Proprietà dell'acciaio inossidabile fuso

1. Introduzione

Gli acciai inossidabili fusi combinano la resistenza alla corrosione, buona resistenza meccanica e colabilità per forme complesse.

Sono utilizzati in caso di corrosione, temperatura, o i requisiti sanitari precludono i normali acciai al carbonio e laddove la fabbricazione di geometrie complesse da lamiere lavorate sarebbe costosa o impossibile.

Le prestazioni dipendono dalla famiglia di leghe (austenitico, duplex, ferritico, martensitico, Responsabile delle precipitazioni), Metodo di casting, trattamento termico e controllo qualità.

Specifiche e controllo del processo adeguati sono essenziali per evitare fasi fragili e difetti di fusione che possono annullare i vantaggi intrinseci del metallo.

2. Definizione fondamentale & Classificazione dell'acciaio inossidabile fuso

Definizione principale: cosa intendiamo per “acciaio inossidabile fuso”

Lancio acciaio inossidabile si riferisce alle leghe di ferro contenenti cromo prodotte versando la lega fusa in uno stampo e lasciandola solidificare, quindi finitura e trattamento termico secondo necessità.

La caratteristica distintiva che li rende “inossidabili” è un contenuto sufficiente di cromo (e spesso altri elementi di lega) per formare e mantenere un continuo, ossido di cromo autoriparante (Cr₂o₃) pellicola che riduce drasticamente la corrosione generale.

I getti vengono utilizzati dove la geometria complessa, caratteristiche integrali (passaggi, comandare, costolette), oppure i vantaggi economici della fusione superano i benefici della fabbricazione lavorata.

Riepilogo famiglia per famiglia (tavolo)

Convenzioni di denominazione & gradi di fusione comuni (nota pratica)

• Spesso vengono utilizzati i gradi inossidabili fusi designazioni del casting piuttosto che numeri forgiati (Per esempio: CF8 ≈ 304, CF8M ≈ 316 equivalenti in molte specifiche).
  Questi codici di fusione e nomi di leghe variano in base al sistema standard (ASTM, IN, LUI, ecc.).
• “CF” / “CA” / "CD" i prefissi sono tipici in alcuni standard per denotare raggruppamenti austenitici/ferritici/duplex fusi; i produttori possono anche utilizzare nomi proprietari.
  Specificare sempre entrambi i gamma chimica e il requisito meccanico/trattamento termico nei documenti di gara per evitare ambiguità.

3. Metallurgia e microstruttura

Famiglie di leghe e loro caratteristiche distintive

• Austenitico (per esempio., 304, 316, Equivalenti CF8/CF3 nel cast): cubico a faccia centrata (FCC) matrice di ferro stabilizzata dal nichel (o azoto).
  Eccellente tenacità e duttilità, eccezionale resistenza generale alla corrosione; suscettibile alla vaiolatura da cloruro e alla tensocorrosione (SCC) in alcuni ambienti.
• Duplex (per esempio., 2205-equivalenti del cast di tipo): ferrite più o meno uguale (cubica a corpo centrato, BCC) + fasi austenitiche.
  Alta resistenza, resistenza superiore alla vaiolatura/fessure e migliore resistenza all'SCC rispetto agli austenitici grazie alla minore formazione di zone impoverite di cromo; richiede il controllo del raffreddamento per evitare fasi fragili.
• Ferritico: per lo più stabilizzato al cromo BCC; migliori prestazioni di tenso-corrosione in alcuni ambienti, minore tenacità alle basse temperature rispetto agli austenitici.
• Martensitico: trattabile termicamente, può essere reso molto forte e duro, moderata resistenza alla corrosione rispetto all'austenitico e al duplex; utilizzato per parti fuse resistenti all'usura.
• Indurimento delle precipitazioni (PH): leghe che possono essere indurite per invecchiamento (Gradi PH a base Ni o inossidabili), offrendo elevata robustezza con ragionevole resistenza alla corrosione.

Problemi microstrutturali critici

• Precipitazione di carburi (M₂₃c₆, M₆C) E sigma (UN) fase la formazione si verifica quando i getti vengono mantenuti troppo a lungo nell'intervallo 600–900 °C (o raffreddato lentamente attraverso di esso).
  Questi fragili, le fasi ricche di cromo impoveriscono la matrice di cromo e riducono la tenacità e la resistenza alla corrosione.
• Intermetallici e inclusioni (per esempio., siliciuri, solfuri) possono fungere da iniziatori di crack.
• Segregazione (non uniformità chimica) è inerente alla fusione e deve essere ridotto al minimo mediante il controllo della fusione e della solidificazione e talvolta i trattamenti termici di omogeneizzazione.

4. Proprietà fisiche dell'acciaio inossidabile fuso

I valori sopra riportati sono intervalli tecnici rappresentativi. Consultare sempre i dati del fornitore per il grado specificato, percorso di fusione e stato del trattamento termico.

5. Elettrico & Proprietà magnetiche dell'acciaio inossidabile fuso

• Resistività elettrica: Acciai inossidabili fusi austenitici (CF8, CF3M) hanno un'elevata resistività (700–750 nΩ·m a 25°C)—3 volte superiore rispetto all'acciaio al carbonio fuso (200 nω · m).
  Ciò li rende adatti per applicazioni di isolamento elettrico (per esempio., Alloggi per trasformatori).
• Magnetismo: Gradi austenitici (CF8, CF3M) Sono non magnetico (permeabilità relativa μ ≤1.005) a causa della loro struttura FCC, fondamentale per i dispositivi medici (per esempio., Componenti compatibili con la risonanza magnetica) o custodie elettroniche.
  Ferritico (CB30) e martensitico (CA15) i gradi sono ferromagnetici, limitandone l’uso in ambienti magnetici sensibili.

6. Processi di fusione e come influiscono sulle proprietà

Percorsi di colata comuni per l'acciaio inossidabile:

• Colata in sabbia (sabbia verde, sabbia resinosa): flessibile per parti grandi o complesse.
  Microstruttura più grossolana e rischio maggiore di porosità se non controllata. Adatto a molti corpi pompa e valvole di grandi dimensioni.
• Investimento (cera perduta) fusione: eccellente finitura superficiale e precisione dimensionale; spesso usato per i più piccoli, parti complesse che richiedono tolleranze strette.
• Casting centrifugo: produce il suono, parti cilindriche a grana fine (tubi, maniche) con solidificazione direzionale che minimizza i difetti interni.
• Colata in conchiglia e sottovuoto: migliore pulizia e ridotto intrappolamento di gas per applicazioni critiche.

Influenze del processo:

• Velocità di raffreddamento influenza la spaziatura dei dendriti; raffreddamento più rapido (investimento, centrifugo) → microstruttura più fine → proprietà meccaniche generalmente migliori.
• Sciogliere la pulizia e la pratica del versamento determinare i livelli di inclusioni e bifilm che influenzano direttamente la fatica e la tenuta alle perdite.
• Solidificazione direzionale e design ascendente ridurre al minimo le cavità da ritiro.

7. Proprietà meccaniche dell'acciaio inossidabile fuso

Resistenza e duttilità

• Getti austenitici: buona duttilità e tenacità; UTS tipicamente nell'ordine delle centinaia di MPa; duttilità elevata (allungamento spesso del 20–40% nel 316L fuso quando privo di difetti).
• Getti duplex: resa e UTS più elevati grazie alla ferrite + austenite; UTS tipico ~600–900 MPa con snervamento spesso >350 MPa.
• Getti martensitici/PH: può raggiungere UTS e durezza molto elevate ma con duttilità ridotta.

Fatica

• La vita affaticata lo è molto sensibile ai difetti di fusione: porosità, inclusioni, la rugosità superficiale e il ritiro sono comuni cause di fessurazione.
  Per carichi rotanti o ciclici, processi a bassa porosità, pallinatura, ANCA (Pressatura isostatica calda), e la lavorazione superficiale sono comunemente utilizzate per migliorare le prestazioni a fatica.

Temperatura strisciante ed elevata

• Alcuni gradi inossidabili (soprattutto altolegati e duplex) mantenere la forza a temperature elevate; tuttavia, le prestazioni di scorrimento a lungo termine devono essere adeguate alla lega e alla durata prevista.
  La precipitazione di carburo/fase σ durante l'esposizione termica può ridurre notevolmente lo scorrimento viscoso e la tenacità.

8. Trattamento termico, controllo della microstruttura e stabilità di fase

Soluzioni ricottura (tipico)

• Scopo: sciogliere i precipitati indesiderati e ripristinare una matrice austenitica/ferritica uniforme; recuperare la resistenza alla corrosione riportando il cromo in soluzione solida.
• Regime tipico: riscaldare alla temperatura della soluzione appropriata (spesso 1.040–1.100 ° C per molti austenitici), tenere premuto per omogeneizzare, Poi spegnimento rapido per conservare gli elementi risolti. La temperatura/tempo esatti dipendono dal grado e dallo spessore della sezione.
• Avvertimento: le dimensioni del crogiolo e della sezione limitano i tassi di raffreddamento ottenibili; le sezioni pesanti possono richiedere procedure speciali.

Invecchiamento e precipitazioni

• Duplex E martensitico i gradi possono essere invecchiati per il controllo della proprietà; le finestre di invecchiamento/tempo-temperatura devono evitare sigma e altre fasi deleterie.
• Invecchiamento eccessivo o storie termiche inadeguate producono carburi e sigma che infragiliscono e riducono la resistenza alla corrosione.

Evitare la fase sigma e l'esaurimento del cromo

• Controllare il raffreddamento attraverso il vulnerabile intervallo di temperature, evitare una permanenza prolungata tra ~600–900 °C, e utilizzare la ricottura post-saldatura o solubilizzazione dove necessario.
  La selezione dei materiali e la progettazione del trattamento termico rappresentano le principali difese.

9. Resistenza alla corrosione: vantaggio principale dell'acciaio inossidabile fuso

La resistenza alla corrosione è la ragione principale per cui gli ingegneri scelgono l'acciaio inossidabile fuso.

A differenza di molti metalli strutturali che fanno affidamento su rivestimenti ingombranti o protezione sacrificale, gli acciai inossidabili ottengono una resistenza ambientale duratura grazie alla loro chimica e alla reattività superficiale.

Come gli acciai inossidabili resistono alla corrosione: il concetto di film passivo

• Protezione passiva: Il cromo nella lega reagisce con l'ossigeno per formare un sottile, strato continuo di ossido di cromo (Cr₂o₃).
  Questa pellicola ha uno spessore di soli nanometri ma è altamente efficace: riduce il trasporto ionico, blocca la dissoluzione anodica, e, soprattutto, lo è autoguarigione quando danneggiato, a condizione che sia disponibile ossigeno.
• Sinergia delle leghe: Nichel, molibdeno e azoto stabilizzano la matrice e migliorano la resistenza del film passivo alla rottura locale (soprattutto in ambienti clorurati).
  La stabilità del film passivo è quindi un risultato della chimica, condizione di superficie, e ambiente locale.

Forme di corrosione rilevanti per gli acciai inossidabili fusi

La comprensione delle probabili modalità di guasto si concentra sulla selezione e sulla progettazione dei materiali:

• Generale (uniforme) corrosione: Raro per l'acciaio inossidabile adeguatamente legato nella maggior parte delle atmosfere industriali: il film passivo mantiene la perdita uniforme molto bassa.
• Mettono la corrosione: Localizzato, spesso si creano buchi piccoli e profondi quando il film passivo si rompe localmente (i cloruri sono l'iniziatore classico). La vaiolatura può essere critica perché i piccoli difetti penetrano rapidamente.
• Corrosione interstiziale: Si verifica all'interno di spazi schermati dove l'ossigeno si esaurisce; il gradiente di ossigeno favorisce l'acidificazione locale e la concentrazione di cloruri, minando la passività all’interno della fessura.
• Fessurazione da tensocorrosione (SCC): Un fragile meccanismo di cracking che richiede una lega sensibile (comunemente inossidabile austenitico in ambienti clorurati), stress di trazione, e un ambiente specifico (Caldo, contenenti cloruro). L'SCC può apparire all'improvviso e in modo catastrofico.
• Corrosione influenzata dai microbi (MIC): Biofilm e metabolismo microbico (per esempio., batteri solfato-riduttori) può produrre sostanze chimiche localizzate che attaccano i getti inossidabili, particolarmente in fessure stagnanti o a basso flusso.
• Erosione-corrosione: Combinazione di usura meccanica e attacco chimico, spesso dove l'alta velocità o l'urto strappano la pellicola protettiva ed espongono il metallo fresco.

Il ruolo delle leghe: cosa specificare e perché

Alcuni elementi influenzano fortemente la resistenza alla corrosione localizzata:

• Cromo (Cr): Fondamento della passività; il contenuto minimo definisce un comportamento “inossidabile”..
• Molibdeno (Mo): Molto efficace nell'aumentare la resistenza alla vaiolatura e alle fessure: essenziale per il servizio con acqua di mare e cloruro.
• Azoto (N): Rafforza l'austenite e migliora notevolmente la resistenza alla vaiolatura (piccole aggiunte efficienti).
• Nichel (In): Stabilizza l'austenite e supporta tenacità e duttilità.
• Rame, tungsteno, Nb/Ti: Utilizzato in leghe specializzate per ambienti di nicchia.

Un utile indice comparativo è il Pitting Resistance Equivalent Number (Legna):

PREN=%Cr+3,3×%Mo+16×%N

PREN tipico (arrotondato, rappresentante):

• 304 / CF8 ≈ ~19 (bassa resistenza alla vaiolatura)
• 316 / CF8M ≈ ~ 24 (moderare)
• Duplex 2205 / CD3MN ≈ ~ 35 (alto)
• Super-austenitico (per esempio., alto-Mo / 254Equivalenti SMO) ≈ ~40–45 (molto alto)

Regola pratica: PREN più elevato → maggiore resistenza alla vaiolatura/corrosione interstiziale indotta da cloruri. Scegliere il PREN proporzionale alla gravità dell'esposizione.

Fattori ambientali: cosa fa fallire l’acciaio inossidabile

• Cloruri (spruzzo marino, sali disgelanti, flussi di processo contenenti cloruro) sono la minaccia esterna dominante: promuovono la vaiolatura, corrosione interstiziale e SCC.
• Temperatura: Le temperature elevate accelerano l’attacco chimico e la suscettibilità all’SCC; la combinazione di cloruro + la temperatura elevata è particolarmente aggressiva.
• Stagnazione & fessure: Il basso livello di ossigeno e gli spazi ristretti concentrano gli ioni aggressivi e distruggono la passività locale.
• Sollecitazione meccanica: Sollecitazioni di trazione (residuo o applicato) sono necessari per SCC. La progettazione e la riduzione dello stress riducono i rischi.
• Vita microbica: I biofilm modificano la chimica locale; La MIC è particolarmente rilevante sul bagnato, sistemi scarsamente lavati.

Progetto & strategie specifiche per massimizzare la resistenza alla corrosione

1. Selezione di giusto livello: Abbina PREN/chimica all'esposizione, ad es., 316 per cloruri moderati, duplex / gradi ad alto contenuto di Mo per acqua di mare o flussi di processo ricchi di cloruri.
2. Controllare la cronologia termica: Richiede la ricottura della soluzione + spegnere dove indicato; specificare i tempi massimi di raffreddamento nella finestra di formazione σ per i gradi duplex.
3. Qualità della superficie: Specificare la finitura superficiale, elettrolucidatura o lucidatura meccanica di componenti sanitari o ad alto rischio di vaiolatura; le superfici più lisce riducono la formazione di cavità.
4. Dettagli per evitare crepe: Design per eliminare le fessure strette, fornire il drenaggio e consentire l'accesso per le ispezioni. Utilizzare guarnizioni, sigillanti e una corretta selezione dei dispositivi di fissaggio laddove i giunti sono inevitabili.
5. Pratica di saldatura: Utilizzare metalli d'apporto abbinati/sovrlegati, controllare l'apporto di calore, e specificare PWHT o passivazione secondo necessità. Proteggere le saldature dalla sensibilizzazione post-saldatura.
6. Isolamento dielettrico: Isolare elettricamente le parti inossidabili da metalli diversi per prevenire l'accelerazione galvanica della corrosione.
7. Rivestimenti & rivestimenti: Quando l'ambiente supera anche la capacità degli altolegati, utilizzare rivestimenti o rivestimenti polimerici/ceramici come prima linea (o come riserva) — ma non fare affidamento solo sui rivestimenti per il contenimento critico senza disposizioni di ispezione.
8. Evitare sollecitazioni di trazione in ambienti sensibili alla SCC: Ridurre le sollecitazioni di progettazione, applicare trattamenti superficiali di compressione (pallinatura), e controllare i carichi operativi.

10. Fabbricazione, Unire, e riparazione

Saldatura

• Gli acciai inossidabili fusi sono generalmente saldabile, ma occorre attenzione:

• • Abbinare il metallo d'apporto alla lega di base o selezionare un materiale d'apporto più resistente alla corrosione per evitare effetti galvanici.
  • Controllo del preriscaldamento e dell'interpass per alcuni gradi martensitici per gestire la durezza e il rischio di fessurazione.
  • Ricottura di solubilizzazione post-saldatura è spesso richiesto per i riempitivi austenitici e duplex per ripristinare la resistenza alla corrosione e ridurre le tensioni residue.
  • Evitare un raffreddamento lento che può produrre la fase σ.

Lavorazione

• La lavorabilità varia: gli acciai inossidabili austenitici si incrudiscono e richiedono utensili affilati e velocità adeguate; le qualità duplex tagliano meglio in alcuni casi grazie alla maggiore resistenza. Utilizzare refrigerante e parametri di taglio appropriati.

Finitura superficiale

• Il decapaggio e la passivazione ripristinano l'ossido di cromo e rimuovono i contaminanti di ferro liberi.
  La lucidatura elettrochimica o la finitura meccanica migliorano la pulizia, riduce i siti interstiziali e aumenta la resistenza alla corrosione.

11. Economico, considerazioni sul ciclo di vita e sulla sostenibilità

• Costo: il costo della materia prima in acciaio inossidabile fuso è superiore a quello dell'acciaio al carbonio e dell'alluminio, e la fusione richiede temperature di fusione e costi refrattari più elevati.
  Tuttavia, l'estensione della vita utile e la ridotta manutenzione in ambienti corrosivi possono giustificare il premio.
• Ciclo vitale: lunga durata in ambienti corrosivi, minore frequenza di sostituzione e riciclabilità (il valore dei rottami di acciaio inossidabile è elevato) migliorare l’economia del ciclo di vita.
• Sostenibilità: le leghe inossidabili contengono elementi strategicamente importanti (Cr, In, Mo); l’approvvigionamento e il riciclaggio responsabili sono essenziali.
  L'energia per la produzione iniziale è elevata, ma il riciclaggio dell’acciaio inossidabile riduce significativamente l’energia incorporata.

12. Analisi comparativa: Acciaio inossidabile fuso vs. Concorrenti

13. Conclusioni

L'acciaio inossidabile fuso occupa una posizione unica e strategicamente importante tra i materiali di fusione strutturali e resistenti alla corrosione.

Una singola proprietà non ne definisce il valore, ma dalla combinazione sinergica della resistenza alla corrosione, resistenza meccanica, resistenza al calore, versatilità nella progettazione delle leghe, e compatibilità con geometrie di fusione complesse.

Quando valutato in base alle prestazioni, affidabilità, e parametri del ciclo di vita, l'acciaio inossidabile fuso si rivela costantemente una soluzione ad alte prestazioni per ambienti industriali esigenti.

Complessivamente, l'acciaio inossidabile fuso si distingue per l'elevata integrità, versatile, e una scelta affidabile di materiali per le industrie che richiedono resistenza alla corrosione, durabilità meccanica, e colabilità di precisione.

 

Domande frequenti

L'acciaio inossidabile fuso è resistente alla corrosione quanto l'acciaio inossidabile battuto?

Può essere, ma solo se la chimica di fusione, la microstruttura e il trattamento termico soddisfano gli stessi standard.

I getti hanno maggiori possibilità di segregazione e precipitati; la solubilizzazione e il raffreddamento rapido sono spesso necessari per ripristinare la completa resistenza alla corrosione.

Come posso evitare la fase sigma nei getti??

Evitare soste prolungate tra ~600–900 °C; progettare trattamenti termici di solubilizzazione e tempra, e selezionare leghe meno inclini al sigma (per esempio., chimiche duplex bilanciate) per storie termiche ostili.

Quale acciaio inossidabile fuso dovrei scegliere per il servizio con acqua di mare??

Leghe duplex ad alto contenuto di PREN o super-austenitici specifici (MO più alto, N) sono in genere preferiti. 316/316L può essere inadeguato nelle zone soggette a schizzi o dove l'acqua di mare ossigenata scorre ad alta velocità.

I componenti in acciaio inossidabile fuso sono saldabili in loco?

SÌ, ma la saldatura può alterare localmente l'equilibrio metallurgico. Potrebbe essere necessario un trattamento termico o una passivazione post-saldatura per ripristinare la resistenza alla corrosione in prossimità delle saldature.

Quale metodo di fusione garantisce la migliore integrità per le parti critiche?

Casting centrifugo (per parti cilindriche), microfusione/fusione di precisione (per piccole parti complesse) e la fusione in stampi sotto vuoto o in atmosfera controllata combinata con l'HIP garantisce la massima integrità e la minima porosità.

L'acciaio inossidabile fuso è adatto per applicazioni ad alta temperatura?

Gradi austenitici (CF8, CF3M) sono utilizzabili fino a 870°C; Gradi duplex (2205) fino a 315°C.

Per temperature >870°C, utilizzare acciai inossidabili fusi resistenti al calore (per esempio., HK40, con 25% Cr, 20% In) o leghe di nichel.