Oțel inoxidabil

Acest articol sau secțiune despre chimie și inginerie este considerat a fi verificat . Motiv : multe părți ale primului paragraf sunt neclare Alăturați-vă discuției și / sau corectați intrarea. Urmați sfaturile din desenele de referință 1 , 2 .

Acest articol sau secțiune despre materialele în cauză nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . Puteți îmbunătăți această intrare adăugând citate din surse de încredere în conformitate cu liniile directoare privind utilizarea surselor .

Oțel inoxidabil
Arcul Gateway al lui Eero Saarinen din St. Louis , realizat în întregime din oțel inoxidabil.
Denumiri alternative
Oțel inoxidabil
Caracteristici generale
Compoziţie	aliaj constând în principal din fier , carbon și crom
Aspect	gri lucios
Starea de agregare (în cs )	solid
Cristalinitatea	în general policristalin
Proprietăți fizico-chimice
Rezistivitate electrică ( Ω m )	0,714 × 10 −6 [1]

Oțelurile inoxidabile [sau Inox din franceza inoxidabilă ^[2] , sau Oțelul inoxidabil din engleza (oțelul „fără pată”), sau în cele din urmă Rostfrei din limba germană (fără rugină) se caracterizează printr-o rezistență mai mare la oxidare și coroziune , în special în zonele umede aer sau apă dulce, în comparație cu așa-numitele „ oțeluri cu carbon ” (sau oțel nealiat obișnuit).

Această abilitate se datorează în principal absenței aproape a carbonului <= 0,07% și prezenței cromului , în aliaj , capabil să se pasiveze și să se acopere cu un strat subțire și aderent de oxizi, practic invizibil cu un grosime egală cu câteva straturi atomice (de ordinul 0,3–5 nm ), care protejează superficial metalul sau aliajul subiacent, de acțiunea oxigenului și a agenților chimici externi. ^[3]

Conținutul minim de crom „liber”, adică necombinat cu carbon, pentru care un oțel poate fi considerat inoxidabil este de 10,5%, astfel încât să se poată forma un strat de oxid „pasivant” continuu și protector împotriva coroziunii. De fapt, cromul din aliaj, combinându-se cu carbonul, poate forma carburi de crom care, precipitând la marginile boabelor structurii cristaline, își limitează disponibilitatea pentru a forma oxizi și, prin urmare, pentru a pasiva . ^[4]

În general, există valori cuprinse între 12 și 17% din crom în aliaj, dar alte elemente pot fi folosite și în oțel inoxidabil pentru a crește rezistența la oxidare și coroziune.

Istorie

Prima mențiune publică a oțelurilor inoxidabile NYT 1-31-1915 ^[5]

Invenția oțelului inoxidabil se datorează englezilor Woods și Clark, care în 1872 au brevetat un aliaj de fier conținând 35% din greutate crom și rezistent la acizi ^[6] . Cu toate acestea, industrializarea a avut loc abia ani mai târziu , când în 1913 Harry Brearley din Sheffield , experimentarea cu oțel pentru arma butoaie, a descoperit că un specimen de oțel , cu 13-14% crom și un nivel relativ ridicat de carbon conținut (0, 25%) nu au rugina când expus atmosferei . Prima mențiune a acestui avans tehnologic datează din 1915 și se găsește într-un articol din New York Times referitor la utilizarea acestei clase de oțel pentru tacâmuri, lăudând rezistența sa la coroziune chiar și în contact cu acizii organici conținuți în alimente ^[5]. . Mai târziu această proprietate a fost explicată prin pasivarea cromului, care formează o peliculă de oxid extrem de subțire, continuă și stabilă la suprafață.

Progresele ulterioare în metalurgie între anii 1940 și 1960 și-au extins dezvoltarea și aplicațiile.

Acestea sunt în continuare perfecționate și adaptate la cerințele diferitelor sectoare industriale, cum ar fi petrolul / petrochimia , mineritul, energia, nuclearul și alimentele.

Descriere

Pasivare

Comparație între oțelul carbon ruginit și oțelul inoxidabil

Foarte adecvată este dicția anglo-saxonă inoxidabilă (literalmente „fără pată”) derivată din capacitatea acestor materiale de a se oxida (sau, după cum se spune, de a pasiva ), dar nu de rugină în mediile atmosferice și naturale.

Fenomenul pasivării se produce prin reacția metalului cu mediul oxidant (aer, apă, diverse soluții etc.).

Natura stratului pasivant, format în esență din oxizi / hidroxizi de crom, se autovindecă și garantează protecția metalului, chiar dacă abraziuni sau îndepărtarea filmului au loc local, dacă compoziția chimică a oțelului și gravitatea daunelor sunt interrelatate corespunzător.

În special, filmul pasiv poate fi mai mult sau mai puțin rezistent în funcție de concentrația de crom din aliaj și în raport cu posibila prezență a altor elemente de aliere precum nichel , molibden , titan . ^{[3] [7]}

Clasificarea oțelurilor inoxidabile prin indicele PREN

Oțelurile inoxidabile pot fi clasificate în funcție de rezistența lor la coroziunea localizată și, în special, la picături . Această clasificare se bazează pe compoziția chimică și pe calculul indicelui numărului echivalent de rezistență la pitting (PREN) ; cu cât acest indice este mai mare, cu atât este mai mare rezistența la pitting . Această clasificare este utilizată deoarece este ușor și rapid de determinat, totuși trebuie amintit că nu oferă o descriere completă și exhaustivă a proprietăților de rezistență la coroziune ale oțelurilor inoxidabile. Prin urmare, oțelurile inoxidabile pot fi împărțite în patru categorii:

• Oțeluri inoxidabile slabe: nu conțin molibden și valoarea tipică a indicelui PREN este de aproximativ 25 (de exemplu 18-10 )
• Oțeluri inoxidabile standard: sunt caracterizate printr-un indice PREN între 25 și 40 (de exemplu AISI 316 )
• Oțeluri super inoxidabile: au un indice PREN ≥ 40 ^[8]
• Oțeluri hiper inoxidabile: conțin procente mari de crom > 30% din greutate, iar valoarea indicelui PREN poate ajunge la 50 ^[9]

Nomenclatura AISI

Există diverse tipuri de oțeluri inoxidabile pe piață, cunoscute în principal sub notația oțelului AISI ( American Iron and Steel Institute ). Notarea AISI și-a asumat în mod eronat semnificația sinonimului „oțel inoxidabil”, deoarece acest institut codifică și diferite tipuri de oțel. Notarea AISI identifică oțelul inoxidabil printr-un cod din trei cifre cu posibila adăugare a unei litere.

Prima dintre aceste cifre indică gradul de oțel:

• Seria 2XX - oțel austenitic crom-nichel-mangan
• Seria 3XX - oțel austenitic crom-nichel și crom-nichel-molibden
• Seria 4XX - oțeluri cromice feritice sau martensitice
• Seria 5XX - oțel martensitic cu crom mediu
• Seria 6XX - oțel de întărire a precipitațiilor cromate

între litere, de exemplu:

• litera „ L ” indică procentul scăzut de carbon ( Low Carbon ) prezent. Această caracteristică înseamnă că oțelul leagă mai puțin gaz, deoarece carbonul tinde, în orice condiții, să se lege cu hidrogen , precipitând hidrocarburi ; prezența hidrogenului este adesea penalizatoare pentru oțel, la temperaturi ridicate și mai ales în condiții de ionizare ( radiații ionizante ). Atomul de hidrogen ionizat (H ⁺ ) este foarte mic și la temperatură ridicată se mișcă mai ușor în rețeaua de oțel, riscă să se acumuleze și să provoace discontinuități periculoase. Conținutul redus de carbon permite, de asemenea, o bună sudabilitate chiar și pentru grosimi> 6 mm.
• notația „ N ” indică prezența azotului dizolvat în aliaj. Datorită proprietăților sale de gaz inert (legătura azot-azot este triplă, atomii sunt foarte apropiați unul de celălalt și, prin urmare, sunt greu de separat), azotul acționează ca un ecran pe oțel, limitând contaminarea sa externă.
• Adnotarea „ Ti ” indică prezența titanului care asigură rezistență completă la coroziune în sudarea elementelor groase.

Acronime comerciale

Diferitele oțeluri inoxidabile diferă în funcție de procentul de greutate al elementelor care alcătuiesc aliajul.
Printre cele mai frecvent utilizate oțeluri distingem:

• 304 - Cr (18%) Ni (10%) C (0,05%);
• 304 L - ( cu emisii reduse de carbon ): Cr (18%) Ni (10%) C (<0,03%);
• 316 - Cr (16%) Ni (11,3 / 13%) Mo (2/3%)
• 316 L - ( cu emisii reduse de carbon ): Cr (16,5 / 18,5%) Ni (10,5 / 13,5%) Mo (2 / 2,25%) C (<0,02%);
• 316 LN - ( Azot cu conținut scăzut de carbon ) (prezența azotului dizolvat în rețeaua cristalină a materialului);
• 316 LN ESR ( retopirea electro-zgurii );
• 430: Cr (16/18%) C (0,08%).
• 904 L - ( cu emisii reduse de carbon ): Cr (19/23%) Ni (23/28%) Mo (2 / 2,25%) C (<0,03%) Cu (1-2%); considerat cel mai bun oțel din punct de vedere al durabilității și al luciului; practic inatacabil de acizi datorită prezenței cuprului. Casa Rolex este singura din lume care folosește acest oțel pentru a-și face produsele.

Aceste materiale pot fi, de asemenea, stabilizate la titan sau niobiu, cum ar fi:

• 316 Ti
• 316 Nb
• 430 Ti.

Poziția fierului în interiorul aliajului influențează diferite caracteristici ale materialului, care sunt de mare importanță pentru utilizarea acestuia.
Principalul este nemagnetic :

• în dispunerea centrată pe corp, materialul prezintă proprietăți feritice și, prin urmare, magnetice;
• în cea centrată pe față, oțelul este austenitic și, prin urmare, paramagnetic .

După cum sa menționat deja mai sus, AISI 304 și 316 aparțin familiei oțelurilor cu structură austenitică, în timp ce AISI 420 are o structură martensitică.
Diferența dintre oțelul 304 și 316, în afară de costul mai mare și prezența în 316 de Mo , este dată de austenicitatea mai mare a celui de-al doilea datorită procentului mai mare de nichel .
Deși aceste oțeluri păstrează structura austenitică, în unele cazuri rămân în masă granule cristaline izolate care mențin o structură feritică, derivată din ferita δ.

Tipuri de oțel inoxidabil

Piese speciale pentru țevi din oțel inoxidabil.

Conform microstructurii lor, oțelurile inoxidabile sunt în mod tradițional împărțite în trei familii mari:

• oțeluri inoxidabile feritice (structură cristalină "Cubic Body Centered (CCC)", magnetică);
• austenitice oțeluri inoxidabile (non- magnetic "Face Centrat Cubic (CFC)" structură cristalină);
• oțeluri inoxidabile martensitice (structura cristalină "Corpul centrat cubic (CCC)", magnetic).

În plus față de aceste trei categorii, există și alte trei familii, a căror utilizare este în creștere, pentru utilizări specifice:

• oțeluri inoxidabile întărite prin precipitații sau PH (Precipitation Hardening);
• oțeluri inoxidabile bifazice austenitic-feritice sau Duplex;
• Mn-N sau nichel- otelurilor inoxidabile austenitice libere.

Oțeluri inoxidabile feritice

Oțelurile inoxidabile feritice sunt oțeluri inoxidabile în care elementul principal de aliere este cromul, care variază de la aproximativ 11 la 30%. În cadrul acestui câmp, de fapt, se poate observa din diagrama stării fero- cromului că aliajul obținut de la temperatura camerei până la punctul de topire rămâne întotdeauna în faza feritică .

Aceste oțeluri au o rezistență mecanică bună și o rezistență moderată la coroziune . Acestea au o granulație de cristal cu rețea cubică centrată pe corp (sunt magnetice) ca oțelurile cu carbon, dar caracteristicile mecanice nu pot fi mărite prin intermediul tratamentelor termice.

Conținutul de carbon este mai mic decât la oțelurile inoxidabile martensitice. Un tip deosebit de rezistent la căldură conține 26% crom . Alte elemente prezente sunt molibdenul , aluminiul pentru a crește rezistența la oxidarea la cald, sulful pentru a facilita lucrabilitatea.

Punctul de producție este moderat scăzut și, deoarece nu este posibil să se efectueze tratamente termice de întărire din cauza absenței punctelor critice, este posibil să se îmbunătățească caracteristicile mecanice exclusiv prin recristalizare sau fenomene de întărire . O atenție deosebită este acordată limitării încălzirii sub 850 ° C pentru a evita mărirea bobului cristalin și a nu se opri între 400 și 570 ° C în răcire, pentru a nu suporta fragilitate la temperare .

Oțelurile inoxidabile feritice au o rezistență moderată la coroziune , care crește odată cu procentul de crom și cu introducerea molibdenului în aliaj; sunt magnetizabile; nu sunt susceptibile la întărire și trebuie să fie neapărat supuse la recoacere ; sudabilitatea este slabă, deoarece materialul care este supraîncălzit suferă mărirea granulelor cristaline. ^[10]

Cele mai frecvente utilizări sunt tacâmuri sau tacâmuri de calitate scăzută, chiuvete, chiuvete și finisaje pentru construcții . În foi subțiri sunt utilizate pentru acoperiri, plăci pentru punțile navale, scurgeri , transportoare cu lanț , aspiratoare de fum și colectoare de praf . ^{[11] [12]}

Oțelurile inoxidabile superferritice au fost proiectate pentru a reduce susceptibilitatea la coroziunea cu picături și la cracarea prin coroziune la stres a oțelurilor inoxidabile austenitice. Aceste oțeluri ușoare de crom au două compoziții posibile: 18% crom și 2% molibden , sau 26% crom și 1% molibden. Proprietățile de bază sunt aceleași cu cele ale oțelurilor inoxidabile feritice, plus rezistența la coroziune cu picături și la cracarea prin coroziune la solicitare (SCC); sudabilitate slabă sau echitabilă. Datorită sudabilității reduse, utilizările sunt limitate la piese sudate cu grosimea mai mică de 5 mm. Acestea sunt utilizate pentru solare panouri și radiatoare de căldură Schimbător și condensatorului tuburi, rezervoare de apă caldă și saramuri conducte de circulație în industria alimentară .

Oțeluri inoxidabile austenitice

Același subiect în detaliu: aliaje inoxidabile austenitice .

Oțelurile inoxidabile austenitice sunt cele mai frecvente oțeluri inoxidabile, au un conținut de carbon mai mic de 0,1%, crom între 18% și 25% și nichel de la 8% la 20%. Nichelul este capabil să extindă domeniul austenitic, adică stabilizează structura cristalină tipică temperaturilor ridicate până la condiții apropiate de cele normale. Structura austenitică, în realitate, se păstrează în condiții metastabile la temperatura camerei, iar această structură este menținută pe perioade nedeterminate, deoarece dezvoltarea completă a formei stabile, perlita, este extrem de lentă (vezi curbele Bain ). După cum se poate deduce din examinarea curbelor Bain, transformarea austenică / perlitică necesită păstrarea materialului în cuptor pentru o perioadă foarte lungă de timp, nedurabilă din punct de vedere industrial. Pe de altă parte, ratele de răcire și temperaturile care trebuie atinse necesare în timpul stingerii pentru obținerea martensitei sunt astfel încât structura cristalină compatibilă cu procesele interesante din punct de vedere economic este doar austenitică.

Oțelurile inoxidabile austenitice au o structură cubică cu fețele centrate , conținând Ni și Cr într-un procent astfel încât să păstreze structura austenitică chiar și la temperatura camerei. Acestea sunt clasificate în funcție de procentul de Ni și Cr (vezi tabelul); în clasificarea ASTM constituie seria 3XX.

Compoziția de bază a oțelului inoxidabil austenitic este de 18% Cr și 8% Ni, codificate în 18/8 (AISI 304). Un procent de 2-3% molibden permite formarea de carburi de molibden mai bune decât cele ale cromului și asigură o rezistență mai bună la coroziune de către cloruri, cum ar fi apa de mare și sărurile de degivrare, (oțel 18/8/3 ; AISI 316) . Conținutul de carbon este scăzut (0,08% max C), dar există și oțeluri inoxidabile austenitice ușoare (0,03% C max). Oțelul inoxidabil austenitic poate fi stabilizat cu titan sau niobiu pentru a evita o formă de coroziune în zona de sudură (a se vedea mai jos punctele slabe ale acestui tip de oțel). Având în vedere procentul considerabil de componente valoroase ( Ni , Cr , Ti , Nb , Ta ), oțelurile inoxidabile austenitice sunt printre cele mai scumpe dintre oțelurile utilizate în mod obișnuit.

Proprietățile fundamentale sunt:

• rezistență excelentă la coroziune ;
• ușurința curățării și un coeficient igienic excelent;
• ușor de lucrat, forjat și sudat;
• întăritor dacă lucrează la rece și nu prin tratament termic;
• când este complet recoaptă, acesta nu devine magnetizat.

Structura lor austenitic (cu cristal CFC, non - magnetic) le face imun la tranziția-ductil casant (care în schimb se manifestă cu structura feritică , CCC cristal), prin urmare , ele își păstrează duritate până la temperaturi criogenice (lichid He ). Dimensiunea bobului, semnificativ mai mare decât cea a oțelurilor de construcție feritice, le face rezistente la fluaj ; în consecință, dintre oțelurile pentru construcția recipientelor sub presiune , acestea sunt cele care pot fi utilizate la temperaturi mai ridicate (600 ° C).

Structura austenitică este paramagnetică și, prin urmare, aceste oțeluri pot fi ușor recunoscute având magneți permanenți calibrați.

Utilizările acestor oțeluri sunt foarte largi: vase și servicii casnice, ferestre și finisaje arhitecturale, abatoare , fabrici de bere , cutii pentru băuturi și produse alimentare; rezervoare de gaz lichefiat, schimbătoare de căldură , dispozitive de control al poluării și de extragere a fumului, autoclave industriale. Rezistența lor la cele mai agresive substanțe chimice le face, de asemenea, foarte populare în industria chimică . Același tip de oțel a fost folosit în 1929 pentru construcția turlei clădirii Chrysler din New York : structura a fost construită în atelier în 4 secțiuni separate și apoi asamblată deasupra clădirii în decurs de 90 de minute. Luminozitatea turnului, la 80 de ani de la construcția sa, mărturisește gradul foarte ridicat de rezistență la coroziune și rezistență la rugină a materialului utilizat ( Nirosta ).

Cu toate acestea, oțelurile inoxidabile austenitice suferă de unele limitări:

• la temperaturi scăzute rezistența la coroziune scade drastic: acizii atacă pelicula de oxid de protecție și acest lucru provoacă coroziune generică în aceste oțeluri;
• în fisuri și în zonele protejate este posibil ca cantitatea de oxigen să nu fie suficientă pentru a păstra pelicula de oxid, cu coroziunea fisurilor consecutivă;
• în soluții apoase, ionii de halogenură , în special anionul (Cl ^- ), difuzează în discontinuitățile filmului pasivizator al oțelurilor inoxidabile austenitice și provoacă așa-numita coroziune de pitting, cunoscută de coroziști ca fiind coroziunea de pitting . Un alt efect al clorurilor este SCC (Stress Corrosion Cracking - rupere de la coroziunea prin cracare ).

Singurul tratament termic aplicabil pentru această clasă de oțel este solubilizarea C la 1.050 ° C, care favorizează difuzia carbonului într-un mod omogen în boabele cristaline, urmată de o răcire rapidă pentru a evita permanența în zona între 800 și 400 ° C, unde poate apărea precipitarea carburilor de crom. Precipitarea acestor carburi, în general Cr ₂₃ C _6, este concentrată la marginile boabelor cristaline, implicând o epuizare locală a cromului liber care poate scădea sub 12% și, prin urmare, distrugerea filmului pasiv și pierderea rezistenței la coroziune. Consecința este posibila apariție a coroziunii intergranulare.

Oțeluri inoxidabile martensitice

Oțelurile inoxidabile martensitice sunt aliaje de crom (aproximativ 11-18%) cu carbon relativ ridicat (până la 1,1% din greutate), conținând cantități mici de alte elemente. Elementele tipice de aliere prezente în acestea sunt: mangan , siliciu , crom și molibden ; se poate adăuga sulf pentru a-și îmbunătăți lucrabilitatea cu mașinile de îndepărtat așchii, în orice caz în detrimentul parțial al caracteristicilor mecanice.

Oțelul inoxidabil martensitic are caracteristici mecanice foarte ridicate și este bine prelucrabil, este singurul oțel inoxidabil care poate fi supus la întărire , tratament termic pentru creșterea proprietăților sale mecanice (sarcină de rupere, rezistență la curgere, duritate); și ele au o structură cristalină cubică centrată pe corp (CCC) care, în mod similar cu familia feritică, le face magnetice.

Este cunoscut mai ales cu nomenclatura americană: de exemplu, oțelul cu crom este doar seria AISI 400 (pentru a ne aminti AISI 410 cu C = aproximativ 0,12% și Cr = aproximativ 13% și 420, cu 0,20% < C <0,40% și Cr = aproximativ 13%; AISI 440 cu C = aproximativ 1% și Cr = 17%); în nomenclatura UNI are abrevieri precum X20Cr13, X30Cr13, X40Cr14. Este magnetic și este, de asemenea, cunoscut sub numele de oțel „seria 00”.

Oțelul inoxidabil martensitic se auto-întărește, dar prin simpla răcire de la temperatura de formare la cald la temperatura camerei se dezvoltă o structură cristalină deformată, cu solicitări reziduale puternice și fragilizare consecventă.

Pentru a depăși aceste condiții nefavorabile, procedura de producție implică în general următorii pași:

1. recoacere de lucru: aceasta se realizează cu metoda izotermă numai atunci când se dorește duritatea minimă; în caz contrar, se răcește la o viteză constantă, alegându-l pe baza durității de obținut (vezi curbele CCT);
2. stingerea la o temperatură de aproximativ 1000 ° C și pentru un timp suficient pentru a dizolva carburile de crom, utile pentru creșterea rezistenței la uzură; ^[13]
3. călire la temperaturi diferite, în funcție de dorința, rezistența la coroziune sau duritatea .

Oțelurile inoxidabile martensitice sunt utilizate în principal pentru rezistența ridicată la fluare , deși formabilitatea și sudabilitatea lor sunt extrem de dificile și rezistența la coroziune este mai mică decât cea a altor familii.

Rezistența la coroziune nu este excepțională, deoarece cromul are, în general, un conținut mai mic decât cel al celorlalte categorii de oțeluri inoxidabile; în plus, deoarece structura martensitică are o densitate mare de defecte de rețea , acestea acționează ca catalizatori ai reacțiilor de coroziune.

Oțelul inoxidabil L ' AISI 440 este utilizat pentru unelte (cuțite, foarfece, bisturiile , lame de ras, injectoare pentru motoare cu ardere internă).

Oțeluri inoxidabile întărite prin precipitații sau oțeluri PH (Precipitation Hardening)

Oțelurile inoxidabile cu întărire a precipitațiilor au posibilitatea de a-și crește semnificativ caracteristicile mecanice datorită unor tratamente termice speciale de îmbătrânire, care permit precipitarea fazelor intermetalice dure în matricea austenitică sau martensitică pentru a crește proprietățile mecanice ale aliajului.

Aceste oțeluri au fost dezvoltate pentru a umple golurile din alte clase de oțeluri inoxidabile (proprietăți mecanice slabe ale oțelurilor inoxidabile feritice și austenitice și rezistență slabă la coroziune a oțelurilor inoxidabile martensitice .

Oțelurile inoxidabile întărite cu precipitații obțin o rezistență mecanică ridicată și o rezistență ridicată grație adăugării de elemente capabile să formeze precipitate în timpul tratamentelor termice de îmbătrânire: aluminiu , cupru , titan , molibden , niobiu , vanadiu , azot ; în plus, aceste oțeluri au o rezistență la coroziune comparabilă cu cea a oțelurilor inoxidabile austenitice clasice, cu același crom și molibden. ^{[14] [15] [16]}

Oțeluri inoxidabile bifazice austeno-feritice sau duplex

Oțelurile inoxidabile bifazice austenite-feritice , numite și duplexuri , au o structură cristalină mixtă a granulelor de austenită și ferită. Acestea sunt oțeluri cu o microstructură hibridă: conținutul de crom merge de la 18 la 32% și tinde să stabilizeze microstructura feritică , cea a nichelului de la 4,5 la 7% are ca rezultat cantități insuficiente pentru a determina o structură microcristalină total austenitică (care, prin urmare, rămâne parțial feritică ). Aproape toate variantele sale conțin între 2,5 și 4% molibden .

Există, de asemenea, forme de Duplex, numite „sărace”, care nu conțin molibden și au un conținut de nichel mai mic de 4,5%.

Proprietățile fundamentale sunt:

• structură microcristalină deosebită cunoscută sub numele de duplex, austenitic și feritic , care oferă o rezistență mai mare la fisurarea prin coroziune prin stres ;
• grad mai mare de pasivare datorită conținutului mai mare de crom (și prezenței molibdenului) și, prin urmare, o rezistență mai bună la pitting decât oțelurile inoxidabile austenitice 18-8;
• bună sudabilitate și formabilitate ;
• rezistență ridicată la tracțiune și la randament .

Cele mai frecvente utilizări sunt: schimbătoare de căldură , mașini pentru manipularea materialelor, rezervoare și rezervoare pentru lichide cu o concentrație mare de clor , răcitoare de apă de mare, desalinizatoare , plante pentru saramură alimentară și apă subterană și bogate în substanțe agresive. ^[17] Este, de asemenea, utilizat pentru construcția de turbine în centralele hidroelectrice. ^[18]

Mn-N sau oțeluri inoxidabile austenitice fără nichel

Oțelurile austenitice cu mangan - azot provin din necesitatea înlocuirii nichelului din aliajul metalic. De fapt, nichelul este un alergen și are un cost economic și de mediu ridicat. ^[19] Manganul și azotul sunt elemente capabile să stabilizeze microstructura austenitică. În detaliu, manganul permite o creștere a solubilității azotului în matricea feroasă. Azotul oferă adevărata contribuție austenitizantă; în plus, crește puternic caracteristicile mecanice și de rezistență la coroziune. Mai mult, aceste elemente sunt ambele biocompatibile. Pentru a garanta microstructura austenitică, aliajul trebuie să fie prezent în cantități mari: mangan până la 23% și azot până la 1% (în greutate). Proprietățile mecanice bune combinate cu biocompatibilitatea și prelucrarea suficientă fac din aceste oțeluri înlocuitori valabili pentru oțelurile inoxidabile austenitice convenționale pentru aplicații medicale. ^{[20] [21]}

Aplicații

Oțeluri inoxidabile pentru apă potabilă

Conform Decretului Ministerului Sănătății din 21 martie 1973 ^[22] , tipurile de oțeluri inoxidabile care pot fi utilizate pentru contactul cu apa potabilă și, mai general, cu alimentele, sunt următoarele:

Armură inoxidabilă

Barele din oțel inoxidabil utilizate pentru structurile din beton armat sunt realizate în general cu oțeluri inoxidabile cu microstructură austenitică sau duplex austenitic-feritic. I primi contengono 17-18% di Cr e 8-10% di Ni, mentre i secondi contengono 22-26% di Cr e 4-8% di Ni.

Le armature in acciaio inox, al contrario delle armature comuni in acciaio al carbonio , rientrano nel gruppo delle armature poco sensibili alla corrosione . Infatti gli acciai inossidabili possono resistere alla corrosione in presenza di calcestruzzo con un contenuto di cloruri molto elevato, anche quando questo è carbonatato . Invece nel calcestruzzo non carbonatato e non inquinato da cloruri, le barre di acciaio inossidabile si comportano come le normali barre di acciaio al carbonio, pertanto non apportano alcun vantaggio nei confronti della resistenza alla corrosione della struttura.

Le barre d'acciaio inossidabile però devono garantire le stesse prestazioni meccaniche ( resistenza allo snervamento e la duttilità ) richieste alle normali barre d'armatura. A tal fine le armature di acciaio inossidabile austenitico vengono sottoposte a trattamenti di rafforzamento mentre per gli acciai inossidabili duplex, tali trattamenti non sono indispensabili.

L'utilizzo dell'armatura inossidabile è limitato dall'elevato costo, il quale può avere un rilevante impatto sul costo necessario alla realizzazione dell'intera struttura. Infatti le barre in acciaio inox, in funzione della composizione chimica, costano da sei a dieci volte in più rispetto alle armature comuni in acciaio al carbonio. L'utilizzo di barre in acciaio inossidabile pertanto viene limitato per la realizzazione di opere in condizioni ambientali d'elevata aggressività, soprattutto legata alla presenza d'acqua di mare o di sali disgelanti (azione dei cloruri), oppure nei casi in cui, per l'importanza della struttura, sia richiesta una vita di servizio molto lunga. In questi casi infatti la protezione offerta dal copriferro può risultare insufficiente a prevenire la corrosione, e pertanto l'acciaio inox può garantire la durata richiesta per l'opera senza dover ricorrere successivamente a costose e complesse manutenzioni straordinarie che, in alcuni casi, risultano più onerose del costo iniziale dovuto alla scelta dell'armatura inossidabile. Il costo di costruzione si può ridurre limitandone l'utilizzo alle parti più vulnerabili della struttura o alle zone in cui lo spessore di copriferro deve essere ridotto, come negli elementi snelli o nei rivestimenti di facciata. In questo caso è necessario che l'armatura al carbonio e quella inox non entrino mai in contatto per evitare fenomeni di corrosione elettrochimica.

Gli acciai inossidabili austenitici hanno un coefficiente di dilatazione termica di circa 1,8 × 10 ⁻⁵ °C ⁻¹ , maggiore sia di quello del calcestruzzo (circa 10-5 °C ⁻¹ ) sia di quello delle comuni armature ( 1,2 × 10 ⁻⁵ °C ⁻¹ ).

Il maggiore coefficiente di dilatazione termica potrebbe creare situazioni sfavorevoli nel caso di incendi, tuttavia l'acciaio inossidabile austenitico ha una conducibilità termica notevolmente inferiore rispetto all'acciaio al carbonio.

Acciaio inox per alte temperature

Questi acciai inox sono stati messi a punto per operare a elevata temperatura in condizioni ossidanti . La percentuale di cromo è del 24% e il nichel va dal 14 al 22%.

Le proprietà fondamentali sono resistenza all' ossidazione (sfaldatura) ad alta temperatura e buona resistenza meccanica alle alte temperature.

Gli impieghi più comuni avvengono in parti di forni, tubi irradianti e rivestimenti di muffole , per temperature di esercizio fra 950 e 1.100 °C.

Acciai da ultra alto vuoto e criogenia

Il metallo più utilizzato in UV e in UHV è un acciaio inox che col ferro , ha cromo , nichel , con tracce di silicio , carbonio , manganese , molibdeno , niobio e titanio , è utilizzato come costituente strutturale dell'ambiente da vuoto, ha il vantaggio di essere reperibile e relativamente economico, ha proprietà di resistenza meccanica abbastanza elevate, non si tempra , si salda con facilità, ha un basso degasaggio , è abbastanza inerte chimicamente.

Nell'UV si necessita di una tipologia d'acciaio austenitico (AISI 316), poiché possiede una struttura molto legata e di conseguenza meno attaccabile chimicamente.
La presenza di metalli refrattari, come il molibdeno , aiuta a legare elettro-chimicamente gli atomi di ferro , conferendone maggiore inerzia e un grado di durezza superiore (circa 180 gradi Vickers ).
L'acciaio austenitico permette di utilizzare la lega anche nell'UHV, poiché l'amagneticità strutturale le dona un'inerzia quasi totale alle interazioni "deboli" garantendo un vuoto più pulito.
La presenza di cromo , nonostante le sue caratteristiche ferriticizzanti, conferisce all'acciaio stabilità ed elasticità, garantendone così duttilità e malleabilità.
Resta comunque il fatto che, in questa tecnologia, l'acciaio più utilizzato sia quello austenitico.
La sua temperatura di fusione è di 1.435 °C, tuttavia dobbiamo considerare che, durante la saldatura, nell'intervallo di temperatura tra i 600 e gli 800 °C, si trasforma, o meglio decade, da austenitico a ferritico (come indicato nel diagramma di sensibilizzazione di Schaeffler).
Il suo decadimento è più rapido e permanente per gli acciai 304 rispetto ai 316.
Periodo di sensibilizzazione:

• 304: 10 minuti;
• 304 L: 30 minuti;
• 316 L: un'ora.

Più esteso è questo periodo (la estensione è proporzionale alla presenza di nickel ), più il materiale è affidabile.
Per ridurre ulteriormente il degasaggio della lega 316 si effettua il processo di electro slag remelting , in cui la stessa viene rifusa in un forno a radiofrequenze, in modo da eliminare le microscorie di ossidi e di carburi, che, oltre a "sporcare" il vuoto, la rendono più ferritica. Il 316 LN ESR, poiché molto costoso, viene utilizzato limitatamente e prevalentemente negli acceleratori di particelle .
L'acciaio è costituente delle camere da vuoto , delle flange e di eventuali altri elementi come bulloni e dadi; in ogni modo, una camera da vuoto in acciaio richiede ulteriori trattamenti finalizzati a diminuire il costante degasaggio di idrogeno dalle sue pareti. Uno dei principali è il vacuum firing , con il quale l'acciaio viene in primo luogo scaldato a 1.400 °C e poi rapidamente raffreddato, per attraversare celermente la zona di sensibilizzazione senza decadere in ferritico. Così, oltre alla diminuzione della percentuale di azoto sulle superfici, si ottiene un aumento della sua austeniticità.

Problematiche specifiche

Contaminazione ferrosa

La resistenza alla corrosione dell'acciaio inox può essere messa in pericolo dalla contaminazione ferrosa derivante da particelle provenienti da operazioni di taglio, rettifica e saldatura dell'acciaio al carbonio. La presenza di contaminazioni sulle superfici del metallo, oltre a creare un difetto estetico può dar luogo a inneschi di corrosione localizzata ( pitting ), anche solo a contatto con aria, pregiudicando la giusta condizione di passività nel tempo. Infatti, le particelle di ferro che si depositano sulla superficie dell'acciaio inox, ad esempio a causa di spruzzi di saldatura di componenti di acciaio al carbonio, si ossidano molto velocemente formando la ruggine , anche solo in presenza dell'umidità atmosferica, causando un'antiestetica macchiatura della superficie, che in alcuni casi, ostacolando il fenomeno di naturale passivazione dell'acciaio inox, può evolvere in fenomeni di pitting. Per questa ragione la lavorazione dell'acciaio al carbonio e quella dell'acciaio inossidabile devono avvenire in due zone distinte e separate.

Inoltre, gli attrezzi manuali (es. spazzole) ei macchinari utilizzati (es. presse), non devono contenere acciaio al carbonio e devono essere puliti in maniera approfondita quando si passa dall'acciaio al carbonio all'acciaio inossidabile. Le lavorazioni di taglio, saldatura o sabbiatura non devono essere fatte con elementi contenenti acciaio al carbonio (es. dischi abrasivi, elettrodi, graniglia). Per lo stesso motivo, nello stoccaggio e nella movimentazione dell'acciaio inossidabile, deve essere evitato qualsiasi contatto con attrezzi di acciaio al carbonio, ad esempio forche di elevatori, catene, scaffalature, ecc.

Per verificare la avvenuta contaminazione esistono appositi test. Una volta contaminato l'acciaio inox, può esserne effettuata la decontaminazione mediante trattamento con specifiche paste passivanti a base di acido fosforico o nitrico. Per rimuovere qualunque traccia di soluzione acida e contaminanti disciolti si dovrà risciacquare l'acciaio con acqua deionizzata e asciugare la parte pulita. In questo caso è necessario trattare l'intera superficie inox, per evitare l'effetto "a chiazze". Gli stessi prodotti possono essere utilizzati nel caso di ossidazione dovuta a un'elevata esposizione ad agenti corrosivi quali la salsedine. La contaminazione ferrosa è quella più ricorrente sugli acciai inox, ma si possono comunque verificare fenomeni di contaminazione da altri metalli non ferrosi, come alluminio, rame, piombo, ecc. Le modalità per eliminare le tracce contaminanti sono le stesse consigliate per le tracce ferrose.

Sensibilizzazione

La sensibilizzazione degli acciai inossidabili è un problema legato alla corrosione e coinvolge principalmente gli acciai inossidabili aventi un elevato tenore di carbonio . Questo fenomeno metallurgico di degrado del materiale corrisponde alla precipitazione di carburi di cromo ai bordi dei grani cristallini. Ciò avviene a seguito di esposizione a temperature comprese tra i 450 °C ei 950 °C. Tale precipitazione porta nelle zone adiacenti a un impoverimento di cromo e più in generale degli alliganti passivanti che garantiscono la formazione del film protettivo superficiale di ossidi. Di conseguenza qualora il materiale verrà esposto ad ambienti aggressivi verrà portato alla disgregazione della matrice metallica, a seguito di una corrosione preferenziale lungo i bordi grano cristallini. ^[7]

Giunzioni

I manufatti in acciaio inox vengono frequentemente giuntati mediante saldatura e bullonatura. Un errore comune è quello di utilizzare elettrodi e bulloni contenenti acciaio al carbonio invece di utilizzarli zincati. Oltre al problema della contaminazione ferrosa, il mettere a contatto l'acciaio inox con un materiale meno nobile determina l'innesco di celle galvaniche, nel momento in cui un elettrolita entra in gioco, con conseguente corrosione del materiale meno nobile.

Normativa di riferimento

• UNI EN 10088-1:2005 - Acciai inossidabili - Parte 1: Lista degli acciai inossidabili
• ASTM A-967 - Standard specification for chemical passivation treatments of stainless steel parts
• Decreto ministeriale 21 marzo 1973 Gazzetta Ufficiale - Repubblica Parte 1 n. 104 del 20-04-1973 (Supplemento Ordinario): Materiali a contatto con alimenti
• Decreto del Ministero del lavoro, della salute e delle politiche sociali 24 settembre 2008 n° 174, Regolamento recante aggiornamento del decreto ministeriale 21 marzo 1973, concernente la disciplina igienica degli imballaggi, recipienti, utensili destinati a venire in contatto con le sostanze alimentari o con sostanze d'uso personale. Recepimento della direttiva 2007/19/CE. [1]

Note

Bibliografia

• Walter Nicodemi , Introduzione agli acciai inossidabili , 2ª ed., AIM, 2003, ISBN 88-85298-47-8 .

Voci correlate

• Acciaio
• Passivazione
• Inox austenitico
• Leghe inox austenitiche
• Acciaio strutturale
• Designazione acciaio

Altri progetti

• Wikizionario contiene il lemma di dizionario « acciaio inossidabile »
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su acciaio inossidabile

Collegamenti esterni

• ( EN ) Acciaio inossidabile , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Articoli su acciaio inossidabile , su worldstainless.org . URL consultato il 29 dicembre 2008 (archiviato dall' url originale il 6 gennaio 2009) .
• La soluzione ferritica ( PDF ), su worldstainless.org . URL consultato il 7 settembre 2009 (archiviato dall' url originale il 30 novembre 2010) .

• Articolo su certificazione alimentare dell'acciaio inox moca , su condorinox-lavorazioni.it . URL consultato il 19 giugno 2020 ( archiviato il 19 giugno 2020) .

V · D · M Siderurgia
Minerali ferrosi	Ematite · Magnetite · Limonite · Siderite
Leghe ferro-carbonio	Acciaio Inossidabile · Acciai legati · Effervescente · Maraging · Super Rapido · Corten · Damasco · Strutturale · Hadfield Ghisa Bianca · Duttile (sferoidale) · Lamellare (grigia) · Malleabile Strutture Ferrite · Austenite · Perlite · Cementite · Martensite · Bainite · Ledeburite · Sorbite
Processi di fusione	Colata in sabbia · Colata in lingottiera · Colata centrifuga · Colata continua · Pressofusione · Stampaggio ad iniezione
Semilavorati siderurgici	Bramma · Blumo · Billetta · Lingotto · Vergella
Lavorazioni metallurgiche	Forgiatura · Laminazione ( a caldo · a freddo ) · Battitura · Estrusione · Pallinatura · Lappatura · Puddellaggio · Stampaggio · Trafilatura Tranciatura · Perforazione · Calandratura · Imbutitura · Idroformatura
Trattamenti termici	Recupero · Ricristallizzazione · Tempra · Rinvenimento · Bonifica · Ricottura · Austenitizzazione · Normalizzazione · Distensione · Solubilizzazione
Trattamenti termochimici	Passivazione · Decapaggio · Galvanizzazione · Carbocementazione · Nitrurazione · Decarburazione · Cromatura · Sherardizzazione
Apparecchiature metallurgiche	Altoforno · Corex · Finex · Convertitore Bessemer · Convertitore LD · Cubilotto · Forno Martin-Siemens · Forno elettrico ad arco
Altro	Diagramma ferro-carbonio · Designazione degli acciai · Storia della siderurgia · Centro siderurgico · Gas d'altoforno

Portale Ingegneria

Portale Materiali