Trattamenti termici di solubilizzazione e stabilizzazione degli acciai austenitici e duplex
Gli acciai con l’aggiunta di cromo sono detti ferritici, e hanno poco uso in ambito industriale. Aggiungendo anche nichel si ottengono gli acciai austenitici, fondamentali nei settori chimici e petrolchimici, dove è richiesta resistenza alla corrosione e alla temperatura. Gli acciai inossidabili austeno-ferritici (duplex) combinano la resistenza alla corrosione e alla temperatura degli acciai austenitici alla resistenza meccanica degli acciai ferritici.
– SOLUBILIZZAZIONE DEGLI ACCIAI AUSTENITICI E DUPLEX
La solubilizzazione è l’unico trattamento effettuabile sugli acciai austenitici con tenore di carbonio superiore allo 0,03% e i duplex. Detta anche “tempra di solubilizzazione” o “ipertempra” è il processo che, alla temperatura di circa 1000 ÷ 1100 °C, rende solubile allo stato solido il Carbonio contenuto nell’acciaio sotto forma di carburi (in prevalenza carburi di Cromo), precipitati in seguito a processi di saldatura o, in genere, di riscaldamento nel campo di temperatura compreso tra 450° e 850°C.
Il materiale, dopo una opportuna stasi alla temperatura indicata, riacquista completamente le sue caratteristiche di resistenza alla corrosione ridotte nel caso in cui il tenore di cromo, nella matrice della lega, sia sceso sotto la soglia del 12% (sensibilizzazione). Il raffreddamento finale deve essere rapido, circa due minuti, per impedire una nuova precipitazione dei carburi, nell’intervallo di temperatura 450 ÷ 850 °C, . Il meccanismo di riscaldo + mantenimento + raffreddamento rapido è analogo al trattamento di tempra degli acciai martensitici, ma negli acciai austenitici conferisce lo stato di massimo addolcimento, anziché innalzare i valori resistenziali. Per tale motivo la solubilizzazione è anche detta “tempra negativa” o “tempra inversa”.
Il trattamento di solubilizzazione è effettuato, inoltre, per eliminare completamente lo stato di incrudimento dovuto a lavorazioni plastiche, a freddo, del materiale e per rilassare le tensioni residue anche se non è da sottovalutare la possibilità dell’insorgenza di nuovi stati di tensione che facilmente si vengono a determinare nella fase di drastico raffreddamento in seguito alle inevitabili differenze di temperatura e, conseguenti differenti dilatazioni, sul pezzo. Le strutture a 1000°C possono collassare per peso proprio e sono quindi da rinforzare adeguatamente con materiali che abbiano lo stesso coefficiente di dilatazione. Non è possibile limitare, invece, le deformazioni dovute allo shock termico che subiscono i pezzi al contatto con l’acqua. Quando finalizzata ad eliminare l’incrudimento, la solubilizzazione, può essere eseguita sui componenti non ancora assiemati, per consentire la loro, eventuale, ricalibrazione.
Particolarmente critico è il trattamento termico di solubilizzazione dei duplex in quanto il non rispetto della temperatura di permanenza porta ad avere uno sbilanciamento tra le fasi austenitiche e ferritiche con minore resistenza alla corrosione e/o caratteristiche meccaniche molto basse. Ancora più delicato è il trattamento del superduplex che richiede una curva di raffreddamento particolare affinché il componente abbia le corrette proprietà tecnologiche finali.
La distensione è indispensabile quando i manufatti devono essere lavorati meccanicamente o operano in ambiente aggressivo (rischio di cricche per tenso-corrosione). Come precedentemente accennato, strutture in acciaio inossidabile austenitico tipo AISI 301, 302, 303, 304, 305, 308, 309, 310, 316 e 317 quando vengono riscaldate, anche per pochi minuti, ad una temperatura compresa tra 450°C e 850°C, sono soggetti alla sensibilizzazione e, di conseguenza, esposti alla corrosione.
Non sono effettuabili, pertanto, trattamenti di distensione alla classica temperatura di 620°C, come per gli acciai al carbonio, ma sarà indispensabile, in relazione alle caratteristiche dell’ambiente di esercizio (più o meno aggressivo) effettuare riscaldamenti ad una temperatura inferiore ai 450°C per un numero elevato di ore, senza sensibilizzare il materiale. Il rilassamento, direttamente connesso con lo scorrimento e annichilazione delle dislocazioni indotto dalla temperatura, sarà, in questo caso e pari, al massimo allo snervamento del materiale a 450°C. Gli acciai austenitici “Low Carbon” o “L”come il 304L, 316L, con tenore di carbonio inferiore allo 0,03%, non soggetti a sensibilizzazione, possono essere, invece, sottoposti a distensione anche nel campo di temperatura critico ottenendo stabilità geometrica e minore sensibilità alla tensocorrosione, previa un’attenta analisi di tutte le condizioni di esercizio del manufatto.
Per gli acciai inossidabili tipo AISI 321 e AISI 347, caratterizzati dalla presenza nella lega del Ti e del Nb, è evitabile la precipitazione dei carburi di cromo mediante il trattamento di Stabilizzazione che consiste nel riscaldamento del manufatto in un campo di temperatura compreso tra 845°C e 900°C, nel mantenimento a tale temperatura per due, quattro ore e un successivo raffreddamento con opportuni gradienti termici, in relazione alla geometria dei pezzi.
Per la maggiore affinità del carbonio con il Titanio e con il Niobio si avrà precipitazione preferenziale dei relativi carburi, lasciando inalterato il cromo, senza incorrere nella sensibilizzazione. Per questi acciai, diventa possibile, quindi, anche la classica distensione (stress relieving) o, nel caso di apparecchi placcati o riportati, il PWHT che consentono un’ottima riduzione delle tensioni residue e riducono i possibili fenomeni di stress corrosion cracking.
Nel trattamento di stabilizzazione particolare attenzione dovrà essere riservata alla geometria di pezzi complessi, con saldature concentrate per il rischio di cricche da reheating. Anche per i componenti realizzati con questi acciai, in cui la temperatura, l’uniformità, i gradienti di riscaldamento e raffreddamento e il tempo di permanenza sono fondamentali, sempre oggetto di collaudo con prove meccaniche sui talloni o prove di corrosione, è importante che i nostri clienti possano contare su un fornitore strutturato e affidabile come Trater, che ha a disposizione personale e mezzi per eseguire al meglio i cicli termici e fornire pezzi sempre conformi alle specifiche.
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Trattamenti termici componenti in leghe di nichel
Le leghe con alta percentuale di nichel sono utilizzate per esposizione ad alte temperature, di agenti altamente corrosivi o in presenza di entrambe le condizioni. Le leghe di nichel si dividono in funzione dell’elemento principale e di quelli secondari:
- Nichel – Carbonio: Nichel 200 – Nichel 201
- Nichel – Rame: Monel 400
- Nichel – Cromo: Nimonic 80A, Nimonic 90
- Nichel – Cromo – Ferro: Inconel 600
- Nichel – Cromo – Ferro – Molibdeno – Rame: Hastelloy G
- Nichel – Cromo – Ferro – Molibdeno – Cobalto: Hastelloy X
- Nichel – Cromo – Molibdeno – Niobio: Inconel 625
- Nichel – Molibdeno: Hastelloy B
- Nichel – Molibdeno – Cromo: Hastelloy C276
- Nichel – Ferro: Invar
- Nichel – Ferro – Cromo: Incoloy 800, Incoloy 825
I trattamenti termici che generalmente si eseguono nella metallurgia del Nichel sono la “ricottura”, la “solubilizzazione, l’invecchiamento” e la distensione.
Ricottura
Il trattamento termico di ricottura crea strutture finali particolarmente dolci, ideali per eseguire lavorazioni meccaniche o saldatura. Molte leghe vengono inizialmente acquistate in questo stato per la costruzione.
Solubilizzazione
La solubilizzazione consiste nel riscaldamento della lega ad una temperatura adeguata, mantenendo tale temperatura per un periodo sufficiente a causare la trasformazione di uno o più costituenti in una soluzione solida e quindi raffreddandola in modo sufficientemente rapido per mantenere tali costituenti nella soluzione. Viene in genere effettuata a temperature comprese tra 1800 e 2450°F, seguita da un rapido raffreddamento a temperatura ambiente. Molti materiali presentano specifiche velocità di raffreddamento che devono essere raggiunti al fine di ottenere la corretta microstruttura metallurgica nel prodotto finale.
Trattamenti di invecchiamento
L’indurimento per invecchiamento (precipitazione) viene in genere effettuato a temperature comprese tra 1000 e 2080°F in atmosfera inerte o aria per tempi di attesa che variano da 2 ore a oltre 40 ore in base al materiale esatto e alla microstruttura metallurgica specificata. Per ottenere i risultati finali desiderati potrebbero essere necessarie varie fasi (con riduzione della temperatura in ogni fase).
Distensione
Eseguita ad una temperatura inferiore a quelle di ricottura o solubilizzazione, riduce le tensioni residue dovute alla saldatura e alle lavorazioni meccaniche, riducendo il fenomeno dello stress corrosion cracking. Sui componenti di maggior valore, sottoposti a severi collaudi e con trattamenti sorvegliati da enti terzi, è importante che i nostri clienti possano contare su un fornitore strutturato e affidabile come Trater, che ha a disposizione personale e mezzi per eseguire al meglio i cicli termici, e fornire pezzi sempre correttamente trattati.
