La gestione dei metalli in saldatura
Prende il via con questo articolo, una nuova rubrica tecnica legata agli ampi aspetti che interessano la saldatura. Iniziamo con la METALLURGIA – GLI ACCIAI INOSSIDABILI. Come trattarli, come utilizzarli; caratteristiche e peculiarità dei diversi acciai e il loro impiego nelle diverse modalità di saldatura.
«A una saldatura sbagliata non si rimedia, non la si può distruggere; la si butta via e basta»
Aspetti chimici della saldatura per fusione
Durante il processo di saldatura il metallo cambia il suo stato fisico. Inizialmente è solido; quando inizia la saldatura, il metallo viene portato allo stato liquido. Parte del liquido viene trasformato in vapore.
Quando la saldatura termina, il metallo liquido si raffredda e solidifica nuovamente formando un giunto. Durante il processo di saldatura avvengono alcune reazioni chimiche.
Reazioni chimiche
Idrogeno, ossigeno e azoto possono reagire nel bagno di saldatura e causare cambiamenti nella struttura dei metalli, spesso rendendoli fragili.
Azoto e ossigeno derivano da contaminazione dell’aria, mentre l’idrogeno deriva dalla dissociazione termica o elettrica dell’acqua.
Questi elementi, formano composti fragili (nitruri, ossidi), stabilizzano particolari fasi e comunque induriscono. Formano le cosiddette porosità.
Introduzione agli acciai inossidabili
Gli acciai inossidabili sono delle leghe a base di ferro contenenti cromo e altri elementi quali principalmente nickel, molibdeno e manganese (e altri) che rendono il materiale particolarmente resistente ad alcuni tipi di corrosione.
La norma EN 10088 definisce acciai inossidabili quegli acciai legati che contengono almeno il 10.5% di cromo e al massimo l’1.2% di carbonio.
La stessa normativa suddivide ulteriormente questi acciai in conformità alla loro caratteristica principale in:
- acciai resistenti alla corrosione
- acciai resistenti al calore
- acciai resistenti allo scorrimento
Nel settore degli acciai inossidabili, la classificazione AISI (American Iron and Steel Institute) / SAE (Society of American Engineers) è certamente la più conosciuta, ma sono comunque utilizzate la designazione europea EN (designazione numerica e alfanumerica) e la classificazione nordamericana UNS (Unified Numbering System).
La passivazione
L’acciaio ha la capacità di passivarsi, cioè di subire un processo spontaneo in natura, ma che può essere accelerato e perfezionato, in seguito al decapaggio, per permettere la formazione di uno strato protettivo (sottile ma compatto) anticorrosivo e privo di contaminazioni tramite l’ausilio di appositi composti chimici. Se si immerge l’acciaio in acqua ossigenata, elimino la pellicola di ossido, creando una passivazione artificiale che consente una maggior resistenza alla corrosione.
In questo modo si forma una pellicola che lo protegge affinché non si cooroda più. La resistenza alla corrosione deriva dalla capacità di questi acciai di passivarsi in condizioni ossidanti, coprendosi di una sottile e tenace pellicola superficiale di ossigeno assorbito, costituita prevalentemente da ossidi e idrossidi di cromo di tipo Cr2O3 e Cr(OH)3 che protegge il materiale sottostante dall’ulteriore ossidazione.
Tale pellicola è insolubile, compatta e ben aderente al substrato e risulta protettiva per il materiale su cui si forma.
Il tenore di cromo pari a 10.5% è quello minimo che garantisce la caratteristica di inossidabilità dell’acciaio.
Tuttavia, all’atto pratico, è necessario un tenore di almeno il 12% di cromo per avere una discreta resistenza alla corrosione in soluzioni acquose.
Il film di ossido, se scalfito, si riforma in presenza di ossigeno, ripristinando le condizioni di resistenza alla corrosione dell’acciaio.
Il film passivo può essere più o meno resistente e più o meno ancorato al materiale a seconda della concentrazione di cromo presente nella lega e a seconda dell’eventuale presenza di altri elementi (es. molibdeno).
Inoltre, questi materiali hanno svariate prestazioni meccaniche, per ciò che concerne le proprietà tensili, la durezza superficiale e la tenacità alle basse temperature. Si possono ottenere delle finiture superficiali eccellenti ed inalterabili.
Gli acciai non diventano duri, hanno una buona resistenza alla corrosione anche atmosferica, migliore se sono sotto tensione meccanica o sotto carico. Non sono difficili da saldare. L’acciaio tende a indebolire vicino al cordone di saldatura e quindi si può rompere. Hanno una bassa resilienza e non si possono usare a freddo. Resistono a corrosione e ossidazione.
Suddivisione degli acciai inossidabili
Gli acciai inossidabili vengono suddivisi in diverse famiglie secondo la propria microstruttura:
- martensitici
- ferritici
- austenitici
- austeno-ferritici (duplex o bifasici) − induribili per precipitazione (PH)
Gli acciai austenitici hanno una microstruttura detta austenite ovvero cubica a facce centrate (CFC), in quanto gli atomi sono disposti sui vertici e sulle facce di un reticolo cubico. Essi contengono di solito nichel e cromo, sono molto duttili e non possono essere induriti con trattamenti termici.
Gli acciai ferritici hanno una microstruttura cubica a corpo centrato (CCC) con atomi disposti sui vertici e al centro di un reticolo cubico. Essi hanno in genere basso tenore di nichel e, a loro volta, non possono essere induriti con trattamenti termici.
Gli acciai martensitici sono quelli che possono essere induriti mediante opportuni trattamenti termici e hanno struttura martensitica, ovvero una struttura tetragonale a corpo centrato (TCC) che si ottiene mediante una trasformazione senza diffusione
Gli acciai duplex contengono proporzioni pressoché simili di ferrite e austenite e presentano proprietà intermedie rispetto agli acciai ferritici e quelli austenitici.
Gli acciai induribili per precipitazione (Precipitation Hardening), aumentano le loro caratteristiche di resistenza meccanica mediante trattamenti termici di invecchiamento.
