Acciai inossidabili e corrosione

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1 Acciai inossidabili e corrosione (terza parte - versione novembre 2003) Appunti ad esclusivo uso interno ITIS VARESE - specializzazione meccanici. Bibliografia W. Nicodemi - METALLURGIA MASSON ITALIA EDITORI ACCIAI INOSSIDABILI Nuova SIAS accai speciali Milano ACCIAI INOSSIDABILI UGINOX Torino INOSSIDABILE rivista del CENTRO INOX Milano TRATTAMENTO TERMICO DEI VARI TIPI DI ACCIAI INOSSIDABILI Acciai martensitici Gli acciai di questa categoria sono i soli a reagire al trattamento termico nello stesso modo degli acciai non legati e degli acciai a basso tenore di lega. Sono magnetici; allo stato ricotto hanno struttura mista di ferrite e carburi; carburi su matrice di ferrite TECNOLOGIA MECCANICA ED ESERCITAZIONI Acciai inossidabili e corrosione 1

2 allo stato temprato hanno struttura prevalentemente martensitica; carburi fini su matrice di martensite allo stato bonificato hanno struttura costituita essenzialmente da martensite rinvenuta. carburi fini su matrice di martensite rinvenuta Un osservazione importante è che la loro resistenza alla corrosione è massima allo stato temprato (o temprato e disteso a bassa temperatura) ed è buona dopo bonifica (con temperatura di rinvenimento 600 C). Il loro comportamento inoltre rimane legato alla relativa composizione chimica e più precisamente al tenore di carbonio, a quello di cromo ed all'eventuale presenza di altri elementi, come il nichel, il molibdeno e il tungsteno. Tempra Consiste, come per i normali acciai da bonifica, in un riscaldamento ai disopra dei punto A c3, seguito da spegnimento in aria o in olio caldo; non viene mai impiegata come mezzo di tempra l'acqua per la facilità di formazione di cricche. Questi acciai, proprio per loro elevata temprabilità, temprano completamente anche in forti spessori: TECNOLOGIA MECCANICA ED ESERCITAZIONI Acciai inossidabili e corrosione 2

3 è perciò conveniente, in considerazione della bassa conducibilità termica di questi tipi, particolarmente su pezzi grossi o con variazioni notevoli di sezione soprattutto se realizzati in acciai a medio e alto carbonio, effettuare un preriscaldo a 800/850 C (eventualmente preceduto da una prima sosta a 550 C); dopo un mantenimento di qualche ora, si può raggiungere direttamente la temperatura di tempra. E opportuno che il mantenimento alla temperatura di tempra abbia durata sufficiente ad omogeneizzare la temperatura nel pezzo o in tutta la carica, mentre si deve evitare di prolungarlo per non causare decarburazione e ingrossamento dei grano. Per spessori di pochi mm sono sufficienti 10 minuti; per spessori superiori si consigliano permanenze di 1-2 minuti per ogni mm di spessore. Per quanto riguarda lo spegnimento, come già si è detto, si impiegano aria e olio; quest ultimo viene spesso preferito perché realizza una durezza leggermente superiore: è opportuno comunque che sia scaldato a C come è consuetudine, eventualmente anche intorno a 100 C per la tempra di pezzi complicati o delicati. Il raffreddamento in aria (eventualmente soffiata) è, in questi ultimi casi, da preferirsi. Si tenga infine presente, nella valutazione della temperatura minima di raffreddamento, prima di trasferire i pezzi alla distensione o al rinvenimento, che il punto M s è situato per questi acciai a temperature variabili tra 240 e 350 C circa: si consiglia comunque di non scendere mai al disotto di C. Distensione e rinvenimento I pezzi in acciai inossidabili martensitici vanno sottoposti a distensione immediata dopo lo spegnimento (non appena si possono toccare a mani nude). Il trattamento di distensione è un rinvenimento a temperature comprese tra 180 e 430 C, mentre il rinvenimento vero e proprio viene condotto tra 580 e 750 C; l'intervallo intermedio ( C) deve essere evitato perché pericoloso sia per quanto riguarda la riduzione della tenacità (fragilità rinvenimento) sia per quanto riguarda la resistenza alla corrosione che diminuisce pure sensibilmente. Pur riducendo leggermente la durezza a tutta tempra, il trattamento di distensione migliora le caratteristiche di duttilità, di tenacità e di elasticità. Passando invece nel campo di temperature di rinvenimento, si verifica una riduzione della resistenza a trazione, dello snervamento e della durezza, mentre si ha un incremento della resilienza, dell'allungamento e della strizione. Il mantenimento alla temperatura scelta per la distensione o per il rinvenimento può essere collocato fra due e quattro ore in relazione al volume dei pezzo o all'entità della carica. La velocità di raffreddamento dopo distensione o rinvenimento non ha un effetto sensibile né sulla resistenza a trazione, né sulla durezza. Di solito i pezzi vengono TECNOLOGIA MECCANICA ED ESERCITAZIONI Acciai inossidabili e corrosione 3

4 raffreddati in aria ma, per facilitarne la manipolazione e soprattutto se provenienti da rinvenimento, possono anche essere spenti in acqua o in olio. Acciai ferritici Gli acciai ferritici non sono praticamente induribili mediante la tempra. Il solo trattamento applicabile a questi acciai è per solito quello della ricottura che permette di ottenere le migliori caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione. Tutti gli acciai ferritici al cromo sono magnetici e, allo stato ricotto, la loro struttura cristallina è composta principalmente da ferrite. Ricottura (Ricottura di ricristallizzazione) L'effetto di questo trattamento è essenzialmente quello di eliminare le tensioni interne dovute ad alterazioni provocate da saldature, e gli orientamenti unidirezionali della struttura provocati da lavorazioni a freddo. Quando la ricottura segue operazioni di deformazione plastica che abbiano provocato un incrudimento nel materiale ed è conclusa da un raffreddamento rapido, è più propriamente denominata «ricristallizzazione». A temperature superiori agli 850 C questi acciai tendono a sviluppare una struttura a grano grossolano - tanto più quanto più prolungato è il mantenimento - e diventano fragili. Si adottano perciò normalmente temperature inferiori a 850 C, con tempi di permanenza contenuti intorno ad un minuto per ogni mm di spessore. Il raffreddamento può avvenire in aria o in acqua Per impedire deformazioni, le sezioni sottili vanno raffreddate in aria, mentre i profili spessi è bene vengano raffreddati in acqua. In genere il raffreddamento rapido di questi acciai dalle temperature di ricottura migliora le caratteristiche di tenacità. E comunque importante evitare nel raffreddamento la sosta o l'attraversamento lento nel campo di temperature comprese fra 400 e 570 C, per non provocare l'infragilimento frequente in questi acciai. L infragilimento eventualmente prodotto può essere eliminato ripetendo il trattamento di ricottura e curando la velocità di raffreddamento. E opportuno tener presente che la ricottura effettuata dopo lavorazioni a caldo (laminazione, fucinatura o saldatura) finite a temperatura intorno a 1000 C, anche se seguite da raffreddamento in aria, migliora la tenacità ma non modifica in modo apprezzabile la dimensione del grano: questa viene affinata soltanto quando la ricottura segue una lavorazione a freddo che abbia realizzato una riduzione del 30-40% almeno. La struttura deformata e orientata dei metallo incrudito a freddo viene TECNOLOGIA MECCANICA ED ESERCITAZIONI Acciai inossidabili e corrosione 4

5 «ricristallizzata», dal tipo di ricottura descritta, in una nuova struttura cristallina non orientata, da cui sono scomparse le tracce della precedente deformazione. Acciai austenitici Questi acciai non sono suscettibili di indurire mediante tempra, in quanto la loro struttura è praticamente costituita solo di austenite stabile a temperatura ambiente; per questo motivo essi sono, allo stato solubilizzato, amagnetici, benché certi tipi possano divenire parzialmente magnetici in seguito a forte incrudimento a freddo. Va inoltre notato che i carburi di cromo, che possono essere trattenuti in soluzione solida soprassatura nell'austenite, sono capaci di precipitare quando l'acciaio venga riscaldato nell'intervallo di C: questa precipitazione, verificandosi al contorno dei grani austenitici, rende l'acciaio suscettibile di corrosione intercristallina. Tempra di solubilizzazione Detto anche «ipertempra» o «tempra negativa» o, più frequentemente, soltanto «solubilizzazione», questo trattamento ha in effetti in comune con la tempra soltanto la velocità di raffreddamento dalla temperatura di austenitizzazione, ma non gli effetti strutturali e di indurimento che ad essa, per gli acciai temprabili, normalmente si accompagnano. Poiché anzi questo trattamento elimina le tensioni e le alterazioni strutturali provocate dalle lavorazioni precedenti, esso realizza la massima duttilità ed il massimo addolcimento; vengono inoltre portati in soluzione i carburi di cromo precipitati al contorno dei grani durante la lavorazione a caldo o la saldatura, oppure quando il metallo sia stato mantenuto a temperature comprese nell'intervallo critico di precipitazione dei carburi, o raffreddato lentamente attraverso tale intervallo. TECNOLOGIA MECCANICA ED ESERCITAZIONI Acciai inossidabili e corrosione 5

6 L'intervallo di temperature in cui viene fatto il trattamento di solubilizzazione si colloca tra 950 e 1200 C, più frequentemente tra 1000 e 1100 C, con mantenimenti che sono dell'ordine di 1 minuto per mm di spessore; il trattamento deve cioè essere condotto alla più bassa temperatura sufficiente a solubilizzare i carburi e ad eliminare lo stato di tensione procurato dai vari cicli di lavorazione, mentre la permanenza a tale temperatura è strettamente vincolata allo spessore dei pezzi e deve essere contenuta nei minimi necessari. Temperature più elevate e mantenimenti più prolungati possono in effetti realizzare un addolcimento più spinto ma favorire anche l'ingrossamento dei grano: questo fatto non influenza negativamente la duttilità, ma è causa di formazione della cosiddetta «buccia d'arancia» quando l'acciaio viene trafilato o imbutito. Per mantenere i carburi in soluzione è necessario che gli acciai inossidabili austenitici vengano raffreddati rapidamente dalle temperature di solubilizzazione. L immersione in acqua rappresenta il modo migliore; tuttavia pezzi delicati e sottili, facilmente deformabili, possono essere raffreddati in aria, eventualmente soffiata. Distensione Nonostante il contrasto di opinioni al riguardo, trattamenti di distensione sono utili agli acciai inossidabili austenitici sottoposti a lavorazione a freddo o impiegati in strutture saldate. E noto che le lavorazioni a freddo (trafilatura, laminazione) realizzano incrementi nelle caratteristiche di resistenza proporzionali alla riduzione effettuata: le caratteristiche elastiche possono in questi casi venir migliorate da un rinvenimento, condotto nel campo di temperature comprese tra 350 e 425 C con mantenimenti variabili tra 30 min. e 2 ore, seguiti da raffreddamento in aria; da questo trattamento il valore di resistenza subisce un modico incremento, mentre il valore di snervamento subisce un incremento alquanto più rilevante. Particolari o strutture saldati che non possono essere sottoposti a solubilizzazione per evitare compromettenti deformazioni (questo trattamento resta l'ideale per la rigenerazione delle zone interessate dalla saldatura) possono essere trattati a temperature < 450 C o > 850 C per eliminare o attenuare le tensioni interne provocate dalle saldature e che potrebbero dar luogo a «corrosione sotto tensione» con eventuali conseguenti fessurazioni. Nel praticare la distensione su strutture saldate occorre scegliere le modalità tenendo presente che mentre da una parte il grado di distensione è tanto più sensibile quanto più alta è la temperatura, dall'altra parte la temperatura, il tempo di mantenimento e la velocità di raffreddamento possono influenzare negativamente la resistenza alla corrosione o le caratteristiche meccaniche, a causa della precipitazione dei carburi o di altre modificazioni strutturali. Acciai inossidabili indurenti per precipitazione TECNOLOGIA MECCANICA ED ESERCITAZIONI Acciai inossidabili e corrosione 6

7 Rappresentano una particolare categoria di acciai inossidabili, a base martensitica o austenitica, sviluppatasi via via per rispondere a speciali esigenze in svariati campi dell'industria moderna (motoristica, nucleare, missilistica, chimica, ecc), soprattutto quando sia necessario realizzare elevate caratteristiche meccaniche, anche a caldo - e quindi non ottenibili con incrudimento a freddo - non disgiunte ovviamente da elevata resistenza alla corrosione. Le caratteristiche meccaniche ottimali vengono realizzate con appropriati trattamenti termici che comprendono una fase praticamente idonea a determinare la precipitazione di carburi, carbo-nitruri o composti intermetallici, responsabili dell'indurimento caratteristico. Solubilizzazione Avviene, secondo le modalità già descritte, alla temperatura di austenitizzazione appropriata. Lo spegnimento avviene in acqua o in aria a seconda delle dimensioni e forme. Valgono anche per questi acciai gli accorgimenti già illustrati circa le velocità di riscaldo (per i martensitici) ed i tempi di mantenimento. Va tenuto presente che lo stato di fornitura di questi acciai da parte dei produttore è normalmente ricotto per i tipi martensitici e solubilizzato per i tipi austenitici, in quanto sono le condizioni di più facile impiego e trasformazione da parte dell'utilizzatore. Rinvenimento E detto anche «invecchiamento» in quanto determina le precipitazioni a cui abbiamo accennato che si presume potrebbero verificarsi con estrema lentezza nel tempo, a temperatura ambiente. Il campo di temperature in cui viene effettuato il rinvenimento di precipitazione varia, a seconda dei tipi, fra i 500 e gli 800 C; la permanenza può variare da 1 ora a 15 ore. TECNOLOGIA MECCANICA ED ESERCITAZIONI Acciai inossidabili e corrosione 7