1. Trattamento termico dell'acciaio inossidabile ferritico: l'acciaio inossidabile ferritico è generalmente una struttura ferritica singola stabile. Quando riscaldato o raffreddato, non si verifica alcun cambiamento di fase. Pertanto, le proprietà meccaniche non possono essere modificate mediante trattamento termico. Il suo scopo principale è ridurre la fragilità e migliorare la resistenza alla corrosione intergranulare.
① Fragilità della fase σ: l'acciaio inossidabile ferritico genera molto facilmente la fase σ, un composto metallico ricco di Cr. È duro e fragile, e si forma particolarmente facilmente tra i grani, rendendo l'acciaio fragile e aumentando la sensibilità alla corrosione intergranulare. La formazione della fase σ è correlata alla composizione. Inoltre, Cr, Si, Mn, Mo, ecc. favoriscono la formazione della fase σ; ciò è anche correlato al processo di lavorazione, in particolare al riscaldamento e al mantenimento di una temperatura compresa tra 540 e 815 °C, che favorisce ulteriormente la formazione della fase σ. Tuttavia, la formazione della fase σ è reversibile. Riscaldando nuovamente a una temperatura superiore a quella di formazione della fase σ, la fase σ si ridiscioglierà nella soluzione solida.
② Fragilità a 475°C: quando l'acciaio inossidabile ferritico viene riscaldato a lungo nell'intervallo 400~500°C, mostrerà le caratteristiche di maggiore resistenza e minore tenacità, ovvero una maggiore fragilità, più evidente a 475°C, chiamata fragilità a 475°C. Questo perché, a questa temperatura, gli atomi di Cr nella ferrite si riorganizzano per formare una piccola area ricca di Cr, coerente con la fase madre, causando distorsioni reticolari, generando stress interno, aumentando la durezza dell'acciaio e aumentandone la fragilità. Contemporaneamente alla formazione dell'area ricca di Cr, deve esserci un'area povera di Cr, il che ha un effetto negativo sulla resistenza alla corrosione. Quando l'acciaio viene riscaldato a una temperatura superiore a 700°C, la distorsione e lo stress interno vengono eliminati e la fragilità a 475°C scompare.
3. Fragilità ad alta temperatura: quando riscaldati a temperature superiori a 925 °C e raffreddati rapidamente, Cr, C, N, ecc. formano composti che precipitano nei grani e nei bordi dei grani, causando una maggiore fragilità e il verificarsi di corrosione intergranulare. Questo composto può essere eliminato riscaldando a 750~850 °C e quindi raffreddando rapidamente.
Processo di trattamento termico:
① Ricottura: per eliminare la fase σ, la fragilità a 475°C e la fragilità ad alta temperatura, è possibile utilizzare la ricottura, riscaldando a 780~830°C, mantenendo il calore e quindi raffreddando ad aria o in forno. Per l'acciaio inossidabile ferritico ultra puro (contenente C≤0,01%, con un rigoroso controllo di Si, Mn, S, P), la temperatura di riscaldamento della ricottura può essere aumentata.
2. Trattamento di distensione: dopo la saldatura e la lavorazione a freddo, i pezzi possono presentare tensioni. Se la ricottura non è adatta a circostanze specifiche, è possibile utilizzare il riscaldamento, il mantenimento in caldo e il raffreddamento ad aria nell'intervallo 230~370°C per eliminare alcune tensioni interne e migliorare la plasticità.
2. Trattamento termico dell'acciaio inossidabile austenitico: l'effetto di elementi di lega come Cr e Ni nell'acciaio inossidabile austenitico fa sì che il punto Ms scenda al di sotto della temperatura ambiente (da -30 a -70 °C). Per garantire la stabilità della struttura austenitica, non si verifica alcun cambiamento di fase al di sopra della temperatura ambiente durante il riscaldamento e il raffreddamento. Pertanto, lo scopo principale del trattamento termico dell'acciaio inossidabile austenitico non è quello di modificare le proprietà meccaniche, ma di migliorare la resistenza alla corrosione.
A. Trattamento di soluzione dell'acciaio inossidabile austenitico
Funzione:
1. Precipitazione e dissoluzione dei carburi di lega nell'acciaio: il C nell'acciaio è uno degli elementi di lega. Oltre a svolgere un certo ruolo di rafforzamento, non favorisce la resistenza alla corrosione, soprattutto quando il C forma carburi con il Cr, l'effetto è ancora peggiore e si dovrebbero fare sforzi per ridurne la presenza. Per questo motivo, secondo le caratteristiche del C nell'austenite che variano con la temperatura, ovvero la solubilità è elevata ad alta temperatura e ridotta a bassa temperatura. Secondo i dati, la solubilità del C nell'austenite è dello 0,34% a 1200 °C, dello 0,18% a 1000 °C e dello 0,02% a 600 °C, e ancora inferiore a temperatura ambiente. Pertanto, l'acciaio viene riscaldato ad alta temperatura per sciogliere completamente il composto C-Cr e quindi raffreddato rapidamente in modo che non abbia il tempo di precipitare, in modo da garantire la resistenza alla corrosione dell'acciaio, in particolare la resistenza alla corrosione intergranulare.
Fase ②σ: se l'acciaio austenitico viene riscaldato a lungo nell'intervallo 500-900 °C, o se all'acciaio vengono aggiunti elementi come Ti, Nb e Mo, si favorisce la precipitazione della fase σ, rendendo l'acciaio più fragile e riducendo la resistenza alla corrosione. Il modo per eliminare la fase σ è dissolverla a una temperatura superiore alla sua possibile temperatura di precipitazione, quindi raffreddarla rapidamente per evitare una nuova precipitazione.
Processo:
Nello standard GB1200, l'intervallo di temperatura di riscaldamento raccomandato è relativamente ampio: 1000~1150 °C, solitamente 1020-1080 °C. Considerando la composizione specifica del grado, che si tratti di una fusione o di una forgiatura, ecc., la temperatura di riscaldamento deve essere opportunamente regolata entro l'intervallo consentito. Se la temperatura di riscaldamento è bassa, i carburi di C-Cr non possono essere completamente disciolti. Se la temperatura è troppo alta, si verificheranno anche problemi di crescita del grano e una ridotta resistenza alla corrosione.
Metodo di raffreddamento: il raffreddamento deve essere effettuato a una velocità maggiore per evitare la riprecipitazione dei carburi. Gli standard del mio Paese e di altri Paesi indicano il "raffreddamento rapido" dopo il trattamento di soluzione. Combinando diverse fonti bibliografiche ed esperienza pratica, la scala di "rapido" può essere definita come segue:
Contenuto di C ≥ 0,08%; contenuto di Cr > 22%, contenuto di Ni relativamente alto; contenuto di C < 0,08%, ma dimensione effettiva > 3 mm, deve essere raffreddato ad acqua;
Contenuto di C < 0,08%, dimensioni < 3 mm, può essere raffreddato ad aria;
Le dimensioni effettive ≤ 0,5 mm possono essere raffreddate ad aria.
B. Trattamento termico di stabilizzazione dell'acciaio inossidabile austenitico
Il trattamento termico di stabilizzazione è limitato all'acciaio inossidabile austenitico contenente elementi stabilizzanti Ti o Nb, come 1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni11Nb, ecc.
Funzione:
Come accennato in precedenza, il Cr si combina con il C per formare composti di tipo Cr23C6 e precipita ai bordi dei grani, il che è la ragione della diminuzione della resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile austenitico. Il Cr è un elemento che forma carburi. Finché c'è la possibilità, si combina con il C e precipita. Pertanto, gli elementi Ti e Nb con affinità maggiore di Cr e C vengono aggiunti all'acciaio e si creano le condizioni affinché il C si combini preferenzialmente con Ti e Nb, riducendo la possibilità che il C si combini con il C, in modo che il C sia stabilmente trattenuto nell'austenite, garantendo così la resistenza alla corrosione dell'acciaio. Il trattamento termico di stabilizzazione svolge la funzione di combinare Ti, Nb con il C e stabilizzare il Cr nell'austenite.
Processo:
Temperatura di riscaldamento: questa temperatura dovrebbe essere superiore alla temperatura di dissoluzione di Cr23C6 (400-825℃), inferiore o leggermente superiore alla temperatura di dissoluzione iniziale di TiC o NbC (ad esempio, l'intervallo di temperatura di dissoluzione di TiC è 750-1120℃) e la temperatura di riscaldamento di stabilizzazione è generalmente selezionata a 850-930℃, che dissolverà completamente Cr23C6 in modo che Ti o Nb si combineranno con C, mentre Cr continuerà a rimanere nell'austenite.
Metodo di raffreddamento: generalmente si utilizza il raffreddamento ad aria, ma è possibile utilizzare anche il raffreddamento ad acqua o in forno, a seconda delle condizioni specifiche dei pezzi. La velocità di raffreddamento non ha un effetto significativo sull'effetto di stabilizzazione. Dai risultati della nostra ricerca sperimentale, quando si raffredda dalla temperatura di stabilizzazione di 900 °C a 200 °C, la velocità di raffreddamento è rispettivamente di 0,9 °C/min e 15,6 °C/min. In confronto, la struttura metallografica, la durezza e la resistenza alla corrosione intergranulare sono sostanzialmente le stesse.
C. Trattamento di distensione dell'acciaio inossidabile austenitico
Scopo: I componenti in acciaio inossidabile austenitico sono inevitabilmente soggetti a sollecitazioni, come quelle di lavorazione e di saldatura durante la lavorazione a freddo. La presenza di queste sollecitazioni avrà effetti negativi, come l'impatto sulla stabilità dimensionale; la criccatura da corrosione sotto sforzo si verificherà quando i componenti sottoposti a sollecitazione vengono utilizzati in fluidi contenenti Cl, H₂S, NaOH e altri fluidi. Si tratta di un danno improvviso che si verifica localmente senza precursori ed è molto dannoso. Pertanto, i componenti in acciaio inossidabile austenitico utilizzati in determinate condizioni di lavoro dovrebbero ridurre al minimo le sollecitazioni, il che può essere ottenuto attraverso metodi di distensione.
Processo: quando le condizioni lo consentono, il trattamento di soluzione e il trattamento di stabilizzazione possono eliminare meglio le sollecitazioni (anche il raffreddamento ad acqua con soluzione solida produrrà una certa sollecitazione), ma a volte questo metodo non è consentito, come nel caso di tubi nel circuito, pezzi completi senza margini e parti con forme particolarmente complesse che sono facili da deformare. In questo caso, il metodo di distensione delle sollecitazioni mediante riscaldamento a una temperatura inferiore a 450 °C può essere utilizzato per eliminare parte delle sollecitazioni. Se il pezzo viene utilizzato in un ambiente con forte tensocorrosione e le sollecitazioni devono essere completamente eliminate, è necessario tenerne conto nella scelta dei materiali, come acciaio contenente elementi stabilizzanti o acciaio inossidabile austenitico a bassissimo tenore di carbonio.
D. Trattamento termico dell'acciaio inossidabile martensitico
La caratteristica più importante dell'acciaio inossidabile martensitico rispetto all'acciaio inossidabile ferritico, all'acciaio inossidabile austenitico e all'acciaio inossidabile duplex è che le proprietà meccaniche possono essere regolate in un'ampia gamma attraverso metodi di trattamento termico per soddisfare le esigenze di diverse condizioni d'uso. Diversi metodi di trattamento termico hanno anche effetti diversi sulla resistenza alla corrosione.
① Lo stato organizzativo dell'acciaio inossidabile martensitico dopo la tempra
A seconda della composizione chimica
0Cr13, 1Cr13, 1Cr17Ni2 sono martensite + una piccola quantità di ferrite;
2Cr13, 3Cr13, 2Cr17Ni2 sono fondamentalmente organizzazioni martensitiche;
4Cr13 e 9Cr18 sono carburi di lega sulla matrice martensitica;
0Cr13Ni4Mo e 0Cr13Ni6Mo sono austenite residua sulla matrice martensitica.
② Resistenza alla corrosione e trattamento termico dell'acciaio inossidabile martensitico
Il trattamento termico dell'acciaio inossidabile martensitico può non solo modificarne le proprietà meccaniche, ma anche avere effetti diversi sulla resistenza alla corrosione. Prendiamo ad esempio il rinvenimento dopo la tempra: dopo la tempra in martensite, si utilizza un rinvenimento a bassa temperatura, che presenta una maggiore resistenza alla corrosione; si utilizza un rinvenimento a media temperatura, tra 400 e 550 °C, che riduce la resistenza alla corrosione; si utilizza un rinvenimento ad alta temperatura, tra 600 e 750 °C, che migliora la resistenza alla corrosione.
3. Processo di trattamento termico e funzione dell'acciaio inossidabile martensitico
Ricottura: diversi metodi di ricottura possono essere utilizzati a seconda dello scopo e della funzione da raggiungere: solo per ridurre la durezza, facilitare la lavorazione ed eliminare le sollecitazioni, si può utilizzare la ricottura a bassa temperatura (alcune sono anche chiamate ricottura incompleta). La temperatura di riscaldamento può essere selezionata tra 740 e 780 °C e la durezza può essere garantita tra 180 e 230 HB mediante raffreddamento ad aria o in forno;
Per migliorare la struttura di forgiatura o fusione, ridurre la durezza e garantire basse prestazioni per l'applicazione diretta, è possibile utilizzare la ricottura completa, generalmente riscaldata a 870~900 ℃, raffreddata in forno dopo l'isolamento o raffreddata a meno di 600 ℃ a una velocità di ≤40 ℃/h. La durezza può raggiungere 150~180 HB;
La ricottura isotermica può sostituire la ricottura completa per raggiungere lo scopo di quest'ultima. La temperatura di riscaldamento è di 870~900 ℃ e il forno viene raffreddato a 700~740 ℃ dopo il riscaldamento e il mantenimento del calore (vedere la curva di trasformazione). La temperatura viene mantenuta a lungo (vedere la curva di trasformazione), quindi il forno viene raffreddato a una temperatura inferiore a 550 ℃ e rimosso dal forno. La durezza può raggiungere 150-180 HB. Questa ricottura isotermica è anche un metodo efficace per migliorare la struttura scadente dopo la forgiatura e le proprietà meccaniche dopo la tempra e il rinvenimento, in particolare la tenacità all'urto.
Tempra: lo scopo principale della tempra dell'acciaio inossidabile martensitico è il rafforzamento. Riscaldare l'acciaio al di sopra della temperatura del punto critico, mantenerlo caldo in modo che il carburo si dissolva completamente nell'austenite, quindi raffreddarlo a una velocità di raffreddamento adeguata per ottenere la struttura martensitica temprata.
Selezione della temperatura di riscaldamento: il principio di base è garantire la formazione di austenite e far sì che i carburi di lega siano completamente disciolti nell'austenite e omogeneizzati; inoltre, non è possibile rendere i grani di austenite grossolani o avere ferrite o austenite residua nella struttura dopo la tempra. Ciò richiede che la temperatura di riscaldamento di tempra non sia né troppo bassa né troppo alta. La temperatura di riscaldamento di tempra dell'acciaio inossidabile martensitico varia leggermente a seconda del materiale e l'intervallo raccomandato è ampio. Secondo la nostra esperienza, è generalmente sufficiente riscaldare nell'intervallo 980~1020 °C. Naturalmente, per tipi di acciaio speciali, controlli di componenti speciali o requisiti speciali, la temperatura di riscaldamento deve essere opportunamente abbassata o aumentata, ma il principio di riscaldamento non deve essere violato.
Metodo di raffreddamento: a causa delle caratteristiche compositive dell'acciaio inossidabile martensitico, l'austenite è relativamente stabile, la curva C si sposta verso destra e la velocità critica di raffreddamento è relativamente bassa, quindi è possibile utilizzare il raffreddamento in olio e il raffreddamento ad aria per ottenere l'effetto di tempra della martensite. Tuttavia, per i componenti che richiedono un'elevata profondità di tempra e proprietà meccaniche, in particolare un'elevata tenacità, è consigliabile utilizzare il raffreddamento in olio.
Rinvenimento: dopo la tempra, l'acciaio inossidabile martensitico ottiene una struttura martensitica con elevata durezza, elevata fragilità e forti tensioni interne, e deve essere rinvenuto. L'acciaio inossidabile martensitico viene utilizzato fondamentalmente a due temperature di rinvenimento:
Rinvenimento tra 180 e 320 °C. Si ottiene una struttura martensitica rinvenuta, che mantiene elevata durezza e resistenza, ma presenta bassa plasticità e tenacità, e una buona resistenza alla corrosione. Ad esempio, il rinvenimento a bassa temperatura può essere utilizzato per utensili, cuscinetti, parti resistenti all'usura, ecc.
Rinvenimento tra 600 e 750 °C per ottenere una struttura martensitica rinvenuta. Presenta buone proprietà meccaniche complessive, come resistenza, durezza, plasticità e tenacità. Può essere rinvenuto alla temperatura limite inferiore o superiore a seconda dei diversi requisiti di resistenza, plasticità e tenacità. Questa struttura presenta anche una buona resistenza alla corrosione.
Il rinvenimento tra 400 e 600 °C non viene generalmente utilizzato, poiché il rinvenimento in questo intervallo di temperatura fa precipitare i carburi altamente dispersi dalla martensite, producendo fragilità da rinvenimento e riducendo la resistenza alla corrosione. Tuttavia, le molle, come quelle in acciaio 3Cr13 e 4Cr13, possono essere rinvenute a questa temperatura e l'HRC può raggiungere 40-45, con una buona elasticità.
Il metodo di raffreddamento dopo il rinvenimento può generalmente essere il raffreddamento ad aria, ma per i tipi di acciaio con tendenza alla fragilità da rinvenimento, come 1Cr17Ni2, 2Cr13, 0Cr13Ni4Mo, ecc., è preferibile utilizzare il raffreddamento in olio dopo il rinvenimento. Inoltre, è opportuno sottolineare che il rinvenimento deve essere effettuato in tempo utile dopo la tempra, non più di 24 ore in estate e non più di 8 ore in inverno. Se il rinvenimento non può essere effettuato in tempo utile in base alla temperatura di processo, è necessario adottare misure per prevenire la formazione di cricche statiche.
E. Trattamento termico dell'acciaio inossidabile duplex ferrite-austenite
L'acciaio inossidabile duplex è un membro giovane della famiglia degli acciai inossidabili e sviluppato più tardi, ma le sue caratteristiche sono ampiamente riconosciute e apprezzate. Le caratteristiche compositive (alto contenuto di Cr, basso contenuto di Ni, Mo, N) e le caratteristiche strutturali dell'acciaio inossidabile duplex gli conferiscono maggiore resistenza e plasticità rispetto all'acciaio inossidabile austenitico e ferritico; una resistenza alla corrosione equivalente a quella dell'acciaio inossidabile austenitico; una maggiore resistenza alla vaiolatura, alla corrosione interstiziale e ai danni da corrosione sotto sforzo rispetto a qualsiasi acciaio inossidabile in ambiente cl- e in acqua di mare.
Funzione:
1. Eliminare l'austenite secondaria: in condizioni di temperatura più elevata (come fusione o forgiatura), la quantità di ferrite aumenta. Quando supera i 1300 °C, può formare una ferrite monofasica. Questa ferrite ad alta temperatura è instabile. Se invecchiata a temperature inferiori, l'austenite precipiterà. Questa austenite è chiamata austenite secondaria. La quantità di Cr e N in questa austenite è inferiore a quella dell'austenite normale, quindi potrebbe diventare una fonte di corrosione, quindi dovrebbe essere eliminata mediante trattamento termico.
② Eliminare il carburo di tipo Cr23C6: l'acciaio bifasico precipiterà Cr23C6 al di sotto dei 950°C, il che aumenta la fragilità e riduce la resistenza alla corrosione e dovrebbe essere eliminato.
3 Eliminare i nitruri Cr2N e CrN: poiché nell'acciaio è presente un elemento N, può generare nitruri con Cr, che influiscono sulla resistenza meccanica e alla corrosione e devono essere eliminati.
④ Eliminare le fasi intermetalliche: le caratteristiche di composizione dell'acciaio duplex favoriranno la formazione di alcune fasi intermetalliche, come la fase σ e la fase γ, che riducono la resistenza alla corrosione e aumentano la fragilità e dovrebbero essere eliminate.
Processo: simile all'acciaio austenitico, adotta un trattamento di soluzione, una temperatura di riscaldamento di 980~1100℃ e quindi un rapido raffreddamento, generalmente ad acqua.
F. Trattamento termico dell'acciaio inossidabile temprato per precipitazione
L'acciaio inossidabile indurente per precipitazione è stato sviluppato relativamente tardi. Si tratta di un tipo di acciaio inossidabile che è stato testato, sintetizzato e innovato nella pratica umana. Tra gli acciai inossidabili comparsi in precedenza, l'acciaio inossidabile ferritico e l'acciaio inossidabile austenitico presentano una buona resistenza alla corrosione, ma le proprietà meccaniche non possono essere modificate mediante metodi di trattamento termico, il che ne limita il ruolo. L'acciaio inossidabile martensitico può essere trattato termicamente per regolare le proprietà meccaniche entro un intervallo più ampio, ma la sua resistenza alla corrosione è scarsa.
Caratteristiche:
Presenta un contenuto di C inferiore (generalmente ≤0,09%), un contenuto di Cr superiore (generalmente ≥14%) e di Mo, Cu e altri elementi, che gli conferiscono una maggiore resistenza alla corrosione, persino paragonabile a quella dell'acciaio inossidabile austenitico. Attraverso il trattamento di solubilizzazione e invecchiamento, è possibile ottenere una struttura con una fase di indurimento per precipitazione precipitata sulla matrice martensitica, che conferisce maggiore resistenza; resistenza, plasticità e tenacità possono essere regolate entro un certo intervallo in base alla temperatura di invecchiamento. Inoltre, il metodo di trattamento termico di solubilizzazione solida prima e rafforzamento per precipitazione poi, consente di ottenere la forma base a bassa durezza dopo il trattamento di solubilizzazione solida, per poi essere rinforzato mediante invecchiamento, il che riduce i costi di lavorazione ed è migliore rispetto all'acciaio martensitico.
Classificazione:
1. Acciaio inossidabile martensitico temprato per precipitazione e relativo trattamento termico: le caratteristiche dell'acciaio inossidabile martensitico temprato per precipitazione sono: la temperatura iniziale Ms della trasformazione da austenite a martensite è superiore alla temperatura ambiente. Dopo il riscaldamento dell'austenitizzazione e il raffreddamento a una velocità maggiore, si ottiene una matrice martensitica a forma di listello. Dopo l'invecchiamento, particelle fini di Cu vengono precipitate dalla matrice martensitica a listello per rinforzarla.
2. Trattamento termico dell'acciaio inossidabile semi-austenitico: il punto Ms di questo acciaio è generalmente leggermente inferiore alla temperatura ambiente, quindi dopo il trattamento di soluzione solida e il raffreddamento a temperatura ambiente, si ottiene una struttura austenitica con una resistenza molto bassa. Per migliorare la resistenza e la durezza della matrice, è necessario riscaldarla nuovamente a 750-950 °C e mantenerla calda. In questa fase, i carburi precipitano nell'austenite, la stabilità dell'austenite si riduce e il punto Ms aumenta fino a superare la temperatura ambiente. Una volta raffreddato nuovamente, si ottiene una struttura martensitica. Alcuni possono anche aggiungere un trattamento a freddo (trattamento sotto zero) e quindi invecchiare l'acciaio per ottenere infine un acciaio rinforzato con precipitati sulla matrice martensitica.
Si può osservare che, dopo un adeguato trattamento, l'acciaio inossidabile martensitico indurente per precipitazione raggiunge pienamente le prestazioni dell'acciaio inossidabile martensitico, mentre la resistenza alla corrosione è equivalente a quella dell'acciaio inossidabile austenitico. È opportuno sottolineare che, sebbene l'acciaio inossidabile martensitico e l'acciaio inossidabile indurente per precipitazione possano essere rinforzati mediante trattamento termico, il meccanismo di rinforzo è diverso. Grazie alle sue caratteristiche, l'acciaio inossidabile indurente per precipitazione è stato apprezzato e ampiamente utilizzato.
Data di pubblicazione: 06-02-2025