Vi siete mai chiesti come il trattamento termico possa trasformare le proprietà dell'acciaio inossidabile? In questo articolo, un ingegnere meccanico esperto approfondisce l'affascinante mondo del trattamento termico dell'acciaio inossidabile. Scoprite la scienza che sta dietro al miglioramento della resistenza alla corrosione, all'eliminazione della fragilità e all'ottimizzazione delle proprietà meccaniche. Preparatevi a scoprire i segreti della manipolazione della microstruttura dell'acciaio inossidabile attraverso tecniche esperte e un preciso controllo della temperatura.
L'acciaio inossidabile si caratterizza per la sua composizione, che è costituita da un gran numero di elementi elementi in lega con il Cr come componente principale. Questo è il requisito fondamentale per la resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile.
Per sfruttare appieno gli elementi di lega e ottenere una resistenza meccanica e alla corrosione ideale, è necessario utilizzare anche metodi di trattamento termico.
Gli acciai inossidabili ferritici sono tipicamente caratterizzati da una struttura stabile a ferrite singola e non subiscono cambiamenti di fase al riscaldamento e al raffreddamento.
Di conseguenza, il trattamento termico non può essere utilizzato per regolare le proprietà meccaniche. L'obiettivo principale è ridurre la fragilità e aumentare la resistenza alla corrosione intergranulare.
Processo di trattamento termico:
① Ricottura
Per eliminare la fase σ, la fragilità a 475°C e la fragilità ad alta temperatura, è possibile applicare un trattamento di ricottura.
Il processo prevede un riscaldamento a 780~830°C, seguito da un raffreddamento ad aria o in forno.
Per gli acciai inossidabili ferritici ultrapuri con basso contenuto di C (C≤0,01%) e livelli strettamente controllati di Si, Mn, S e P, la temperatura di ricottura può essere aumentata.
② Trattamento antistress
Dopo la saldatura o la lavorazione a freddo, i pezzi possono contenere sollecitazione residua.
Nei casi in cui la ricottura non è adatta, il trattamento di riduzione delle tensioni può essere eseguito riscaldando i pezzi a una temperatura di 230~370℃, mantenendo la temperatura e poi raffreddando ad aria. Ciò può contribuire a eliminare alcune tensioni interne e a migliorare la plasticità.
La presenza di Cr, Ni e di altri elementi di lega negli acciai inossidabili austenitici abbassa la resistenza alla corrosione. Punto Ms al di sotto della temperatura ambiente (da -30 a -70°C).
Questa stabilità della struttura austenitica fa sì che non si verifichino cambiamenti di fase durante il riscaldamento e il raffreddamento a temperatura ambiente.
Lo scopo principale del trattamento termico per gli acciai inossidabili austenitici non è quindi quello di alterare le proprietà meccaniche, ma piuttosto di migliorare la resistenza alla corrosione.
Trattamento in soluzione dell'acciaio inossidabile austenitico
Effetti:
① Precipitazione e dissoluzione dei carburi in lega nell'acciaio
Il carbonio (C) è uno degli elementi di lega presenti nell'acciaio. Pur avendo un leggero effetto rinforzante, è dannoso per la resistenza alla corrosione, soprattutto quando forma carburi con il cromo (Cr).
Per ridurre al minimo la presenza di carburi di C e Cr, la solubilità del C nell'austenite viene manipolata mediante riscaldamento e raffreddamento.
La solubilità del C nell'austenite è elevata alle alte temperature (0,34% a 1200°C) e bassa alle basse temperature (0,02% a 600°C, e ancora più bassa a temperatura ambiente).
L'acciaio viene riscaldato ad alta temperatura per sciogliere il composto C-Cr e raffreddato rapidamente per evitare la precipitazione.
Ciò contribuisce a migliorare la resistenza alla corrosione dell'acciaio, soprattutto quella intergranulare.
② Sigma (σ) Fase
Un riscaldamento prolungato nell'intervallo 500-900°C o l'aggiunta di elementi come titanio, niobio e molibdeno possono provocare la precipitazione della fase σ nell'acciaio austenitico.
Ciò aumenta la fragilità dell'acciaio e ne diminuisce la resistenza alla corrosione.
La fase σ può essere eliminata sciogliendola a una temperatura superiore a quella di precipitazione e raffreddandola rapidamente per evitare una nuova precipitazione.
Processo:
Secondo lo standard GB1200, l'intervallo di temperatura di riscaldamento raccomandato è di 1000-1150°C, di solito 1020-1080°C.
La temperatura di riscaldamento può essere regolata all'interno dell'intervallo consentito in base alla composizione del grado specifico, alle fusioni o ai pezzi fucinati. Il metodo di raffreddamento deve essere rapido per evitare la precipitazione di carburo.
In Cina e in alcuni altri standard nazionali, il "raffreddamento rapido" è indicato dopo la soluzione solida.
La scala di "rapido" può essere determinata in base ai seguenti criteri:
Trattamento termico di stabilizzazione dell'acciaio inossidabile austenitico
Il trattamento termico di stabilizzazione è un processo limitato a specifiche qualità di acciai inossidabili austenitici, come 1Cr18Ni9Ti e 0Cr18Ni11Nb, che contengono elementi stabilizzanti Ti o Nb.
Effetti:
Come discusso in precedenza, la precipitazione di composti del tipo Cr23C6, dovuta alla combinazione di Cr e C ai bordi dei grani, può portare a una diminuzione della resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile austenitico.
Per evitare che ciò accada, all'acciaio vengono aggiunti Ti e Nb per creare condizioni in cui il C si combina preferenzialmente con Ti e Nb anziché con il Cr.
Ciò contribuisce a trattenere il Cr nell'austenite e a garantire la resistenza alla corrosione dell'acciaio. Il trattamento termico di stabilizzazione combina Ti, Nb e C per stabilizzare il Cr nell'austenite.
Processo:
Temperatura di riscaldamento: La temperatura di riscaldamento deve essere superiore alla temperatura di dissoluzione del Cr23C6 (400-825℃) e leggermente inferiore o superiore alla temperatura di dissoluzione iniziale del TiC o del NbC (ad esempio, l'intervallo di temperatura di dissoluzione del TiC è 750-1120℃).
La temperatura di riscaldamento stabilizzante è generalmente fissata a 850-930℃, che dissolve completamente il Cr23C6 e consente a Ti o Nb di combinarsi con il C, mantenendo il Cr nell'austenite.
Metodo di raffreddamento: In genere si utilizza il raffreddamento ad aria, ma si può ricorrere anche al raffreddamento ad acqua o al raffreddamento in forno, a seconda delle condizioni specifiche dei pezzi.
La velocità di raffreddamento ha un impatto minimo sull'effetto di stabilizzazione.
La nostra ricerca sperimentale ha dimostrato che velocità di raffreddamento di 0,9°C/min e 15,6°C/min da una temperatura di stabilizzazione di 900°C a 200°C producono una struttura metallografica, una durezza e una resistenza alla corrosione intergranulare simili.
Trattamento antistress dell'acciaio inossidabile austenitico
Scopo:
I componenti in acciaio inossidabile austenitico sono inevitabilmente sottoposti a sollecitazioni durante i processi di lavorazione a freddo, come la trasformazione e la saldatura.
Queste sollecitazioni possono avere effetti negativi, come l'impatto sulla stabilità dimensionale e la formazione di cricche da tensocorrosione in ambienti come Cl-, H2S, NaOH, ecc.
Questo tipo di danno è locale e improvviso e può essere dannoso. Per ridurre al minimo lo stress in queste parti, si possono utilizzare metodi di riduzione dello stress.
Processo:
Il trattamento in soluzione e il trattamento di stabilizzazione possono contribuire a eliminare le tensioni se le condizioni lo consentono. Tuttavia, questi metodi non sono sempre praticabili, come nel caso di raccordi per tubi in un anello, pezzi finiti con margini limitati e pezzi con forme complesse che sono facilmente deformabili.
In questi casi, il riscaldamento dei pezzi a una temperatura inferiore a 450°C può contribuire a ridurre le sollecitazioni.
Se il pezzo da lavorare sarà utilizzato in un ambiente di forte corrosione da stress e lo stress deve essere completamente eliminato, si deve prendere in considerazione la scelta di materiali come l'acciaio inossidabile austenitico a bassissimo tenore di carbonio con elementi stabilizzanti.
La caratteristica principale dell'acciaio inossidabile martensitico rispetto all'acciaio inossidabile ferritico, all'acciaio inossidabile austenitico e all'acciaio inossidabile duplex è la sua capacità di regolare le proprietà meccaniche in un'ampia gamma attraverso metodi di trattamento termico per soddisfare le diverse esigenze delle varie applicazioni.
Inoltre, la resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile martensitico può essere influenzata in modo diverso dai diversi metodi di trattamento termico utilizzati.
① La struttura dell'acciaio inossidabile martensitico dopo la tempra
A seconda della composizione chimica
② Resistenza alla corrosione e trattamento termico dell'acciaio inossidabile martensitico
Il trattamento termico dell'acciaio inossidabile martensitico non solo ne altera le proprietà meccaniche, ma influisce anche sulla resistenza alla corrosione in vari modi.
Ad esempio, il rinvenimento a bassa temperatura dopo la tempra determina un'elevata resistenza alla corrosione, mentre il rinvenimento a media temperatura (400-550°C) determina una bassa resistenza alla corrosione.
D'altra parte, il rinvenimento ad alta temperatura (600-750°C) migliora la resistenza alla corrosione.
③ Metodo e funzione del processo di trattamento termico dell'acciaio inossidabile martensitico
Ricottura
A seconda del risultato desiderato, si possono utilizzare diversi metodi di ricottura:
Questo processo di ricottura isotermica è anche efficace nel migliorare la struttura povera dopo la forgiatura, nonché nel migliorare le proprietà meccaniche dopo la tempra e il rinvenimento, in particolare la tenacità all'urto.
Tempra
L'obiettivo principale della tempra degli acciai inossidabili martensitici è quello di aumentarne la resistenza.
Il processo prevede il riscaldamento dell'acciaio a una temperatura superiore al punto critico, il mantenimento del calore per garantire che i carburi si dissolvano completamente nell'austenite e il successivo raffreddamento a una velocità adeguata per ottenere un struttura della martensite.
Selezione della temperatura di riscaldamento: Il principio di base è la formazione di austenite e la dissoluzione omogenea dei carburi di lega nell'austenite.
Per evitare grani di austenite più grossi o la presenza di ferrite o austenite conservata nella struttura dopo la tempra, la temperatura di riscaldamento non deve essere troppo bassa o troppo alta.
L'intervallo di temperatura per la tempra degli acciai inossidabili martensitici varia notevolmente, ma secondo la nostra esperienza è tipicamente compreso tra 980 e 1020°C.
Tuttavia, in caso di acciai speciali, controllo specifico della composizione o requisiti particolari, può essere necessario regolare la temperatura di riscaldamento, ma il principio di riscaldamento non deve essere violato.
Metodo di raffreddamento: A causa della composizione dell'acciaio inossidabile martensitico, l'austenite è più stabile, l'acciaio inossidabile martensitico è più stabile. Curva C si sposta verso destra e la velocità di raffreddamento critica è più bassa.
Pertanto, gli acciai martensitici possono essere sottoposti a tempra con raffreddamento ad olio o ad aria.
Tuttavia, per i pezzi che richiedono un'ampia profondità di tempra e proprietà meccaniche elevate, in particolare un'alta tenacità agli urti, si raccomanda il raffreddamento ad olio.
Tempra
Dopo la tempra, si ottiene un acciaio inossidabile martensitico con elevata durezza, fragilità e tensioni interne, che deve essere temprato per migliorarne le proprietà meccaniche.
L'acciaio inossidabile martensitico viene tipicamente temprato a due diverse temperature:
Il rinvenimento a una temperatura compresa tra 400 e 600°C è generalmente sconsigliato, in quanto può causare la precipitazione di carburi altamente dispersi dalla martensite, con conseguente fragilità della tempra e riduzione della resistenza alla corrosione.
Tuttavia, alcune molle, come quelle in acciaio 3Cr13 e 4Cr13, possono essere temprate a questa temperatura, ottenendo un HRC di 40-45 e una buona elasticità.
Il metodo di raffreddamento dopo il rinvenimento è solitamente ad aria, ma per gli acciai soggetti a fragilità da rinvenimento, come 1Cr17Ni2, 2Cr13 e 0Cr13Ni4Mo, si raccomanda il raffreddamento ad olio dopo il rinvenimento.
L'acciaio inossidabile Duplex è una recente aggiunta alla famiglia degli acciai inossidabili e ha ottenuto un ampio riconoscimento e apprezzamento per le sue caratteristiche uniche.
L'elevato contenuto di cromo, la bassa composizione di nichel e l'aggiunta di molibdeno e azoto lo rendono più resistente e più flessibile rispetto agli austenitici e agli acciai inossidabili ferriticie, allo stesso tempo, una resistenza alla corrosione equivalente.
Presenta inoltre una resistenza superiore alla corrosione per vaiolatura, interstiziale e da stress in ambienti con cloruri e acqua di mare.
Gli effetti del trattamento termico per gli acciai duplex sono i seguenti:
Eliminare l'austenite secondaria: A temperature più elevate, come ad esempio durante colata o forgiaturala quantità di ferrite aumenta.
A temperature superiori a 1300°C, può trasformarsi in ferrite monofase, che è instabile alle alte temperature. L'invecchiamento a temperature inferiori può portare alla precipitazione di austenite, nota come austenite secondaria.
Tuttavia, la quantità di cromo e azoto in questa austenite è inferiore a quella dell'austenite normale, il che la rende una potenziale fonte di corrosione e deve essere rimossa attraverso il trattamento termico.
Eliminare il carburo di Cr23C6: L'acciaio duplex può precipitare Cr23C6 a temperature inferiori a 950°C, causando una maggiore fragilità e una ridotta resistenza alla corrosione. Questo fenomeno deve essere eliminato.
③ Eliminare i nitruri Cr2N, CrN: a causa della presenza di azoto nell'acciaio, si possono formare nitruri con il cromo, che possono influire negativamente sia sulle proprietà meccaniche che sulla resistenza alla corrosione e devono essere eliminati.
Eliminare le fasi intermetalliche: La composizione dell'acciaio bifase può portare alla formazione di fasi intermetalliche, come la fase σ e la fase γ, che riducono la resistenza alla corrosione e aumentano la fragilità, pertanto devono essere eliminate.
Il processo di trattamento termico è simile a quello degli acciai austenitici e prevede un trattamento in soluzione solida con una temperatura di riscaldamento di 980~1100°C seguita da un rapido raffreddamento. In genere si utilizza il raffreddamento ad acqua.
L'acciaio inossidabile indurito per precipitazione è uno sviluppo relativamente recente ed è un tipo di acciaio inossidabile che è stato provato, testato e migliorato attraverso la pratica umana.
I primi acciai inossidabili, come quelli ferritici e austenitici, hanno una buona resistenza alla corrosione, ma le loro proprietà meccaniche non possono essere regolate con metodi di trattamento termico, il che ne limita l'utilità.
L'acciaio inossidabile martensitico può essere trattato termicamente per regolare maggiormente le sue proprietà meccaniche, ma la sua resistenza alla corrosione è scarsa.
Caratteristiche:
L'acciaio inossidabile indurito per precipitazione ha un basso contenuto di carbonio (generalmente ≤0,09%) e un alto contenuto di cromo (generalmente ≥14% o superiore), insieme a elementi come Mo e Cu, che gli conferiscono una resistenza alla corrosione equivalente a quella dell'acciaio inossidabile austenitico.
Attraverso una soluzione solida e un trattamento di invecchiamento, è possibile ottenere una struttura con fasi di indurimento per precipitazione precipitate sulla matrice di martensite, con conseguente maggiore resistenza.
La resistenza, la plasticità e la tenacità possono essere regolate entro un certo intervallo regolando la temperatura di invecchiamento.
Inoltre, il metodo di trattamento termico della soluzione solida seguito da un rinforzo per precipitazione di fase consente di lavorare forme di base con una bassa durezza dopo il trattamento della soluzione solida.
Grazie al rafforzamento attraverso l'invecchiamento, i costi di lavorazione si riducono e le prestazioni sono superiori a quelle del prodotto. acciai martensitici.
Classificazione:
Acciaio inossidabile martensitico a indurimento per precipitazione e relativo trattamento termico
Gli acciai inossidabili martensitici a indurimento per precipitazione sono caratterizzati da una trasformazione da austenitica a martensitica a partire da una temperatura ambiente (Ms).
Riscaldando l'acciaio alla temperatura di austenitizzazione e raffreddandolo rapidamente, si ottiene una matrice martensitica simile all'ardesia.
Dopo l'invecchiamento, la massa fine di rame precipita dalla matrice martensitica, rafforzando l'acciaio.
Un grado tipico della norma GB1220 è 0Cr17Ni4Cu4Nb (PH17-4), con la seguente composizione: C≤0,07, Ni: 3-5, Cr: 15,5-17,5, Cu: 3-5, Nb: 0,15-0,45. Il punto Ms è di circa 120°C e il punto Mz di circa 30°C.
Trattamento della soluzione solida:
Se riscaldato a 1020-1060°C e raffreddato rapidamente con acqua o olio, la struttura dell'acciaio diventa martensite, con una durezza di circa 320HB.
La temperatura di riscaldamento non dovrebbe superare i 1100°C, in quanto potrebbe causare un aumento della ferrite nella struttura, una diminuzione del punto Ms, un aumento dell'austenite trattenuta, una diminuzione della durezza e scarsi effetti del trattamento termico.
Trattamento dell'invecchiamento:
La dispersione e la dimensione delle particelle dei precipitati dipendono dalla temperatura di invecchiamento e determinano proprietà meccaniche diverse.
Secondo lo standard GB1220, le proprietà dopo l'invecchiamento a diverse temperature sono le seguenti:
② Trattamento termico dell'acciaio inossidabile semi-austenitico
Il punto Ms dell'acciaio inossidabile semi-austenitico è generalmente leggermente inferiore alla temperatura ambiente, con conseguente struttura dell'austenite a bassa resistenza dopo il trattamento in soluzione e il raffreddamento a temperatura ambiente.
Per migliorare la forza e durezza della matrice, l'acciaio deve essere nuovamente riscaldato a 750-950°C per l'isolamento.
In questa fase, i carburi precipitano nell'austenite, riducendone la stabilità e aumentando il punto Ms oltre la temperatura ambiente.
Al raffreddamento, si ottiene una struttura di martensite. Si può anche aggiungere un trattamento a freddo (trattamento sotto zero), seguito da invecchiamento, per ottenere un acciaio rinforzato con precipitati nella matrice di martensite.
Un grado raccomandato dalla norma GB1220 è 0Cr17Ni7Al (PH17-7) con la seguente composizione: C≤0,09, Cu≤0,5, Ni: 6,5-7,5, Cr: 16-18, Al: 0,75-1,5.
Soluzione + Regolazione + Trattamento anti-invecchiamento:
La temperatura della soluzione solida è di 1040°C e l'acciaio viene raffreddato con acqua o olio per ottenere una struttura di austenite con una durezza di circa 150HB.
La temperatura di regolazione è di 760°C e l'acciaio viene raffreddato in aria per far precipitare i carburi di lega nell'austenite, ridurre la sua stabilità, aumentare il punto Ms a 50-90°C e ottenere la martensite dei listelli dopo il raffreddamento. La durezza può raggiungere i 290HB.
Dopo l'invecchiamento a 560°C, l'Al e i suoi composti precipitano, rafforzando l'acciaio e aumentandone la durezza a 340HB.
Soluzione solida + Regolazione + Trattamento a freddo + Invecchiamento:
La temperatura della soluzione solida è di 1040°C e il raffreddamento ad acqua viene utilizzato per ottenere una struttura di austenite.
La temperatura di regolazione è di 955°C per aumentare il punto Ms e ottenere la martensite dei listelli dopo il raffreddamento.
Il trattamento a freddo a -73°C per 8 ore riduce l'austenite trattenuta nella struttura per ottenere la massima martensite.
Esistono numerosi modi per classificare l'acciaio inossidabile, tra cui la composizione chimica, le proprietà funzionali, la struttura metallografica e le caratteristiche del trattamento termico.
Tuttavia, per motivi di praticità, è più utile classificarli in base alla loro struttura metallografica e alle caratteristiche del trattamento termico.
Il principale elemento di lega dell'acciaio inossidabile è il cromo, a cui può essere aggiunta una piccola quantità di elementi stabili di ferrite come l'alluminio e il molibdeno. La struttura risultante è la ferrite.
Questo tipo di acciaio inossidabile ha una bassa resistenza e non può essere migliorato attraverso il trattamento termico.
Ha invece una certa plasticità, ma anche una grande quantità di fragilità. Ha una buona resistenza alla corrosione in mezzi ossidanti (come l'acido nitrico), ma una scarsa resistenza alla corrosione in mezzi riducenti.
Contiene un'elevata concentrazione di cromo, generalmente superiore a 18%, e circa 8% di nichel.
Alcuni utilizzano il manganese in sostituzione del nichel per migliorare ulteriormente la resistenza alla corrosione, mentre altri aggiungono elementi come molibdeno, rame e silicio, titanioo niobio.
Non c'è cambiamento di fase durante il riscaldamento e il raffreddamento, quindi non si possono usare metodi di trattamento termico per aumentarne la resistenza.
Tuttavia, ha il vantaggio di avere una bassa resistenza, un'elevata plasticità e un'alta tenacità. È altamente resistente ai mezzi ossidanti e ha una buona resistenza a corrosione intergranulare dopo l'aggiunta di titanio e niobio.
Acciaio inossidabile martensitico contiene principalmente 12-18% Cr, con la quantità di carbonio regolabile in base alle esigenze, in genere 0,1-0,4%.
Per gli strumenti, il contenuto di carbonio possono raggiungere 0,8-1,0%, e alcuni sono migliorati con l'aggiunta di elementi come Mo, V e Nb per aumentare la stabilità e la resistenza alla tempra.
Il riscaldamento ad alte temperature e il raffreddamento a una certa velocità danno luogo a una struttura prevalentemente martensitica, ma che può contenere anche piccole quantità di ferrite, trattenute austeniteo carburi in lega, a seconda del contenuto di carbonio e di elementi di lega.
La struttura e le prestazioni possono essere regolate controllando il processo di riscaldamento e raffreddamento, ma la resistenza alla corrosione non è buona come quella degli acciai inossidabili austenitici, ferritici e duplex.
L'acciaio inossidabile martensitico è resistente agli acidi organici, ma ha una scarsa resistenza in mezzi come gli acidi solforici e cloridrici.
In genere, il contenuto di Cr è di 17-30% e quello di Ni di 3-13%.
Inoltre, vengono aggiunti elementi di lega come Mo, Cu, Nb, N e W, mentre il contenuto di C viene mantenuto molto basso.
A seconda della proporzione degli elementi di lega, alcune sono ferrite, mentre altre sono principalmente austenitecostituendo due acciai duplex che esistono contemporaneamente.
Poiché contiene ferrite ed elementi di rinforzo, dopo il trattamento termico la sua resistenza è leggermente superiore a quella dell'acciaio inossidabile austenitico e la sua plasticità e tenacità sono migliori.
Le prestazioni non possono essere regolate attraverso il trattamento termico.
Ha un'elevata resistenza alla corrosione, soprattutto in mezzi contenenti Cl e in acqua di mare, e presenta una buona resistenza alla vaiolatura, alla corrosione interstiziale e alla corrosione sotto sforzo.
La composizione di questo tipo di acciaio inossidabile è caratterizzata dalla presenza di elementi come C, Cr, Ni e altri elementi, tra cui Cu, Al e Ti, che possono causare precipitazioni.
Le proprietà meccaniche possono essere regolate attraverso il trattamento termico, ma il suo meccanismo di rafforzamento differisce da quello dell'acciaio inossidabile martensitico.
Grazie al suo rafforzamento per precipitazione, il contenuto di carbonio può essere mantenuto molto basso, con conseguente migliore resistenza alla corrosione rispetto all'acciaio inossidabile martensitico ed equivalente all'acciaio inossidabile austenitico al Cr-Ni.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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