La saldabilità è uno degli aspetti che solitamente vengono considerati critici per gli acciai inossidabili. In questo articolo andremo ad illustrare come e perché la saldatura di un acciaio inossidabile, nello specifico un inossidabile martensitico, sia effettivamente un’operazione caratterizzata da sue particolari criticità, ma vedremo anche come queste possono essere recuperate con trattamenti termici dedicati.
Il mondo degli inossidabili
Come ben chiaro ad ogni tecnico del settore, il campo delle leghe ferro-carbonio raccolte sotto la denominazione di “acciaio” è talmente ampia da rendere impossibile ogni forma di generalizzazione. E questo, fatte le debite proporzioni, è ancora più vero quando si parla degli acciai inossidabili, ossia quegli acciai aventi un tenore di Cromo Cr sufficientemente elevato da indurre la formazione spontanea di uno strato superficiale costituito da ossido di cromo (Cr2O3) o da cromite (un ossido spinell a formulazione FeCr2O4 ), uno strato impermeabile alla penetrazione dell’ossigeno e quindi in grado di inibire la corrosione della matrice ferrosa sottostante: il risultato finale è quello di una lega caratterizzata da una resistenza alle aggressioni chimiche ed ambientali notevolmente superiore a quella dei comuni acciai al carbonio.
Condizione necessaria affinchè questo strato superficiale possa esercitare efficacemente la propria funzione protettiva è che il tenore di Cromo sia maggiore o uguale del 12%, valore che può scendere fino al 10,5% in presenza di specifici alliganti.
Da un punto di vista metallurgico negli acciai inossidabili si distinguono almeno 5 diverse “famiglie”, indicate come:
• inossidabili austenitici
• inossidabili ferritici
• inossidabili martensitici
• inossidabili austero-ferritici (o duplex)
• indurenti per precipitazione
Famiglie che se da un punto di vista metallurgico si differenziano in base alla struttura assunta, dal punto di vista prestazionale presentano ciascuna caratteristiche specifiche riguardo alla resistenza meccanica, alla lavorabilità e alla resistenza alle aggressioni chimiche.
Comunque, per interpretare le caratteristiche prestazionali dei diversi acciai (nonché i loro eventuali degradi in esercizio o in lavorazione) è possibile rifarsi a queste considerazioni di validità generale per gli acciai, e per le quali gli inossidabili non fanno eccezione.
1) L’acciaio è una lega ferro carbonio caratterizzata da un tenore di carbonio in eccesso rispetto alla solubilità dello stesso nella matrice di ferro: pertanto in ogni acciaio, inossidabili compresi, esiste una quantità di carbonio “libero” all’interno della matrice metallica.
2) Oltre a quella che dovrebbe essere la struttura tipica della lega ferro carbonio a temperatura ambiente, ossia la Ferrite, particolari condizioni di raffreddamento rendono possibile la presenza all’interno degli acciai (ancora una volta inox inclusi) di altre due strutture teoricamente “impossibili” a temperatura ambiente, ossia l’austenite e la martensite.
L’austenite rappresenta la forma tipicamente assunta dal ferro quando si trova ad alta temperatura (>723 °C), ed è caratterizzata da una struttura CFC (cubica a facce centrate): sotto particolari condizioni l’austenite può conservarsi anche a temperatura ambiente, ma in questo caso costituisce una forma instabile.
La martensite costituisce invece una forma allotropica (ossia una variante) della normale ferrite, da cui differenzia per il fatto che un atomo di carbonio è rimasto intrappolato nella cella cubica a corpo centrato (CCC), che risulta quindi distorta ed assume una forma non più cubica ma tetragonale
3) Il Cr presenta una forte affinità con il carbonio, con cui si lega a formare carburo di cromo Cr23C6, carburo che una volta formato tende a precipitare e ad essere segregato a bordo grano. Questa precipitazione e successiva segregazione ha un duplice effetto negativo: da un lato comporta un impoverimento della matrice di Cromo e conseguente diminuzione della possibilità di sviluppo del film protettivo del relativo ossido, e dall’altro il diverso potenziale elettrolitico dei carburi rispetto alla matrice causa fenomeni di corrosione elettrolitica concentrati a bordo grano, con conseguente fenomeno di corrosione intergranulare. Fortunatamente tale precipitazione è un fenomeno che può avvenire solo a temperature sufficientemente elevate, indicativamente tra i 400° C e i 600 °C, mentre per temperature ancora superiori la tendenza dei carburi a dissociarsi nuovamente prevale sulla tendenza a formarsi
Ricordando come la martensite sia una struttura dalle notevoli caratteristiche meccaniche ma sia estremamente fragile e come la ferrite abbia invece basse caratteristiche di resistenza meccanica ma una buona duttilità, mentre la austenite abbia le migliori caratteristiche meccaniche , notevole resistenza intrinseca alla corrosione ma bassa duttilità, ne consegue che in termini generali solo gli acciai inossidabili martensitici possono raggiungere caratteristiche di resistenza meccanica sufficienti a poter essere utilizzati in impieghi strutturali, mentre gli inossidabili ferritici e quelli austenitici, che non presentando transizioni di fase a nessuna temperatura non possono mai arrivare alla tempra, devono essere relegati ad impieghi meccanicamente meno gravosi.
Tuttavia la maggiore solubilità del Cromo nella ferrite e nella austenite rispetto a quella nella martensite, permette agli inossidabili ferritici e soprattutto a quelli austenitici di avere tenori di cromo superiori a quelli degli inossidabili martensitici, e quindi ferritici ed austenitici hanno sempre e comunque caratteristiche di resistenza alla corrosione intrinsecamente maggiori rispetto ai martensitici.
In base a quanto appena esposto, la presenza di austenite residua a temperatura ambiente dovrebbe dipendere dalle modalità del raffreddamento, ma in pratica anche gli elementi di lega presenti nell’acciaio possono ostacolare o favorire la permanenza a temperatura ambiente di questa struttura.
Si parla quindi di elementi “austenitizzanti” o “ferritizzanti” a seconda che favoriscano o contrastino la formazione di austenite: la tabella di figura 1 ne riporta i piu’ comuni.
Chiaramente una lega contenente unicamente elementi ferritizzanti avrà struttura ferritica-martensitica, cosi come una lega contente unicamente elementi austenitizzanti avrà struttura austenitica; nel caso in cui siano invece presenti elementi di entrambi i gruppi, la struttura finale dell’acciaio inossidabile sarà ovviamente guidata dagli elementi il cui effetto è preponderante.
Poiché l’efficacia ferritizzante o austenitizzante dei singoli elementi non è la stessa, ma ognuno ha una sua efficacia specifica, per poter prevedere la struttura finale di una lega composita sono stati definiti i parametri di “Cromo equivalente” e “Nickel equivalente”, mediante i quali viene indicato quanto i singoli elementi incidono sulla tendenza a formare una struttura ferritica o austenitica secondo le due formule seguenti.
Una volta definiti i valori di Cromo equivalente e Nichel equivalente, la struttura della lega che ne deriva è descritto dal diagramma di Schaeffler, valido per acciai normalizzati, ossia raffreddati lentamente a partire da uno stato di completa austenitizzazione (Figura 2).
Come si vede, il carbonio ha una fortissima capacità ferritizzante, per cui sembrerebbe vantaggioso un suo tenore elevato per creare le condizioni di strutture martensitiche, quelle meccanicamente piu pregiate.
Purtroppo, il carbonio è però deleterio per la resistenza alla corrosione, vista la sua tendenza a legarsi con il Cromo e precipitare localmente sotto forma di carburo impoverendo il tenore di cromo nella matrice circostante e creando una zona anodica immersa in un’area a comportamento catodico.
Per impedire la precipitazione dei carburi di cromo si può ricorrere all’inserimento in lega di elementi quali i Titanio, Niobio o Tantalio, i cui carburi precipitano a temperature superiori a quelle per cui precipita il carburo del cromo: se presenti in quantità sufficiente tali elementi si legano con il carbonio in eccesso prima che possano precipitare i carburi di Cromo.
Gli acciai inox caricati con tali elementi prendono il nome di “stabilizzati”, essendo la precipitazione di tali carburi ottenuta mediante un trattamento termico di stabilizzazione eseguito a circa 800°C per un tempo di permanenza compreso tra i 30 minuti e le 2 ore, a seconda dello spessore del componente.
Chiuso il ripasso metallurgico, non ci resta che vedere gli effetti della saldatura sugli acciai inossidabili a seconda della loro struttura metallurgica, iniziando specificamente dai martensitici.
