione sotto tensione

(no austenitici) e corrosione generalizzata (no ferritici)

- bilanciando Cr-Ni-Mo (N): Struttura austeno-ferritica (50%) →

protezione catodica della austenite da parte della ferrite.

- C < 0,03%

- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) = %Cr+3,3%Mo+16%N

- PREN > 40→ acciai superduplex → pari resistenza a corrosione

puntiforme nell’austenite e nella ferrite

- In esercizio allo stato solubilizzato (a T 1050-1150°C, raffreddato in

acqua) → elevate R ed Rs rispetto ad inox austenitici.

- Non usabili ad alte T (<300°C) per tempi lunghi (creep) → fenomeni

di infragilimento