acciai inox

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Capitolo 5 - Acciai inossidabili5.1. Generalit sulle composizioni 5.2. Acciai inox austenitici 5.3. Acciai inox ferritici 5.4. Acciai inox duplex 5.5. Acciai inox martensitici 5.6. Acciai inox indurenti per precipitazione 5.1. Generalit sulle composizioni Gli acciai inox costituiscono una frazione limitata della produzione complessiva di acciai, il 2% circa. Si tratta tuttavia di un gruppo di acciai molto importante dal punto di vista sia tecnologico che economico, in virt di caratteristiche di impiego molto speciali. La caratteristica principale rappresentata dalla resistenza allossidazione a caldo e alla corrosione in vari ambienti aggressivi. In Figura 5.1 sono mostrati i risultati di unindagine svolta in Giappone da unindustria chimica di primaria importanza sullincidenza relativa di vari tipi di corrosione a cui sono soggette le leghe ferrose.

Figura 5.1 (Nicodemi, p.142) Risultati di unindagine svolta da unindustria chimica giapponese sullincidenza relativa di vari tipi di corrosione delle leghe ferrose,

Come si vedr in seguito, gli acciai inossidabili resistono meglio ad un tipo o a un altro di corrosione chimica, a seconda dellincidenza di vari fattori tra cui sono da citare il tipo di reticolo strutturale (cubico a facce centrate, tipico degli acciai inox austenitici; cubico a corpo centrato, tipico dei ferritici; ecc.). I principali settori di impiego degli acciai inossidabili riguardano le industrie chimica, alimentare e farmaceutica, ledilizia e larredamento, e tutti gli altri settori in cui siano richieste al materiale resistenza alla corrosione e/o qualit estetiche.

Si definiscono come inossidabili gli acciai che, contenendo almeno il 12% in peso di Cr, risultano pi resistenti di altri acciai allossidazione e alla corrosione chimica. Il Cr un elemento facilmente ossidabile per cui, sullacciaio inox, si forma rapidamente un sottile film protettivo e continuo di ossido. Lo spessore del film ha valori dellordine di 1-10 nm. La % di Cr indicata rappresenta un valore minimo affinch alla superficie dellacciaio si possa formare un film continuo di ossido. Per contenuti di Cr inferiori al 12%, il film di ossido presenterebbe delle discontinuit in corrispondenza alle quali lacciaio non risulterebbe protetto dalla corrosione. Per quanto riguarda la composizione dellossido protettivo si parla di Cr2O3, oppure di ossido spinello (Fe,Cr)2O3 corrispondente, per intendersi, ad un Fe3O4 (magnetite, alias FeO Fe2O3 costituita da ioni Fe in parte bi- e in parte tri-valenti) in cui una parte o tutti gli ioni Fe3+ siano sostituiti da ioni Cr3+. Pertanto, il contenuto di Cr nellossido spinello massimo nel caso del composto FeO Cr2O3, alias FeCr2O4. Gli acciai inox generalmente contengono altri elementi di lega, in aggiunta a Fe, C e Cr, che con la loro presenza permettono di ottenere strutture e propriet prefissate. Per quanto riguarda la struttura cristallina, la presenza di unalta % di Cr (elemento alfageno) favorisce la formazione di fase con reticolo cubico a corpo centrato, tipico di -Fe e della ferrite (soluzione solida di C in -Fe, limite di solubilit 0.002% ca. di C). Al contrario il Ni agisce da elemento gammageno, in quanto favorisce la formazione di fase con reticolo cubico a facce centrate, tipico di -Fe e dellaustenite (soluzione solida di C in -Fe, limite di solubilit 4% di C). Alcuni elementi di lega (Si, Mo, V, oltre a Cr) tendono a stabilizzare la fase , altri (C, Mn, Co, oltre a Ni) favoriscono la fase . Occorre quindi avere ben presenti le definizioni di Cr equivalente (pro fase ) e, rispettivamente, di Ni equivalente (pro fase ): Creq = 1 (%Cr) 1.5 (%Mo) + 2 (%Si) + 5 (%V) Nieq = 1 (%Ni) + 1 (%Co) + 0.5 (%Mn) + 30 (%C) I valori corrispondenti forniscono indicazioni sulla probabile struttura dellacciaio corrispondente. Questa possibilit mostrata dal diagramma seguente (Figura 5.2), dovuto a Schneider e relativo ad acciai al Ni-Cr allo stato normalizzato. E importante non dimenticare che le linee e i campi di esistenza tracciati nel diagramma in questione valgono appunto per leghe allo stato normalizzato, ossia riscaldate e rese omogenee in campo austenitico, e poi lasciate raffreddare in aria calma, fuori dal forno di trattamento termico.

Figura 5.2 (da Cigada&Re, p.149) Diagramma rappresentativo delle strutture cristalline che si possono ottenere nel caso di acciai legati al Ni-Cr con un trattamento di normalizzazione, al variare dei valori di Cr equivalente e di Ni equivalente.

Nel diagramma di Figura 5.2 le linee rosse tratteggiate mostrano che, in una acciaio legato al Ni-Cr contenente il 17% circa di Creq, occorre la presenza di quantit di Nieq superiori all11% ca. per ottenere strutture austenitiche (A) dalla normalizzazione. Per tenori di Nieq compresi grossomodo tra il 5% e l11% (a parit di Creq), si hanno strutture miste costituite da austenite, martensite (M) e ferrite (F). Per tenori di Nieq compresi grossomodo tra il 2% e il 5%, si hanno strutture miste costituite da martensite e ferrite. Per tenori di Nieq inferiori al 2% ca. (a parit di Creq), si hanno strutture costituite dalla sola ferrite. Considerazioni analoghe si possono fare per ogni altro acciaio legato al Ni-Cr, per contenuti prefissati di Creq e Nieq. In definitiva, si possono produrre acciai inox che, a temperatura ambiente, posseggono una struttura:

-

austenitica, oppure martensitica, oppure ferritica, oppure duplex (austero-ferritica)

Per gli acciai inox, vengono generalmente adottate le denominazioni stabilite dallunificazione AISI (American Iron and Steel Institute, USA), che si avvale di numeri costituiti da 3 cifre: - serie 200 (AISI 2xx) e serie 300 (AISI 3xx), acciai inox austenitici; - serie 400 (AISI 4xx), acciai inox martensitici e acciai inox ferritici. Linteresse a produrre acciai inox con struttura diversa deriva dal ruolo che la struttura stessa in grado di svolgere sulle propriet dellacciaio: infatti, gli inox austenitici presentano generalmente una maggiore resistenza alla corrosione: austenitici > ferritici > martensitici. Per questo motivo la produzione di inox austenitici costituisce la parte preponderante (pi del 60%) della quantit totale di inox prodotti nel mondo. 5.2. Acciai inox austenitici 5.2.1. Composizioni principali Oltre a presentare una considerevole resistenza allossidazione e alla corrosione, gli acciai inox austenitici sono amagnetici, una caratteristica che li rende insostituibili per la realizzazione di applicazioni particolari, ad es. nellindustria per la produzione di energia nucleare. Daltra parte gli acciai caratteristiche meccaniche. inox martensitici (magnetici) presentano migliori

Lo schema riportato nella Figura 5.3 fornisce una panoramica esemplificativa degli acciai inox austenitici della serie 300, a partire dallacciaio AISI 304, un tipo di materiale cos comune da costituire oltre 1/3 del totale mondiale di acciai inox prodotti. Secondo la classificazione nazionale UNI, lacciaio AISI 304 corrisponde al classico X 8CrNi188 (la lettera X sta per inox), pi noto come inox 18/8, o anche 18/10, che nominalmente contiene il 18% di Cr e l8-10% di Ni in aggiunta allo 0.08% di C. La stessa denominazione pu essere data allinox UNI X 5CrNi1810, che si caratterizza per un contenuto inferiore di C ed un contenuto leggermente superiore di Ni. Una tipica composizione nominale completa dellAISI 304 riportata nella Tabella 5.1, insieme con valori tipici di caratteristiche meccaniche (carico di rottura R, carico di snervamento S, allungamento alla rottura A%, durezza Brinell HB).

Figura 5.3 (da Cigada&Re, p.153) Schema dei principali criteri di modifica della composizione dellacciaio inox austenitico base AISI 304, adottati per ottenere diverse caratteristiche di resistenza alla corrosione e di resistenza meccanica.

Tabella 5.1 (da Cigada&Re, p.162) Composizione e caratteristiche meccaniche dei principali acciai inox austenitici della serie AISI 300. Acciai inox austenitici pi comuni Composizione, % in peso C Mn Si P S Cr Ni Mo Altri 301 0.15 2.0 1.0 0.045 0.030 16-18 6-8 302 0.15 2.0 1.0 0.045 0.030 17-19 8-10 303 0.15 2.0 1.0 0.20 >0.15 17-19 8-10 0.60 304 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 18-20 8-10.5 304L 0.03 2.0 1.0 0.045 0.030 18-20 8-12 304N 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 18-20 8-10.5 N=0.10-0.16 305 0.12 2.0 1.0 0.045 0.030 17-19 10.5-13 308 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 19-21 10-12 309 0.20 2.0 1.0 0.045 0.030 22-24 12-15 310 0.25 2.0 1.5 0.045 0.030 24-26 19-22 314 0.25 2.0 1.5-3 0.045 0.030 23-26 19-22 316 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 16-18 10-14 2-3 316L 0.03 2.0 1.0 0.045 0.030 16-18 10-14 2-3 316N 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 16-18 10-14 2-3 N=0.10-0.16 317 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 18-20 11-15 3-4 N=0.10-0.16 321 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 17-19 9-12 Ti=5xC 330 0.08 2.0 0.75-1.5 0.040 0.030 17-20 34-37 347 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 17-19 9-13 Nb+Ta=10xC Nb+Ta=10xC 348 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 17-19 9-13 Ta=0.1; Co=0.2 384 0.08 2.0 1.0 0.045 0.030 15-17 AISI

Caratteristiche meccaniche R, MPa S , MPa A,% HRB 758 276 60 85 620 276 50 85 620 241 50 76 586 241 55 80 517 193 55 79 620 331 50 85 586 262 50 80 586 241 50 80 620 310 45 85 655 310 45 85 690 345 40 85 620 276 50 76 517 220 50 79 620 331 48 85 620 276 45 85 620 241 45 80 586 310 40 80 655 276 45 85 655 517 276 241 45 55 85 70

In base alla composizione e alle formule empiriche sopra riportate, per questo acciaio inox si possono calcolare i valori: Creq = 20-22%, Nieq = 11.4-13.9% (zona grigia in Fig. 5.3). Nella Figura 5.3 si osserva come lacciaio AISI 304, se normalizzato (come stabilito per laq Figura stessa) assume una struttura bifasica, solo parzialmente austenitica, in seguito alla formazione di ferrite. Ci equivale a dire che questo acciaio non autotemprante (v. oltre). Tuttavia, la quantit di Ni presente causa un notevole ritardo del tempo di inizio della trasformazione dellaustenite in ferrite nel corso del