Leghe di acciaio inossidabile in dettaglio: elementi principali, caratteristiche principali e classificazione dell'acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile viene solitamente insegnato come cinque scatole: austenitico, ferritico, martensitico, duplex e indurente per precipitazione. Le scatole sono reali e non sono il motivo per cui un grado si comporta nel modo in cui lo fa. Un grado si posiziona dove si trova a causa di due numeri che possono essere calcolati dalla sua composizione, e la sua resistenza alla corrosione può essere classificata da un terzo. Una volta che quei tre numeri sono sulla pagina, le cinque scatole diventano regioni su una mappa e non etichette da memorizzare.

Il primo numero è il contenuto di cromo, ed è una soglia e non una scala. La seconda coppia sono gli equivalenti di cromo e nichel, che decidono se la struttura che si forma al raffreddamento è ferrite, austenite o una miscela. Il terzo è il numero equivalente di resistenza alla vaiolatura, che converte cromo, molibdeno e azoto in una singola cifra che può essere confrontata tra i gradi.

Questa pagina presenta i tre, mostra dove atterrano i gradi comuni su ciascuno e spiega l'unico meccanismo che rimuove la protezione fornita dal primo numero: il cromo che forma il film passivo può essere rimosso dal carbonio ai bordi del grano.

Il cromo è ciò che rende l'acciaio inossidabile. Sopra circa il 10,5% in soluzione solida, il metallo forma un film sottile e continuo di ossido di cromo sulla sua superficie, ed è quel film che separa un acciaio inossidabile da un acciaio a bassa lega che contiene semplicemente cromo. Al di sotto di quel livello il film non è continuo e la lega arrugginisce come un acciaio ordinario.

La soglia è un'affermazione sul cromo in soluzione e non sul cromo nell'analisi. Se il cromo è legato in un precipitato, non è disponibile per formare il film, e la lega si comporta come se ne contenesse meno. Questa distinzione è l'intero argomento dell'ultima sezione, e spiega perché un grado che soddisfa il suo certificato può comunque corrodersi in una saldatura.

Il nichel fa qualcosa di diverso. Non crea il film e non è richiesto per la resistenza alla corrosione in ogni famiglia. Il suo ruolo è quello di stabilizzare l'austenite, motivo per cui i gradi austenitici contengono dal 6 al 22% di nichel negli intervalli di composizione comunemente venduti, e motivo per cui i gradi ferritici ne contengono poco o nessuno.

Cromo e molibdeno favoriscono entrambi la ferrite. Nichel, carbonio e manganese favoriscono l'austenite. Il diagramma di Schaeffler riduce una composizione completa a due numeri che catturano queste tendenze, e un grado viene posizionato sul diagramma calcolando entrambi.

Il termine carbonio spiega un risultato che sorprende gli acquirenti. Due gradi con lo stesso contenuto di nichel possono trovarsi in regioni diverse se i loro livelli di carbonio differiscono, perché il carbonio è trenta volte più efficace del nichel nello stabilizzare l'austenite in questa espressione. Questo è uno dei motivi per cui una versione a basso contenuto di carbonio di un grado non è semplicemente una versione più pulita dello stesso grado, e perché il suffisso L appare sui disegni dove è coinvolta la saldatura.

La riga austenitica porta una qualifica che i libri di testo spesso trascurano. Un grado austenitico ricotto è non magnetico, e uno lavorato a freddo non lo è completamente. La lavorazione a freddo può formare martensite in un grado austenitico metastabile, quindi una parte profondamente imbutita o pesantemente laminata può mostrare una risposta magnetica che il certificato ricotto non prevede. Una specifica che richiede un comportamento non magnetico dovrebbe indicarlo nella condizione finita e non nella condizione ricotta.

La vaiolatura è la modalità di guasto che decide un materiale in servizio con cloruri, e dipende da tre elementi e non da uno. Il numero equivalente di resistenza alla vaiolatura li combina in una singola cifra, e la forma standard è cromo più 3,3 volte molibdeno più 16 volte azoto.

Il numero posiziona i gradi comuni su una scala che va da circa 16 a oltre 70, e la scala è il motivo per cui un 316 è specificato per un sito costiero e un 304 no.

Due soglie valgono la pena di essere ricordate perché compaiono nelle specifiche di acquisto. Un PREN di almeno 32 è la cifra comunemente utilizzata per resistere alla vaiolatura in acqua di mare, e un PREN di 40 o superiore è la cifra comunemente utilizzata per servizi con idrogeno solforato e per servizi in acqua di mare dove il rischio è maggiore. Questi sono valori di screening e non garanzie, e il paragrafo successivo spiega perché.

La limitazione è dichiarata dall'associazione che pubblica il calcolo. PREN è utile per classificare i gradi all'interno di una famiglia e non può prevedere se un particolare grado sarà adatto a una particolare applicazione. Un 2205 e un 904L con PREN simili non si comportano in modo identico, perché uno è duplex e l'altro è austenitico, e il confronto è significativo solo tra gradi della stessa struttura. Temperatura, finitura superficiale, flusso e presenza di depositi spostano tutti la risposta, e nessuno di essi compare nella formula.

Il cromo forma il film solo finché rimane in soluzione. Il carbonio lo rimuove, e lo fa ai bordi del grano. Quando un acciaio inossidabile austenitico viene mantenuto in un intervallo di temperatura di circa 500-850 °C, il carbonio nella lega si combina con il cromo ai bordi per formare carburi di cromo, e il metallo immediatamente adiacente a ciascun carburo viene lasciato impoverito di cromo.

La zona impoverita è stretta ed è continua lungo il bordo, quindi la lega ha ora un percorso attraverso di essa che non è più inossidabile mentre la massa del grano lo è ancora. Un mezzo corrosivo attacca quel percorso, e il risultato è la corrosione intergranulare, che assomiglia a un giunto che ha perso i suoi bordi e non a una superficie che è arrugginita.

Le due risposte standard funzionano con meccanismi diversi. Il grado L riduce il carbonio disponibile, quindi si possono formare meno carburi. Un grado stabilizzato aggiunge titanio o niobio, che si combinano con il carbonio più prontamente del cromo, quindi il cromo rimane in soluzione. Entrambi sono corretti e non sono intercambiabili: un grado stabilizzato può essere utilizzato a una temperatura più alta di un grado L, e un grado L è solitamente più economico.

Un grado dovrebbe essere scelto in base al meccanismo che si prevede terminerà il pezzo. La tabella collega il meccanismo alla famiglia e al numero che lo predice.

DLX fornisce prodotti in acciaio inossidabile e leghe di nichel da Changzhou, Jiangsu, in filo da 0,025 mm, barra tonda fino a 50 mm, nastro da 0,50 mm a 2,5 mm di spessore, e tubi e lamiere nelle dimensioni standard del laminatoio. La gamma copre le famiglie austenitica, ferritica, duplex e indurente per precipitazione, insieme alle leghe di nichel utilizzate quando un grado inossidabile raggiunge il suo limite in cloruri o in acidi riducenti.

Il materiale viene fornito in base allo standard indicato sull'ordine, con un certificato EN 10204 3.1 su richiesta e il numero di lotto tracciabile ai risultati dei test. La domanda utile non è a quale famiglia appartiene un grado, ma quale meccanismo si prevede terminerà il pezzo e quale numero predice quel meccanismo.

Perché è il livello al quale il film di ossido di cromo diventa sufficientemente continuo da proteggere la superficie. Al di sotto, il film è incompleto e la lega arrugginisce come un acciaio a bassa lega. La soglia si applica al cromo in soluzione, quindi una lega il cui cromo è stato consumato dai carburi può comportarsi come se fosse al di sotto della linea anche quando il certificato dice il contrario.

Molibdeno. Il grado 316 lo aggiunge, e il molibdeno ha un peso di 3,3 nel numero di resistenza alla vaiolatura, che sposta il valore da circa 19 per il 304 a circa 27 per il 316. Questo è sufficiente per fare la differenza nei servizi con cloruri e non sufficiente per raggiungere la soglia dell'acqua di mare di 32, motivo per cui un'applicazione costiera spesso passa a 904L, a un grado duplex o a una lega di nichel.

Nello stato ricotto lo è, e nello stato lavorato a freddo potrebbe non esserlo. La lavorazione a freddo può formare martensite in un grado austenitico metastabile, quindi una parte profondamente imbutita o pesantemente laminata può mostrare una risposta magnetica che il certificato ricotto non prevede. Una specifica che richiede un comportamento non magnetico dovrebbe indicare la condizione in cui viene misurato.

È la perdita di cromo dai bordi del grano quando si formano carburi di cromo nell'intervallo di circa 500-850 °C. Una saldatura e la sua zona termicamente alterata attraversano quell'intervallo durante il raffreddamento, quindi il bordo diventa un percorso che non è più inossidabile mentre gli interni del grano lo sono ancora. Il risultato è la corrosione intergranulare, e le risposte standard sono un grado a basso contenuto di carbonio o un grado stabilizzato.

È uno strumento di screening e non un metodo di selezione. Classifica i gradi all'interno di una famiglia e non può prevedere se un particolare grado sarà adatto a una particolare applicazione. Un grado duplex e uno austenitico con valori simili non si comportano in modo identico, e temperatura, finitura superficiale, flusso e depositi spostano tutti la risposta senza comparire nella formula.

Basso contenuto di carbonio. Il limite di carbonio scende a circa 0,03%, il che riduce la quantità di carburo di cromo che può formarsi ai bordi del grano durante la saldatura. È la risposta standard per un pezzo fabbricato che non può essere ri-solubilizzato dopo la saldatura, e costa meno di un grado stabilizzato.

L'acciaio inossidabile è composto da cinque famiglie posizionate da due equivalenti calcolati, protette da una soglia e classificate in servizio con cloruri da un numero. Il cromo sopra circa il 10,5% in soluzione forma il film. Gli equivalenti di cromo e nichel decidono se la struttura è ferrite, austenite o una miscela. Il numero di resistenza alla vaiolatura, cromo più 3,3 volte molibdeno più 16 volte azoto, classifica i gradi all'interno di una famiglia e stabilisce le soglie di screening di 32 e 40.

La protezione può essere rimossa senza cambiare il certificato. Il carbonio sottrae cromo dai bordi del grano tra circa 500 e 850 °C, e una saldatura è il luogo usuale in cui ciò accade. Un grado a basso contenuto di carbonio o un grado stabilizzato lo prevengono, e la scelta tra i due dipende dalla temperatura di servizio e dal costo.

Diagramma di Schaeffler ed espressioni equivalenti, come pubblicato in testi di metallurgia della saldatura: equivalente di cromo = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb, ed equivalente di nichel = Ni + 30 C + 0,5 Mn.

British Stainless Steel Association, calcolo dei numeri equivalenti di resistenza alla vaiolatura. Fonte per l'espressione PREN = Cr + 3,3 Mo + 16 N, gli intervalli pubblicati per 304, 316, 316L, 904L, 2205 e 2507, e l'affermazione che PREN è utile per la classificazione e il confronto ma non può prevedere se un grado sarà adatto a una data applicazione.

Dati di confronto PREN pubblicati per acciai inossidabili e leghe di nichel, che forniscono valori singoli di 19 per 304, 27 per 316, 35 per 904L, 36 per 2205, 43 per 2507 e 254 SMO, 46 per AL-6XN, 51 per la lega 625 e 68 per Hastelloy C-276.

Guida tecnica pubblicata sulle soglie PREN, che afferma che un valore di almeno 32 viene utilizzato per proteggere dalla vaiolatura dell'acqua di mare e che 40 o superiore viene utilizzato per l'idrogeno solforato e per servizi in acqua di mare più severi.

Ricerca pubblicata sulla sensibilizzazione dell'acciaio inossidabile austenitico, che descrive la precipitazione dei carburi di cromo ai bordi del grano e la conseguente zona impoverita di cromo nell'intervallo di temperatura di circa 500-850 °C.

Testi di metallurgia della saldatura pubblicati che descrivono la sensibilizzazione nella zona termicamente alterata e l'uso di gradi a basso contenuto di carbonio e stabilizzati per prevenirla.

EN 10088 e ASTM A240, come standard di prodotto che definiscono i gradi inossidabili nominati e gli intervalli di composizione citati.

EN 10204, documenti di ispezione, per la definizione del certificato 3.1 come documento che riporta i risultati effettivi dei test e approvato dal rappresentante ispettivo indipendente del produttore.

Gli intervalli di composizione e i valori calcolati sopra sono cifre standard per i gradi nominati e non sono limiti di accettazione per un lotto consegnato. PREN è un indice di classificazione e non un tasso di corrosione, e due gradi con lo stesso valore in famiglie diverse non si comportano in modo identico. La sensibilizzazione dipende dal contenuto di carbonio, dal tempo nell'intervallo e dalla velocità di raffreddamento, quindi un grado che è resistente in una fabbricazione può essere attaccato in un'altra con la stessa analisi. I valori delle proprietà per un pezzo consegnato dipendono dalla sua condizione e dalla direzione del test, e un certificato descrive un lotto e non un componente. Le specifiche del prodotto vengono riviste e l'edizione indicata sull'ordine di acquisto è quella che governa. Nulla in questa pagina sostituisce un rilascio ingegneristico o i test di qualificazione concordati tra acquirente e fornitore.