acciaio - inox
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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