Acciai speciali

 

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Acciai speciali

 

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ACCIAI SPECIALI

 

Contengono, oltre al ferro e al carbonio, altri elementi (cromo, manganese, molibdeno, nichel, rame, silicio, tungsteno, piombo ...) in percentuale tale da:

• Produrre modifiche strutturali
• Originare nuove strutture

 

Risultano modificate le caratteristiche e le proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche.

Pur non essendo possibile definire in maniera esauriente gli acciai speciali, una classificazione di essi può essere la seguente:

• acciai da costruzione
• acciai per utensili
• acciai per applicazioni particolari

 

Effetti prodotti dagli elementi speciali

Oltre alla variazione delle caratteristiche e delle proprietà, gli elementi aggiunti determinano:

• Spostamento dei punti critici
• Ritardo dell’inizio della trasformazione (curve TRC spostate verso destra con modifica della velocità critica di tempra)
• Aumento della durata della trasformazione
• Presenza, a freddo, di strutture che nella semplice lega Fe-C potevano essere ottenute soltanto mediante un trattamento termico.

 

Con riferimento al diagramma Fe-C, gli elementi aggiunti spostano il punto eutettoide (normalmente corrispondente a C = 0,87 %) verso percentuali inferiori di carbonio, restringendo così il campo degli acciai ipoeutettoidi ed allargando il campo degli acciai ipereutettoidi.

 

ELEMENTI AGGIUNTI NEGLI ACCIAI E LORO INFLUENZA

• Il Nichel

 

Il nichel migliora le proprietà meccaniche e tecnologiche in misura maggiore rispetto a quella di tutti gli altri elementi normalmente aggiunti. In particolare:
— aumenta la resilienza
— aumenta l'allungamento percentuale e la duttilità
— aumenta il carico di rottura a trazione e la durezza

• facilita il trattamento termico di tempra.

La presenza del nichel negli acciai è invece negativa per quanto riguarda:
— la lavorabilità alle macchine utensili
— la conducibilità termica.

Tra le leghe aventi una percentuale elevata di nichel si ricordano i due seguenti per le loro particolari caratteristiche: Invar e Platinite

 

• Il Cromo

 

La presenza del cromo negli acciai produce i seguenti effetti:
— aumenta la resistenza alla corrosione e all'ossidazione a caldo (quando é presente con una percentuale > 11,5 %)
— facilita il trattamento termico di tempra
— aumenta la durezza, la resilienza, il carico di rottura
— aumenta la resistenza all'usura
— diminuisce la conducibilità termica
— diminuisce la lavorabilità.

 

• Il Tungsteno

 

Il tungsteno è usato soprattutto per la fabbricazione di acciai per utensili in percentuale da 10 a 25 % (acciai rapidi e superrapidi) dato che esso conferisce elevata durezza che viene mantenuta anche a caldo.
Il tungsteno conferisce agli acciai i seguenti effetti:
— elevata durezza (che viene mantenuta anche a caldo)
— grande resistenza all'usura (sia a bassa che ad alta temperatura)
— aumento del carico di rottura a trazione (sino a 10 % di tungsteno)
— diminuzione della resilienza

• diminuzione dell'allungamento percentuale a rottura.

ACCIAI DA COSTRUZIONE

 

Gli acciai “da costruzione” sono quegli acciai utilizzabili per la costruzione di macchinari, manovellismi, alberi, ingranaggi ...

Una classificazione degli acciai da costruzione può essere la seguente:

• acciai tipizzati

a) da cementazione
b) da bonifica

• acciai per tempra superficiale
• acciai da nitrurazione
• acciai per molle
• acciai per l’industria petrolifera
• acciai per cuscinetti
• acciai per bulloneria

ACCIAI TIPIZZATI

Allo scopo di ridurre i costi e di ottenere maggior costanza nel livello di qualità, sono state prese delle iniziative intese a concentrare su alcuni tipi di acciai speciali da cementazione e da bonifica il maggior interesse dei consumi.
Le indagini di mercato hanno portato alla conclusione che la maggior parte dei problemi che si pongono agli utilizzatori si possono risolvere con solo 5 acciai, dei quali 3 dono da cementazione al cromo-nichel e al cromo-nichel-molibdeno e 2 da bonifica al nichel-cromo-molibdeno.

In particolare:

• 15 Cr Ni 4                    acciaio da cementazione UNI 5331
• 20 Cr Ni 4                    acciaio da cementazione UNI 5331
• 18 Ni Cr Mo 5              acciaio da cementazione UNI 5331
• 39 Ni Cr Mo 4              acciaio da bonifica UNI 5332
• 40 Ni Cr Mo 7              acciaio da bonifica UNI 5332

 

- Acciai da cementazione

Gli acciai da cementazione hanno basso contenuto di carbonio (C ≤ 0,20 %) e possono contenere nichel, cromo e molibdeno.

Acciai da cementazioni sono per esempio: C 10 – C 15 – 20 Cr Ni 4 – 12 Ni Cr 3 – 18 Ni Cr Mo 7  UNI 7846

 

Impieghi: ingranaggi di qualsiasi tipo, assi, alberi di distribuzione e di trasmissione, mozzi, perni, boccole, spinotti, coni, chiocciole ...

 

- Acciai da bonifica

Gli acciai da bonifica hanno medio tenore di carbonio (C = 0,3 ÷ 0,6 %) e possono contenere cromo, nichel e manganese.

Acciai da bonifica sono per esempio: C 40 – C 60 – 35 Cr Mo 4 – 40 Ni Cr Mo 7  UNI 7845.

Impieghi: alberi di qualsiasi tipo, semiassi, aste, bielle, leve, organi di collegamento ...

Gli acciai da bonifica sono richiesti per pezzi di grandi dimensioni per i quali non é possibile fare la cementazione che provocherebbe deformazioni.

La bonifica costa meno della cementazione.

 

ACCIAI DA NITRURAZIONE

Gli acciai da nitrurazione hanno medio tenore di carbonio (C = 0,3 ÷ 0,6 %) e possono contenere cromo, alluminio, vanadio, molibdeno ...

Acciaio da nitrurazione é per esempio: 41 Cr Al Mo 7 UNI 8077 o 8552.

Sono impiegati per indurire superficialmente pezzi di forma molto complicata come alberi a gomito e quando si voglia ottenere una buona resistenza al nucleo con una durezza molto elevata.

 

ACCIAI PER MOLLE

Sono acciai che hanno un elevato limite di elasticità e possono essere sia acciai semplici (al solo carbonio) che acciai legati.

Sono soprattutto acciai al silicio aventi:

C = ≤ 1 % (mediamente C = 0,5 %)
Si ≤ 2 %
Mn ≈ 0,7 %

Questi acciai vengono temprati in olio e poi rinvenuti a 450 ÷ 500 °C.
Dopo il trattamento presentano elevata resistenza a trazione ed alto limite elastico.

ACCIAI PER CUSCINETTI

Gli acciai per cuscinetti contengono circa l’1 % di carbonio, che conferisce durezza dopo trattamento termico.

Hanno come elementi in lega cromo, molibdeno e nichel.

Acciai per cuscinetti sono per esempio: 100 Cr 6 – 100 Cr Mn 4 – X 110 Cr Ni 17

Glia acciai per cuscinetti, dopo tempra in olio, risultano con minime deformazioni e possiedono elevate caratteristiche di durezza, resistenza all’usura e alla compressione.

Impieghi: sfere, anelli e rulli per cuscinetti da rotolamento, fusi per macchine tessili.

 

ACCIAI PER UTENSILI

Le principali proprietà che deve possedere un materiale per utensile sono: durezza, resistenza all’usura ed all’abrasione, mancanza di fragilità, resistenza agli shock termici, temprabilità, attitudine al taglio.

 

Acciai rapidi

Gli acciai rapidi, detti così perché permettono elevate velocità di taglio nelle lavorazioni alle macchine utensili per asportazione di truciolo, sono acciai legati ad alto contenuto di elementi (tungsteno, cromo, vanadio e molibdeno), che determinano la formazione di carburi, con elevate caratteristiche di durezza e resistenza all’usura, anche quando la temperatura raggiunge i 600 ÷ 650 °C.

 

Acciai super rapidi

Sono anch’essi acciai fortemente legati ma, rispetto a quelli rapidi, hanno una maggior percentuale di tungsteno ed il cobalto:

W = 17 ÷ 23 %
Co = 4 ÷ 10 %

 

Acciai per lavorazioni a caldo

Sono acciai utilizzati per la costruzione di stampi, matrici e punzoni.

 

Esempi: 40 W Cr 20 KU - 52 Ni Cr Mo 6 KU - X 28 W 9 KU – X 35 Cr Mo 5 KU

 

Acciai per lavorazioni a freddo

Sono acciai duri e resistenti all’usura, utilizzati per la costruzione di scalpelli, lame (o coltelli) di tranciatrici, matrici e punzoni, trafile, conii per monete, lame per seghe ...

Questi acciai hanno alto contenuto di carbonio (C > 0,5 % fino al 2,3 %) e sono legati con tungsteno e cromo.

Fra i tipi unificati ricordiamo: 52 W Cr 20 KU – 100 Cr Mn 4 KU – 85 Mn V 8 KU – X 150 Cr Mo 12 KU – X 200 Cr 13 KU

 

ACCIAI PER USI PARTICOLARI

 

Comprendono un grandissimo numero di acciai, che vengono ulteriormente suddivisi in varie categorie a seconda delle applicazioni.

 

Acciai strutturali

Sono accia da carpenteria, che vengono usati sotto forma di lamiere, profilati, tubi per costruzioni saldate o chiodate.

Acciai strutturali sono: Fe 330 - Fe 340 – Fe 420 – Fe 520

 

Acciai automatici

Sono acciai al piombo o allo zolfo.

Il piombo conferisce agli acciai la proprietà tecnologica della “truciolabilità”.

Gli acciai al piombo sono detti automatici perché vengono molto impiegati nelle grandi produzioni (in serie) di piccoli oggetti ricavati dalla barra con torni automatici (a torretta).

 

Acciai ad alta resistenza

Sono acciai caratterizzati da un’alta resistenza a trazione e buona tenacità (anche alle alte e alle basse temperature), nonché da elevata resistenza alla corrosione.

Tra questi ricordiamo gli acciai Maraging.

 

Acciai per alte temperature

Sono acciai legati, che conservano buone proprietà meccaniche anche alle alte temperature.

I materiali metallici, quando operano ad elevata temperatura, peggiorano le loro proprietà meccaniche a causa dello scorrimento viscoso a caldo, fenomeno che determina la deformazione plastica del materiale stesso quando esso é sottoposto ad un carico costante. Normalmente il fenomeno si manifesta negli acciai per una temperatura superiore ai 350 °C.

Un elemento che in lega nell’acciaio innalza la resistenza allo scorrimento a caldo é il molibdeno. Il cromo é presente per aumentare la resistenza alla corrosione.

 

Acciai per basse temperature (acciai criogenici)

Sono acciai resistenti alle basse temperature (fino a – 253 °C).

Tutti gli acciai, sia quelli al carbonio che quelli debolmente legati, subiscono una diminuzione di resilienza al diminuire della temperatura alla quale operano. Alle basse temperature, infatti, la frattura per urto da tenace diviene fragile.

Il nichel é l’elemento che maggiormente contrasta la diminuzione della resilienza al diminuire della temperatura. Il carbonio deve avere bassa percentuale, così pure il piombo.

 

Acciai maraging

 

Gli acciai maraging, fabbricati in USA negli anni ’60, sono acciai speciali al nichel.

Il termine “maraging” deriva dalle parole inglesi “martensite aging” che indicano l’aumento di durezza della martensite mediante rinvenimento (o invecchiamento).

Gli acciai maraging sono acciai fortemente legati, ad alto contenuto di nichel ed a basso tenore di carbonio, capaci di assumere elevatissima tenacità mediante appropriati trattamenti termici.

Gli acciai maraging non sono soggetti alla rottura fragile e sono poco sensibili agli intagli e alle fessurazioni. Conservano buona tenacità anche alle temperature sotto zero e presentano una rottura duttile anche quando nel pezzo esistono fessurazioni od intagli.

Sono impiegati dove si richiedono caratteristiche meccaniche e pesi leggeri (per esempio nell’industria aerospaziale).

Composizione chimica

Vediamo quali sono i principali elementi presenti negli acciai maraging e la loro influenza.

• Il carbonio é presente in percentuale molto limitata (0,03 % massimo)
• Il nichel, che é l’elemento più importante, ha un tenore di circa il 18 %. Esso consente, mediante il raffreddamento in aria, di trasformare l’austenite, che si é formata col riscaldamento a 750 ÷ 900 °C, in una particolare martensite costituita da una soluzione solida di nichel disciolto nel ferro α, molto duttile perché la percentuale di nichel é elevata e quella di carbonio é bassissima.
• Il cromo, presente con un tenore di 8 ÷ 15 %, conferisce resistenza all’ossidazione e durezza dopo il rinvenimento a causa della precipitazione del composto ai bordi dei grani.
• Il titanio (0,2 ÷ 0,8 %), il molibdeno (3 ÷ 5 %) e il cobalto (8 ÷ 9 %), aumentano la durezza dopo il trattamento di rinvenimento, a causa della precipitazione dei composti intermetalli ai bordi dei grani.
• L’alluminio (0,1 %), oltre che indurire la martensite rinvenuta, disossida l’acciaio quando é ancora allo stato liquido.
• Zolfo, manganese e silicio, per non peggiorare le proprietà dell’acciaio (fragilità) devono essere presenti in quantità limitatissima.

 

Caratteristiche	Valori acciaio 200
Durezza Rockwell	44 ÷ 48 HRC
Resistenza a trazione	1350 ÷ 1600 N/mm2
Carico di snervamento	1300 ÷ 1500 N/mm2
Allungamento	6 ÷ 12 %
Strizione	35 ÷ 67 %
Modulo di elasticità normale	184000 N/mm2
Limite di fatica a flessione rotante dopo 108 cicli su provetta liscia	600 ÷ 750 N/mm2
Resilienza Charpy KV	45 ÷ 85 J/cm2
Temperatura di duttilità nulla	Sotto – 184 °C
Resistenza a caldo	350 °C

(The International Nickel Co. Inc.)

 

Fonte: http://www.itisconegliano.it/studenti/Acciai%20speciali_Filippi.doc

 

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

 

Materiali metallici

 

Metalli
Pochi sono i metalli che interessano l'industria farmaceutica: tra essi si può citare la serie degli acciai inossidabili, di esclusivo impiego nell'impian­tistica, l'alluminio e lo stagno che riguardano prevalentemente il confezionamento dei prodotti.
Per la costruzione di impianti occorre fare una netta distinzione tra metalli utilizzati per la costruzione di parti meccaniche non a contatto con i prodotti e metalli per parti meccaniche che invece vengono con questi a diretto contatto.
Nel primo gruppo possono rientrare tutti i metalli e le loro leghe in rela­zione alle esigenze tecnologiche e costruttive, ma tale gruppo non sarà preso in esame nel presente testo perché di esclusiva competenza del costruttore. Tra quelli appartenenti al secondo gruppo verranno esaminati soltanto gli acciai inossidabili, rimandando ai testi specializzati per l'uso di leghe specia­li, nel caso fossero richieste per produzioni del tutto particolari.

 

 Gli acciai inossidabili
La caratteristica fondamentale dell'acciaio inossidabile è dovuta al fatto che il cromo, sempre presente in misura superiore al 1 20/o degli elementi in lega, si ossida a contatto dell'atmosfera. Esso forma così una pellicola sotti­lissima ma tenace che, se intaccata, si ricompone in ambiente ossidante e preserva la struttura del metallo da ulteriore ossidazione.
Dato che gli acciai resistenti alla corrosione sono numerosi (in Italia se ne producono circa 60 tipi diversi), è più corretto parlare di acciai inossida­bili che possono essere raggruppati in:
1)    Acciai inossidabili a struttura martensitica.
2)    Acciai inossidabili a struttura ferritica.
3)    Acciai inossidabili a struttura austenitica.
I primi due gruppi sono compresi nella serie denominata AISI 400, mentre gli acciai inossidabili austenitici fanno parte della serie AISI 300, se­condo la classificazione dell'American Iron and Steel Institute.
Gli acciai inossidabili martensitici. Contengono cromo in quantità non inferiore all 20/o, sono magnetici.
Gli acciai inossidabili ferritici. Contengono cromo in misura non inferiore all 40/o, non sono induribili per trattamento termico, sono magnetici.
Gli acciai inossidabili austenìtìci Contengono, quali elementi principali, cromo in quan­tità non inferiore all 70/o e nichel. Non sono induribili mediante trattamento termico ed al loro stato naturale non risultano magnetici.

Di questi ultimi i tipi più in uso nell'industria farmaceutica, la cui com­posizione chimica è riportata nella Tabella sono:
1) AISI 304 - che viene usato per contenitori, dissolutori, agitatori e quan­to altro può venire a contatto con soluzioni orali o prodotti per uso to­pico.
2) AISI 316 - che viene usato oltre che per gli impianti sopraddetti anche per attrezzature per prodotti iniettabili o prodotti delicatissimi.

   - Composizione chimica di acciai austenitici del tipo AISI 304 e AISI 316.
               Costituente                  AISI 304                   AISI 316

Cromo                          18-20                        16-18
Nichel                          8-12                          1-l4
Molibdeno                                                    2-3
Carbonio                      0,08 max                  0,08 max

 

- Resistenza alla corrosione
In relazione alla loro composizione chimica (vedi Tab) gli acciai re­sistono più o meno all'azione corrosiva delle sostanze con cui vengono a contatto. Naturalmente i fenomeni sono, nella pratica, più complessi, tuttavia i dati riportati forniscono un'idea orientativa della differenza di compor­tamento dei due tipi di acciaio in esame rispetto a differenti agenti corro­sivi.

- Finiture
Molta importanza per l'uso dell'acciaio nell'industria farmaceutica assu­me il grado di finitura delle superfici e delle eventuali saldature; è buona norma ad esempio che tutte le parti a contatto con i prodotti liquidi siano "lucidate a specchio" per consentire la realizzazione di impianti razionali e sicuri per quanto concerne cessioni, pulizia e sterilizzazione.
E' indispensabile chiarire bene che la finitura di un manufatto di acciaio inossidabile non è dovuta, come per la gran parte degli altri materiali, ad una ricopertura superficiale per deposizione di vernici, pitture od altri me­talli, come nella cromatura e nella nichelatura, ma è il risultato di un parti­colare trattamento senza apporto di altri materiali, sia nel caso delle finiture ottenute per laminazione che per abrasione.
Essendo la finitura una caratteristica tipica anche del semilavorato, è ne­cessario salvaguardarla il più possibile durante le fasi di lavorazione ed inol­tre sceglierla oculatamente, in funzione di quella che si vuole ottenere sul manufatto finale e dei cicli di lavorazione previsti. E' infatti poco saggio ed economico scegliere una finitura molto costosa se c'è il pericolo di danneg­giarla durante la lavorazione o di rovinarla con un cattivo immagazzinamento­
Le finiture superficiali delle lamiere di acciaio inossidabile sono in gene­rale indicate secondo la classificazione della American Iron and Steel Insti­tute (AISI) che individua alcuni tipi fondamentali con sigle numeriche.
Esse si dividono in finiture per laminazione e per abrasione: le prime so­no indicate con i numeri 1 e 2 a seconda che siano ottenute per laminazione a caldo o a freddo, le seconde sono ottenute per smerigliatura delle superfi­ci previamente laminate con abrasivo a grana differente, a cui può seguire la spazzolatura con polvere di pomice.
Le finiture per abrasione sono classificate dall'AISI con i numeri da 3 a 8 a seconda del grado di finitura ottenuto e di conseguenza dell'intensità di riflessione delle superfici.

Nelle operazioni di finitura per abrasione, occorre tener presente alcuni accorgimen­ti collegati a caratteristiche tipiche degli acciai inossidabili
La conducibilità termica in essi, per esempio, è inferiore rispetto a quella degli ac­ciai al carbonio e pertanto la superficie di lavoro deve essere raffreddata allo scopo di evitare innalzamenti localizzati di temperatura con conseguenti alterazioni di colore. Da­to inoltre che il coefficiente di dilatazione di questi materiali, soprattutto gli austenitici, è maggiore rispetto ai normali acciai al carbonio, accade che si verifichino, specialmente nei manufatti di sottile spessore (inferiori a 0,8 mm), ondulazioni e distorsioni susse­guenti agli innalzamenti localizzati di temperatura sopraindicati.
Sarà inoltre necessario, come norma generale, non contaminare la superficie dell'ac­ciaio inossidabile usando utensili che siano stati impiegati per lavorare acciaio comune o altri. Le tracce di essi, infatti, verrebbero riportate sulla superficie "incollandovisi" e la danneggerebbero irrimediabilmente, arrugginendosi anche al semplice contatto atmosferico.

 

Caratteristiche dei diversi tipi di acciai ( http://www.bama-technologies.com/)

 

Acciai FERRITICI

Gli acciai ferritici sono quelli aventi indicativamente un tenore di cromo compreso tra 16-30% e tenori di carbonio molto bassi, solitamente al di sotto dello 0,1%, che possono crescere allo 0,35% solo quando il cromo sia al limite superiore.
Secondo la classificazione AISI gli acciai ferritici (compresi i martensitici al solo cromo) sono designati da un numero di tre cifre (esempio 4xx), la prima è il 4 seguita sa una coppia di cifre che non ha nessun riferimento alla analisi del materiale, ma semplicemente serve a distinguere un tipo da un altro.
L' AISI 430 è senza dubbio il tipo di acciai ferritico più diffuso e di maggiore impiego. E' facilmente lavorabile a freddo e presenta un incrudimento inferiore a quello degli acciai austenitici. Possiede buone caratteristiche di resistenza alla corrosione (inferiore a quelle degli acciai austenitici) sia a temperatura ambiente, sia a temperature più elevate e resiste a caldo ai gas solforosi secchi.
E' molto impiegato nell'industria automobilistica, in quella degli elettrodomestici, nell'industria chimica.

 

Acciai AUSTENITICI
Gli acciai austenitici al Cromo-Nichel contengono quantità di carbonio comprese tra valori inferiori a 0,03% e valori dell'ordine di 0,25%; cromo di quantità comprese tra 17% e il 26% e nichel tra il 7% e il 22%; gli altri elementi aggiuntivi permettono di ottenere determinate caratteristiche. Nella classificazione Aisi sono indicati come "serie 300".
Negli acciai del tipo 304, maggiore è la quantità di nichel minore è l'incudimento che questi acciai subiscono durante la lavorazione plastica. Posseggono caratteristiche meccaniche non elevate a temperatura ambiente e ottime a temperature anche molto basse.
Gli acciai del tipo 316, si distinguono dai precedenti per la presenza di molibdeno che permette loro di dimostrarsi particolarmente resistenti alla corrosione vaiolante (pitting corrosion) e più resistenti degli acciai del tipo 304 nei confronti della corrosione sotto tensione. Le caratteristiche meccaniche sono analoghe a quelle degli acciai già ricordati, ma risultano migliori nel caso di temperature mediamente elevate.
Esistono anche acciai, detti stabilizzati, che derivano dai due gruppi citati i quali, con opportune aggiunte di elementi stabilizzanti come il titanio o il niobio, sono particolarmente resistenti alla corrosione intercristallina. Gli acciai stabilizzati (AISI 321) sono particolarmente indicati per la realizzazione di strutture saldate poste in esercizio in ambienti dove esiste il pericolo di tale tipo di corrosione.
Per l'impiego che necessita elevate caratteristiche meccaniche e di resistenza alla carrosione alle alte temperature, vengono utilizzati acciai resistenti al calore detti refrattari, i quali hanno alti tenori di cromo e di nichel presenti in lega, unitamente ad una più alta percentuale di carbonio.

 

Acciai Martensitici

Gli acciai martensitici sono essenzialmente degli acciai al solo cromo (11-18%) contenenti piccole quantità di altri elementi in lega quali, il nichel ad esempio, in quantità non mai superiori al 2,5%. I tenori di carbonio possono variare da un minimo di 0,08% ad un massimo di 1,20%.

Gli acciai del tipo 420 (con medi contenuti di carbonio), hanno la possibilità di pervenire, dopo adeguato trattamento termico, a valori di durezza abbastanza elevati, utitamente a buone caratteristiche di tenacità. Alcuni esempi d'impiego sono il settore delle lame dei coltelli, degli ingranaggi, degli strumenti chirurgici, delle chiavi fisse per dadi di bullini e attrezzi manuali come cacciavite, alberi per pompe e per valvole e in genere per quelle applicazioni che prevedono condizioni più severe d'esercizio per le quali i tipi precedentemente indicati non sarebbero in grado di resistere convenientemente.

 

Caratteristiche in particolare dell’Aisi 316 http://www.dline.com/PAGE0502.HTM

Performance Characteristics: Today's environment exerts immense pressures on product material requirements. Products must withstand a diversification of atmospheric conditions, such as, high pollution, marine locations, high humidity climates. Additionally, one must protect the product against cleaning agents/solutions and ideally the product should offer hypo-allergenic properties.
Stainless steel is " a general description for a group of steel products that consist of a minimum of 12% chrome in conjunction with varying quantities of nickel, molybdenum, titanium and carbon " Stainless steel is renowned for the following two properties; resistance to corrosion and low maintenance requirements. Stainless steel corrosion resistance is attributable to the presence of a thin, durable film of passive, but stable, chromium oxide. Being inert, invisible, extremely adherent and self-repairing, this film provides an unrivalled protection for the steel; should the film be damaged or removed it will reform independently, provided that oxygen is present to allow the reaction to occur with the chromium content of the steel. Thus the necessity to ensure regular cleaning maintenance. There are several types of stainless steel, all of which are corrosion resistant to differing degrees. The most common and important type within the stainless steel family is known as austenitic and contains nominally 18% chromium and 8% nickel, 18/8, resulting in improved corrosion resistance. The advantages of this particular type are twofold: temperatures of -160 deg. C up to melting point of the steel (approximately 1450 deg. C) can be withstood and offering the best protection corrosion-wise. Within the austenite group two particular grades are of particular interest, known as AISI: - 304, possesses the property of corrosion resistance in natural atmospheric environments, however, only non-acid based cleaning solutions can be used. - 316 (an addition of an extra 2 - 3% molybdenum and nickel), has enhanced corrosion resistance suitable for more aggressive atmospheric environments,of low maintenance and suitable for all cleaning solutions including acid based (except hydrochloric acid), as long as thoroughly rinsed with clean water afterwards. Aggressive environmental conditions can cause the following effects on stainless steel; rusting, pitting, unsightly staining and, in some cases, permanent damage. However, the degree of damage has been proven to be reduced by using higher grade stainless steels.
AISI 316 offers better resistance against rust formation than AISI 304. This result complies with previous tests carried out at the Force Institute using these stainless steel grades involving rust formation levels. Pitting Corrosion Test Long term testing has been carried out in both the USA and U.K. comparing types 304 and 316 stainless steel . Four environments were selected; rural, semi-industrial, heavy industrial and marine. The conclusions from these tests were that: - the greatest degree of pitting corrosion occurred in heavy industrial atmospheres, with a high concentration of pollution, and marine environments - the rate and degree of corrosion of 316 stainless steel was substantially less than that of 304 - most corrosion occurs during the first years of exposure - regular maintenance of stainless steel decreases the rate of corrosion Thus, one can conclude that there is a definite benefit, with regard to pitting of stainless steel, by using type 316 stainless steel. Allergy Test Karolinska Hospital, Sweden, undertook a Nickel test, Fischers Nickel Test, the results of which indicate that stainless steel is an anti-allergenic material d line Stainless steel products As a result of the independent tests d line™ international as has made it policy to use AISI 316 stainless steel, or the corresponding stainless steel grade, in the manufacture of all d line products, allowing for stock rotation. Naturally, this policy has entailed considerable cost within the manufacturing phase, however, d line™ international as has absorbed this through rationalisation. The use of AISI 316 stainless steel in the manufacture of d line products ensures that the quality finish of products is maintained, despite minimum maintenance occurring, in aggressive environments, such as heavy industrial, large city, coastal and offshore situations. Additionally, certain aggressive internal environments may demand AISI 316 properties; such as swimming pool areas, buildings where high levels of hygiene are required, for example, hospitals, laboratories and kitchens. There is no question that d line's pursuit of quality, technology and continual innovation play a major role in the company's strategy. d line™ international as is a DS/EN ISO 9001; 1994 certified company. For further information regarding stainless steel, please contact d line™ international as or your local d line Distributor for the d line Stainless Steel Technical Details information sheet.

 

Ed ancora:

 

Acciai inossidabili austenitici

TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
COME - QUANDO – PERCHE’

Resistenza alla corrosione, passività nei confronti dei prodotti trattati e agevole pulizia. Questi gli elementi chiave da considerare fín dalle fasi di preventivazione e progettazione di apparecchiatura industriali.

di RUGGERO RIGATTI (http://www.delmet.it/trattamenti.html)


La scelta di un acciaio inossidabile austenitico è fatta solitamente per assicurare ad una costruzione un buon comportamento alla corrosione, una passività verso ciò che deve contenere ed un'agevole pulizia.
Proprietà espresse così semplicemente sottintendono - talvolta altre come: sterilità, assenza di reazioni di cessione, assenza di reazioni di parete, uniformità di parete, uniformità di comportamento nel tempo, ecc.
Queste prestazioni sono in genere ottenibili a patto di rispettare semplici regole, quali:
- scelta appropriata dei materiale;
- progettazione adeguata della costruzione;
- realizzazione corretta della costruzione;
- trattamento delle superfici corretto e finalizzato ai risultati da ottenere;
- - controllo finale della costruzione e dei trattamenti.
L'esperienza va mostrando sempre più che il costo globale della costruzione è il minore possibile solo se si tiene conto di tutti i fattori fin dall'inizio, ciò significa anche che è opportuno stabilire già in fase di preventivazione e progettazione come effettuare i trattamenti superficiali che assicurano le proprietà finali richieste daIl' utente.
Con questo articolo ci proponiamo di fornire agli interessati un quadro chiaro di ciò che si intende per trattamenti superficiali e quali implicazioni questi trattamenti possano avere sui risultati che si voglio no ottenere.

CONSIDERAZIONI METALLURGICHE
La struttura degli acciai inossidabili austenitici è alla base del loro impiego. Anche minime variazioni microstrutturali hanno una considerevole influenza sul comportamento alla corrosione nei più diversi ambienti.
Pertanto queste variazioni strutturali possono avere una enorme importanza non solo in relazione all'applicazione finale, ma anche in relazione ai trattamenti superficiali a cui il manufatto dovrà essere sottoposto (si potrebbero infatti verificare fenomeni di corrosione anche durante questi trattamenti superficiali).
E' opportuno quindi tenerne conto e, come affermano le buone regole, si deve conoscere per evitare.
I fenomeni strutturali da evitare sono:
- ingrossamento del grano
(permanenza eccessiva a temperatura elevata, dovuta non solamente a saldatura o trattamenti termici, ma anche a deformazioni o lavorazioni meccaniche).
- precipitazione di carburi
(temperatura, tempo di permanenza e contenuto di carbonio sono i tre fattori che influenzano il fenomeno; si può intervenire anche scegliendo materiali a bassissimo tenore di carbonio o stabilizzati oppure effettuando un trattamento termico di solubilizzazione).
- formazione. di fase sigma
(composizione, temperatura e tempo di permanenza sono i tre fattori che possono influenzare il fenomeno, che per altro è meno rilevante dei primi due negli acciai austenitici).
Prestare un'adeguata attenzione a questi problemi, consentirà poi di evitarne altri, con i relativi costi, in sede di trattamento superficiale del manufatto, per non parlare di quelli che potrebbero intervenire nell'impiego finale.

FENOMENI DI CORROSIONE
Gli acciai inossidabili austenitici hanno la caratteristica di presentare superficialmente uno strato di ossido di cromo (formatosi all'aria o prodotto. artificialmente) molto sottile ed invisibile che protegge il materiale dagli attacchi dell'ambiente; questa resistenza dipende dalla percentuale di cromo e di nichel, nonché dalla presenza di alcuni altri alliganti come ad esempio il molibdeno. La resistenza alla corrosione è invece diminuita dal manganese, che talvolta sostituisce il nichel; effetto negativo ha pure il carbonio al di sopra di certi valori (0,05%. ) in caso di trattamenti termici, saldature o sollecitazioni elevate (in questi casi si trova talvolta impiegato il titanio o il niobio come stabilizzante).
Quando è impedita la formazione di questo strato di ossido di cromo o quando questo viene continuamente distrutto, gli acciai inossidabili austenitici si corrodono.
I tipi di corrosione riscontrabili sono:

1. corrosione uniforme;
   - corrosione galvanica;
   - corrosione interstiziale;
   - corrosione puntiforme (vaiolatura o pitting);
   - corrosione sotto sforzo (stress corrosíon);
   - corrosione intercristallina;
   - ossidazione da eterogeneità;
   - corrosione per fatica, ecc.

 

1. Per poter utilizzare bene la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili, è necessario:
   - conoscere i tipi di corrosione possibili e le loro cause;
   - scegliere le leghe adatte per ogni applicazione pratica;
   - far attenzione alla progettazione corretta dei manufatto per evitare situazioni che possono essere causa di corrosione;
   - effettuare trattamenti superficiali adeguati al manufatto e mantenerlo metallicamente pulito. I trattamenti superficiali degli acciai austenitici, qualora siano presenti le condizioni in cui si può verificare un tipo di attacco corrosivo e qualora non vengano effettuati in condizioni controllate, possono condurre attacchi superficiali localizzati o diffusi dei manufatti.
   Lo scopo invece dei trattamenti superficiali è quello di conferire, tra l'altro, all'acciaio inossidabile le migliori condizioni per resistere alla corrosione.
   Uno dei compiti dell'esperto di trattamenti superficiali è proprio quello di evidenziare eventuali condizioni anomale dei manufatti in modo da consentire al costruttore di porvi rimedio in tempo, prima cioè che il manufatto venga definitivamente impiegato.
   Sono state effettuate molte ricerche con lo scopo di chiarire l'influenza della finitura superficiale sulla resistenza alla corrosione. Una ricerca recente evidenze la pericolosità delle lavorazioni meccaniche superficiali nel caso dell'AISI 304, mentre un'altra fornisce dati comparativi per l'AISI 316 stabilizzato al titanio

 

INTERAZIONI
ACCIAIO INOSSIDABILE -AMBIENTE
Le interazioni tra un manufatto e l'ambiente avvengono tramite la sua superficie.
Di solito chi sceglie un manufatto in acciaio inossidabile ha l'esigenza di minimizzare queste reazioni; ciò corrisponde a:
- scegliere il tipo di acciaio inossidabile adatto;
- garantirsi la purezza della superficie;
- passivarne la superficie;
- avere la minima superficie (più compatta e chiusa Possibile).
Le interazioni possibili sono:
- scambio di materia di tipo chimico (corrosione, reazione con depositi (6), ecc.);
- scambio di materia di ti fisico (polarizzazione, adsorbimento, desorbimento, ecc.);
- scambio di materia fisicochimico;
Problemi di qualità e di funzionalità’ fanno sì che queste interazioni debbano essere in massima parte evitate in moltissime industrie (farmaceutica, elettronica, chimica, cartaria, nucleare, dei vuoto, alimentare, ecc.).

QUALIFICAZIONE DELLE SUPERFICI DELLE
COSTRUZIONI IN ACCIAIO INOSSIDABILE
Poiché i problemi che affliggono gli utilizzatori dei manufatti in acciaio inossidabile sono:
- corrosione
- pulizia
- incrostazioni
- effetto parete
- cessione,
l'esperienza ha indotto a qualificare le superfici sulla base delle proprietà che minimizzano tali problemi e cioè:
- potenziale elettrochimico
(grado di nobiltà = misura della resistenza alla corrosione);
- rugosità (Ra, Rt, Rz);
- forma dei microprofilo (= compattezza);
- struttura cristallina superficiale;
- inclusioni eterogenee;
- grado di pulizia;
- passività.
Allo stato attuale non esiste ancora una normativa da tutti riconosciuta. I vari utilizzatori industriali, a seconda delle diverse esigenze, hanno messo a punto o definito criteri di controllo per l'accettazione dei manufatti.
Le società più all'avanguardia nel settore dei trattamenti superficiali stanno effettuando uno sforzo di ricerca applicata per la definizione di parametri, metodi e criteri di controllo che possano venire accettati e normalizzati.

TRATTAMENTO SUPERFICIALE DEGLI
ACCIAI INOSSIDABILI AUSTENITICI
A seconda dell'impiego dei manufatto è necessario un certo trattamento superficiale.
Come si rileva dalla Fig. 2 è almeno necessaria in ogni caso la passivazione, che per la verità avviene lentamente anche all'aria. Una buona e sicura passivazione è però sempre necessaria prima dell'impiego del manufatto, per cui è consigliabile assicurarsi che sia presente almeno con un controllo.
Normalmente si impiega un metodo semplice e rapido, alla portata di tutti gli operatori. I casi più frequenti di manufatto da trattare sono quelli di costruzioni saldate, per le quali è d'obbligo il decapaggio dei cordoni di saldatura.
La molatura dei cordoni è assolutamente da evitare in tutte quelle applicazioni in cui non si vuol correre il rischio di avere problemi di corrosione sotto sforzo.
Il decapaggio delle superfici si effettua di solito anche per eliminare ogni pericolo di eterogeneità incluse (ciò può derivare dalle lavorazioni), mentre la rimozione di ossidi superficiali si effettua in genere solo in caso di semplici problemi di estetica. Il metodo più diffuso di decapaggio è quello con la pasta, perché è il più semplice e non richiede costose attrezzature. La pasta più consigliabile è una sospensione perché in tal caso il liquido agisce totalmente ed alla f ne tutto l'acido in essa contento
ha reagito con la superficie metallica.
Altri metodi di decapaggio sono quello ad immersione chimica o elettrolitica (questo per applicazioni speciali) ed a spruzzo (si presta ad elevate produzioni ed automazioni). La lucidatura elettrochimica è stata inizialmente impiegata per surrogare la lucidatura manuale o a macchina di tipo meccanico con lo scopo di controllare qualità e costi (caffetterie, bacinelle per gelaterie, ecc.), ma successivamente, in seguito ad un maggior approfondimento delle proprietà delle superfici lucidate elettrochimicamente, è stata via via sempre più impiegata in settori d'avanguardia.
Oggi la lucidatura elettrochimica contribuisce a risolvere problemi in settori ad elevato contenuto tecnologico. come quello farmaceutico, chimico, elettronico, cartario, dell'alto vuoto, alimentare, biochimico, medico, ecc. ed è un trattamento fondamentale per tutti i manufatti in acciaio inossidabile destinati a questi settori.
Naturalmente, più sofisticato è il trattamento, più costose sono le attrezzature ed i controlli con cui si deve operare, e di conseguenza più raffinata la tecnologia impiegata dagli operatori.
Ritornando allo schema dei trattamenti proposto, è opportuno non considerare con leggerezza il problema dei lavaggio finale, fondamentale per non lasciare residui sulla superficie, che altrimenti risulterebbe macchiata e non adeguata alle esigenze. Analoghe considerazioni valgono per l'asciugatura. Per quanto concerne il controllo del trattamento, a seconda delle prescrizioni questo, può essere semplicemente visivo oppure più complesso come vedremo al prossimo paragrafo.

CONTROLLI FINALIZZATI
A nostro avviso il primo controllo, da fare sempre, è quello. di passivazione della superficie. E' estremamente semplice perché impiega solo due reattivi e nessuna attrezzatura particolare. Tutti gli altri controlli sono decisamente più complessi perché richiedono l'impiego di attrezzature costose e di personale specializzato e non sono pertanto alla portata della maggior parte degli operatori.
I controlli sono da mettere in relazione alle prestazioni del manufatto e quindi al capitolato dei cliente; generalmente si effettuano rilievi delle proprietà indicate precedentemente, anche se sovente non viene richiesto il controllo di tutte le proprietà citate.
Nella norma, nei settori più sofisticati si lavora su campioni standard di superfici di partenza; su parte di questi campioni vengono effettuati i trattamenti superficiali; prima e dopo il trattamento del manufatto si effettuano i rilievi concordati tra cliente e fornitore; questi rilievi devono corrispondere a quelli effettuati sui campioni standard. Altri controlli sono quelli sul la resistività dell’acqua di lavaggio, conteggi di particelle, ecc.
NORME ANTINFORTUNISTICHE E PRECAUZIONI
Tutti o quasi i prodotti impiegati per il trattamento delle superfici di acciaio inossidabile contengono acidi forti.
Pertanto per evitare pericolose ustioni è necessario acquistare prodotti di cui vengano fornite le norme di impiego e di sicurezza e seguirle scrupolosamente.


PROBLEMI ACCESSORI: TRATTAMENTO ACQUE DI LAVAGGIO ED ELIMINAZIONE FANGHI
Dopo ogni trattamento è assolutamente necessario lavare con acqua di rete il manufatto, per evitare che rimangano tracce di acidi o di metalli sulla superficie.
Non è possibile scaricare queste acque senza averle preventivamente trattate in modo da neutralizzarle e da decantare i sali insolubili e gli idrati in esse contenuti.
La neutralizzazione dei prodotti sul manufatto è assolutamente sconsigliabile perché riprecipiterebbe gli ossidi idrati sulla superficie metallica compromettendone la purezza, e quindi anche il risultato dei trattamento superficiale stesso.
I fanghi, dopo filtrazione, vanno inviati alle apposite discariche o consegnati alle ditte autorizzate al loro ritiro.

CONCLUSIONE
Come si è visto, gli aspetti da considerare nel caso dei trattamenti superficiali degli acciai inossidabili austenitici sono molteplici ed i risultati sono molto sovente legati alla collaborazione tra progettazione, costruzione, trattamenti superficiali ed utenza finale.
Per i problemi più complessi è opportuno rivolgersi agli specialisti, mentre nella maggior parte dei casi i costruttori stessi possono operare utilizzando le informazioni ed i prodotti reperibili sul mercato.

immagine Diagramma di stato delle leghe ferro-carbonio

 

Fasi caratteristiche delle leghe di ferro-carbonio

Le principali fasi che entrano a formare le leghe ferro-carbonio sono: l'austenite, la cementite, la ferrite, la ledeburite, la martensite, la perlite e la grafite.

L'austenite è una soluzione solida interstiziale (4) di carbonio in ferro v. Si tratta di soluzione solida più o meno ricca di carbonio, con punto di saturazione al 2,06% di carbonio, raggiungibile a 1147 0C (5). La cementite, cioè il composto intermetallico (6) FesC, contiene il 6,67% di carbonio. La ferrite è il ferro a, contenente sciolte minime per­centuali di carbonio. La ledeburite è una miscela meccanica («eutettico ») di cementite e di austenite satura di carbonio, il cui contenuto totale è del 4,3%. La martensite è un insieme di aghi sottili e intrecciati; è dura e meccanicamente resistente. La martensite èuna soluzione solida interstiziale di carbonio in ferro a e, perciò, metastabile (instabile) (7), non essendo il carbonio normalmente solubile nel ferro a. La perlite è una miscela meccanica («eutettoide») (8) di ferrite e cementite, con un contenuto percentuale totale in carbonio dello 0,8%. La grafite è carbonio puro.

 

Il  diagramma ferro-carbonio

 

La rappresentazione grafica da cui si rileva entro quali campi di temperatura e di concentrazione possono esistere, in maniera stabile, i vari costituenti delle leghe di ferro e carbonio, si denomina diagramma di stato ferro-carbonio (o, semplicemente, diagramma ferro-carbonio).
In base a tale diagramma, a temperatura ordinaria si possono distinguere le strutture elencate, per comodità, in questa tabella:

          Strutture       Contenuto percentuale    Costituzione
                                totale di carbonio

Acciai ipoeutettoidi .... <0,8%                     ferrite +-perlite
Acciai eutettoidi           =0,8%                           perlite
Acciai ipereutettoidi ... >0,8% e fino a 2,1%  perlite +cementite

Ghise ipoeutettoidi .... >2,1% e fino a 4,3%   perlite+ cementite secondaria  +ledeburite trasformata

Ghise eutettiche               =4,3%                                  ledeburite

Ghise ipereutettiche  da 4,3% fino a 6,67%    cementite primaria +ledeburite trasformata

Note:

(4)         Si ha soluzione solida interstiziale quando il soluto presente in piccola quantità e carat­terizzato da piccolo raggio atomico, prende posto negli interstizi del reticolo cristallino del metallo solvente.
(5)         Ciò dimostra che la solubilità del carbonio nel ferro è funzione, oltretutto, della tem­peratura.
(6)         Quando due componenti d'una lega sono presenti in rapporti definiti in tutta o in parte della struttura della lega, si dice che si hanno composti intermetallici (anche se uno dei componenti non è un metallo).
(7)         La martensite è un componente assai importante, molto duro, degli acciai, che si forma quando si compie un brusco raffreddamento («tempra forte ») di opportune miscele fuse di ferro e carbonio. Trattandosi di componente non compreso nei solidi di equilibrio che si formano dalle fusioni di ferro e carbonio quando si raffreddano lentamente, la martensite non compare nel dia­gramma ferro-carbonio.
(8) L'eutettico è miscela meccanica di solidi che si forma da una fusione, mentre l'eutettoide è miscela meccanica di solidi che trae origine da un solido preesistente. L'osservare il contenuto del diagramma ferro-carbonio può aiutare a capire questa nota, relativamente all'eutettico lede­burite e all 'eutettoide perlite.

Il diagramma ferro-carbonio prospetta strutture che si raggiungono unicamente con raffreddamenti lentissimi e riporta ciò che può derivare da una fusione di ferro e carbonio puri. Si tratta perciò d'un sistema teorico, perchè in effetti ghise e acciai d'uso pratico sono leghe ferrose complesse, contenenti anche silicio, manganese, nichel, ecc. Tuttavia lo studio del diagramma ferro-carbonio è molto utile, perché consente di conoscere a grandi linee l'andamento dei fenomeni e la natura delle fasi che possono formarsi durante i trat­tamenti termici delle fusioni di ferro, carbonio e metalli vari.
Si noti, infine, che le caratteristiche fisico-meccaniche dei materiali ferrosi dipen­dono sia dalla composizione della fusione originaria sia dalla successiva velocità di raf­freddamento. In base a questi due fattori possono costituirsi leghe di ferro a prevalente contenuto di perlite («leghe perlitiche»), con prevalenza di austenite («leghe austeni­tiche») e così via.

 

Stabilizzazione di fasi a temperatura ordinaria

Dal diagramma ferro-carbonio parrebbe impossibile aversi oltre che la fase strutturale martensitica (che non vi appare), anche la fase austenitica a temperatura ordinaria. Vedremo invece che i migliori acciai usati in pra­tica hanno proprio struttura martensitica o austenitica, perché le presta­zioni meccaniche e chimiche di queste strutture sono molto buone.
La produzione di questi acciai è possibile grazie al fatto che si può im­pedire la trasformazione d'una fase strutturale stabile ad alta temperatura con l'operazione di tempra, che consiste nel raffreddare rapidamente la lega in modo da congelare l'equilibrio di trasformazione della sua struttura (« da non dare a questa il tempo di cambiare »).

Certi elementi (ad esempio, il nichel), oltre che il rapido abbassamento termico, sono capaci di stabilizzare a basse temperature fasi strutturali di per sé stabili solo ad alte temperature. Così si spiega il fatto che si inclu­dano tali elementi in leghe (cosiddette autotempranti).

 

Schematizzazione delle strutture che si vengono a formare a seguito della tempra degli acciai comuni

Elettrolucidatura

Il campo di corrente ionica che si instaura tra anodo (manufatto) e catodo è un'azione esente da sollecitazioni meccaniche , termiche , chimiche.L'effetto di questo processo si manifesta, sulla superficie del materiale , operando l'asportazione di pochi micro di materialeabbassando i picchi della rugosità.

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http://www.personalweb.unito.it/franco.dosio/impianti/lucidi/acqua/acciai1.doc

 

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

 

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