Cos’è l’acciaio inox

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Gli acciai inox o acciai inossidabili sono leghe a base di ferro che uniscono alle proprietà meccaniche tipiche degli acciai caratteristiche peculiari di resistenza alla corrosione.

La parola italiana che li contraddistingue è quanto mai impropria in quanto essi sono ossidabilissimi vale a dire hanno la possibilità, grazie al contenuto degli elementi di lega, essenzialmente alla percentuale di cromo, di passivarsi, cioè di ricoprirsi di uno strato di ossidi invisibile, di spessore pari a pochi strati atomici (3-5×10-7 mm), che protegge il metallo sottostante dagli attacchi corrosivi. Il valore minimo di cromo affinché si possa parlare di acciaio inossidabile è pari all’11-12%.

Se la percentuale dei leganti è elevata, non si parla più di acciai inox bensì di leghe inox austenitiche.

Tipi di acciaio inossidabile

Gli acciai inox si dividono tradizionalmente, secondo la loro microstruttura, in tre grandi famiglie:

  • martensitici
  • ferritici
  • austenitici

Oltre a queste tre categorie esistono anche altre due famiglie meno note, il cui impiego è in forte ascesa, per impieghi specifici:

  • gli austeno-ferritici o duplex
  • gli indurenti per precipitazione

Acciaio inox martensitico

Gli inossidabili martensitici sono leghe al cromo (dall’11 al 18% circa) con carbonio relativamente elevato, contenenti piccole quantità di altri elementi. Tipici elementi in essi presenti sono manganese, silicio, cromo e molibdeno; può essere aggiunto zolfo se si necessita di truciolabilità (a scapito comunque delle caratteristiche meccaniche).

L’acciaio inox martensitico ha caratteristiche meccaniche molto elevate ed è ben lavorabile alle macchine, è l’unico acciaio inox che può prendere la tempra e pertanto aumentare le sue proprietà meccaniche (carico di rottura, carico di snervamento, durezza) mediante trattamento termico.

È conosciuto soprattutto con la nomenclatura americana: per esempio l’acciaio al solo cromo è l’AISI serie 400 (da ricordare AISI 410 e 420, con 0,20% < C < 0,40% e Cr = 13% circa; AISI 440 con C = 1% circa e Cr = 17%); nella nomenclatura UNI ha sigle come X20Cr13, X30Cr13, X40Cr14. È magnetico. È anche conosciuto come acciaio “serie 00”.

L’acciaio inossidabile martensitico è autotemprante, ma dalla temperatura di laminazione alla temperatura ambiente nasce una struttura troppo tensionata; si segue sempre quindi la procedura:

  • ricottura di lavorabilità: essa è svolta col metodo isotermico solo quando si voglia la durezza minima; altrimenti si raffredda a velocità costante, scegliendola in base alla durezza che si vuole ottenere (vedi curve CCT);
  • tempra a temperatura di circa 1000 °C e per un tempo sufficiente a sciogliere i carburi di cromo;
  • rinvenimento a temperature diverse a seconda che si voglia privilegiare la durezza, la resistenza alla corrosione o la tenacità.

Gli acciai inossidabili martensitici sono utilizzati soprattutto per la loro elevata resistenza allo scorrimento viscoso, sebbene la loro formalità e saldabilità sia estremamente difficoltosa e la loro resistenza alla corrosione sia minore rispetto a quella delle altre famiglie.

La resistenza alla corrosione non è eccezionale perché il cromo ha più basso tenore tra le categorie di acciai inox; inoltre perché la struttura martensitica ha un’alta densità di difetti reticolari e come tale è una struttura incrudita dunque più sensibile ai fenomeni corrosivi.

L’AISI 440 è utilizzato per l’utensileria inossidabile (coltello, forbice, bisturi, lametta, iniettore per motore a scoppio)

Acciaio inox ferritico

Come i precedenti, anche i gli acciai ferritici sono acciai inossidabili al solo cromo (variabile dall’11 al 30% circa[1]).

Questi acciai hanno buona resistenza meccanica ed alla corrosione. Hanno struttura cubica a corpo centrato come gli acciai al carbonio, ma non possono innalzare le loro caratteristiche meccaniche per mezzo di trattamenti termici.

Hanno un minor tenore di carbonio rispetto al martensitico. Un tipo particolarmente resistente al calore contiene il 26% di cromo. Altri elementi presenti sono il molibdeno, l’alluminio per aumentare la resistenza all’ossidazione a caldo, lo zolfo per facilitare la lavorabilità.

Il limite di snervamento è molto basso e, non potendosi fare trattamenti termici per l’assenza di punti critici, si esegue la ricristallizzazione o l’incrudimento. Si consiglia di non scaldarlo oltre gli 850 °C per non ingrossare il grano e di non sostare tra i 400 e i 570 °C nel raffreddamento per non incorrere nella fragilità al rinvenimento.

Le proprietà fondamentali sono: moderata resistenza alla corrosione, che aumenta con la percentuale di cromo nonché da alligazione con il molibdeno; magnetizzabile; non temprabile e da usare sempre dopo ricottura; la saldabilità è scarsa, in quanto il materiale che viene surriscaldato subisce l’ingrossamento del grano cristallino a causa del cromo.

Gli impieghi più comuni sono vasellame o posateria di bassa qualità, acquai, lavelli e finiture per l’edilizia. In lamiere sottili si usano per rivestimenti, piastre per ponti navali, sfioratori, trasportatori a catena, estrattori di fumi e depolverizzatori.

Acciaio inox austenitico

 % Cr  % Ni ASTM UNI
18 8 304, 316 X8CN1910, X3CN1911
18 10 321, 347, 348 X8CNT1810,X8CNNb1811
18 13 317 X8CND1712
23 12 309  
25 20 310 X8CN2520

È un acciaio a struttura cubica a facce centrate, contenente Ni e Cr in percentuale tale da conservare la struttura austenica anche a temperatura ambiente. Viene classificato in base alla percentuale di Ni e di Cr (vedi tabella); nella classificazione ASTM costituisce la serie 3XX.

La composizione base dell’acciaio inox austenitico è il 18% di Cr e l’8% di Ni, codificata in 18/8. Una percentuale del 2-3% di molibdeno assicura una miglior resistenza alla corrosione (acciaio 18/8/3). Il contenuto di carbonio è basso (0,08% max di C), ma esistono anche acciai inox austenitici dolci (0,03% di C max). L’acciaio inox austenitico può essere stabilizzato con titanio o niobio per evitare una forma di corrosione nell’area delle saldature (vedi più avanti le debolezze di questo tipo di acciaio). Considerando la notevole percentuale di componenti pregiati (Ni, Cr, Ti, Nb, Ta), gli acciai inox austenitici sono fra i più costosi tra gli acciai di uso comune.

Le proprietà fondamentali sono:

  • ottima resistenza alla corrosione;
  • facilità di ripulitura e ottimo coefficiente igienico;
  • facilmente lavorabile, forgiabile e saldabile;
  • incrudibile se lavorato a freddo e non tramite trattamento termico;
  • in condizione di totale ricottura non si magnetizza.

La loro struttura austenitica (con cristallo CFC) li rende immuni dalla transizione duttile-fragile (che si manifesta invece con la struttura ferritica, cristallo ccc), quindi conservano la loro tenacità fino a temperature criogeniche (He liquido). La dimensione dei grani, sensibilmente più elevata di quella degli acciai ferritici da costruzione, li rende resistenti allo scorrimento viscoso; di conseguenza fra gli acciai per costruzione di recipienti a pressione, sono quelli che possono essere utilizzati alle temperature più elevate (600 °C).

Dato che l’austenite è paramagnetica, questi acciai possono essere facilmente riconosciuti disponendo di magneti permanenti calibrati.

Gli impieghi di questi acciai sono molto vasti: pentole e servizi domestici, finiture architettoniche, mattatoi, fabbriche di birra, lattine per bibite e prodotti alimentari; serbatoi per gas liquefatti, scambiatori di calore, apparecchi di controllo dell’inquinamento e di estrazione di fumi, autoclavi industriali. La loro resistenza a gran parte degli aggressivi chimici li rende inoltre molto apprezzati nell’industria chimica. Lo stesso tipo di acciaio fu utilizzato nel 1929 per la costruzione della guglia del Chrysler Building di New York: la struttura fu costruita in officina in 4 tronconi separati e poi assemblati sulla cima della costruzione nel giro di 90 minuti. La lucentezza della guglia, a 80 anni dalla sua costruzione, testimonia l’altissimo grado di resistenza e di inossidabilità del Nirosta.

Gli acciai inox austenitici soffrono però di alcune limitazioni:

  • la massima temperatura cui possono essere trattati è di 925 °C;
  • a bassa temperatura la resistenza alla corrosione diminuisce drasticamente: gli acidi rompono il film di ossido e ciò provoca corrosione generica in questi acciai;
  • nelle fessure e nelle zone protette la quantità di ossigeno può non essere sufficiente alla conservazione della pellicola di ossido, con conseguente corrosione interstiziale;
  • gli ioni degli alogenuri, specie l’anione (Cl-), spezzano il film passivante sugli acciai inox austenitici e provocano la cosiddetta corrosione ad alveoli, definita in gergo pitting corrosion. Un altro effetto del cloro è la SCC (rottura da tensocorrosione).

L’unico trattamento termico consigliabile per questa classe di acciai è un quello di solubilizzazione del C a 1050 °C, con raffreddamento rapido (per evitare la permanenza nell’area fra 800 e 400 °C, dove può avvenire la precipitazione dei carburi di Cr).