Acciai DUPLEX e SUPERDUPLEX: come saldarli?

La saldatura è un’arte, ma anche un processo rischioso, che richiede assoluta conoscenza tanto dei materiali quanto dei processi, per garantire la qualità, anche in applicazioni estreme. Alcuni materiali come gli acciai DUPLEX e SUPERDUPLEX presentano particolari problematiche che possono essere ovviate con alcuni suggerimenti. Vediamoli in breve.

Acciai DUPLEX e SUPERDUPLEX

La scienza dei materiali sta sviluppando materiali sempre più prestazionali, in grado di rispondere alle moderne esigenze del mercato, sia in termini di produttività che di affidabilità ed efficienza, nel rispetto della richiesta imperante di contenimento dei costi.
Un esempio interessante riguarda gli acciai inossidabili, caratterizzati da una elevata resistenza alla corrosione, una elevata resistenza meccanica e duttilità, con un elevato tenore di Cromo, indispensabile per la formazione dello strato protettivo che li caratterizza. Dagli anni ’80 ad oggi sono state studiate differenti tipologie di acciai inossidabili, in grado di abbinare ad un eccellente comportamento a corrosione caratteristiche meccaniche sempre migliori, arrivando a allo sviluppo degli acciai DUPLEX (DSS – Duplex Stainless Steel) e SUPERDUPLEX (SDSS – Super Duplex Stainless Steels) che presentano proprietà meccaniche migliorate rispetto agli acciai austenitici.

Acciai DUPLEX, caratteristiche e impieghi

Sono acciai inossidabili bifasici austeno-ferritici e sono noti come DUPLEX in quanto presentano una struttura a grani cristallini misti di austenite e di ferrite (indicativamente 50% austenite e 50% ferrite). Questi acciai sono caratterizzati da:

• Buona resistenza meccanica sia a rottura che snervamento
• Ottima una resistenza a corrosione decisamente superiore a quella degli acciai austenitici della serie 300
• Ottima duttilità, ideale per piegatura ad U
• Ottima saldabilità
• Temperatura limite a 250°C, infragilimento a 475°C

Duplex sono utilizzati nell’industria petrolchimica esigente, in presenza di acidi e cloruri, nell’industria del petrolio e del gas e in ambienti marini molto corrosivi, dove sono richiesti materiali molto resistenti a diversi tipi di stress, forze e sollecitazioni.

Acciai SUPER DUPLEX, caratteristiche e impieghi

I SUPER DUPLEX sono acciai duplex ad alte prestazioni, con elevato tenore di cromo, nichel e molibdeno, in modo da migliorare la resistenza alla corrosione da vaiolatura, con aggiunte di azoto per alzare il carico di snervamento e di robustezza, senza pregiudicare la tenacità. I campi di applicazione sono gli stessi di quelli degli acciai DUPLEX, ma con un utilizzo in condizioni più critiche, con atmosfere o fluidi estremamente corrosivi, in particolare quando si devono produrre componenti specifici in ambienti petrolchimici, oil&gas e in ambienti marini con condizioni estreme.
Con il brand name SAF, la divisione Materials di Sandvik ha messo a punto una particolare categoria di acciai bifasici high performance, che soddisfanno appieno le normative di riferimento e le esigenze, anche più estreme del mercato.

Resistenza alla corrosione

L’importanza della resistenza a corrosione è nota, ma è bene ricordare la differenza fra i vari fenomeni corrosivi, che impattano anche sulla saldatura di tubi e/o piastre.

• Corrosione generalizzata: è la perdita di materiale in un’ampia porzione. Può dipendere da attacchi con acidi o basi forti (soda caustica, acido formico, acido cloridrico, … ) e aumenta al crescere della temperatura.
• Corrosione per vaiolatura (pitting corrosion): diffusa soprattutto quando il raffreddamento del materiale è fatto utilizzando l’acqua del mare. Si innesca partendo da difetto sul materiale, dove si crea un’ossidazione. Il pitting si verifica facilmente in presenza di acqua salata, che contiene NaCl. Il sale si dissolve insieme all’acqua; in prossimità del taglio continua lo spostamento di elettroni: il ferro si lega con cloro (del sale) e reagisce con l’acqua, formando HCl, principale responsabile della corrosione. Durante il processo si formano anche idrossidi di ferro. Questo tipo di attacco avviene anche in presenza di tutti gli elementi che sulla tavola periodica sono sotto al cloro (bromuri, …).
• Corrosione degli spazi stretti: mandrinatura – tubo nella piastra tubiera. Inizia ad una temperatura più bassa del pitting.
• Tenso-corrosione: può innescarsi partendo dal pitting e portare a degrado anche molto importante.
• Erosione – corrosione: avviene con depositi solidi, per esempio a causa del flusso presente nel tubo dello scambiatore in presenza di forza da parte dell’acqua, oppure nel caso ci siano acidi che si vogliono neutralizzare utilizzando basi, come nel caso di cloruro di ammonio che crea deposito, con conseguente corrosione sotto al deposito stesso, oltre che erosione.

PREN: una strategia per valutare la resistenza al Pitting

L’apprezzamento dagli acciai duplex è molto legato anche al comportamento a pittig: per confrontarli con altri tipi di acciai viene utilizzato un indicatore numerico, il PREN (Pitting Resistance Equivalent Number). I moderni acciai inossidabili di tipo duplex sono suddivisi in range basati sulla loro resistenza a corrosione, cioè all’indice PREN, che dipende dalle percentuali ponderate degli elementi in lega secondo la formula:

PREN = %Cr + 3.3 ∗ (%Mo) + 16 ∗ (%N)

A questo indice si è oggi aggiunto il PREW, che tiene conto anche delle aggiunte di tungsteno.
Il PREN è importante in quanto:

• è un indice dell’omogeneità e qualità dei tubi, con un’influenza diretta sulle prestazioni: valori inferiori a 30.5 indicano tubi instabili e disomogenei. I SAF garantiscono un minimo di 35: il PREN dei DUPLEX è intorno a 35, dei SUPER DUPLEX il valore minimo è 42, mentre gli HYPER DUPLEX hanno un PREN minimo di 49
• il PREN garantisce la stabilità strutturale. Negli acciai DUPLEX, fra le varie fasi, la più importante è indubbiamente la fase σ, per la sua facilità di formazione combinata con i suoi negativi effetti su tenacità e resistenza alla corrosione e pertanto si cerca di evitarla. La presenza di molibdeno e tungsteno sposta le curve TTT e CCT verso sinistra, e questo significa che durante il raffreddamento si verifica la precipitazione, che aumenta con lo spostarsi a sinistra della curva. Se aumenta la fase σ, la resistenza all’impatto diminuisce ed il materiale diventa più fragile.

Saldare gli acciai DUPLEX

La saldatura è un processo che richiede attenzione, sia per chi la se esegue, visti i possibili rischi legati a ustioni, danni agli occhi o danni sia all’uomo che all’ambiente causati dai fumi, che per i risultati che devono garantire la sicurezza nelle successive condizioni di utilizzo.
Nella realizzazione di saldature per fusione è sempre possibile individuare due zone, la zona fusa e la zona termicamente alterata, in cui si sono verificati fenomeni metallurgici tali da modificare le caratteristiche dei materiali: questo comporta la necessità di tenere sotto stretto controllo le modifiche che si verificano, in particolare quando gli impieghi sono in condizioni severe.
Nella saldatura degli acciai DUPLEX è importante mantenere il limite elastico il più alto possibile, in modo da contenere il rischio rotture. Osservando la formula relativa al PREN, il tenore di azoto ha 16 come fattore moltiplicativo: l’azoto infatti aiuta la riformazione dell’austenite. Durante la saldatura, il bilancio tenderebbe a spostarsi verso una struttura prevalentemente ferritica, situazione inaccettabile da un punto di vista meccanico ma soprattutto per quanto riguarda la resistenza alla corrosione: la struttura ferritica presenta una resistenza alla corrosione generalizzata sensibilmente inferiore rispetto a quella austenitica.

Quali materiali d’apporto?

Materiali d’apporto ricchi di elementi austenitizzanti, come l’azoto, o l’uso di gas di protezione ricchi di azoto, permettono di la formazione di strutture miste adeguate.
Se l’azoto è fondamentale per la saldatura di acciai DUPLEX, è però fondamentale sapere quanto può esserne assorbito.
Una forte influenza è esercitata anche da temperatura e tempo di raffreddamento, tempo in genere piuttosto breve. La matrice austenitica, a grani piccoli, permette di avere proprietà meccaniche migliori. Le alte temperature amplificano i problemi perché i grani crescono più rapidamente, con una comparsa più veloce delle fasi intermedie, cosa indesiderata.
Il materiale d’apporto utilizzato nelle saldature dei DUPLEX deve avere un contenuto di austenite maggiore di quello del materiale base. Se non viene utilizzato materiale d’apporto, si ha un eccessivo riscaldo nel campo della ferrite; un riscaldo troppo veloce fa muovere eccessivamente l’azoto nella matrice ferritica, mentre con un riscaldo troppo lento l’azoto resta “intrappolato” nella matrice ferritica. La temperatura di raffreddamento deve essere controllata, in particolare la temperatura di interfase.