ROBERTO TOMEI
Terninoss - Terni
Criteri di scelta degli acciai inossidabili
in funzione degli impieghi
Estratto dalla rivista «LA MECCANICA ITALIANA» n. 147 gennaio- n. 148 febbraio 1981
1. IMPORTANZA E NECESSITÀ
DI UNA SCELTA RAZIONALE
Parte prima
Se è vero che i cosiddetti acciai inossidabili nacquero
per fare fronte alla necessità di reperire materiali
che avessero una maggiore resistenza alla corrosione ed alla ossidazione a caldo rispetto ad altri tipi di
leghe metalliche, non c'è dubbio che ben presto il tecnico progettista si rese conto che essi possedevano
anche caratteristiche meccaniche estremamente interessanti, sia a temperatura ambiente che alle più basse ed alle più elevate temperature. Queste proprietà
meccaniche che in un primo tempo potevano sembrare
di secondaria importanza spesso sono oggi determinanti nella scelta di un acciaio inossidabile nei confronti di altri acciai o leghe.
SOMMARIO
Ottima resistenza alla corrosione ed alla ossidazione
a caldo, interessanti proprietà meccaniche a tutte le
temperature, elevate prestazioni nelle deformazioni
plastiche a freddo, eccellente sanabilità, nonché il
particolare aspetto estetico dei manufatti hanno ailargato a dismisura l'utilizzazione di questo materiale
che nell'ultimo trentennio ha fatto registrare un
« boom » praticamente continuo.
Dopo una breve premessa sull'importanza e necessità
di una scelta razionale, vengono illustrati gli argomenti sui quali si ritiene indispensabile basare i eriter i della scelta.
Questi presuppongono una buona conoscenza delle
proprietà dei singoli tipi derivanti sia dalla composizione chimica che da una corretta esecuzione dei trattamenti termici possibili.
Di pari passo con la quantità sono aumentati i tipi di
acciaio inossidabile in modo da fare fronte agli impieghi più disparati. Dai primi tre tipi fondamentali rappresentanti le tre diverse classi di acciai inossidabili
e precisamente i martensitici, i ferritici e gli austenitici
si è passati ai 59 riportati nell'edizione del dicembre
1974 dèi Manuale Stainless and Heat Resisting Steels,
pubblicato dall'AISI (American Iron and Steel Institute). Questi tipi standard si suddividono a loro volta
in sottotipi nelle norme di unificazione europee, che
a loro volta ne aggiungono altri non previsti dall'AISI.
Per ciascuna delle quattro classi di inossidabili considerate (martensitici, ferritici, austenitici ed indurenti
per precipitazione) vengono brevemente riassunte le
caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione a temperatura ambiente, alle basse ed alle alte
temperature, nonché le loro prestazioni generiche nei
confronti delle varie forme di lavorabilità (truciolabilità. imbutibilità, sanabilità in modo da mettere le difficoltà e le facilitazioni che si possono incontrare nella
fabbricazione dei manufatto che si desidera ottenere.
Per le diverse classi vengono poi elencati i singoli
tipi sottolineando ciò che li rende differenti gli uni dagli altri e per quali impieghi specifici possono essere
scelti.
Se infine consideriamo le sfumature analitiche introdotte dai molti produttori, i tipi per getti, per forgiati,
per tubi od altro, arrivano facilmente ad un numero
totale di tipi di acciaio inossidabile da mettere a
dura prova le capacità del più provetto tecnico progettista di poter scegliere con oculatezza il tipo di
acciaio per il particolare progetto di cui si sta interessando.
Asmeccanica, Milano, nov.-dic. 1980. Lezione tenuta al Corso
• Gli acciai inossidabili • Caratteristiche - Lavorazioni - Applicazioni >.
50 J
LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 n' 147
Noi non seguiremo in tutti i particolari questa moltiplicazione di tipi di acciaio che in molti casi riteniamo
artificiosa, o meglio la seguiremo fino ad un certo
punto, seguendo un filo conduttore più logico possibile.
2. TIPI DI ACCIAIO E CRITERI DI SCELTA
Nella presente lezione per i diversi tipi di acciaio che
prenderemo in esame adotteremo la designazione AlSI
che è universalmente la più conosciuta. Per tutti i
tipi di acciaio riporteremo un'analisi indicativa e per
quei pochi che non sono corrispondenti a quelli riportati nel Manuale AlSI sopra citato o che non sono
in esso previsti verranno indicate tra parentesi le designazioni più comunemente accettate.
Sicuramente dovremo perdere per strada molti tipi,
ma speriamo di guadagnare in chiarezza come si
conviene ad un testo che dovendo fare parte di un
corso dovrà attenersi almeno in buona parte a principi prettamente scolastici.
Per la trasformazione in altre norme nazionali ed in
marche di fabbrica potranno essere consultate le apposite tabelle emesse anche dal Centro Inox.
Formuleremo dei criteri di scelta più semplici possibili che possano evitare a tecnici ed uffici acquisti
delle inutili perdite economiche e garantire una corretta lavorazione del materiale e la migliore efficienza dei manufatti in servizio.
Per rendere più snella la trattazione dei criteri di
scelta non ci dilungheremo a riportare per ogni tipo
di acciaio la specifica resistenza alla corrosione nei
differenti mezzi corrosivi, alle varie concentrazioni
e temperature, né i numerosi manufatti che si possono fabbricare; ci limiteremo a dare solo informazioni
tipiche. Per dati più particolareggiati si potranno infatti consultare le numerose pubblicazioni in merito.
Purtroppo la nostra esperienza ci insegna come nella
mentalità di un certo numero di trasformatori ed utilizzatori di acciaio inossidabile siano già radicati dei
preconcetti inutili e quindi costosi.
Molti degli inconvenienti che si registrano durante la
fabricazione ed il servizio di manufatti in acciaio inossidabile non sono infatti da imputare all'acciaio inossidabile ma ad una errata scelta del tipo di acciaio
inossidabile. Un'altra fonte di inconvenienti deriva dal
fatto che spesso si chiede all'acciaio inossidabile più
di quanto oggettivamente esso possa dare; si è cosi
abituati da decenni a chiedere, e quasi sempre ottenere, tante prestazioni a questo materiale che si è
finito in alcuni casi col chiederne troppe.
La nostra trattazione inizierà dai tipi martensitici, continuerà con i ferritici e gli austenitici e terminerà con i
tipi indurenti per precipitazione.
I criteri di scelta saranno basati sia sulle prestazioni
del manufatto di acciaio inossidabile in servizio che
sulle difficoltà da superare nella fabbricazione del manufatto stesso; pertanto non potremo prescindere dal
richiamare l'attenzione sulle proprietà dei diversi tipi
e sui fattori che determinano l'ottenimento di queste
proprietà quali ad esempio l'analisi chimica ed i trattamenti termici. Poiché questi concetti sono stati in
buona parte più dettagliatamente descritti in altre parti di questo corso, ove possibile ne daremo soltanto
un breve cenno limitandoci soprattutto ad illustrarli
per ciascuno dei quattro gruppi di inossidabile che
tratteremo e raggruppando gli argomenti secondo questo schema di massima.
Passando da un tipo ad un altro è sempre possibile
migliorare una determinata caratteristica o ridurre un
determinato inconveniente, si deve però considerare
che in molti casi vi sono delle controindicazioni da non
sottovalutare. Pertanto non sottolineeremo mai abbastanza la necessità di conoscere il prò ed il contro
insiti in una determinata scelta e l'importanza di tenere contemporaneamente presente sia l'impiego del
manufatto che i processi di fabbricazione dello stesso. La scelta dovrà comunque essere il risultato, o
se vogliamo un compromesso, tra criteri tecnici e criteri economici.
1) Analisi chimica.
2) Trattamento termico e proprietà meccaniche.
Verrà fatto un necessario richiamo al od ai trattamenti
termici più indicati per ottenere le migliori prestazioni in servizio. Seguirà una descrizione delle caratteristiche meccaniche risultanti a temperatura ambiente.
Nei limiti del possibile sarà pertanto nostra cura, oltre
che ad indicare i criteri per la scelta di un tipo di
acciaio a preferenza di un altro, fare anche presente
possibili inconvenienti e limitazioni sia nell'impiego
che nelle lavorazioni.
3) Prestazioni meccaniche alle basse ed alle alte temperature.
51
J LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 n- 147
guenza hanno il pregio di essere gli acciai inossidabili
meno costosi; sono però i meno resistenti alla corrosione. Il tenore di carbonio può arrivare fino a 1,20%
e permette di contrastare col suo elevato potere austenitizzante l'effetto ferritizzante del cromo. Pertanto come la maggioranza dei tipi di acciaio, il diagramma
di stato di questi tipi presenta una struttura a magnetica a bassa temperatura ed una struttura y non
magnetica alle alte temperature, rendendo possibile
il trattamento termico di tempra.
4) Resistenza alla corrosione ed alla ossidazione a
caldo.
5) Lavorabilità.
Questo termine verrà usato in senso
indicherà infatti il comportamento del
rante la sua trasformazione in prodotto
to di vista della deformabilità plastica
ciolabilità, sanabilità od altro.
assai lato; si
materiale dufinito dal puna freddo, tru-
Precisiamo infine che suddette indicazioni saranno
soprattutto valide per i materiali laminati a freddo ed
a caldo di acciaio inossidabile, in quanto non ci occuperemo esplicitamente di getti o fucinati anche se
molte delle proprietà descritte saranno valide anche
per essi.
Nella Tavola I si riportano i tipi che prenderemo in considerazione e le relative analisi chimiche indicative.
Nello schema A si può seguire lo sviluppo dei diversi
tipi martensitici partendo dai tipi fondamentali AISI
403 e 410.
3.2. Trattamento termico e proprietà meccaniche
a temperatura ambiente
3. ACCIAI INOSSIDABILI MARTENSITICI
A seguito del trattamento termico di tempra si otterrà una durezza che sarà tanto più elevata quanto più
alto è il tenore di C; le caratteristiche di tenacità saranno ovviamente limitate ma se ne potrà recuperare
una buona parte con un successivo trattamento di
rinvenimento.
3.1. Analisi chimica
I tipi martensitici contengono come elemento caratterizzante quasi esclusivamente il cromo, dal livello più
basso atto a garantire l'inossidabilità del materiale
(10%) fino ad un massimo del 18%. Come conse-
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SCHEMA A
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LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 " ' •«"
II progettista dovrà in definitiva tenere conto di due
serie distinte di caratteristiche meccaniche a seconda che il rinvenimento sia effettuato nell'intorno di
250 °C (A) o nell'intorno di 600 °C (B). Esse sono:
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1.00
3.3. Proprietà meccaniche
alle alte e basse temperature
Ma 0.75-1.25
V 0.15-0.30
W 0.75-1.25
Gii inossidabili martensitici non sono adatti per essere impiegati a temperatura al di sotto di quella ambiente in quanto per la maggior parte di essi la temperatura di transizione è superiore a 0 °C. Pertanto
già a questa temperatura diventano fragili e sotto zero
perdono quasi tutta la loro tenacità e duttilità.
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Data la forte presenza di Cr questi tipi sono più temprabili dei normali acciai al C; poiché le loro curve
di trasformazione isotermica sono più spostate a destra nei diagrammi I I I , essi possono prendere tempra
anche a cuore pur utilizzando basse velocità di rafr
freddamente
Con un rinvenimento a 200 °C-300 °C (distensione) si
ha un apprezzabile recupero di tenacità senza perdere
quasi nulla in durezza. Con un rinvenimento a 600 °C
si ha un notevole aumento di tenacità accompagnato
da una conseguente riduzione di durezza che per molte applicazioni è ancora assai valida e desiderata.
Sono da evitare temperature di rinvenimento o permanenze nel campo di temperature tra 320 °C e 540
°C. A queste temperature si ha una durezza quasi
uguale a quella dello stato temprato ed una tenacità
decisamente bassa; il fatto è dovuto ad una trasformazione in martensite di piccole quantità di austenite
residua sempre presente dopo tempra.
53
Per impieghi a temperatura superiore a quella ambiente questi acciai presentano in generale un carico
di rottura e di snervamento superiore a quello dei
tipi ferritici ed austenitici fino ad una temperatura
di circa 500 °C. Per quanto riguarda lo scorrimento
a caldo i tipi martensitici presentano caratteristiche
migliori rispetto agli acciai al C e. pur essendo comparabili agli inossidabili ferritici. non vengono impiegati oltre i 600 °C sia per la minore resistenza all'ossidazione a caldo che per l'inutilità di eseguire operazioni di tempra e rinvenimento per poi avere le
stesse caratteristiche degli inossidabili ferritici.
3.4. Resistenza alla corrosione ed alla ossidazione
a caldo
Come si è detto in precedenza la resistenza alla
corrosione di questi tipi è inferiore a quella presentata
dagli altri inossidabili, anche se molto superiore a
quella degli acciai al C. In genere resistono ad atmosfere rurali non inquinate, acque dolci e prodotti chimici di bassa aggressività non ossidanti né riducenti,
quali soluzioni debolmente alcaline ed acidi organici
diluiti.
| LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1961 no 147
La lavorabilità alle macchine utensili che indicheremo d'ora in poi con truciolabilità presenta difficoltà
medie ed è in generale paragonabile a quella degli
acciai mediamente legati da costruzione.
Considerando in senso generico la loro resistenza
alla corrosione, essa è massima allo stato temprato
in quanto è massima la percentuale di Cr disciolta
nella matrice.
Non si registrano variazioni apprezzabili della resistenza alla corrosione dopo rinvenimento di distensione, mentre nel campo del rinvenimento 400-500 °C essa diminuisce notevolmente.
La deformabilità plastica a freddo è piuttosto limitata
in quanto, a causa della scarsa duttilità presentata da
questi acciai, essi male si prestano a severe operazioni di stampaggio, anche se alternando ricotture ad
operazioni di formatura è possibile ottenere discreti risultati soprattutto per i tipi a più basso tenore di C.
A queste temperature iniziano a precipitare una gran
quantità di carburi di Cr in forma submicroscopica che,
impoverendo di Cr la matrice circostante, danno luogo ad una miriade di piccole aree anodiche alternate a vaste aree catodiche. Pertanto rinvenimenti attorno a queste temperature sono da sconsigliare anche per l'effetto negativo che avrebbero sulla resistenza alla corrosione.
Anche la sanabilità è assai scarsa ed è inversamente
proporzionale al tenore di C. Raramente si ricorre ad
operazioni di saldatura in quanto questi acciai vengono soprattutto adoperati allo stato temprato e rinvenuto e la zona saldata rappresenterebbe un punto
di debolezza; essa è pertanto limitata ai pochi casi
in cui questi acciai vengono utilizzati allo stato ricotto.
Con il rinvenimento a 600 °C la resistenza alla corrosione si trova su valori accettabili per i tipi a basso
C, mentre rimane su valori non accettabili per i tipi
con C > 0,15%. Questo comportamento sembrerebbe
dovuto al fatto che intorno a 600 °C l'aumentata energia interna provocata dal calore genera due fenomeni
contrastanti: da una parte si ha maggiore tendenza
del Cr a combinarsi col C per formare carburi e dall'altra si ha la tendenza del Cr presente nei carburi
a ridisciogliersi nella matrice; se il tenore di C è elevato prevale il primo fenomeno. A titolo di esempio
con 0,10% di C la matrice si impoverisce di circa
2 % di Cr; mentre con lo 0,30% di C la matrice si
impoverisce di circa 6% di Cr; è ovvio che, se nell'acciaio il tenore di Cr è circa 14%, nel primo caso
la matrice è ancora inossidabile mentre nel secondo
caso non lo è più.
3.6. Impieghi tipici
Gli impieghi tipici che derivano dalle caratteristiche
sopra illustrate riguardano manufatti per i quali occorrono, unitamente ad una certa resistenza alla corrosione ed alla ossidazione a caldo, elevata durezza,
resistenza meccanica, all'abrasione ed a fatica. Avremo modo di vedere illustrando i singoli tipi quali siano
questi impieghi tipici più rappresentativi.
3.7. Descrizione dei differenti tipi
AISI 403
Anche se storicamente non è stato il primo tipo di
acciaio martensitico utilizzato ed anche se non è quello di più largo consumo, per convenienza consideriamolo come il tipo di riferimento per la serie che stiamo
illustrando.
Per quanto riguarda la resistenza all'ossidazione a caldo, e cioè alla formazione di scaglia, è noto come essa
sia proporzionale alla percentuale di Cr. La temperatura massima di servizio continuo in aria per i tipi
martensitici è di circa 700 °C con Cr intorno al 12%
e di circa 800 °C con Cr intorno al 18%. Suddetti valori aumentatno a 800 °C e 850 °C in servizio intermittente.
Può essere utilizzato sia allo stato temprato e disteso che allo stato temprato e rinvenuto a 600 °C.
È l'acciaio tipico per le palette da turbina e per qualsiasi particolare soggetto a tensioni elevate.
3.5. Lavorabilità
AISI 410
È il tipo di più larga utilizzazione di questa serie, disponibile in prodotti di qualsiasi forma. È altrettanto
economico del tipo precedente del quale presenta le
stesse possibilità di trattamento termico con le stesse
proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione.
Le indicazioni che daremo sulla lavorabilità si riferiscono ovviamente al materiale allo stato ricotto. Gli
inossidabili martensitici si possono ricuocere con ricotture subcritiche, complete ed isotermiche che portano in cenere a durezze variabili da 80 a 100 HRB.
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| LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 r,'- M7
Tra i numerosi impieghi specifici citiamo: alberi per
pompe, boccole, bulloni, tramogge, coltelleria, utensili, macchinari per miniere, viti, valvole, particolari
per motori a reazione.
Per le ragioni esposte in precedenza viene utilizzato
nelle condizioni di temprato e disteso a 200-300 °C; in
questo stato può superare facilmente2 i 50 HRC con
carichi di rottura di circa 160 kg/mm ed ancora un
allungamento del 10%, con proprietà di resistenza alla corrosione pari a quelle dell'AISl 410 nelle stesse
condizioni di trattamento.
AISI 414
Dal punto di vista analitico questo tipo si differenzia
dal precedente per un aggiunta di circa 2% di Ni.
La presenza del Ni venne originaramente aggiunta per
avere qualche miglioramento nei confronti di alcuni
agenti corrosivi quali soluzioni di acido cloridrico e
solforico a bassissima concentrazione; essa rende
l'acciaio più temperabile, ne aumenta leggermente la
durezza dopo tempra e rinvenimento di distensione
(40 HRC) conferendogli nel contempo qualche aumento di tenacità.
Altri impieghi tipici sono gli strumenti chirurgici, valvole, particolari ad elevata resistenza all'usura, utensileria, lame da taglio, forme per vetro.
AISI 420 F
Per questo tipo contenente zolfo valgono nei confronti del precedente le stesse identiche considerazioni che sono state fatte per l'AISI 416 nei confronti
dell'AISI 410.
Impieghi tipici di questo tipo sono: molle, bulloni, lame da taglio, mandrini, sedi di valvole.
AISI 422
Questo tipo costituisce una variante dell'AISI 420
di cui ha praticamente gli stessi tenori di C e Cr.
L'aggiunta di Mo, V e W lo rendono adatto, attraverso una precipitazione di carburi complessi di V e W
che non determinano una sostanziale diminuzione di
Cr nella matrice, ad essere rinvenuto a 650 °C con un
carico di rottura intomo a 10d kg/mm2 ed allungamento
di circa 18%. Costituisce pertanto un'eccezione alla
regola di non rinvenire ad alta temperatura i tipi con
%C oltre 0,15. La presenza di Cr quale componente
per una buona resistenza alla ossidazione a caldo e
dei carburi sopra menzionati che sono tipici costituenti che, aumentano la resistenza allo scorrimento a caldo, lo rendono adatto, più di qualsiasi altro tipo martensitico, per ia sua utilizzazione fino a temperature
di esercizio di 650 °C alla quale presenta ancora una
buona combinazione di resistenza meccanica e tenacità.
AISI 416 e 416 Se
Per la produzione di viti, bulloni e dadi i tipi martensitici sopra descritti presentano delle difficoltà nelle
lavorazione delle macchine utensili. L'aggiunta di zolfo
e selenio provoca nella matrice la formazione di solfuri e seleniuri che, permettendo ai trucioli di rompersi in continuazione, diminuiscono sostanzialmente
l'usura degli utensili e rendono questi due tipi particolarmente adatti alla lavorazione su macchine automatiche ad elevata produttività.
Se da una parte questi due tipi sono considerati i più
« truciolagli » tra tutti gli acciai inossidabili, dall'altra
essi presentano un'assai minore tenacità a parità di
durezza ed una minore resistenza alla corrosione ed
alla ossidazione.
Tenedo pur conto di questi fatti essi rispondono comunque assai bene agli usi finali cui normalmente
sono destinati.
Viene pertanto e soprattutto utilizzato nelle turbine a
vapore sia come palette che bulloneria.
AISI 420
È il prototipo degli acciai inossidabili martensitici.
Si iniziò ad utilizzarlo per coltelleria ed ancora oggi
questo è il suo fine principale in quanto viene preferito al tipo AISI 410 per le sue maggiori capacità di
taglio e di tenuta del filo, dovute ad un tenore di carbonio circa doppio.
AISI 431
Questo tipo contiene la stessa percentuale di Ni
del tipo AISI 414 ed oltre 3% in più di Cr. Esso è
pertanto tra i tipi martensitici il più legato ed anche
quello di tutto il gruppo che ha la migliore resistenza
alla corrosione.
55
|
LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 n° 147
4. ACCIAI INOSSIDABILI FERRITICI
Per questa ragione può essere utilizzato in atmosfere
industriali e marine, con una buona resistenza alla
corrosione sotto tensione.
4.1. Analisi chimica
Mediamente gli acciai inossidabili ferritici hanno un
contenuto di elementi leganti superiore ai martensitici;
il loro costo è pertanto maggiore come migliore è la
resistenza alia corrosione ed alla ossidazione a caldo.
Come il tipo AISI 414 è più temprabile degli altri tipi
martensitici e presenta le stesse caratteristiche meccaniche.
AISI 440 A
L'elevato tenore di C conferisce a questo tipo, dopo
tempra e rinvenimento di distensione, una eccezionale durezze (55 HRC), un carico di rottura di 180 kg/
mm2 con un allungamento del 5%. Come per il tipo
AISI 420 sono da evitare trattamenti di rinvenimento
oltre i 250 °C. La più elevata percentuale di Cr (17%)
viene aggiunta per compensare la perdita di questo
elemento nella matrice durante la formazione di carburi anch'essi di una notevole resistenza alla corrosione. L'elevata durezza conferitagli dalla matrice martensitica e dai carburi lo rendono particolarmente adatto nei casi dove si richiedono elevata resistenza all'usura, valvole, coltelleria, strumenti chirurgici.
Il principale elemento di lega è ancora il Cr, che può
andare da un minimo di 10,5 ad un massimo del 27%.
Il più elevato tenore di Cr e percentuali di C decisamente inferiori a quelle dei tipi martensitici eliminano
praticamnte il punto di trasformazione a?*y con la
conseguenza che non sono induribili con un trattamento termico di tempra. La microstruttura è sostanzialmente ferritica con piccole quantità di carburi;
soltanto con un errato trattamento termico vi possono
'wn.r n?g::'Tiri
AISI 440 B e 440 C
Rappresentano delle varianti rispetto al tipo precedente. Contengono tenori di C sempre più elevati. Il tipo
AISI 440 C rappresenta il caso limite con oltre 1.00%
di C, una durezza che può raggiungere i 60 HRC,
un carico di rottura di 200 kg/mm2 ed un allungamento di solo 2%. Si tratta praticamente di un acciaio da
utensili con una buona resistenza alla corrosione. Si
usa per cuscinetti a sfere, ugelli, valvole, particolari
per pompe di pozzi petroliferi. Ovviamente non si possono richiedere caratteristiche di tenacità né al tipo
AISI 420 né al tipo AISI 440.
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È una variante al tipo AISI 440 C per rendere possibile,
ove necessario, una maggiore lavorabilità alle macchine utensili. Esso contiene la solita percentuale di
S e dal punto di vista delia resistenza alla corrosione occorre fare le riserve già esposte per i tipi
analoghi A/ISI 416 e AISI 420 F. Facciamo presente
che tutti i tipi contenenti zolfo, a discrezione del fabbricante, possono contenere 0,60% max di Mo per
favorire la formazione di solfuro di molibdeno che aumenta le possibilità di una facile rottura del truciolo.
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SCHEMA B
essere sostanziali percentuali di martensite, almeno
per i tipi con % Cr inferiore a 19.
addolcisce e si omogenizza. Il risultato è che ci troviamo sempre di fronte ad un acciaio assai dolce con un
carico di rottura che difficilmente supera i 70 kg/mm2
ed allungamenti compresi tra 25% e 30%, valori che
garantiscono buone caratteristiche di duttilità. A suddetti relativamente bassi valori di resistenza meccanica non fa riscontro un alto valore di tenacità; l'acciaio presenta infatti una certa fragilità che è tanto
più elevata quanto più elevato è il tenore di Cr che
tende a dare dimensioni di grano piuttosto elevate.
Tutti gli acciai inossidabili ferritici sono magnetici.
Nella Tavola 2 si riportano i tipi che prenderemo in considerazione e le relative analisi chimiche indicative.
Nello schema B è possibile seguire lo sviluppo dei diversi tipi ferritici partendo dal tipo martensitico AiSI
410.
4.2. Trattamento termico e proprietà meccaniche
a temperatura ambiente
In particolare, sono da evitare permanenze prolungate, sia in esercizio che durante il raffreddamento dalle
alte temperature, intorno a 475 °C. A questa temperatura avviene un fenomeno ancora sconosciuto, denominato « fragilità a 475 °C » che abbassa moltissimo
la tenacità del materiale, specialmente con Cr oltre
il 18%.
A seguito di quanto si è detto al paragrafo precedente
l'unico trattamento termico possibile è quello della
•ricottura di ricristallizzazione, detta tempra di ricristallizzazione in quanto consiste nel portare l'acciaio
ad alte temperature, alle quali rimane quasi sempre
ferritico, e nel raffreddarlo velocemente (acqua od aria
a seconda delle dimensioni) fino a temperatura ambiente. Cosi facendo l'acciaio, invece di indurirsi, si
In definitiva gli acciai inossidabili ferritici non sono
adatti per essere utilizzati come acciai da costruzione
a causa della limitata resistenza meccanica.
57
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LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 n" M7
glia, è superiore a quella dei tipi martensitici, sempre
a causa del maggiore tenore di Cr. La temperatura
massima di esercizio in aria è pertanto la stessa degli
acciai martensitici per i livelli di Cr fino a 18%, mentre
per i ferritici con tenore massimo di Cr (27%) si possono raggiungere anche i 1100°C. Ricordiamo ancora che a questa temperatura non si può avere alcuna
pretesa di tenacità, fatto che non esclude un largo
impiego di questi materiaJi oltre i 900 °C.
4.3. Caratteristiche meccaniche alle basse
ed alle alte temperature
Per quanto riguarda le basse temperature il comportamento dei tipi ferritici è analogo a quelle dei tipi
martensitici e pertanto sono da sconsigliare impieghi
al di sotto di. 0 °C quando sia indispensabile una certa
tenacità che peraltro non è quasi mai necessaria data
la natura dei manufatti in acciaio ferritico, almeno
fino a temperature non eccessivamente basse.
Per le temperature superiori a quella ambiente occorre evitare l'impiego nel campo 400 °C-550 °C a causa
della fragilità a 475 °C di cui si è parlato. Oltre i 550 °C
i tipi feritici, ed in modo particolare alcuni di essi,
sono preferibili in genere ai tipi martensitici per una
migliore prestazione sia nei riguardi dei fenomeni di
scorrimento a caldo che all'ossidazione a caldo. Riteniamo opportuno segnalare che nel campo 540 °C-820
°C, ma per esposizioni assai prolungate, si ha la formazione di una fase metallica non magnetica ed assai
fragile detta Sigma, che è comunque facilmente risolubizzabile nella matrice quando il materiale viene
portato a più alte temperature.
4.5. Lavorabilità
La truciolabilità è comparabile a quella degli acciai
martensitivi ricotti; può essere considerata di media
difficoltà per la solita tendenza del truciolo ad « impastarsi ». Dobbiamo comunque tenere presente che
gii impieghi finali cui sono desinati i tipi ferritici richiedono assai meno lavorazioni di macchina dei
tipi martensitici.
La deformabilità plastica a freddo può considerarsi
buona in quanto buone sono le caratteristiche di duttilità dei ferritici; con opportuni accorgimenti si possono ottenere prestazioni decisamentet soddisfacenti
nelle operazioni di imbutiture confrontabili con quelle
degli acciai dolci al carbonio.
È bene precisare che questi campi di infragilimento
sono più pericolosi per il cambiamento di tenacità che
provocano a temperatura ambiente che per il servizio
nei campi di temperatura dove avvengono cambiamenti strutturali e che anche a temperatura ambiente
potrebbe non interessare un infragilimento del materiale.
Le operazioni di saldatura, al pari delle operazioni
di imbutitura, sono abbastanza frequenti per gli inossidabili ferritici; al limite si potrebbe dire che le operazioni di imbutitura sono frequenti perché relativamente facili, mentre le operazioni di saldatura sono
frequenti perché spesso sono necessarie e più economiche ed a volte insostituibili rispetto ad altri sistemi di assemblaggio. I risultati di una buona saldatura,
selezionando bene i parametri, i tipi e gli eventuali
materiali di apporto relativi a questa operazione, sono in generale soddisfacenti ma occorre sempre tenere presente la fragilità che si viene a creare nelle
immediate vicinanze del cordone di saldatura a causa
della caratteristica di questi tipi di essere soggetti
ad un assai pronunciato ingrossamento del grano
alle alte temperature. I ferritici presentano comunque
una migliore saldabilità rispetto ai martensitici.
4.4. Resistenza alla corrosione
ed alla ossidazione a caldo
Nei confronti della resistenza alla corrosione il salto
qualitativo è netto rispetto ai martensitici: essi possono normalmente resistere in amtosfere industriali
ed a molti prodotti chimici; alcuni di essi vengono anche usati con ottimi risultati sia in atmosfera marina
che a contatto con prodotti chimici fortemente ossidanti.
Un'altra tipica caratteristica di questi acciai è la possibilità che essi offrono di poter facilmente lucidare
a specchio le loro superfici, che si mantengono inalterate nel tempo, anche se di tanto in tanto hanno
bisogno di essere pulite per ripristinare la brillantezza
originaria.
4.6. Impieghi tipici
L'insieme delle proprietà sopra descritte hanno determinato sempre un largo impiego degli acciai inossidabili ferritici per i manufatti i più disparati. Molti sono
i casi in cui, come si accennava all'inizio, vengono
utilizzati anche dove non è necessaria una particola-
Anche la resistenza alla ossidazione a caldo, misurata
come perdita di peso a seguito di formazione di sca58
| LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 n-> 147
re resistenza alia corrosione ma dove è assai apprezzato il loro lucente aspetto superficiale che si conserva proprio in virtù di una più elevata resistenza a
differenti ambienti esterni. Tra i molti usi che se ne
fanno citiamo: lavelli, posate, pentolame e vesellame,
pannelli per l'architettura e solari, lavastoviglie, lavabiancheria, rifiniture di ogni genere specie nel campo automobilistico.
affinità per il C, ha il duplice scopa di eliminare tìalla matrice un potente austenitizzante (il C) e di impedire un impoverimento di Cr nella matrice non
dandogli la possibilità di formare carburi.
Le caratteristiche meccaniche sono quelle del tipo
AISI 405. Esso viene utilizzato principalmente per
marmitte e tubi di scarico delle autovetture ed in
altre applicazioni dove l'aspetto superficiale ha i/na
importanza del tutto secondaria, quali serbatoi ed
irroratrici per l'agricoltura.
Nella descrizione che segue sui differenti tipi, illustreremo come al solito il perché di una numerosa diversificazione tenendo sempre presente a quali differenti
problemi di impiego essi possono fare fronte.
TIPO (409 L)
È del tutto analogo al precedente con migliori prestazioni nelle operazioni di saldatura e formatura a
freddo.
4.7. Descrizione dei differenti tipi
Al SI 405
Questo tipo può essere considerato di passaggio tra
i martensitici ed i ferritici; ha infatti lo stesso tenore
di Cr dei tipi AISI 403 e AISI 410 ed un più basso
tenore di carbonio; la presenza di circa 0,20% di Al,
che è un potente ferritizzante, assicura l'assenza di
martensite dopo la tempra di ricristallizzazione. Sostituisce i tipi martensitici sopra menzionati in quanto
presenta caratteristiche meccaniche e corrosive analoghe quando essi vengono usati allo stati ricotto,
ma migliori possibilità di saldatura.
TIPO (410 S)
Come percentuale di Cr e C è analogo al tipo AISI
405. Non contenendo però Al né Ti, la possibile presenza di elementi residui austenitizzanti (Ni—Mn—N)
possono dare luogo ad una qualche percentuale di
martensite quando il trattamento termico non sia assai accurato. Possiede caratteristiche intermedie tra
i tipi AISI 405 e 410 ricotto. Non vi sono particolari
esigenze di superficie e trova impiego soprattutto
nell'industria petrolchimica per le torri di cracking,
catalizzatori ed altro.
Le sue proprietà lo rendono adatto per rivestimenti di
serbatoi, tubi per scambiatori di calore, recipienti e
rastrelliere di ricottura.
AISI 429
È l'unico acciaio inossidabile ferritico con % Cr intorno a 15, fatto che, dopo trattamento, gli consente
di essere esente da martensite senza aggiunte di
altri elementi ferritizzanti, pur avendo una percentuale massima di 0,12% C anziché 0,08 max come
per i tipi precedentemente descritti. Il carico di rottura è leggermente superiore, ma presenta soprattutto il vantaggio di resistere sia alle atmosfere industriali che a molti ambienti chimici ossidanti. Rispetto al tipo A'ISI 430 è più saldabile ed ovviamente di minore costo. Queste sue proprietà lo rendono adatto in particolare per impianti di acido nitrico
e di nitrurazione.
TIPO (406)
Per tenore di Cr è analogo al precedente; l'elevato
tenore di Al elimina completamente la possibilità di
formazione di martensite anche con tenori di C uguali
a quello dei tipi AISI 403 e AISI 410. Ne deriva da
una
2
parte un carico
di
rottura
più
elevato
(65
kg/mm
contro 50 kg/mm2) rispetto al tipo AISI 405 con lo stesso
allungamento (25%) ed una maggiore resistenza all'ossidazione a caldo, tantoché, anche per l'aumentata
resistività elettrica provocata dall'Ai, può essere usato
con successo per elementi di resistenze elettriche.
AISI 409
Tra tutti gli acciai inossidabili è quello di minore costo
presentando un tenore di Cr minimo di 10.5%. Rispetto al tipo AISI 403 l'assenza di martensite viene
garantita, oltre che dal più basso tenore in C, dalla
presenza di Ti. Questo elemento, avendo una forte
AISI 430
In questo tipo il livello del tenore di Cr è intorno al
17%, percentuale che determina in tutti gli acciai inossidabili un generale miglioramento della resistenza
alla corrosione ed all'ossidazione a caldo.
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LA MECCANICA ITALIANA gennaio ISSI no 147
ne. La presenza infine dei carburi, darebbe un ulteriore
contributo alla diminuzione del roping ed innalzerebbe le caratteristiche meccaniche a caldo, soprattutto
nei casi di scorrimento. Infine la saldabilità e la tenacità dei punti di saldatura risulterebbero migliorate
a causa di un più limitato ingrossamento del grano.
La differenza più importante tra Ti e Cb è che il primo
nelle operazioni di saldatura è più ossidabile e quindi
la quantità di carburi di Ti dopo saldatura è inferiore
a quela dei carburi di Cb; una seconda differenza sarebbe quella che il Ti abbassa la resistenza alla corrosione nei confronti di acidi organici.
Tra tutti gli acciai inossidabili ferritici questo tipo è
quello di gran lunga più utilizzato ed anche in senso
assoluto è secondo soltanto al tipo austenitico AlSl
304.
È disponibile in tutte le forme di prodotti commerciali
ma soprattutto in lamierini e nastri. Presenta una resistenza particolarmente buona sia nei confronti dell'acido nitrico che di molti altri acidi. Il suo aspetto
superficiale è particolarmente lucido già per sé e se
ne può aumentare la specularità assai facilmente. Tra
i moltissimi impieghi, oltre a quelli già descritti per
il tipo AfSI 429, citiamo i seguenti: modanature di
qualsiasi tipo per autovetture od altro, recipienti per
ricottura, camere di combustione, lavelli, lavastoviglie e lavabiancheria, pentolame, vasellame posate,
pannelli per edilizia, frigoriferi, cucine.
Malgrado tutto quanto si è scritto è difficile dare
delle indicazioni precise circa gli impieghi di questi
due tipi di acciaio che in effetti, pur essendo sempre
presenti sul mercato, sono di consumo piuttosto limitato. In prima approssimazione gli impieghi sono generalmente gli stessi del tipo AlSl 430; essi vengono
prescritti da alcuni utilizzatori per fare fronte ai particolarissimi problemi sopra descritti che indubbiamente
essi tendono a ridurre.
AlSl 430 F e AlSl 430 FSe
Costituiscono i soliti tipi introdotti nel mercato, come
si è visto per i tipi martensitici, per aumentare la lavorabilità alle macchine utensili nei casi in cui siano
necessarie più profonde operazioni di taglio. Sono
pertanto delle varianti al tipo fondamentale AilSI 430
per viterie e pezzi lavorati di macchina (tipo allo
zolfo AlSl 430 F) o per pezzi lavorati che si possono
prestare ad operazioni di ricalcatura a freddo o formatura (tipo al selenio AIISI 430 FSe). Ovviamente l'ottenimento di migliori proprietà di lavorabilità all'utensile comporta una diminuzione della resistenza alla
corrosione sia in atmosfere marine che in ambienti
ossidanti.
TIPO (430 C)
La descrizione di questo tipo è assai riposante rispetto ai due tipi precedenti, come pure per il suo
impiego. Viene adoperato in grandi quantità per la
coniatura_(da cui la lettera C) delle monete metalliche
sia delia Zecca italiana (monete da 50 e 100 lire) che
da alcune Zecche straniere. Contiene una maggiore
percentuale di Cr rispetto al tipo AUSI 430 ed inoltre
tutti gli elementi residui ferritizzanti e no vengono tenuti al minimo. Come si può facilmente constatare di
« tasca nostra » ha una resistenza alla corrosione in
molti tipi di atmosfere ed ambienti.
TIPO (430 Cb e 430 Ti)
L'effetto dell'aggiunta di Cb sono per molti versi
simili a quelli dell'aggiunta di Ti parziamente descritti
a proposito del tipo AjISI 409. Il risultato dell'aggiunta
di questi elementi al tipo ferritico base AFSI 430 è
pertanto l'innalzamento dal punto di trasformazione
a ^ Y c n e permette di temprarli da temperature più
elevate; questo fatto contribuirebbe secondo alcuni
alla riduzione di un noto difetto superficiale denominato « cordatura » o « roping » a volte presente sulla
superficie di questo tipo di acciaio ed assai nocivo
esteticamente soprattutto nelle modanature. Un secondo risultato è sempre quello di evitare un impoverimento di Cr nella matrice, fatto che porta in pratica ad un aumento di Cr attivo rispetto all'AISI 430
e quindi ad una migliore resistenza alla corrosione
intergranulare; secondo alcuni ne deriverebbe anche
una maggiore resistenza alla corrosione sotto tensio-
AlSl 434
Rappresenta un'altra modifica del tipo base AlSl 430.
in esso è presente circa l ' 1 % di Mo, appositamente
aggiunto per aumentare la resistenza alla corrosione
per vaiolatura che spesso si manifesta in presenza di
alogenuri. Il suo impiego più tipico è costituito dalle
modanature automobilistiche per quei particolari che
debbono resistere all'azione di cloruri di cui specilmente nei paesi nordici vengono cosparse le strade durante il periodo invernale per diminuire la temperatura di formazione di ghiaccio.
Ovviamente può essere utilizzato in qualsiasi altro
ambiente analogo dove il tipo AlSl 430 presenta degli inconvenienti nei confronti del tipo di corrosione
sopra descritto, ad esempio esso è molto adatto per
60
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LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 n° 147
niche particolari, hanno anche tenori di C 0,004%;
in alcuni si hanno tenori di Cr fino al 30% e tenori
di Mo fino al 5%, con aggiunta anche di circa 2% di
Ni.
essere utilizzato in atmosfera marica per particolari
architettonici.
AISI 436
Data la presenza contemporanea di Mo, come nel
tipo AISI 434 e di Cb, come nel tipo (430 Cb), in esso
si sommano le caratteristiche deli'AISI 434 e del
(430 Cb): ha una spiccata tendenza a ridurre la cordatura unito ad una buona resistenza alla corrosione
per vaiolatura ed ossidazione a caldo.
Il tipo (444) qui descritto presenta lo stesso tenore di
Cr del tipo AISI 430, una percentuale di Mo doppia
di quella del tipo AISI 434; ad esso si aggiunge anche
Ti. La percentuale minima di C e N è limitata ad un
massimo per entrambi gli elementi di 0,025%.
Da suddetta composizione risultano dopo ricottura
di ricristallizzazione carichi di rottura e di snervamento leggermente inferiori a quello del tipo AISI 430 ed
allungamnti percentuali leggermente superiori. Il tipo
(444) presenta l'imbutibilità migliore di tutti gli altri
tipi di acciai ferritici ed il corrispondente tipo allo
zolfo avrebbe una lavorabilità superiore a qualsiasi
altro tipo di acciaio inossidabile.
AISI 442
In questo tipo la percentuale di Cr è su un livello
superiore rispetto ai tipi ferratici precedentemente descritti; la maggiore presenza di Cr permette anche
un maggiore tenore di C senza che esso si indurisca
per trattamento termico; la resistenza meccanica a
temperatura ambiente pertanto è simile a quella del
tipo AISI 430 ma, come si è detto nella descrizione
generale di questi tipi, la sua tenacità è decisamente
inferiore. Esso viene soprattutto utilizzato per quei
particolari che ad alta temperatura debbano presentare un'elevata resistenza alla formazione di scaglia:
forni, camere di combustione, ugelli. Il tipo AISI 442
viene pertanto considerato tra gli acciai inossidabili
denominati « refrattari ». La temperatura massima di
esercizio in aria è di 1040°C per servizio continuo.
Ainche le caratteristiche relative alla tenacità sono
decisamente migliori di quelle degli altri tipi di acciaio inosidabile ferritici e la temperatura di transizione
si abbassa di oltre 50 °C rispetto al tipo AISI 430.
Le proprietà più interessanti di questo tipo sono però da ricercare nella sua eccezionale resistenza ai vari tipi di corrosione. Se la maggior resistenza alla
corrosione intergranulare è scontata rispetto al tipo
AISI 430 data la presenza di Ti ed il basso C, è eccezionale la resistenza alla corrosione per vaiolatura
assicurata dal 2 % di Mo: viene riportato da molti
studi che prove di laboratorio hanno dimostrato che
per molte condizioni di prova esso non è inferiore
da questo punto di vista al tipo austenitico AJSI
316. Dove però questo tipo sembra eccellere su tutti
è la resistenza alla corrosione sotto tensione nei mezzi clorurati ed alla corrosione interstiziale; a questo
proposito sembrerebbe evidente dai risultati ottenuti
come nessun tipo di acciaio inossidabile possa stargli alla pari: anche il tipo AISI 316 gli sarebbe di gran
lunga inferiore.
AISI 446
Presenta tra gji acciai inossidabili ferritici il massimo tenore di Cr: 27%. Circa le sue caratteristiche ed
i suoi impieghi vale quanto detto per il tipo precedente, con una più ampia possibilità di applicazioni. Le
temperature massime di esercizio diventano per questo tipo 1175°C e 1100°C rispettivamente per servizio intermittente e continuo. Viene spesso usato in
atmosfere contenenti zolfo.
TIPO (444)
Riportiamo una descrizione di questo tipo di acciaio
quale prototipo di un gruppo di acciai ferritici che
potrebbero rappresentare in futuro la soluzione ideale
per molti impieghi critici anche in sostituzione di acciai
inossidabili austenitici. Questo gruppo di acciai ferritici hanno in comune un bassissimo ..tenore sia di
carbonio che di azoto; poiché questi elementi formano
nell'acciaio soluzioni solide interstiziali il gruppo di
acciaio viene comunemente denominato ELI: Extra Low
Interstizials. AJcuni tipi, prodotti in acciaieria con tec-
Da questo sopra risultano evidenti gli impieghi cui
questo tipo può esser destinato, primo fra tutti quelli
dove occorre appunto la migliore resistenza alla corrosione sotto tensione ed alla corrosione interstiziale.
Di questo gruppo di acciai inossidabili ferritici, alcuni
dei quali si debbono considerare ancora sperimentali,
quello a maggior tenore di elementi leganti è il 29 Cr,'
4 Mo, 2 Ni dove il Ni viene aggiunto per ottenere un
certo miglioramente nei confronti di ambienti chimici
riducenti.
61
| LA MECCANICA ITALIANA gennaio 1981 n* 147
Parte seconda
5. ACCIAI INOSSIDABILI AUSTENITICI
5.1. Analisi chimica
Gli acciai inossidabili austenitici presentano due elementi caratterizzanti anziché uno: Cromo e Nickel.
A questi due elementi, sempre presenti, se ne aggiungono spesso altri che portano un contributo ferritizzante od austenitizzante. Il risultato è che, come
per i ferritici, non esiste un punto di trasformazione
a ?^ y e la struttura è sempre austenitica e non magnetica sia alla basse che alle alte temperature. Non
vi è quindi alcuna possibilità di indurire il materiale
con un trattamento termico di tempra.
La percentuale di C è bassa, la percentuale di Cr
varia da un minimo di 16% ad un massimo di 26%;
la percentuale di Ni da un minimo di 1,0% ad un
massimo di 37%.
Poiché molti tipi contengono Mo (da 2 a 6%) è conveniente ai fini espositivi dividere i numerosissimi
tipi di questo gruppo di acciai inossidabili in due sottogruppi a seconda che contengano o meno questo
elemento.
Nella tavola III A riportiamo gli acciai inossidabili austenitici al Ni-Cr e nella tavola III B quelli al Ni-Cr-Mo.
Nello schema C si DUO seguire lo sviluppo degli acciai austenitici al Ni-Cr partendo dal tipo ferritico
A'ISI 430, mentre nello schema D si può seguire lo
SVÌIUDPO depli acciai austenitici al Ni-Cr-Mo partendo dal tipo austenitico al Ni-Cr AISI 304.
A causa dell'elevata percentuale di elementi leganti
che si aqgira in genere sul 30% ma che può superare anche il 50%. è naturale che i tipi inossidabili
austenitici risultino essere di costo assai elevato. È
però opportuno sottolineare il fatto che, come avremo modo di vedere in sepuito. le loro prestazioni sono assai elevate e tali da fare fronte ad un vastissimo
campo di impieghi; possono pertanto sostituire quasi sempre i tipi ferritici con costi di tasformazione generalmente assai inferiori e garanzie assai maggiori
nei confronti della resistenza alla corrosione. Tran51
ne pochissimi casi, non essendo adatti ad essere utilizzati al pari dei ferritici come acciai da costruzione,
non possono quasi mai sostituire i tipi inossidabili
martensitici.
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Tale veloce raffreddamento è indispensabile se si vuole evitare la possibilità, assai accentuata nel campo di
temperatura 450 °C-8S0 °C, della precipitazione di carburi di cromo, assai dannosi agli effetti della resistenza
al tipo di corrosione intergranulare.
5.2. Trattamento termico e proprietà meccaniche
a temperatura ambiente
Essendo questi tipi austenitici a tutte le temperature
è evidente che anche in questo caso l'unico trattamento possibile è quello che porta ad una omogeneizzazione del materiale permettendo di ottenere
una struttura composta di sola austenite senza presenza di carburi od altre fasi. Poiché questo trattamento si esegue portando il materiale ad alta temperatura e raffreddandolo velocemente, esso prende
ancora il nome di tempra anche se il risultato è quello di ottenere un materiale assai dolce, tenace e
duttile; più propriamente si parla di tempra o ricottura
di solubilizzazione o di austenitizzazione. La temperatura di: riscaldo viene portata a circa 1100°C, e
cioè 300 p C più elevata che per i tipi ferritici; ciò è
possibile in quanto non vi sono i pericoli di forti
ingrossamenti del grano; è necessario per solubilizzare completamente i carburi nell'austenite che come è noto può sciogliere molto più C che la ferrite;
è utile in quanto accelera i tempi di ricottura.
Il raffreddamento dovrà essere più veloce possibile
ed è quindi da mettere in relazione alle dimensioni
del materiale per non provocare inutili distorsioni che
poi devono essere eliminate.
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Allungamento
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Resilienza
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Durezza
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65
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20
85
Non abbiamo inserito questo paragrafo a proposito
degli inossidabili martensitici e ferritici in quanto per
essi le proprietà fisiche sono in larga misura comparabili con quelle degli acciai al C o debolmente legati.
Per gli austenitici si hanno invece delle differenze sostanziali che è opportuno sottolineare sia ai fini dei
processi di trasformazione dai laminati ai manufatti
che degli impieghi.
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Limite di
snervamento
0.2%
kg/mm2
È subito evidente come l'insieme di queste caratteristiche sia tale da assicurare ottime prestazioni dove
si richiedano duttilità e tenacità. Agendo opportunamente sui tempi e soprattutto sulle temperature di ricottura si può superare facilmente un allungamento
del 60%. Naturalmente in queste condizioni si provoca un certo ingrossamento del grano che può provocare l'apparizione della cosiddetta « buccia d'arancia » con le operazioni di imbutitura e con conseguente difficoltà di lucidatura del manufatto.
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Carico di
rottura
kg/mm2
5.3. Proprietà fisiche
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Le caratteristiche meccaniche medie risultanti a seguito della ricottura di solubilizzazione sono le seguenti:
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La prima grande differenziazione è quella di non essere magnetici, fatto del tutto insolito per i materiali
ferrosi a temperatura ambiente che impedisce fa manipolazione di questi acciai a mezzo di magneti.
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Il peso specifico è leggermente superiore a quello dei
ferritici: 7.95 anziché 7,7 kg/dm3. quindi a parità di
dimensioni il materiale è leggermente più pesante.
La resistività elettrica
è maggiore di circa il 15%: 0,74
anziché 0,60 2 mm2/m.
52 |
LA MECCANICA ITALIANA febbraio 1981 n.- 148
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SCHEMA C - Acciai inossidabili austenitici al Ni-Cr
II coefficiente di dilatazione è superiore di circa il
60%; tra 0CC6e 100 °C esso è di circa 16,5 x 10-6/°C
anziché 10,5" /°C. Occorre pertanto tenere conto di
assai più elevati cambiamenti dimensionali sia durante
il riscaldo che il raffreddamento.
precalcolate in base all'analisi di colata, a precisi livelli di durezza denominati stati 1/4, 1/2, 3/4 e completamente duro. Con questi trattamenti di lavorazione
a freddo si provocano degli aumenti del carico di rottura e del limite di snervamento con conseguenti diminuzioni degli allungamenti che anche per lo stato
completamente duro rimangono ancora su livelli utilizzabili.
La conducibilità termica è inferiore di circa il 40%:
a 100 °C è 16,3 anziché 25,2 W/m °C. Questo fatto
provoca una maggiore concentrazione di calore nelle
zone riscaldate e determina ad esempio la necessità
di applicare piastre di rame sui fondi delle pentole.
I livelli del carico di rottura e del limite di snervamento minimi garantiti per i suddetti quattro stati di indurimento sono i seguenti:
5.4. Indurimento per lavorazione a freddo
Abbiamo visto come gli inossidabili austenitici, al pari dei ferritici, non possano essere induriti con il trattamento di tempra. Essi presentano però una particolarità assai interessante rispetto ai tipi ferritici: possono indurirsi moltissimo con operazioni di lavorazione
a freddo. Questa caratteristica è precipua per alcuni
tipi che possono essere induriti, normalmente attraverso percentuali di riduzioni di laminazione a freddo
1/4 Duro
53
Carico di rottura
kg/mm 2
Limiti di snervamento 0,2%
kg/rnm2
87,5
52.5
1/2 Duro
105,0
77.0
3/4 Duro
122.5
94,5
Compì. Duro
129.5
98.0
! LA MECCANICA ITALIANA febbraio 1981 n" 148
Gli allungamenti e le caratteristiche di piegabilità variano a seconda del tipo di acciaio e degli spessori.
isteresi si ha pertanto una struttura austenitica metastabile.
A parità di riduzione a freddo si induriscono maggiormente i tipi a struttura austenitica più instabile. L'instabilità dell'austenite dipende dalla composizione chimica e più precisamente dal rapporto tra gli elementi
austenitizzanti e quelli ferritizzanti. Quando il rapporto
è più basso il punto di trasformazione oc *=* y P uo trovarsi a 200 °C-300 °C; con la ricottura si ottiene sempre una struttura austenitica non magnetica poiché
a quelle temperature ed a temperatura ambiente la
trasformazione da austenite in martensite è impedita
per mancanza di energia interna. Per un fenomeno di
Con la lavorazione a freddo, che aumenta l'energia
interna, si ha un aumento di durezza e la comparsa
anche di un forte magnetismo a causa sia della trasformazione dell'austenite in martensite che per le tensioni cui rimane soggetto il materiale per la deformazione dell'austenite che rimane tale. Quando il rapporto è alto, la temperatura di trasformazione è bassa e
non si ha praticamente formazione di martensite; il
piccolo aumento di durezza è dovuto soltanto alle
tensioni indotte nell'austenite.
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SCHEMA D - Acciai inossidabili austenitici al Ni-Cr-Mo
54
| LA MECCANICA ITALIANA Febbraio 1981 no 148
5.5. Proprietà meccaniche alle basse ed alle aita
temperature
B
Gli acciai inossidabili austenitici sono insuperabili per
l'impiego alle basse temperature, anche vicino allo
zero assoluto. L'esposizione a basse temperature non
modifica le caratteristiche meccaniche a temperatura
ambiente. Prove eseguite a bassa temperatura indicano che si ha un forte aumento del carico di rottura
ed un piccolo aumento del limite di snervamento, mentre la duttilità e la tenacità diminuscono pochissimo.
Il fenomeno è comune a quello di tutti gli altri acciai
per quanto riguarda le caratteristiche tensili, mentre
per quanto riguarda tenacità e duttilità è esclusivo degli acciai inossidabili austenitici.
35 kg/mm2
Allungamento
42%
16 kg m/cm2
Resilienza Charpy
7
Tipi ferritici
0,5
1,4
5.6. Resistenza alla corrosione
ed alla ossidazione a caldo
160 kg/mm2
Limite di snervamento allo 0,2%
2,8
Citiamo infine che anche per gii acciai inossidabili austenitici, dopo lunghe esposizioni tra 620 °C e 900 °C,
e soprattutto nei tipi a più elevato tenore di Cr e con
Mo, vi è la possibilità di formazione di fase sigma;
la velocità di questa formazione è proporzionale all'incrudimento od alle tensioni presenti sul materiale. La
fase sigma provoca gli stessi fenomeni di fragilità ed1
aumento di durezza già descritti per i ferritici e può
essere facilmente ridisciolta nella matrice austenitica
con un trattamento di ricottura.
Per dare un'idea dell'entità di questo fenomeno, riferendoci alle proprietà medie indicate al paragrafo
5.2., esse a —196 °C si modificano indicativamente nel
modo seguente:
Carico di rottura
Tipi austenitici
Come si è già detto, la resistenza alla corrosione dei
tipi inossidabili austenitici è la più elevata che si possa desiderare. Resistono in atmosfere industriali e marine, a prodotti chimici fortemente ossidanti ed in alcuni casi (tipi con Mo) anche a prodotti chimici riducenti ed ad acque salate. Presentano superfici perfettamente lucidabili a specchio che si mantengono tali
nel tempo con poca manutenzione. Sono infatti pulibili ed hanno un indice di igienicità pari a quello dei
vetro.
Da quanto sopra dobbiamo sottolineare che non esiste
per gli inossidabili austenitici una temperatura di transizione.
Anche alle elevate temperature gli inossidabili austenitici presentano interessanti proprietà meccaniche.
Nei riguardi delle massime temperature cui possono
sottostare in servizio continuo senza apprezzabile formazione di scaglia possono essere impiegati fino a
930 °C (contro gli 820 °C dei ferritici) ed i tipi refrattari
fino a 1150°C (contro 1100°C dei refrattari ferritici).
Precisiamo che per servizi intermittenti la temperatura
massima di utilizzo diminuiscono di 50-100 °C anziché
di aumentare della stessa entità come succede per i
ferritici; come conseguenza il tipo ferritico 446 descritto in precedenza rimane quello con la più afta temperatura possibile in servizio intermittente (1100°C).
Anche nelle prove di trazione rapida a caldo, a 600 °C
ed oltre, quasi tutti i tipi austenitici presentano una
resistenza meccanica superiore a quella dei tipi ferritici e martensitici.
Queste prove, come è noto, hanno però poca importanza pratica oltre i 500 °C in quanto intervengono i
fenomeni di scorrimento a caldo di cui occorre tenere
conto, ed è appunto nei confronti dello scorrimento
a caldo che i tipi austenitici forniscono eccezionali
prestazioni. Prendendo come riferimento una temperatura di 760 °C riportiamo a titolo indicativo, per poter
fare un confronto, i carichi medi in kg/mm2 necessari
per poter ottenere l'allungamento dello 0,1% (A) e la
rottura (B) in 1000 h, rispettivamente per i tipi ferritici
ed austenitici.
5.7. Lavorabilità
La truciolabilità, sebbene per cause diverse, può essere considerata alla pari di quella delle altre due classi di inossidabile precedentemente descritte. Nel caso degli austenitici la causa principale risiede-nella
55
| LA MECCANICA ITALIANA febbrai» 1961 no 148
diluiremo al massimo riportandone solo i più caratteristici alla fine della descrizione dei singoli tipi.
forte tendenza che essi presentano all'incrudimento a
seguito di lavorazioni a freddo, quale si deve considerare anche l'asportazione del truciolo. Lo stesso
problema si presenta anche per una semplice cesoiatura che può modificare le caratteristiche del materiale
nei pressi dei bordi cesoiati. Vi sono anche qui degli
accorgimenti particolari, relativi alle velocità di taglio
ed agli angoli di lavoro da dare agli utensili, per superare l'ostacolo. La solita aggiunta di S e di Se può
migliorare notevolmente la truciolabilità quando necessario.
5.9. Descrizione dei differenti tipi
5.9.1. Serie al Ni-Cr
AISI 201
La serie 200 è caratterizzata dalla forte presenza di
Mn, anch'esso elemento austenitizzante, che sostituisce gran parte del Ni. Oltre il Mn viene aggiunto azoto
che con il suo forte potere austenitizzante (e costo
quasi nullo) contribuisce ad avere una struttura completamente austenitica allo stato ricotto ed ad aumentare la resistenza meccanica del materiale. I tipi della
serie 200 hanno conservato la nomea di tipi « autarchici » in quanto furono messi a punto durante il periodo di mancanza di Ni, ma hanno largamente dimostrato di avere un loro proprio impiego.
Sul problema della deformazione plastica a freddo per
imbutitura o stampaggio non ci soffermiamo perché
per molti di questi acciai l'unico problema al riguardo
è quello di frenare gli entusiasmi degli stampatori che
sembrano non conoscere limiti.
Anche per fa sanabilità diremo solo che è ottima e
vi è solo l'imbarazzo della scelta, che comunque deve
essere oculata e tenere presente gli spessori e la resistenza meccanica che deve avere il giunto saldato.
L'AISI 201 può infatti sostituire in modo soddisfacente
l'AISI 301 in molte applicazioni ed ovviamente ha un
minor costo.
5.8. Impieghi
Allo stato ricotto
presenta un carico di rottura medio
2
di 70
kg/mm
ed
un limite di snervamento di 32 kg/
mm2 con allungamento intorno a 40%.
Avendo presente il quadro completo delle proprietà
sopra descrìtte per questa classe di inossidabili si
comprende la vastità degli impieghi possibili, limitati
solo in qualche caso e giustamente, dal maggior costo degli austenitici rispetto ai tipi ferritici. Il maggior
costo va però esaminato attentamente in quanto pur
essendo indubitabile che una lamiera austenitica costi
di più di una ferritica, occorre tenere presente non
solo la durata ma le spese e le difficoltà connesse
alla trasformazione dei due diversi prodotti nel manufatto finale che si vuole ottenere. Ovviamente vi sono
molti casi in cui il manufatto che si vuole ottenere è
fattibile solo con gli austenitici ed altri, ugualmente numerosi, in cui il manufatto potrebbe essere ottenuto
sia con l'austenitico che col ferritico, ma per le prestazioni che esso deve avere in servizio occorre scartare l'utilizzazione del tipo ferritico.
Con la lavorazione a freddo diventa magnetico è può
essere incrudito in tutta la gamma dell'indurito con
allungamenti minimi che vanno dal 20% per 1/4 duro
al 4% per il completamento duro. Nei vari stati di durezza trova applicazione per longheroni portanti di
carrozze ferroviarie.
Allo stato ricotto trova impiego per rivestimenti, vasellame che si possa ottenere con leggeri stampaggi,
rifiniture automobilistiche.
Il confronto con i martensitici non è possibile in quanto, ripetiamolo, tranne qualche caso dove si può supplire con l'indurimento di lavorazione a freddo, le caratteristiche degli austenitici non sono assolutamente
adatte da trovare un largo impiego come acciai da
costruzione.
AISI 202
Rispetto al precedente presenta più elevate percentuali di Mn (9 anziché 7%) e di Ni (5 anziché 4,5%).
L'austenite che ne risulta è più stabile e con la lavorazione a freddo diventa leggermente magnetico. È comparabile all'AlSl 302, del quale costituisce un'alternativa più economica pur essendo meno duttile allo stato ricotto. Può essere indurito solo allo stato 1/4 duro
ed ha una migliore resistenza alla corrosione rispetto
al precedente.
Malgrado sia piuttosto noioso abbiamo comunque il
dovere di dare un elenco degli impieghi principali; lo
Allo stato ricotto ha gli stessi impieghi dell'AISl 201,
ma con caratteristiche di stampaggio decisamente mi56
|
LA
MECCANICA ITALIANA febbraio 1931 n" 148
gliori che rendono possibile la fabbricazione di batterie da cucina; può essere utilizzato per contenitori per
trasporto e stoccaggio del latte.
Tra i numerosissimi usi finali citiamo: modanature, attrezzature per l'industria alimentare (lattiero-casearia,
vinaria, della birra, della carne), lavelli, pentolame, vasellame, posateria, oreficeria, serbatoi per trasporto
acidi e prodotti chimici in genere, facciate e pannelli
architettonici, mobili, industria aeronautica, petrolchimica, chimica, impianti criogenici, ecc.
Al SI 205
Contiene tra gli austenitici la più alta percentuale di
Mn (15%) e la più bassa percentuale di Ni (1.5%). La
sua struttura austenitica è molto stabile, si indurisce
assai poco con la lavorazione a freddo, né diventa
magnetico. Presenta carichi di 2rottura (95 kg/mm2) e limiti
di snervamento (50 kg/mm ) assai elevati con ottimi
allungamenti (circa 60%). È adatto per impieghi a bassissime temperature e per speciali operazioni di stampaggio e per imbutitura al tornio.
AISI 302 B
L'aggiunta di circa 2,5% Si al tipo precedente da
origine a questo tipo che presenta una superiore resistenza alla formazione di scaglia alle alte temperature permettendo di essere impiegato fino a temperature di 950 °C e 870 °C rispettivamente in servizio
continuo ed in servizio intermittente. Pertanto questo
tipo viene usato esclusivamente per particolari che
sono esposti ad alte temperature di esercizio quali
parti di forno, rivestimenti, elementi riscaldanti, bruciatori.
Almeno in Europa viene comunque poco utilizzato e
come i due precedenti meriterebbe di essere maggiormente conosciuto, specialmente in Italia dove si
ricorre quasi sempre aH'AISI 304.
AISI 301
Con 17% Cr e 7% Ni è il tipo più usato nei quattro
stati induriti nei quali presenta eccezionali allungamenti: 25% nello stato 1/4 duro e 9% nello stato completamente duro. Allo stato indurito è sempre magnetico e viene utilizzato per catene di nastri trasportatori, molle, strutture portanti di carrozze ferroviarie ed
autovetture ed anche per coltelleria.
AISI 303 e 303 Se
Rappresentano i soliti tipi ad aita lavorabilità alle
macchine utensili con l'aggiunta rispettivamente di S
e Se al tipo base AISI 302. Essi vengono usati per
viti, bulloni, dadi, boccole, valvole; il tipo al selenio
è come al solito più indicato per ricalcatura a caldo
ed a freddo ed accessori per aeronautica. Dal punto
di vista della resistenza alla corrosione sono sconsigliati in atmosfere marine ed in prodotti chimici ossidanti.
Allo stato ricotto può essere usato per pannellature,
rifiniture automobilistiche, coprimozzo. Tranne che per
vasellame ottenuto per leggero stampaggio non è adatto per operazioni di imbutitura data la sua grande tendenza ad incrudirsi ed a magnetizzarsi; le tensioni residue presenti sul manufatto stampato sono tali da
farlo quasi esplodere se non si provvede immediatamente a ricotture che devono essere poi seguite da
una calibratura finale.
AISI 304
Con valori medi di 19% Cr e 9,5% Ni rappresenta il
tipo di acciaio inossidabile più usato in senso assoluto. Ha una resistenza alla corrosione leggermente
superiore a quella dell'AISI 302 ed acquista un leggero magnetismo con la lavorazione a freddo. Ha un
tenore massimo di C di 0,08%. molto più basso rispetto ai tipi austenitici precedentemente descritti.
Questo fatto limita la possibilità della precipitazione
di carburi dopo saldatura aumentando la resistenza alla corrosione intergranulare. Con Ni sui valori massimi e Cr sui valori minimi si può identificare un altro
tipo similare che può essere indicato come tipo 304
PS, particolarmente adatto per profondissimi stampaggi-
AISI 302
Con valori medi di 18% Cr e 9% Ni ha una resistenza
alla corrosione leggermente superiore a quella dei
tipi precedentemente descritti. Anche se può essere
usato allo stato 1/4 duro (molle) ma con caratteristiche
di duttilità decisamente inferiori a quelle dell'AISI
301, esso trova la sua più larga utilizzazione allo stato
ricotto, tanto da « dividersi » il mercato con l'AlSl 304,
almeno all'estero. Dopo lavorazione a freddo si magnetizza in modo trascurabile.
Viene impiegato per gli stessi usi finali illustrati a proposito dell'AISl 302, in particolare segnaliamo il cam57
LA MECCANICA ITALIANA febbraio 1981 rv> 146
j
pò architettonico e dell'arredamento, l'industria ed il
trasporto della birra, l'industria alimentare, tubi, trasporto di ossigeno, idrogeno ed azoto liquidi, reattori
per l'industria chimica e nucleare.
possibile avere la stessa resistenza meccanica complessiva con spessori di circa 1/4 inferiori a quelli che
si dovrebbero prendere in considerazione utilizzando
l'AISI 304.
AISI 304 L
Tipo 304 LN
Quanto si è detto sopra a proposito dell'AISI 304 N
nei confronti dell'AISI 304 è valido per questo tipo nei
confronti dell'AISI 304 L
Tipo a bassissimo tenore di C (0,03% max) con percentuali di Ni superiori a quelle dell'AISI 304 per
compensare la riduzione del C che è un forte austenitizzante. Con questo accorgimento diminuisce praticamente il pericolo della corrosione integranulare in
quanto, data la mancanza di C, non si formano carburi durante il raffreddamento che segue le operazioni di saldatura. Questo tipo viene quindi utilizzato
per tutti quei manufatti, specialmente se di spessore
elevato, che debbono essere saldati e per i quali non
esiste la possibilità di ricottura per la risolubilizzazione dei carburi precedentemente precipitati. Per rivestimenti, serbatoi o reattori chimici di qualsiasi tipo
e di elevato spessore si impiega pertanto questo tipo
di acciaio, ovviamente dove ci potrebbe essere il pericolo di corrosione integranulare.
AISI 305
Presenta una percentuale di C intermeda tra l'AISI
302 e l'AISI 304, 18% Cr come l'AlSI 302 con un %
Ni che può arrivare al 13% e cioè decisamente più
elevata. Si ha quindi una struttura austenitica assai stabile, pochissimo suscettibile all'incrudimento ed alla
comparsa di magnetismo a seguito di lavorazione a
freddo. È adatto sia per gli stessi impieghi dell'AISI
205 che di quelli del tipo UNS S-30430, dei quali è
assai più reperibile sul mercato, essendo commercializzato non solo sottoforma di filo a tondo ma anche
in lamierini, nastri e lamiere.
Tipo UNS - S 30430
AISI 308
Con valori medi del 20% Cr e 11% Ni presenta una
resistenza alla corrosione ed alla ossidazione a caldo
superiore a quella dell'Alisi 304. Viene usato principalmente come filo per saldatura per gli acciai inossidabili e la più elevata percentuale di Cr in esso presente è appunto introdotta per compensare le perdite
per ossidazione di questo metallo durante le operazioni di saldatura.
Questo tipo prodotto quasi esclusivamente in filo e
barre tonde è una modifica del tipo AISI 302 con la
percentuale di C dell'AISI 304 e l'aggiunta di circa
3,5% di Cu, anch'esso austenitizzante. Ne risulta una
struttura austenitica assai stabile che si indurisce per
lavorazione a freddo meno ancora dell'AISI 305; particolarmente raccomandato per le più severe operazioni di ricalcatura a freddo.
Allo stato ricotto presenta tra tutti gli austenitici
i più
bassi carichi medi2 di rottura (50 kg/mm2) e di snervamento (22 kg/mm ) ed il più alto allungamento (70%).
AISI 309 e 309 S
Con 23% Cr e 14% Ni costituiscono i cosiddetti tipi.
refrattari austenitici. Le loro temperature massime di
impiego di 1700°C e di 1010 °C rispettivamente per
servizio continuo e per servizio intermittente. L'unica
differenza tra i due riguarda la saldabilità che è migliore per il 309 S a causa del più basso tenore di C.
Trovano tipico impiego per attrezzature per trattamento termico, parti di forno, scambiatori di calore, valvole e bruciatori, piastre di rivestimenti ad alta temperatura.
AISI 304 N
Dal punto di vista analitico si tratta di un AISI 304
con aggiunta di azoto, che determina una maggiore
resistenza meccanica senza provocare elevate diminuzioni di duttilità e di resistenza alla corrosione; si ha
anche la conseguenza di poter disporre di una struttura austenitica più stabile con le lavorazioni a freddo
si incrudisce meno dell'AISI 304.
AISI 310 e 310 S
Con 25% Cr e 21% Ni possono raggiungere temperature di servizio superiori ai precedenti e precisamente
Poiché per questo tipo si possono garantire limiti di
snervamento superiori ai 30-33 kg/mm2, ne deriva che
esso permette di risparmiare materiale in quanto è
58
| '<-A MECCANICA ITALIANA febbraio 1981 rw 148
di 1120°C in servizio continuo e di 1040 °C in servizio
intermittente.
carburazione, all'ossidazione a caldo e soprattutto agli
urti termici.
Anche in questi casi la S indica una migliore saldabilità. Citiamo altri usi finali: camere di combustione,
metallo di apporto per saldature, parti per turbine a
gas e motori a reazione, inceneritori.
Può essere utilizzato per gli stessi impieghi dell'AISI
314 quando siano in gioco problemi di fatica termica.
AISI 347 e 348
In questi due tipi viene aggiunto Nb anziché Ti per
diminuire la possibilità della formazione ai carburi di
Cr dannosi per la corrosione intergranulare.
AISI 314
Può essere considerato come un AISI 310 con aggiunta di circa 2,5% Si. Questo elemento conferisce all'acciaio una ancora maggior resistenza all'ossidazione a caldo, soprattutto una maggiore resistenza alla
carburazione, fatto che lo rende raccomandabile per
impianti di cementazione, di ricottura e per tubi radianti.
Il secondo tipo si differenzia dal primo per una limitazione dei tenori di tantalio (sempre presente insieme al Nb) e di cobalto, necessario per l'impiego in
ambienti radioattivi.
Gli usi finali sono del tutto simili a quelli dello AISI
321 ed in larga misura a quelli dell'AISI 304 L Questi
tipi al Nb si distinguono però per una più spiccata
resistenza allo scorrimento a caldo per la quale eccellono tra tutti gli acciai inossidabili.
AISI 321
Può essere assimilato ad un AISI 304 con la presenza
di Ti. Come si è già detto l'azione del Ti è quella di
impegnare il C nella formazione di carburi di Ti impedendogli di combinarsi col Cr ed evitando così
la formazione di carburi di Cr durante le operazioni
di saldatura. Gli usi finali sono quelli tipici dell'AISI
304 L per cui utilizzare l'uno o l'altro tipo è quasi un
fatto di simpatia; di solito in Germania si preferisce
l'AISI 321.
AISI 384
La presenza di solo 16% Cr unitamente al 18% Ni fa
dj questo acciaio uno dei più stabili, sempre non magnetico sia allo stato ricotto che dopo lavorazione
a freddo. Lo stesso risultato si ottiene con elevato tenore di Mn nell'AISI 205, con la presenza di Cu nel
tipo UNS-S30430 ed in minore misura nell'AISI 305.
L'AISI 384 ha quindi la possibilità di essere impiegato
per usi finali analoghi con più spiccate caratteristiche
di imbutibilità.
È opportuno sottolineare che le superfici del 321 sono peggiori di quelle del 304 L a causa della presenza
di inclusioni di carburi di titanio appositamente introdotti e pertanto è sconsigliabile l'uso di questo acciaio
in applicazioni decorative. Il Ti d'altra parte determina
anche una maggiore resistenza meccanica a caldo
per cui l'AISI 321 è raccomandato per particolari da
usare a temperatura tra 430 °C e 900 °C, che è poi
il campo in cui avviene la precipitazione dei carburi
di Cr per tutti gli altri acciai esclusi i tipi L e quelli
con Ti e Nb.
5.9.2. Serie al Ni-Cr-Mo
Gli austenitici di questa serie differiscono da quella
della serie precedentemente descritta per l'aggiunta
di Mo che conferisce loro soprattutto la possibilità di
resistere alla corrosione in ambienti riducenti e di aumentare la resistenza alla corrosione in ambienti fortemente industriali e marini nonché in acqua salmastra.
Tra gli impieghi tipici citiamo: collettori di scarico per
aerei, corpi di caldaia, reattori chimici, giunti di dilatazione, bruciatori, muri tagliafuoco, apparecchi a pressione, tubi per resistenze corazzate.
Il Mo presenta infatti la caratteristica di poter combattere, in modo proporzionale alla percentuale in cui
è presente nell'acciaio, quella particolare forma di
corrosione sempre possibile in ambienti riducenti in
generale ed in presenza di aiogenuri in particolare. Si
tratta della corrosione per vaiolatura o pitting, estremamente infida in quanto le perdite di peso sono praticamente nulle ma sono sufficienti alcuni « vaioli »
spesso non visibili per portare alla perforazione del
AISI 330Con valori medi di 36% Ni, 19% Cr e 1% Si rappresenta il tipo di acciaio inossidabile austenitico più
legato e più costoso. Ha una buona resistenza alla
59
| LA MECCANICA ITALIANA febbraio 1981 no 148
nore di azoto. Le percentuali di azoto risultanti da
questa sdoppiatura, valide per tutti i tipi di azoto,
sono in genere t),08% -r 0,14% per i tipi a più basso
contenuto e 0,14% -=- 0,20% per i tipi a più alto contenuto. Come conseguenza anche le caratteristiche
meccaniche vengono sdoppiate in due serie.
manufatto con conseguenze gravissime anche dal
punto di vista della sicurezza. Il Mo aiuta anche a combattere la corrosione sotto tensione ed interstiziale.
Pertanto i tipi austenitici al Ni-Cr-Mo sono tra gli acciai inossidabili i più resistenti alla corrosione sia nei
confronti del maggior numero di ambbienti corrosivi
che nei diversi tipi possibili di corrosione.
TIPO (316 LN)
AISI 316
Valgono rispetto all'AISI 316 L le stesse considerazioni fatte per il tipo (340 LN) nei confronti dell'AISI
304 L. A causa della doppia sdoppiatura dovuta a Mo
e Ni, vi sono in complesso quattro sottotipi. È opportuno sottolineare tra gli usi finali di questi tipi il campo delle costruzioni navali dove una buona resistenza
alla corrosione nei confronti dell'acqua di mare e dell'ambiente marino, unitamente ad un notevole alleggerimento delle strutture grazie alla presenza di N, sono
fattori determinanti nella scelta di questi tipi.
Nella serie al Mo corrisponde all'AISI 304 ed è prodotto in grande quantità. In Europa l'originario tipo
AISI viene sdoppiato e si ha un tipo (316) con Mo
2.0 -r 2.5% ed un tipo (316 S) con 2,5 -=- 3.0% Mo.
Rispetto all'AISI 304, del quale a temperatura ambiente
ha all'inarca le stesse caratteristiche meccaniche, esibisce, come tutti gli altri acciai al Mo nei confronti degli analoghi tipi senza Mo, prestazioni migliori nei
confronti dello scorrimento a caldo.
Citiamo alcuni usi finali tipici: attrezzature per industrie chimiche e cartarie, apparecchiature per sviluppo e stampe di fotografie; recipienti per industrie
enologiche, componenti di impianti per la produzione
di fertilizzanti, per l'industria del pomodoro.
TIPO (316 LU)
È il tipo usato per gli impianti per la fabbricazione di
urea (U). Non essendo ancora unificato l'analisi che
abbiamo riportato nella tab. Ili B è solo indicativa.
Possiamo comunque affermare che in generale il tenore di C viene tenuto il più basso possibile e si aumenta il tenore di Cr oltre il 14%. Pur rimanendo il
tenore di Mo nell'intervallo più basso è necessario
aumentare il tenore di Ni con l'aggiunta di quantità
minime di azoto per garantire una certa stabilità strutturale. Assai importanti sono i livelli max ammessi per
P e soprattutto per S, onde limitare al massimo il
tenore di inclusioni non metalliche e poter superare
le severe prove di resistenza alla corrosione previste
per questo tipo.
AISI 316 F
Per questo tipo allo zolfo vale nei confronti dell'AISI
316 quanto si è detto a proposito dell'AISI 303 nei
confronti dell'AISI 304.
AISI 316L
Anche per questo tipo valgono nei confronti del 316
ciò che si è detto dell'AISI 304 L nei confronti delTAISI 304.
TIPI (316 Ti) e (316 Cb)
Nelle norme Europee esiste uno sdoppiamento analogo a quello illustrato per l'AISI 316; vi è cioè un tipo
(316 L) con tenori di Mo e Ni al minimo ed un tipo
(316 SL) con gli stessi elementi al massimo consentito dall'AISI.
Questi tipi non vengono riportati nel Manuale AISI
per l'accennata preferenza che il mercato americano
da ai tipi L per combattere la corrosione intergranulare. In Europa se ne fa invece un uso abbastanza consistente, sempre con la solita sdoppiatura tra alto e
basso Mo. Essi equivalgono ai tipi AISI 321 e 347 con
aggiunta di Mo; nei confronti dell'AISI 316 e 316 L
si possono ripetere le stesse considerazioni enunciate
per l'AISI 321 e 347 nei confronti dell'A'ISI 304 e 304 L
Da quanto si è detto in precedenza risultano evidenti
anche le eccezionali caratteristiche di resistenza allo
scorrimento del tipo (316Cb). Non sono adatti dove
si richiede una buona quanlità superficiale.
AISI 316N
Si possono fare rispetto all'AISI 316. le stesse considerazioni fatte per l'AIS! 304 N rispetto all'AISI 304.
Facciamo presente che spesso, sia sulle norme nazionali che dei diversi produttori, si possono trovare in
Europa, oltre la già citata sdoppiatura tra Mo più alto
e più basso, anche una sdoppiatura determinata dal te60
| LA MECCANICA ITALIANA febbraio 1981 n° 148
to per colmare le lacune esistenti tra i martensitici di
elevata resistenza meccanica ma di scarsa resistenza
alla corrosione e gli austenitici di bassa resistenza
meccanica ma di elevata resistenza alla corrosione. La
maggior parte di questi acciai non sono ancora unificati dall'AISI che ne riporta solo quattro con la sigla
UNS (Unified Numbering System). Noi limitiamo la
nostra descrizione a quelli riportati nel Manuale AISI
ed a due altri tipi rappresentativi tralasciando quelli,
assai numerosi, elencati nei cataloghi tecnici dei rispettivi produttori. Le analisi relative ai tipi descritti
sono riportate in tav. IV.
AISI 317
Tenori di Mo più elevati conferiscono a questo tipo
una resistenza alla corrosione ed allo scorrimento a
caldo maggiore di quello offerto dall'AISI 316. Viene
pertanto utilizzato dove la resistenza alla corrosione
deve essere massima.
Un campo tipico dell'applicazione di questo acciaio è
quello dell'industria della tintoria e degli inchiostri.
AISI 317 L
Valgono nei confronti dell'AlSI 317 le stesse considerazioni fatte per l'AISI 316 L nei confronti dell'AlSI 316.
TIPO (317 LN)
TAVtXJ IV
Valgono nei confronti dell'AlSI 317 L le stesse considerazioni fatte per il tipo 316 LN nei confronti dell'AISI 316 L
ACCIAI
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ITO ntfCiptruioNE
TIPO (x5 Cr-Ni-Mo 20 25 6)
TIPO
Questo tipo fa parte di un gruppo di acciai denominati superaustenitici, di recentissima introduzione,
messi a punto per migliorare la resistenza alla corrosione localizzata nel caso tipico dei tubi che costituiscono gli scambiatori di calore esposti alle acque marine. L'elemento che conferisce a questo materiale una elevatissima resistenza a tale tipo di corrosione è il Mo, che può raggiungere livelli compresi
tra il 6 ed il 12%.
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L'introduzione dei tenori di Mo cosi elevati comporta
difficoltà nella laminazione a caldo del materiale per
cui è necessario aumentare di conseguenza anche il
tenore del Ni, che può arrivare fino al 40% e che determina l'appellativo di superaustenitici per questi acciai.
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In generale si tratta di acciai piuttosto legati con tenori variabili di Cr da 12 a 20% e di Ni da 3,0 a 28,0%.
Vi sono altri elementi appositamente aggiunti per ottenere l'indurimento per precipitazione a seguito del
trattamento di invecchiamento.
Il tipo riportato come esempio è in commercio già da
qualche tempo ed ha una percentuale di Mo di circa
6% e di Ni di circa 25%.
6.2. Trattamento termico e proprietà meccaniche
a temperatura ambiente
6 ACCIAI INOSSIDABILI INDURENTI
' PER PRECIPITAZIONE
Questi acciai dopo raffreddamento da alte temperature presentano una struttura austenitica od una struttura martensitica di bassa resistenza meccanica a causa della bassa percentuale di C. Il trattamento termico
che conferisce loro una elevata resistenza meccanica
6.1. Analisi chimica
Questi acciai rappresentano il gruppo di inossidabili
relativamente più recente. Essi sono stati messi a pun61
LA MECCANICA ITALIANA febbraio 1981 n« 143
è il trattamento di invecchiamento che consiste in un
riscaldo, normalmente a temperature intorno a 500°600°C, che provoca la partecipazione delle fasi indurenti.
A seconda dei sistemi usati per ottenere la resistenza
meccanica desiderata, questo gruppo è normalmente
suddiviso in tre classi.
Classe 1: MARTENSITICI
Le fasi che provocano l'indurimento a seguito della
loro precipitazione sono solubili nell'austenite. Dopo
raffreddamento l'austenite si trasforma in martensite,
nella quale suddette fasi non sono solubili ma vi rimangono disciolte a temperatura ambiente. A seguito
di invecchiamento a 540 nC precipitano ie fasi indurenti. Generalmente i tipi di questa classe vengono
spediti con struttura martensitica, il trattamento di invecchiamento viene fatto dall'utilizzatore.
Classe 2: SEMIAUSTENITICI
Anche in questo caso le fasi che precipitando induriscono il materiale sono solubili nell'austenite, ma poco solubili nella martensite. Dopo tempra questi tipi
presentano una struttura austenitica che viene trasformata in martensite o con la lavorazione a freddo,
0 con raffreddamento a — 70 °C; oppure con un riscaldo a 760 °C si provoca prima una precipitazione
di carburi di cromo che cambia la composizione della
matrice rendendola trasformabile, col successivo raffreddamento a temperatura ambiente, in martensite.
La struttura martensitica invecchiata con un trattamento nel campo di 400 C°-570 °C dove precipitano le
fasi indurenti.
1 tipi di questa classe vengono spediti dai produttori allo stato austenitico.
Classe 3: AUSTENITICI
I tipi di questa classe sono austenitici dopo tempra e
l'indurimento viene provocato da un invecchiamento
nel campo di precipitazione dei carburi di cromo che
costituiscono la fase indurente; il fenomeno di indurimento di precipitazione viene notevolmente amplificato nei tipi contenenti fosforo, elemento che ha una
forte capacità di deformare il reticolo cristallino.
K RICOTTOdll
CAfivmcni!7ncnKiiiMiT.c-\\rrnr: TTPICHK AU.O ST.-\TO I
Nella tav. V riportiamo le caratteristiche meccaniche
tipiche sia allo stato indurito (I) che allo stato ricotto
(R) dei tipi di acciaio inossidabili indurenti per precipitazione elencati nella tav. IV suddivisi secondo le
tre classi sopra illustrate.
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Vi.
i
ti
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6.3. Proprietà meccaniche alle basse
ed alle alte temperature
Data l'elevata resistenza meccanica presentata specialmente dalle classi 1 e 2 di questi acciai, la loro
tenacità e duttilità, ovviamente allo stato in cui vengono impiegati e cioè allo stato indurito, sono alquanto
basse. Pertanto l'ulteriore riduzione di queste caratteristiche con l'abbassamento della temperatura esclude
la possibilità di utilizzarli a temperature criogeniche;
solo i tipi della classe 3 possono essere impiegati a
temperature di - 6 0 ° C .
CLASSI: B
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I
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Per quanto riguarda le alte temperature la resistenza
meccanica di questi tipi è di gran lunga superiore a
quella di tutti gli altri tipi di acciaio inossidabile fino a
H50 °C-55D °C. Al di là di queste temperature inter62
LA MECCANICA ITALIANA febbraio 1981 n ' M8
SOTTCGnUPPI E STATO
COSTO
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OTTI.MA (OTTIMA)
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T =T£-2JRAT0: R= RIVENUTO; 1= INDURITO: N.A * NON1 APPLICAI! 'LE; ••* CIIT3 IZIO nir-L- ÌITO ALLO STATO RICOTTO
l i . GIUDIZIO INDICATO TUA PANOTTLSl S I C U I - I C A CiK S [
IL!A L'USO '•:•::. K-IAT Vtì W.TKflIAIJi A.M.Ì-: riMiaWTCIlK 0 A I ì O STATO INDICATI-
vengono dei fenomeni di superinvecchiamento che fanno completamente scomparire la loro superiorità rendendo inutile il loro impiego in tutto il campo in cui si
presentano problemi di scorrimento a caldo.
6.4. Resistenza alla corrosione
ed alla ossidazione a caldo
cisamente migliore, il più possibile comparabile con
quella degli inossidabili austenitici. Lo scopo è stato
raggiunto ed in generale si può affermare che essi
sono quasi altrettanto resistenti alla corrosione dei tipi
austenitici senza Mo. L'unica sostanziale differenza risiede nel fatto che essi sono assai più suscettibili ai
fenomeni di corrosione sotto tensione causati dalla
loro stessa natura di materiali induriti.
Come si è detto questi tipi sono stati messi a punto
proprio per avere un, materiale da costruzione che
avesse l'elevata resistenza meccanica degli inossidabili martensitici con una resistenza alla corrosione de-
Circa la resistenza all'ossidazione a caldo essa è buona ma di scarso interesse data l'inutilità precedentemente spiegata dal loro impiego a temperature superiori a 500 °C.
63
I LA MECCANICA ITALIANA febbraio IS81 no
può definire un manuale mancato in quanto è probabilmente di una lunghezza eccessiva per una lezione
e sicuramente troppo breve per un manuale.
6.5. Lavorabilità
La truciolabilità di questi tipi è similare a seconda
delle tre classi di appartenenza a quella dei martensitici o degli austenitici.
Per comodità di chi l'ha seguito abbiamo ritenuto opportuno aggiungere un'ultima tabella (tav. VI) che è
un po' il riassunto del riassunto. Questa tabella, come
sempre succede quando si vuole dire troppo in troppe
poco, richiede un'interpretazione discreta e direi « benevola », in quanto le eccezioni e le particolarità de
singoli tipi descritti (per la precisione n 73) sono tal
che per certi aspetti essa potrebbe anche essere considerata contradditoria.
Poiché allo stato ricotto presentano una duttilità relativamente buona possono subire deformazioni a freddo di una certa entità.
Anche la saldabilità è buona specialmente per le classi 2 e 3.
A fine lavorazione, i manufatti, ottenuti sia per lavorazione alle macchine utensili che per deformazioni a
freddo del materiale allo stato ricotto, presentano il
grande vantaggio di poter essere sottoposti al trattamento di invecchiamento per ottenere l'elevata resistenza meccanica caratteristica dei diversi tipi. Poiché
le temperature di invecchiamento non sono molto elevate i prodotti finiti non sono soggetti ai fenomeni di
distorsione tipici degli acciai martensitici.
Infine tutta la presente lezione è stata concepita come un ponte di raccordo tra quanto è stato dettagliatamente descritto nella prima e seconda parte del presente corso relative alla natura, caratteristiche, lavorazioni e messa in opera degli acciai inossidabili e
quanto altrettanto dettagliatamente verrà descritto nella terza parte relativa alle applicazioni degli acciai inossidabili, della quale terza parte ci auguriamo posse
rappresentare un'utile e necessaria introduzione.
6.6. Impieghi tipici
Come già si è detto la maggiore utilizzazione di questi
tipi consiste in massima parte nel sostituire i tipi martensitici dove si richiede una maggiore resistenza alla
corrosione. Essi sono largamente impiegati nell'industria aerospaziale come elementi strutturali, serbatoi per il combustibile e ricopertura per carrelli di atterraggio; nelle applicazioni industriali essi sono usati
per parti di pompa, seghe per legno, coltelli per cesoia, ingranaggi, camme, molle, recipienti a pressione.
BIBLIOGRAFIA
Non riportiamo per questo gruppo, di acciai una descrizione dei diversi tipi in quanto la scelta per gli
impieghi e le lavorazioni da eseguire è in gran parte
determinata dalle caratteristiche meccaniche allo stato
indurito ed allo stato ricotto già riportate in tav. V.
— • Stainless and heat resisting steels » - American Iron ani
Steel Institute, Edizione dicembre 1974.
— • Selection od stainless steels • - American Society fo
Metals - Metals Park - Ohio. 1968.
— « Effect of residuai elements on properties of austenitii
stainless steels » - American Society for Testing and Mate
rials - Phiiadelphia 1967.
— • Stainless steels - Correspondence course presented by thi
Metal Engineering Institute • - American Society for Metals
Metals Park Ohio. 1958.
— G. Di Caprio: • Gli acciai inossidabili » - Hoepli, Milano, 1977
— • Databook » - Metal progress. voi. 118, n. 1, giugno 198C
7. CONCLUSIONE
Abbiamo volutamente dato un carattere prevalentemente teorico a questa lezione che in buona parte si
64
LA MECCANICA ITALIANA febbraio 1961 n» 148