Tre famiglie diverse sotto un unico nome
Acciaio al cromo-nichel-molibdeno è una descrizione ampia che copre tre materiali abbastanza diversi. Il primo è l'acciaio strutturale legato da bonifica rappresentato da 40CrNiMo, utilizzato per alberi, ingranaggi e parti di macchine altamente sollecitate. La seconda è la famiglia degli acciai inossidabili austenitici rappresentata da 316 e 316L, utilizzati per apparecchiature chimiche e di processo. La terza è la famiglia degli acciai inossidabili duplex, i cui gradi per recipienti a pressione e tubazioni comprendono le composizioni 2205 e 2507, in cui le fasi ferrite e austenite occupano ciascuna circa la metà della struttura.
Tutti e tre contengono cromo, nichel e molibdeno, ma non resistono allo stesso modo alla corrosione. Solo le due famiglie di acciaio inossidabile si affidano ad una pellicola passiva ricca di cromo. L'acciaio strutturale legato fa affidamento sulle sue proprietà meccaniche e deve essere protetto mediante rivestimento, placcatura o un margine di corrosione ogni volta che è esposto a un ambiente umido.
Il ruolo di ciascun elemento di lega
Cromo:al di sopra del 10,5% circa in massa forma sulla superficie una pellicola di ossido stabile e autoriparatrice. Questo film è la base del comportamento inossidabile.
Nichel:stabilizza la fase austenitica, migliora la tenacità e la duttilità alle basse temperature e contribuisce alla resistenza agli acidi riducenti.
Molibdeno:migliora sostanzialmente la resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale in ambienti contenenti cloruro e migliora la resistenza alla riduzione dell'attacco acido.
Azoto:rinforza l'austenite negli acciai duplex e austenitici altolegati e contribuisce fortemente alla resistenza alla vaiolatura.
L'effetto combinato dei tre elementi resistenti alla vaiolatura è espresso come numero equivalente di resistenza alla vaiolatura, PREN, calcolato come cromo più 3,3 volte molibdeno più 16 volte azoto, utilizzando le percentuali in massa di ciascun elemento.
Prestazioni alla corrosione a confronto
| Famiglia e grado | Composizione tipica | PREN | Note di servizio |
|---|---|---|---|
| Acciaio legato 40CrNiMo | 0,40 C, da 0,6 a 0,9 Cr, da 1,25 a 1,65 Ni, da 0,15 a 0,25 Mo | Non applicabile | Nessun film passivo; richiede un rivestimento o un'indennità di corrosione |
| 316L austenitico | Circa 17 Cr, 12 Ni, 2,5 Mo, a basso tenore di carbonio | Circa 24 | Buona resistenza generale alla corrosione; rischio di vaiolatura e tensocorrosione nei cloruri caldi |
| 2205 duplex, UNS S32205 | Circa 22 Cr, 5 Ni, 3 Mo, 0,17 N | 34 o superiore | Elevata resistenza con eccellente vaiolatura del cloruro e resistenza alla tensocorrosione |
| 2507 super duplex, UNS S32750 | Circa 25 Cr, 7 Ni, 4 Mo, 0,27 N | 40 o superiore | Servizio con acqua di mare e cloruri aggressivi |
Le qualità duplex cinesi equivalenti sono S22053 per la composizione 022Cr23Ni5Mo3N e S25073 per la composizione 022Cr25Ni7Mo4N. Rispetto all'acciaio inossidabile austenitico standard, la famiglia dei duplex presenta una robustezza significativamente più elevata e una resistenza molto migliore alla tensocorrosione da cloruri e alla corrosione intergranulare, pur mantenendo una buona tenacità e saldabilità.
Proprietà meccaniche di 40CrNiMo
40CrNiMo a GB/T 3077 è un acciaio strutturale in lega di cromo-nichel-molibdeno con carbonio compreso tra 0,37 e 0,44%, silicio tra 0,17 e 0,37%, manganese tra 0,50 e 0,80%, cromo tra 0,60 e 0,90%, nichel tra 1,25 e 1,65 per cento e molibdeno dallo 0,15 allo 0,25 per cento. Raffreddato in olio a partire da circa 850 gradi C e rinvenuto a circa 600 gradi C, sviluppa una resistenza alla trazione minima di 980 MPa e un carico di snervamento minimo di 835 MPa, con la resistenza alla fatica e la tenacità che lo rendono adatto a componenti sottoposti a grandi sollecitazioni come alberi, ingranaggi e parti di collegamento.
Il suo comportamento alla corrosione è quello di un acciaio legato, non di un acciaio inossidabile. Il contenuto di cromo è molto al di sotto del livello necessario per una pellicola passiva stabile, quindi l'esposizione non protetta all'umidità, al cloruro o alla condensa acida produrrà una rapida corrosione generale. In pratica il materiale viene protetto mediante placcatura, verniciatura, oliatura oppure progettando un margine di corrosione.
Regole di selezione e insidie comuni
L'acciaio 316L austenitico non è immune alla tensocorrosione da cloruri. Il rischio aumenta con la temperatura, la concentrazione di cloruro e lo stress applicato, e il grado è solitamente limitato a livelli moderati di cloruro ben al di sotto del punto di ebollizione atmosferico.
I gradi duplex offrono un'elevata robustezza con resistenza al cloruro, ma il loro intervallo di temperature di servizio è limitato perché la fase ferrite è soggetta a infragilimento a temperature elevate.
Non mescolare mai le famiglie in un sistema a umido senza considerare l'accoppiamento galvanico. Un componente inossidabile accoppiato ad acciaio al carbonio o legato accelererà l'attacco al materiale meno nobile.
La sensibilizzazione nella zona termicamente alterata delle qualità non stabilizzate può essere evitata utilizzando materiale a basso contenuto di carbonio o stabilizzato e controllando l'apporto di calore della saldatura.
Il film passivo può essere distrutto nelle fessure e sotto i depositi, quindi il drenaggio, la pulizia e la progettazione dei giunti sono importanti tanto quanto la scelta della lega.
Specificare la lega per numero anziché per descrizione. L'acciaio al cromo-nichel-molibdeno può indicare una qualsiasi delle tre famiglie sopra indicate e le conseguenze sulla corrosione derivanti dalla scelta di quello sbagliato sono gravi.
Domande frequenti
D: Il 40CrNiMo è un acciaio inossidabile?
No. È un acciaio strutturale legato bonificato con meno dell'1% di cromo. Ha un'elevata robustezza e una buona resistenza alla fatica ma non ha una pellicola passiva inossidabile, quindi deve essere protetto dalla corrosione.
D: Cosa significa PREN?
Il numero equivalente di resistenza alla vaiolatura, calcolato come cromo più 3,3 volte molibdeno più 16 volte azoto. Valori più alti indicano una migliore resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale in ambienti contenenti cloruro.
D: Perché l'acciaio inossidabile duplex è migliore del 316L nei cloruri?
I gradi duplex contengono più cromo, molibdeno e azoto, il che aumenta il PREN a 34 o superiore per 2205 e 40 o superiore per 2507. Hanno anche una struttura a due fasi che resiste alla tensocorrosione da cloruro molto meglio dei gradi austenitici.
D: Qual è il limite della temperatura di servizio per l'acciaio inossidabile duplex?
Il limite superiore è fissato dall'infragilimento della fase ferrite ed è generalmente mantenuto al di sotto di circa 250-300°C a seconda del grado e delle specifiche applicabili. Il limite inferiore è fissato dai requisiti di tenacità.
D: Il molibdeno migliora la resistenza a tutti i tipi di corrosione?
No. È più efficace contro la vaiolatura e la corrosione interstiziale nei cloruri e contro gli acidi riducenti. Non impedisce l'attacco di mezzi fortemente ossidanti o di ossidazione ad alta temperatura, che dipendono da altri elementi.
D: Come deve essere specificato il tipo di cromo-nichel-molibdeno in un ordine?
In base all'esatta designazione del grado e allo standard di forma del prodotto, ad esempio 316L secondo ASTM A240 o 2205 duplex secondo ASTM A240 con UNS S32205. Un nome descrittivo da solo non è sufficiente per la selezione del materiale.
