Metallurgia della saldatura M t ll i Metallurgia Metallurgia della saldatura Prof. Francesco Iacoviello Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario i di ricevimento: i i Mercoledì l d 14.00-16.00 Tel.-fax 07762993681 E mail: [email protected] E-mail: iacoviello@unicas it Sito didattico: http://webuser.unicas.it/iacoviello Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Saldatura degli acciai La saldatura dei materiali metallici è un processo tecnologico che consiste nel fornire continuità meccanica e metallica a due o più lembi mediante fusione (e/o pressione) e successiva solidificazione. solidificazione Sorgenti di energia impiegate in saldatura, da sole o in coppia: • Elettriche Arco • Laser • Meccaniche • Chimiche Francesco Iacoviello Plasma Scintillio Effetto Joule Fascio elettronico Urto Pressione Esplosione Attrito Ultrasuoni Fiamma Fi Reazioni esotermiche Università di Cassino Metallurgia della saldatura Tecniche di saldatura { • Saldatura per fusione Ad arco Chi i Chimica Fisica { Ad elettrodi rivestiti Ad arco sommerso In atmosfera gassosa Elettrogas Plasma Gas Alluminotermica { Fascio elettronico L Laser Elettroscoria { • Saldatura per pressione Elettrica Resistenza R it Scintillio Induzione Esplosione Attrito Ultrasuoni { Meccanica Fuoco Francesco Iacoviello { Bollitura Università di Cassino Metallurgia della saldatura Rappresentazione pp tridimensionale di un cordone di saldatura formato da una sorgente termica in movimento v = velocità movimento sorgente (m/s) W = potenza erogata (kJ/s) Quantità di energia disponibile per unità di lunghezza H = W/v (kJ/m) Rapporto di diluizione Rd = vol. metallo base fuso/vol. totale zona fusa Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura 1 1538 1394 Liqu. 2 δ 4 3 2 1 T [°C] γ 912 727 0.02 Francesco Iacoviello HV 3 α 4 0.2 %C 0.77 Università di Cassino Metallurgia della saldatura 1394 T [°C] δ 2 Microstruttura alla massima temperatura 912 727 0.02 Liqu. q 1 1538 3 α γ 4 0.2 %C 0.77 Microstruttura dopo raffreddamento (acciaio a bassa temprabilità) Microstruttura dopo raffreddamento (acciaio ad elevata temprabilità) Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Evoluzione della temperatura nel tempo al crescere della di distanza dal d l cordone d di saldatura ld Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura • Zona 1: La temperatura non supera i 600 600°C C circa • Zona 2: La temperatura è compresa fra 600°C ed Ac1 • Zona 3: La temperatura è compresa fra Ac1 ed Ac3 • Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac3 e 1100°C circa • Zona 5: La temperatura è compresa fra 1100 e 1500°C (fusione). • Zona sotto cordone: nei vari punti del cordone, per velocità di raffreddamento d decrescenti, i sii ottengono strutture martensitiche, i i h bainitiche b i i i h e ferriito-perlitiche. f ii li i h Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Influenza delle dimensioni del grano nel metallo base e nella zona di legame sulla struttura di solidificazione Possibili difetti macroscopici in una saldatura testa-testa in ZF o in ZTA Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura I principali problemi metallurgici della ZF sono: • Protezione P t i d ll’ bi t del dall’ambiente d l bagno b metallico t lli • Condizioni di raffreddamento I problemi relativi alla solidificazione sono principalmente tre: • Formazione di strutture dendritiche • Formazione di cavità di ritiro • Inglobamento di particelle non metalliche (ossidi, scorie,…) La composizione del metallo di apporto deve essere simile a quella del metallo base, con le seguenti modifiche: • %C inferiore a quello del metallo base (p.e. 0.1% contro lo 0.2%) • Mo quasi sempre presente perché aumenta di molto la resistenza del giunto senza intaccare la tenacità (0.15-0.75%) • Ni generalmente più alto del metallo base, per le stesse ragioni del Mo • Si, S, P e V ridotti al minimo Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Lateralmente alla ZF si trova no due ZTA che possono subire, dopo una parziale oppure totale austenitizzazione, varie trasformazioni a seconda dell dell’apporto apporto termico e della velocità di raffreddamento Per la saldabilità di un acciaio si ppuò utilizzare come pparametro il Carbonio equivalente CE: Ceqq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + (%Cu+%Ni)/15 • Ceq < 0.4% : non ci sono particolari problemi metallurgici • 0.4< Ceq < 0.60 : si pprescrive il ppreriscaldo dei lembi • Ceq > 0.60% si prescrivono sia un pre che un postriscaldo Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Precipitazione di carburi in zona termicamente alterata Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Francesco Iacoviello Università di Cassino Metallurgia della saldatura Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione M t ll i Metallurgia Cenni di corrosione Prof. Francesco Iacoviello Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario i di ricevimento: i i Mercoledì l d 14.00-16.00 Tel.-fax 07762993681 E mail: [email protected] E-mail: iacoviello@unicas it Sito didattico: http://webuser.unicas.it/iacoviello Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Corrosione E’ il processo antitetico a quello della metallurgia estrattiva in quanto il metallo tende a riassumere una forma ossidata non dissimile da quella originaria del minerale. Tale processo è caratterizzato da una variazione negativa di energia libera (ΔG<0), quindi avviene spontaneamente. Gli ambienti più comuni per i fenomeni di corrosione sono rappresentati da soluzioni so u o acquose co contenenti e e eelettroliti, e o , da ac acide de ((H2SO4, HCl…) C …) a bas basiche c e (NaOH, acqua di mare…), dall’atmosfera (per formazione di condensa), dal terreno, da gas ad alta temperatura (corrosione a secco). Corrosione atmosferica di un acciaio basso-legato in prossimità del mare Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Morfologie di corrosione Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Lo schema elementare per introdurre il fenomeno della corrosione è quello di d metalli due lli diversi di i a contatto fra f loro l e con una soluzione l i acquosa Na+ Ferro Cl- Na+ Cl- Rame Il metallo meno nobile, in questo caso il ferro, si ossida secondo la reazione anodica: Fe = Fe++ + 2eSulla superficie del metallo più nobile (in questo caso il rame) si verifica una d ll due delle d reazioni i i catodiche, t di h secondo d la l presenza o meno di ossigeno: i Reazione catodica con ossigeno: 1/2 O2 + H2O + 2e- = 2OHReazione catodica senza ossigeno: 2 H2O + 2e- = H2 + 2OHFrancesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Na+ Cl- Na+ OH- Fe2+ Ferro Cl- Rame anodo d catodo La velocità di corrosione è un parametro che misura il passaggio di elettroni; nel caso di corrosione generalizzata, generalizzata è esprimibile dalla densità di corrente elettrica (A/m2) che passa tra catodo ed anodo o dalla variazione di peso dell’anodo nell’unità di tempo e di superficie (mg/dm2 giorno) o di perdita di spessore d ll’ d nell’unità dell’anodo ll’ i à di tempo (mm/anno). ( / ) Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Serie galvanica dei potenziali in acqua di mare Platino Oro Argento Titanio Acciaio inossidabile passivo Leghe di Ni Rame Acciaio inossidabile attivo Acciaio al carbonio Alluminio Zinco Magnesio La corrosione si manifesta anche in p presenza di un solo metallo g grazie alla formazione sulla superficie del metallo di microzone anodiche e catodiche che cambiano di posizione casualmente nel tempo e nello spazio. Macroscopicamente si ottiene un attacco corrosivo generalizzato del metallo. metallo Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Corrosione galvanica Corrosione uniforme C Corrosione i l li localizzata C Corr. sotto schermo h Pit Francesco Iacoviello crevice Università di Cassino Cenni di corrosione Metodi di protezione contro la corrosione • Metodi cinetici: permettono di agire direttamente sulla velocità di corrosione. In tale categoria possono essere ricordati: - ll’impiego impiego degli inibitori; - l’impiego dei rivestimenti; -in una certa misura, la passivazione anodica, in cui il metallo viene portato nelle sue condizioni di i i di passivazione, i i ovvero riesce i a formare f uno strato t t uniforme, if sottile, ttil compatto, ed aderente di ossido superficiale che svolge un ruolo protettivo. • Metodi termodinamici: essi consistono nel far “funzionare” il metallo in condizioni di immunità. Si possono citare in tale categoria: - la scelta del metallo; - la protezione catodica, che permette di posizionare il metallo nella sua zona di immunità. Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Impiego di rivestimenti Si possono distinguere: • Rivestimenti metallici, ottenuti per: - elettrolisi (Zn, Ni, Cr, Cu, Cd, ...) - immersione (Zn, (Zn Sn, Sn Al) - diffusione di un elemento di lega (Zn, Al) - placcatura, su prodotti piani durante la laminazione a caldo (saldatura per diffusione) Sono placcati anche su acciaio al carbonio: acciai inossidabili, diffusione). inossidabili ottone, ottone nickel, cupro-nickel, rame, ... . • Rivestimenti non metallici - ppitture,, vernici contenenti eventualmente degli g inibitori di corrosione;; - smalti, vetri; - materie plastiche, gomme; - fosfatazione; - ossidazione anodica (Al) oppure chimica (Mg). Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Corrosione degli acciai inossidabili Gli acciai inossidabili sono così denominati grazie alla loro caratteristica resistenza alla corrosione, dovuta alla formazione di un film protettivo ppassivante legato g alla p presenza del Cr. Diversi sono i p parametri che influenzano la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili: • acidità del mezzo aggressivo (pH); • tenore in ioni alogenuri (essenzialmente Cl-); • potere ossidante della soluzione aggressiva; • temperatura. Questi acciai hanno una buona resistenza alla corrosione generalizzata, dipendente dalla loro composizione chimica, ma risultano sensibili ad alcune forme di corrosione localizzata: •Vaiolatura (pitting); •Corrosione cavernosa; •Corrosione sotto sforzo; •Corrosione intergranulare Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Vaiolatura Affinché si possa avere si debbono verificare contemporaneamente le tre seguenti condizioni: •Ambiente ossidante •Presenza di ioni alogenuri (ad esempio Cl-) •Metallo passivabile (ad esempio acciaio inossidabile) Caso tipico è quello di strutture in acciaio inossidabile austenitico immerse in acqua di mare (ambiente ( bi t ossidante id t contenente t t ioni i i Cl-) Corrosione cavernosa Attacco corrosivo localizzato in cui fenomeni di idrolisi, diminuzione del pH e la presenza degli ioni Cl- giocano un ruolo importante. Corrosione sotto sforzo La corrosione sotto sforzo avviene ogni g q qual volta si hanno degli g sforzi ((esterni,, residui post-saldatura, dovuti a trattamenti meccanici o termici ...) in presenza di ambienti clorurati. Gli acciai inossidabili austenitici subiscono in queste condizioni una fessurazione transgranulare piuttosto importante, importante mentre gli acciai inossidabili ferritici sembrano essere meno sensibili a questo tipo di corrosione σ Francesco Iacoviello σ Università di Cassino Cenni di corrosione Corrosione intergranulare Affinché si abbia questa forma di attacco corrosivo, corrosivo il metallo deve subire un processo di sensibilizzazione ovvero permanere per tempi sufficienti a temperature comprese fra 500 ed 800°C, con conseguente precipitazione a bordo grano di carburi di Cromo d l tipo del ti Cr C 23C6. Nel N l caso questa t precipitazione i it i sia i molto lt spinta i t sii può ò avere una depassivazione di queste zone, che divengono anodiche al contatto con il mezzo aggressivo. Un caso tipico è quello della corrosione intergranulare nelle zone sensibilizzate ibili nell caso di saldatura ld di acciai i i inossidabili i id bili I rimedi sono: • Solubilizzazione dei carburi p precipitati p ((1000°C); ); • Impiego di acciai a basso tenore di C (< 0,02%) • Aggiunta di elementi tipo Ti, Nb, V, Ta (detti stabilizzanti) e trattamento di stabilizzazione (permanenza a 885 885°C C per due ore, ore quindi raffreddamento in aria) in modo da far precipitare i carburi degli elementi aggiunti e NON di cromo. Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Corrosione generalizzata g Corrosione intergranulare Attacco in corrispondenza di giunto saldato Vaiolatura Francesco Iacoviello Università di Cassino Cenni di corrosione Acciai inossidabili Cricche transgranulari Francesco Iacoviello Cricche intergranulari Università di Cassino