Gli acciai inossidabili sono materiali che appartengono alla grande famiglia delle leghe ferrose e in questo contesto vengono inquadrati.

Ghise (C% > 2) Leghe Ferrose Acciai (C% ≤ 2)

Gli acciai si suddividono, poi, in al carbonio, basso legati ed in alto legati.

Gli acciai debolmente legati contengono elementi in lega ciascuno < 5%; gli alto legati contengono

in lega almeno un elemento ≥ 5%.

Nell’industria moderna si è constatato che le caratteristiche degli acciai al carbonio non rispondono in modo soddisfacente alle esigenze dei costruttori, e gli stessi acciai legati, qualora impiegati in ambienti aggressivi, non offrono quelle doti di affidabilità e sicurezza richieste per renderli sicuri nel tempo. Per ottenere queste caratteristiche si ricorre da una specifica qualità di acciai: gli acciai al Ni-Cr, detti anche INOX.

Gli acciai inossidabili appartengono alla categoria degli alto legati, infatti la loro composizione generale si può riassumere in:

Fe + Cr (≥ 10,5%) + C

La principale caratteristica di questa famiglia di acciai è la resistenza alla corrosione per esempio  acque dolci, acqua di mare, soluzione acquose contaminate, ambienti acidi e basici, atmosfere industriali, ecc.; un’ulteriore e importante caratteristica di questa famiglia di acciai è la resistenza all’ossidazione ad alta temperatura, o corrosione chimica.

La normativa europea EN-10088, indica che un acciaio è considerato inossidabile quando è presente nella sua composizione chimica un tenore minimo di cromo di 10,5%. Si noti, tuttavia,  per i tipi più comuni, presentano  valori compresi tra il 13% e il 18%: infatti, è necessario un tenore di almeno il 12% di cromo per avere una discreta resistenza alla corrosione in soluzioni acquose.

La presenza di cromo in lega garantisce la possibilità di formare sulla superficie dell’acciaio una sottilissima pellicola (chiamata anche film passivo).L’azione che la genera si chiama passivazione ,  l’ossidazione dell’acciaio inossidabile ovvero la  rapida reazione del cromo presente in lega con l’ossigeno dell’atmosfera.

Il film passivo  è costituito principalmente  da ossidi e idrossidi di cromo: Il film di ossido/idrossido di cromo, essendo sottilissimo, qualche nanometro risulta essere  trasparente.

In termini del tutto generali si può quindi concludere che maggiore è la quantità di cromo in lega, maggiore sarà la resistenza dell’acciaio inossidabile alla corrosione.

Le principali  famiglie degli acciai inossidabili vengono sono:

• acciai inossidabili martensitici (costituiti da microstruttura martensitica)

• acciai inossidabili ferritici (costituiti da microstruttura ferritica)

• acciai inossidabili austenitici (costituiti da microstruttura austenitica)

• acciai inossidabili austeno-ferritici (costituiti da microstruttura mista di austenite e ferrite).

 

MARTENSITICI :

Sono leghe in cui il tenore di cromo è generalmente compreso tra il 12% e il 17% ed è bilanciato con il tenore di carbonio in modo da ottenere dopo il trattamento termico di tempra una struttura completamente martensitica.

 

Peculiarità

La loro caratteristica fondamentale è quella di “prendere tempra”, assumendo caratteristiche meccaniche elevate. Sono acciai magnetici ed hanno una discreta deformabilità a freddo.

 

Resistenza alla corrosione

La resistenza alla corrosione è la minore tra le famiglie di acciai inossidabili ed è massima allo stato bonificato.

Importante eccezione è rappresentata dall’AISI 630 (17-4-PH), acciaio inossidabile martensitico, indurente per precipitazione, che accompagna elevate caratteristiche meccaniche ad eccellente resistenza a corrosione

 

Saldabilità

La saldatura di questi materiali è da effettuarsi con una certa cura.

 

Utilizzi

Gli acciai martensitici sono particolarmente indicati per applicazioni che richiedono elevata resistenza meccanica e all’usura, insieme ad una moderata resistenza alla corrosione.

Oltre al cromo e al nichel, negli acciai inossidabili sono presenti anche altri elementi chimici che modificano sia le caratteristiche metallurgiche che le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione dell’acciaio, conferendo ulteriori e specifiche proprietà.

In tutti gli acciai inossidabili, in quanto acciai, è sempre presente il carbonio.

Il carbonio, elemento austenitizzante come il nichel, conferisce durezza e resistenza meccanica all’acciaio.

Poiché il carbonio è anche un elemento chimico molto affine per il cromo, negli acciai inossidabili vi è sempre la tendenza alla formazione di carburi di cromo, tipo Cr23C6, particolarmente deleteri poiché impoveriscono l’acciaio inossidabile proprio dell’elemento chimico che garantisce loro la resistenza alla corrosione.

Il fenomeno della formazione dei carburi di cromo avviene a temperature maggiori della temperatura ambiente, tipicamente nell’intervallo compreso tra 450°C e 900°C.

I carburi di cromo si depositano preferenzialmente a bordo grano e generano localmente, cioè nell’intorno del bordo grano stesso, un impoverimento di cromo: come conseguenza la composizione chimica della massa metallica scende al di sotto della soglia di passivazione (10,5% di cromo) dando origine a fenomeni di corrosione intergranulare, anche in ambienti blandamente aggressivi7. L’entità della corrosione è condizionata, oltreché dalla quantità dei carburi precipitati, anche dalla minore o maggiore diffusività del cromo nel reticolo dell’acciaio: ciò provoca, nella struttura cristallina dell’acciaio, un impoverimento di cromo a corto raggio o a lungo raggio con effetti differenti in termini di degrado del materiale8 (vedi figura 10).

Vista la grande importanza del problema dei carburi di cromo, meglio si dirà nel seguito: per ora basti ricordare che, a parte il caso in cui si vogliano elevate caratteristiche meccaniche (come nel caso degli acciai inossidabili martensitici), per evitare il problema sopradescritto si riduce il più possibile il tenore di carbonio o si cerca di neutralizzarne l’azione, combinandolo con altri elementi chimici.

Dopo cromo, nichel e carbonio, il quarto elemento chimico di notevole importanza per gli acciai inossidabili è il molibdeno, altro elemento di natura ferritizzante.

Aggiunto in lega migliora in misura significativa la resistenza alla corrosione, in particolare per quanto riguarda i fenomeni di aggressione localizzata, quali il Pitting e il Crevice. Il molibdeno è anche favorevole nei confronti della resistenza a caldo degli acciai inossidabili almeno fino a medie temperature; a temperature maggiori di 800°C, tende tuttavia a formare ossidi liquidi (MoO3) e a dar origine a fenomeni di ossidazione selettiva di tipo catastrofico.

 

FERRITICI :

Sono leghe in cui il tenore di cromo è generalmente compreso tra il 12% e il 28%, mentre il tenore di carbonio è di solito inferiore allo 0.12%.

Il rapporto Cromo/Carbonio è studiato in modo che questi acciai non presentino un punto di trasformazione, in modo che non siano induribili con il trattamento termico, ma solo per incrudimento.

 

Peculiarità

La loro caratteristica fondamentale è quella di accompagnare una buona resistenza a corrosione ad una buona resistenza meccanica a freddo. Sono acciai magnetici ed hanno una discreta deformabilità e truciolabilità.

 

Resistenza alla corrosione

La resistenza alla corrosione è intermedia tra le famiglie di acciai inossidabili.

 

Saldabilità

La saldatura di questi materiali è da effettuarsi con una certa cura, in quanto temperature elevate causano l’ingrossamento dei grani con conseguente infragilimento della struttura.

 

Utilizzi

Gli acciai ferritici sono particolarmente indicati per applicazioni che richiedono contemporaneamente impieghi ad alte temperature, buona resistenza alla corrosione e moderata resistenza meccanica.
Presentando una discreta duttilità sono utilizzati in lavorazioni di formatura a freddo.

 

AUSTENITICI :

Sono leghe in cui il tenore di cromo è generalmente superiore al 16% e in cui è presente come secondo elemento di lega il Nichel con tenori generalmente superiori al 6%.

 

Questi acciai non presentano un punto di trasformazione e quindi non possono essere induriti mediante trattamento termico, ma solo per incrudimento a freddo.

 

Peculiarità

La loro caratteristica fondamentale è quella di accompagnare una elevata resistenza a corrosione ad una elevata duttilità, che li rende particolarmente adatti allo stampaggio e alla formatura a freddo.

Inoltre mantengono una elevata tenacità anche alle bassissime temperature. Sono acciai amagnetici ed hanno una discreta deformabilità e truciolabilità. In seguito a elevata deformazione a freddo, possono presentare fenomeni di magnetizzazione.

 

Resistenza alla corrosione

La resistenza alla corrosione è la massima tra le tre famiglie di acciai inossidabili analizzate.

In particolare la resistenza alla corrosione è massima per le leghe che includono anche il Molibdeno (AISI 316).

 

Saldabilità

Questa famiglia presenta le migliori caratteristiche di saldabilità delle tre analizzate, con l’unica avvertenza di prevedere successivamente un trattamento di solubilizzazione.

Infatti la permanenza a temperature elevate (450: 850°C) causa la precipitazione di carburi di cromo al contorno del grano, con conseguente accentuata riduzione della resistenza a corrosione. Il trattamento di solubilizzazione elimina l’inconveniente.

 

Utilizzi

Gli acciai austenitici sono particolarmente indicati per applicazioni che richiedono contemporaneamente elevata resistenza alla corrosione e buona resistenza meccanica. Presentando una elevata duttilità sono utilizzati in lavorazioni di stampaggio e di formatura a freddo. Alle alte temperature offrono buona resistenza alla corrosione e soddisfacente resistenza meccanica.

 

DUPLEX :

Sono leghe in cui il tenore di cromo compresi tra 22% e 25% e di nichel tra 4% e 7% con aggiunte in molti casi di molibdeno (3-4%) e di azoto (0,1-0,25%).accompagnato da elementi tipo  Si, Mn, Cu il che comporta la caratteristica peculiare di presentare a temperatura ambiente una struttura bifasica costituita da austenite e ferrite.

Questi acciai non presentano un punto di trasformazione e quindi non possono essere induriti mediante trattamento termico, ma solo per incrudimento a freddo.

 

Peculiarità

Hanno caratteristiche meccaniche a temperatura ambiente più elevate sia degli austenitici che dei ferritici e buona resistenza alla corrosione, migliore dei ferritici .

 

Resistenza alla corrosione

degli acciai inossidabili austenitici e ferritici; tuttavia condividono anche alcune specifiche problematiche, tipiche degli uni e degli altri, come la precipitazione dei carburi di cromo, la presenza di fase nocive che si formano attorno ad 800°C ed il problema dell’infragilimento a 475°C.

 

Saldabilità

La saldabilità è nettamente superiore a quella dei ferritici.

 

Utilizzi

Largamente impiegato in campo chimico e petrolchimico, in ambienti contaminati da cloruri e in presenza di anidride carbonica-CO2 o di acido solfidrico, è molto usato negli impianti di dissalazione e a contatto con soluzioni diluite e concentrate di acido solforico, fosforico, acetico e formico.

E dove è richiesta notevole resistenza ai fenomeni di corrosione-fatica e all’usura erosiva

 

CENNI SULLA CORROSIONE :

Gli acciai inox vengono scelti per la produzione dei piu’ svariati particolari impiegati nei piu’ diversi campi di applicazione , laddove ci si aspetta per assurdo che possa resistere ai più svariati tipi di ambienti e di condizioni di esercizio.

È necessario invece considerare che non esiste l’acciaio un solo acciaio inossidabile , ma ne esistono diverse versioni e, a seconda delle condizioni in cui i particolari di acciaio saranno introdotti , è possibile scegliere la lega più appropriata.

La composizione chimica è indubbiamente uno dei fattori indicativi della resistenza alla corrosione, perché a questa è legata la “forza” del film di passività e quindi la capacità del materiale di fronteggiare gli attacchi corrosivi.

Il Cromo gioco un ruolo fondamentale, quanto maggiore sarà il suo contenuto, e maggiore sarà, in linea generale, la resistenza alla corrosione.

Vi sono alcuni  fattori che contribuiscono in maniera piu’ marcata  al fenomeno corrosivo :

1)             la natura dell’agente aggressivo

2)             2 la temperatura dell’agente aggressivo

3)             la finitura superficiale del metallo

4)             la velocità del fluido sulle pareti del materiale.

Nonostante tutte le attenzioni del caso anche gli inox possano incorrere in varie forme di corrosione. Qui di seguito ne diamo una breve descrizione, elementi utili per riconoscere il tipo di fenomeno corrosivo.

Pitting o Vaiolatura

Di gran lunga il fenomeno corrosivo più conosciuto sugli acciai inossidabili. Questo è causato da una lacerazione locale dello strato passivo, derivante dall’azione di elementi fortemente attivanti quali ad esempio gli ioni cloruro (Cl) o fluoruro (Fl).

Sulla superficie si creano puntinature o vaioli, caratterizzati da un cratere circondato da un alone. La vaiolatura può essere di tipo penetrante o cavernoso. Per evitare questa forma di corrosione è buona cosa scegliere leghe con elevati quantitativi di cromo nichel e molibdeno che determinano uno strato passivo più resistente.

 

Interstiziale o crevice-corrosion

Anche in questo tipico fenomeno corrosivo localizzato si lacera lo strato passivo a causa di una scarsa ossigenazione che si verifica in un interstizio o, comunque, in zone di ristagno in presenza di una sostanza corrosiva.

Come prevenzione sarà quindi opportuno eliminare interstizi, meati o ristagni, adoperando giunti ben saldati o in fase di progettazione prevedere un drenaggio completo. Ove non è possibile sarà necessario utilizzare acciai inossidabili con elevato tenore di cromo, nichel o molibdeno.

 

Intergranulare

La permanenza più o meno prolungata in determinati intervalli di temperatura (come possono essere: saldatura, errato trattamento termico, condizioni di esercizio), crea una precipitazione di carburi di cromo ai bordi dei grani. In tali zone, dove il tenore di cromo scende al di sotto della percentuale minima del 12% circa (percentuale minima per garantire l’inossidabilità), si possono verificare attacchi corrosivi in presenza di un agente aggressivo.

In questo caso, laddove non si possa evitare l’alterazione termica, per evitare la possibile corrosione è necessario utilizzare, nel caso degli austenitici, acciai a basso contenuto di carbonio: i tipi L (“Low Carbon”).

 

Corrosione galvanica

È generalmente noto che facendo entrare a contatto materiali di diversa “nobiltà” in presenza di un elettrolito si creano le premesse per una corrosione di tipo galvanica. L’acciaio inox è materiale “nobile”, ovvero spostato verso l’estremità catodica della scala galvanica; se viene accoppiato con materiali meno “nobili”, quindi a comportamento anodico, si può incorrere in questo tipo di corrosione.

Per evitare questo attacco è necessario accoppiare l’inox con materiali di pari nobiltà; oppure interrompere la continuità metallica tra i due diversi materiali con elementi isolanti (es. particolari in gomma, teflon ecc).