Acciaio inossidabile 347/347H resistente al calore: Guida essenziale

L'acciaio inossidabile 347 resistente al calore (S34700) è un acciaio inossidabile austenitico altamente stabile, rinomato per la sua eccezionale resistenza alla corrosione intergranulare. Questa lega mantiene l'integrità strutturale e la resistenza alla corrosione anche in condizioni severe, in particolare nell'intervallo di temperatura critico di 800-1500°F (427-816°C), dove si verifica tipicamente la precipitazione del carburo di cromo.

La superiore stabilità dell'acciaio inossidabile 347 è attribuita alla sua composizione attentamente studiata, in particolare all'aggiunta di titanio come elemento stabilizzante. Il titanio si combina preferenzialmente con il carbonio per formare carburi di titanio, impedendo efficacemente la formazione di carburi di cromo ai confini dei grani. Questo meccanismo, noto come stabilizzazione, preserva il cromo in soluzione solida, mantenendo così la resistenza alla corrosione della lega anche dopo una prolungata esposizione a temperature elevate.

Nelle applicazioni ad alta temperatura, l'acciaio inossidabile 347 resistente al calore presenta vantaggi significativi grazie alle sue eccellenti proprietà meccaniche. Rispetto ai gradi non stabilizzati, presenta una resistenza allo scorrimento, alla fatica termica e una stabilità dimensionale superiori. Queste caratteristiche lo rendono particolarmente adatto per i componenti di scambiatori di calore, parti di forni e impianti di lavorazione chimica che operano a temperature elevate.

Rispetto all'acciaio inossidabile austenitico 304, ampiamente utilizzato, il 347 offre notevoli miglioramenti sia in termini di duttilità che di resistenza alla rottura sotto sforzo alle alte temperature. Queste migliori prestazioni sono fondamentali nelle applicazioni che prevedono cicli termici o che prevedono un'esposizione prolungata alle alte temperature. La maggiore duttilità consente una migliore formabilità e riduce il rischio di cricche durante i cicli di espansione e contrazione termica.

Sebbene il 347 sia la scelta preferita per le applicazioni ad alta temperatura che richiedono la massima resistenza alla corrosione, vale la pena notare che anche il 304L (variante a basso tenore di carbonio del 304) può essere utilizzato per mitigare la sensibilizzazione e la corrosione intergranulare in alcuni ambienti meno severi. Tuttavia, il 304L ottiene questo risultato grazie alla riduzione del contenuto di carbonio piuttosto che alla stabilizzazione, il che potrebbe limitare la sua resistenza alle alte temperature rispetto al 347.

I. Caratteristiche generali

La Lega 321 (UNS S32100) è un acciaio inossidabile austenitico altamente stabile, rinomato per la sua eccezionale resistenza alla corrosione intergranulare, in particolare nell'intervallo di temperatura critico di 800-1500°F (427-816°C), dove si verifica tipicamente la precipitazione del carburo di cromo. Questa stabilità è ottenuta grazie all'aggiunta strategica di titanio, che forma preferenzialmente carburi di titanio, impedendo così l'esaurimento del cromo ai bordi dei grani.

In confronto, l'acciaio inossidabile 347 resistente al calore mantiene la sua stabilità grazie all'aggiunta di columbium (niobium) e tantalio. Entrambi gli elementi fungono da forti formatori di carburi, stabilizzando efficacemente la lega contro la sensibilizzazione.

Gli acciai inossidabili resistenti al calore 321 e 347 sono i materiali preferiti per il servizio a lungo termine in ambienti ad alta temperatura nella gamma di 800-1500°F (427-816°C). Le loro composizioni uniche li rendono ideali per applicazioni che richiedono un'esposizione prolungata a temperature elevate. Per gli scenari meno impegnativi che prevedono solo la saldatura o un riscaldamento di breve durata, il 304L può essere un'alternativa adeguata grazie al suo minore contenuto di carbonio, che riduce la suscettibilità alla sensibilizzazione.

La superiorità di 321 e 347 nelle operazioni ad alta temperatura va oltre la resistenza alla corrosione e comprende proprietà meccaniche migliorate. Queste leghe presentano proprietà di resistenza al creep e di rottura sotto sforzo significativamente migliori rispetto ai gradi 304 e 304L. Queste prestazioni superiori consentono al 321 e al 347 di sopportare sollecitazioni più elevate a temperature elevate, pur rispettando le severe normative per caldaie e recipienti a pressione stabilite dall'American Society of Mechanical Engineers (ASME).

Di conseguenza, la temperatura massima d'uso consentita per gli acciai inossidabili termoresistenti 321 e 347 può raggiungere i 1500°F (816°C), sostanzialmente superiore al limite di 800°F (426°C) dei gradi 304 e 304L. Questo intervallo di temperatura esteso amplia notevolmente il campo di applicazione di queste leghe stabilizzate nei processi industriali ad alta temperatura.

Per le applicazioni che richiedono una resistenza ancora maggiore alle alte temperature, sono disponibili versioni ad alto tenore di carbonio delle leghe 321 e 347, designate rispettivamente come UNS S32109 e S34709. Questi gradi offrono una maggiore resistenza al creep e alle alte temperature, anche se con una duttilità leggermente ridotta rispetto ai loro omologhi standard.

II. Composizione chimica

ASTM A240 e ASME SA-240:

III. Resistenza alla corrosione

1. Corrosione uniforme

Le leghe 321 e 347 possiedono una capacità di resistenza alla corrosione generale simile a quella della lega 304, instabile al nichel-cromo. Il riscaldamento prolungato alla temperatura del grado di carburo di cromo può influire sulla resistenza alla corrosione delle leghe 321 e 347 in ambienti fortemente corrosivi.

Nella maggior parte degli ambienti, la resistenza alla corrosione di entrambe le leghe è abbastanza comparabile; tuttavia, la resistenza della lega 321 ricotta in ambienti fortemente ossidanti è leggermente inferiore a quella della lega 347 ricotta.

Pertanto, la lega 347 è superiore in ambienti acquatici e in altre condizioni di bassa temperatura. L'esposizione a temperature comprese tra 800°F e 1500°F (427°C - 816°C) riduce in modo significativo la resistenza alla corrosione complessiva della lega 321 rispetto alla lega 347.

La lega 347 è utilizzata principalmente per applicazioni ad alta temperatura, dove è richiesta una forte resistenza alla sensibilizzazione per prevenire la corrosione intergranulare a temperature inferiori.

2. Corrosione intergranulare

Gli acciai instabili al nichel-cromo come la lega 304 sono suscettibili di corrosione intergranulare, mentre le leghe 321 e 347 sono state sviluppate per risolvere questo problema.

Quando l'acciaio al cromo-nichel instabile viene posto in un ambiente a temperature comprese tra 800°F e 1500°F (427°C - 816°C) o raffreddato lentamente all'interno di questo intervallo di temperature, il carburo di cromo precipita ai confini dei grani.

Se esposti a sostanze corrosive aggressive, questi confini dei grani possono essere i primi a corrodersi, indebolendo potenzialmente le prestazioni del metallo e portandolo alla totale disintegrazione.

In mezzi organici o soluzioni acquose debolmente corrosive, latte o altri prodotti lattiero-caseari, o in condizioni atmosferiche, la corrosione intergranulare si osserva raramente, anche in presenza di una notevole precipitazione di carburo.

Quando saldatura Le lamiere più sottili, la breve esposizione a temperature comprese tra 800°F e 1500°F (427°C - 816°C) riduce la probabilità di corrosione intergranulare, rendendo i gradi instabili adatti al compito.

L'entità della precipitazione di carburo nocivo dipende dalla durata dell'esposizione a temperature comprese tra 800°F e 1500°F (427°C - 816°C) e dai mezzi corrosivi.

Per la saldatura di lamiere più spesse, nonostante i tempi di riscaldamento più lunghi, il grado L instabile, con un contenuto di carbonio pari o inferiore a 0,03%, determina una precipitazione di carburo insufficiente a rappresentare una minaccia per questo grado.

La forte resistenza alla sensibilizzazione e alla corrosione intergranulare degli acciai inossidabili 321 e 347 stabilizzati è dimostrata dalla tabella seguente (prova con acido solforico al solfato di rame e rame-16% (ASTM A262, pratica E)).

Prima del test, i campioni ricotti in acciaieria sono sottoposti a un trattamento termico di sensibilizzazione a 1050°F (566°C) per 48 ore.

Dopo 240 ore di lavoro ricottura I campioni in lega 347 non hanno mostrato segni di corrosione intergranulare, indicando che non si sono sensibilizzati quando sono stati esposti a tali condizioni di calore. Il basso tasso di corrosione dei campioni di Lega 321 suggerisce che, sebbene abbiano subito una certa corrosione intergranulare, la loro resistenza alla corrosione era superiore a quella della Lega 304L in queste condizioni.

Nell'ambiente di questo test, tutte queste leghe hanno ottenuto risultati significativamente migliori rispetto all'acciaio inossidabile standard Alloy 304.

In generale, le leghe 321 e 347 sono utilizzate per la produzione di apparecchiature di saldatura per impieghi gravosi che non possono essere sottoposte a trattamento di ricottura, nonché per apparecchiature che operano o si raffreddano lentamente in un intervallo compreso tra 800°F e 1500°F (427°C e 816°C).

L'esperienza acquisita in varie condizioni operative fornisce ampi dati per prevedere la probabilità di corrosione intergranulare nella maggior parte delle applicazioni. Vi invitiamo inoltre a prendere visione di alcune nostre opinioni pubblicate nella rivista trattamento termico sezione.

3. Cricche da corrosione da stress

Leghe 321 e 347 austenitico Gli acciai inossidabili sono sensibili alle cricche da tensocorrosione negli alogenuri, come l'acciaio inossidabile Alloy 304. Ciò è dovuto al loro simile contenuto di nichel. Le condizioni che portano alla criccatura da tensocorrosione includono:

(1) esposizione a ioni alogenuri (solitamente cloruri)

(2) sollecitazione di trazione residua

(3) temperature ambientali superiori a 49°C (120°F).

La deformazione a freddo nelle operazioni di formatura o i cicli termici incontrati nelle operazioni di saldatura possono generare stress. Il trattamento di ricottura o il trattamento termico di distensione dopo la deformazione a freddo possono ridurre i livelli di stress.

Le leghe stabilizzate 321 e 347 sono adatte per operazioni di distensione che potrebbero causare corrosione intergranulare nelle leghe instabili.

Le leghe 321 e 347 sono particolarmente utili in ambienti che causano la corrosione da stress da acido politionico negli acciai inossidabili austenitici instabili, come la Lega 304. Gli acciai inossidabili austenitici instabili, se esposti a temperature che causano sensibilizzazione, precipitano carburi di cromo ai bordi dei grani.

Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente in un ambiente contenente zolfo, i solfuri (di solito solfuro di idrogeno) reagiscono con il vapore e l'ossigeno per formare acidi politionici che corrodono i confini dei grani sensibilizzati.

La cricca da tensocorrosione da acido politionico si verifica in ambienti di raffineria in cui prevalgono i solfuri, in condizioni di tensioni e corrosione intergranulare.

Le leghe stabilizzate 321 e 347 risolvono il problema delle cricche da tensocorrosione da acido politionico grazie alla loro resistenza alla sensibilizzazione durante le operazioni di riscaldamento. Se le condizioni operative possono causare la sensibilizzazione, queste leghe devono essere utilizzate in condizioni di stabilizzazione termica per ottenere una resistenza ottimale alla sensibilizzazione.

4. Corrosione da vaiolatura/crepa

La resistenza alla corrosione per vaiolatura e interstiziale delle leghe stabili 321 e 347 in ambienti contenenti ioni cloruro è approssimativamente uguale a quella delle leghe di acciaio inox 304 o 304L, grazie al loro simile contenuto di cromo.

In generale, per le leghe instabili e stabili, il contenuto massimo di cloruro in un ambiente acquatico è di cento parti per milione, soprattutto in presenza di corrosione interstiziale. Un contenuto più elevato di ioni cloruro può portare alla corrosione interstiziale e per vaiolatura.

In condizioni difficili, con un contenuto di cloruri più elevato, un pH più basso e/o temperature più elevate, si dovrebbe prendere in considerazione l'uso di leghe contenenti molibdeno, come la lega 316. Le leghe stabili 321 e 347 hanno superato il test di nebbia salina 5% di 100 ore (ASTM B117) senza ruggine o scolorimento sui campioni testati.

Tuttavia, se queste leghe sono esposte alla nebbia salina marina, possono verificarsi vaiolatura, corrosione interstiziale e grave scolorimento. L'esposizione delle leghe 321 e 347 agli ambienti marini è sconsigliata.

IV. Resistenza all'ossidazione ad alta temperatura

La resistenza all'ossidazione del 321 e del 347 può essere confrontata con quella di altri acciai inossidabili austenitici 18-8. I campioni sono stati esposti ad atmosfere di laboratorio ad alta temperatura. I campioni sono esposti ad atmosfere di laboratorio ad alta temperatura.

Pesando regolarmente i campioni rimossi dall'ambiente ad alta temperatura si può prevedere il grado di formazione delle incrostazioni. I risultati dei test sono rappresentati dalle variazioni di peso (milligrammi/centimetro quadrato), calcolando la media dei valori minimi di due diversi campioni testati.

La differenza principale tra 321 e 347 risiede nella sottile additivazione della lega, che tuttavia non influisce sulle loro proprietà antiossidanti.

Pertanto, i risultati dei test sono rappresentativi per entrambi i gradi. Tuttavia, i tassi di ossidazione sono influenzati da fattori intrinseci come l'ambiente di esposizione e la forma del prodotto.

Di conseguenza, questi risultati devono essere considerati solo come valori tipici di antiossidazione per questi gradi.

V. Proprietà fisiche

Le proprietà fisiche delle leghe 321 e 347 sono abbastanza simili, anzi possono essere considerate identiche. I valori elencati nella tabella si applicano a entrambe le leghe.

Con un appropriato trattamento di ricottura, gli acciai inossidabili 321 e 347 contengono principalmente austenite e carburi di titanio o niobio. Nella microstruttura può comparire o meno una piccola quantità di ferrite. Se esposto a temperature comprese tra 1000°F e 1500°F (da 593°C a 816°C) per un periodo prolungato, può formarsi una piccola quantità di fase sigma.

Il trattamento termico non è in grado di indurire gli acciai stabilizzati delle leghe 321 e 347.

Il coefficiente di trasferimento termico complessivo del metallo dipende non solo dalla conduttività termica del metallo, ma anche da altri fattori.

Nella maggior parte dei casi, questi includono il coefficiente di raffreddamento del film, le incrostazioni e le condizioni superficiali del metallo. L'acciaio inossidabile mantiene una superficie pulita, che consente di trasferire il calore in modo migliore rispetto ai metalli con conducibilità termica più elevata.

Magnetismo

Le leghe stabilizzate 321 e 347 sono generalmente amagnetiche. Allo stato ricotto, la loro permeabilità magnetica è inferiore a 1,02. La permeabilità magnetica varia con la composizione e aumenta con la lavorazione a freddo. La permeabilità magnetica delle saldature contenenti ferrite è leggermente superiore.

VI. Proprietà meccaniche

1. Duttilità a temperatura ambiente

Le proprietà meccaniche minime delle leghe stabili 321 e 347 a livello di cromo-nichel allo stato ricotto (2000°F [1093°C], raffreddamento ad aria) sono indicate nella tabella seguente.

2. Duttilità ad alta temperatura

Le proprietà meccaniche tipiche delle leghe 321 e 347 alle alte temperature sono riportate nella tabella seguente. In ambienti con temperature di 1000°F (538°C) e superiori, la resistenza di queste leghe stabili è significativamente superiore a quella della lega 304, che è instabile.

Le leghe ad alto tenore di carbonio 321H e 347H (UNS32109 e S34700) hanno una maggiore resistenza in ambienti con temperatura superiore a 1000°F (537°C). I dati ASME sulle massime sollecitazioni di progetto ammissibili della lega 347H mostrano che la resistenza di questo grado è superiore a quella della lega 347 a basso tenore di carbonio.

L'uso della lega 321H non è consentito nelle applicazioni della Sezione VIII e per le applicazioni della Sezione III è limitato a temperature di 800°F (427°C) o inferiori.

3. Proprietà di scorrimento e di rottura sotto sforzo

I dati tipici di rottura per scorrimento e sollecitazione delle leghe di acciaio inossidabile 321 e 347 sono riportati nella tabella seguente. La resistenza allo scorrimento e alla rottura sotto sforzo delle leghe stabili alle alte temperature è superiore a quella delle leghe instabili 304 e 304L.

Le prestazioni superiori delle leghe 321 e 347 le rendono adatte per le parti in pressione che operano ad alte temperature, come le caldaie e i recipienti a pressione comunemente utilizzati.

4. Forza d'urto

Entrambe le leghe 321 e 347 presentano un'eccellente resistenza agli urti, sia in condizioni interne che in ambienti al di sotto dello zero.

La prova d'urto Charpy V della lega 347 dopo la ricottura, lasciata per un'ora alla temperatura di prova specificata, è mostrata nel grafico seguente. La situazione per la lega 321 è simile a quella della 347.

5. Resistenza alla fatica

In effetti, il resistenza alla fatica di ciascun metallo è influenzato da fattori quali l'ambiente di corrosione, la finitura superficiale, la forma del prodotto e le sollecitazioni medie.

Per questo motivo, è impossibile rappresentare con un numero preciso il valore della resistenza a fatica in tutte le condizioni operative. Il limite di fatica delle leghe 321 e 347 è pari a circa 35% della loro resistenza a trazione.

VII. Elaborazione

Saldatura

L'acciaio inossidabile austenitico è considerato il più semplice acciaio legato saldare e può essere saldato con tutte le sostanze di fusione, oltre che con la saldatura a resistenza.

Quando si salda l'acciaio inossidabile austenitico, si devono considerare due fattori: 1) mantenere la resistenza alla corrosione e 2) prevenire le cricche.

Durante la saldatura, è fondamentale preservare gli elementi stabilizzanti nelle leghe 321 e 347. Il titanio della lega 321 è più soggetto all'esaurimento, mentre il niobio della lega 347 si perde facilmente. È necessario evitare gli elementi di carbonio provenienti dal petrolio e da altre fonti di contaminazione, nonché gli elementi di azoto provenienti dall'aria.

Pertanto, sia che si saldino leghe stabili o instabili, è necessario mantenere la pulizia e la protezione dal gas inerte.

Quando saldatura dei metalli con una struttura austenitica, è facile che si verifichino spaccature durante l'operazione. Per questo motivo, le leghe 321 e 347 richiedono l'aggiunta di una piccola quantità di sale ferrico durante la risolidificazione per ridurre al minimo la sensibilità alle cricche. Gli acciai inossidabili contenenti niobio sono più inclini alle cricche a caldo rispetto a quelli contenenti titanio.

I metalli d'apporto corrispondenti possono essere utilizzati per la saldatura di acciai stabili come le leghe 321 e 347. Il metallo d'apporto corrispondente della lega 347 può talvolta essere utilizzato anche per lega di saldatura 321.

Queste leghe stabili possono essere aggiunte ad altri acciai inossidabili o al carbonio. La lega 309 (23% Cr-13,5% Ni) o i metalli d'apporto a base di nichel possono servire a questo scopo.

VIII. Trattamento termico

L'intervallo di temperatura di ricottura per le leghe 321 e 347 è di 1800-2000°F (928-1093°C). Sebbene l'obiettivo principale della ricottura sia quello di migliorare la morbidezza e la duttilità della lega, è possibile eliminare le tensioni entro l'intervallo di precipitazione dei carburi di 800 - 1500°F (427 - 816°C) senza causare corrosione intergranulare.

Sebbene un riscaldamento prolungato in questo intervallo di temperatura possa ridurre in qualche modo la resistenza generale alla corrosione della lega, le leghe 321 e 347 possono alleviare le tensioni dopo una ricottura di poche ore nell'intervallo di temperatura compreso tra 800 e 1500 °F (da 427 a 816°C) e la loro resistenza generale alla corrosione non sarà significativamente ridotta.

Come sottolineato, la ricottura a bassa temperatura nell'intervallo tra 800 e 1500°F (427-816°C) non provoca corrosione intergranulare.

Per ottenere una duttilità ottimale, si raccomanda di utilizzare una temperatura di ricottura più elevata, compresa tra 1800 e 2000°F (928-1093°C).

Quando si lavorano questi acciai inossidabili a base di nichel in apparecchiature che devono prevenire al massimo la precipitazione del carburo di cromo, bisogna riconoscere che la stabilità del columbium non è la stessa del titanio. Per questi motivi, quando si utilizza la lega 321, i risultati di stabilità e protezione non sono così evidenti.

Quando è richiesta la massima resistenza alla corrosione, la lega 321 deve essere sottoposta a un trattamento di ricottura di stabilizzazione. Riscaldare a una temperatura compresa tra 1550 e 1650 °F (843 e 899°C) per un massimo di 5 ore; il tempo di riscaldamento dipende dallo spessore.

Questo intervallo di temperatura supera l'intervallo di temperatura per la formazione del carburo di cromo ed è anche sufficiente per decomporre e dissolvere il carburo di cromo precedentemente formato.

Inoltre, a questa temperatura, il titanio può combinarsi con il carbonio per formare innocui carburi di titanio. Il risultato è che il cromo si riduce a una soluzione solida e il carbonio è costretto a combinarsi con il titanio per formare carburi innocui.

La lega 347 stabilizzata contenente columbio spesso non richiede questo trattamento aggiuntivo.

Al termine del trattamento termico in ambiente ossidante, gli ossidi formatisi sulla superficie ricotta vengono rimossi con una soluzione decapante, ad esempio una miscela di acido nitrico e acido fluoridrico. Dopo il decapaggio, la superficie dell'acciaio inossidabile deve essere accuratamente risciacquata per eliminare i residui della soluzione acida.

Queste leghe non possono essere indurite mediante trattamento termico.

IX. La pulizia

Il mantenimento della pulizia superficiale è fondamentale per l'acciaio inossidabile durante tutto il suo ciclo di vita, dalla produzione all'utilizzo finale, anche in condizioni operative standard. Questa pratica è essenziale per preservare la resistenza alla corrosione e l'estetica intrinseca del materiale.

Durante i processi di saldatura, si utilizza una tecnica di schermatura a gas inerte per ridurre al minimo l'ossidazione. Dopo la saldatura, è indispensabile rimuovere gli ossidi e le scorie utilizzando una spazzola in acciaio inox dedicata. L'uso di spazzole in acciaio al carbonio è severamente vietato, poiché possono depositare particelle di acciaio al carbonio sulla superficie dell'acciaio inossidabile, dando potenzialmente origine a una corrosione localizzata. In applicazioni critiche o in ambienti ad alte prestazioni, l'area saldata può richiedere un trattamento con una soluzione di decapaggio specializzata (in genere una miscela di acido nitrico e fluoridrico) per eliminare completamente gli ossidi e le scorie, garantendo una resistenza alla corrosione ottimale.

Dopo qualsiasi trattamento chimico, la superficie dell'acciaio inossidabile deve essere risciacquata meticolosamente con acqua deionizzata per rimuovere ogni traccia di residuo acido, evitando potenziali vaiolature o cricche da tensocorrosione.

I fattori ambientali influenzano in modo significativo i requisiti di manutenzione. Nelle aree interne, le applicazioni industriali leggere richiedono generalmente una manutenzione minima. La pulizia periodica con acqua in pressione può essere necessaria solo per le aree schermate o incassate soggette all'accumulo di contaminanti. Tuttavia, in ambienti industriali pesanti, è fortemente consigliata una pulizia regolare e approfondita per rimuovere il particolato accumulato, che può intrappolare umidità e agenti corrosivi, compromettendo potenzialmente lo strato passivo dell'acciaio inossidabile e l'integrità della superficie.

Incorporare considerazioni sulla pulizia nella fase di progettazione può facilitare notevolmente la manutenzione. Le apparecchiature con filetti arrotondati, raggi interni generosi e costruzione senza saldature non solo semplificano i processi di pulizia, ma migliorano anche l'efficacia dei trattamenti superficiali come l'elettrolucidatura, che può migliorare ulteriormente la resistenza alla corrosione e la pulibilità.

È importante notare che i dati di riferimento forniti rappresentano analisi tipiche e non devono essere interpretati come specifiche definitive o limiti assoluti per il prodotto finale. Le proprietà dei materiali possono variare in base a lotti di produzione specifici, metodi di lavorazione e applicazioni previste. Consultare sempre i rapporti di prova dei materiali certificati dal produttore per ottenere dati precisi sulle proprietà compositive e meccaniche per applicazioni critiche.