D: Abbiamo recentemente iniziato a lavorare su alcuni componenti che devono essere realizzati principalmente in acciaio inossidabile di grado 304, saldato a se stesso e ad acciaio dolce. Abbiamo riscontrato problemi di fessurazione nelle saldature tra acciaio inossidabile fino a 1,25 pollici di spessore. È stato segnalato un basso contenuto di ferrite. Potreste spiegarci di cosa si tratta e come risolvere il problema?
A: Ottima domanda. Sì, possiamo aiutarvi a capire cosa significa un basso livello di ferrite e come prevenirlo.
Innanzitutto, rivediamo la definizione di acciaio inossidabile (SS) e il rapporto tra ferrite e giunti saldati. L'acciaio nero e le sue leghe contengono più del 50% di ferro. Questo include tutti gli acciai al carbonio e inossidabili e altri gruppi specifici. Alluminio, rame e titanio non contengono ferro, quindi sono ottimi esempi di leghe non ferrose.
I componenti principali di questa lega sono l'acciaio al carbonio con almeno il 90% di ferro e l'acciaio inossidabile con il 70-80% di ferro. Per essere classificato come acciaio inossidabile, deve contenere almeno l'11,5% di cromo. Livelli di cromo superiori a questa soglia minima favoriscono la formazione di pellicole di ossido di cromo sulle superfici dell'acciaio e prevengono la formazione di ossidazione come ruggine (ossido di ferro) o corrosione causata da attacchi chimici.
L'acciaio inossidabile si divide principalmente in tre gruppi: austenite, ferrite e martensite. Il loro nome deriva dalla struttura cristallina a temperatura ambiente che li compone. Un altro gruppo comune è l'acciaio inossidabile duplex, che rappresenta un equilibrio tra ferrite e austenite nella struttura cristallina.
Gli acciai austenitici della serie 300 contengono dal 16% al 30% di cromo e dall'8% al 40% di nichel, formando una struttura cristallina prevalentemente austenitica. Per favorire la formazione del rapporto austenite-ferrite, durante il processo di produzione dell'acciaio vengono aggiunti stabilizzanti come nichel, carbonio, manganese e azoto. Alcuni tipi comuni sono il 304, il 316 e il 347. Offre una buona resistenza alla corrosione; è utilizzato principalmente nell'industria alimentare, chimica, farmaceutica e criogenica. Il controllo della formazione della ferrite garantisce un'eccellente tenacità alle basse temperature.
L'acciaio inossidabile ferritico è una lega della serie 400 completamente magnetica, contenente dall'11,5% al ​​30% di cromo e caratterizzata da una struttura cristallina prevalentemente ferritica. Per favorire la formazione di ferrite, durante la produzione dell'acciaio vengono aggiunti stabilizzanti quali cromo, silicio, molibdeno e niobio. Questi tipi di acciaio inossidabile sono comunemente utilizzati nei sistemi di scarico delle automobili e nelle centrali elettriche e trovano applicazioni limitate ad alte temperature. Alcuni tipi comunemente utilizzati sono il 405, il 409, il 430 e il 446.
Gli acciai martensitici, identificati anche dalla serie 400 come 403, 410 e 440, sono magnetici, contengono dall'11,5% al ​​18% di cromo e hanno la martensite come struttura cristallina. Questa combinazione ha il più basso contenuto di oro, il che li rende i meno costosi da produrre. Offrono una certa resistenza alla corrosione, un'eccellente resistenza meccanica e sono comunemente utilizzati in stoviglie, apparecchiature dentistiche e chirurgiche, pentole e alcuni tipi di utensili.
Quando si salda l'acciaio inossidabile, il tipo di substrato e la sua applicazione finale determineranno il materiale d'apporto appropriato da utilizzare. Se si utilizza un processo di protezione gassosa, potrebbe essere necessario prestare particolare attenzione alle miscele di gas di protezione per prevenire alcuni problemi legati alla saldatura.
Per saldare l'acciaio inossidabile 304 a se stesso, è necessario un elettrodo E308/308L. La "L" sta per basso contenuto di carbonio, che aiuta a prevenire la corrosione intergranulare. Questi elettrodi hanno un contenuto di carbonio inferiore allo 0,03%; qualsiasi valore superiore aumenta il rischio di precipitazione del carbonio ai bordi dei grani e di combinazione con il cromo per formare carburi di cromo, riducendo di fatto la resistenza alla corrosione dell'acciaio. Ciò diventa evidente se la corrosione si verifica nella zona termicamente alterata (ZTA) delle giunzioni saldate in acciaio inossidabile. Un'altra considerazione per l'acciaio inossidabile di grado L è che ha una minore resistenza alla trazione alle alte temperature di esercizio rispetto agli acciai inossidabili tradizionali.
Poiché l'acciaio inossidabile 304 è di tipo austenitico, il metallo di saldatura corrispondente conterrà la maggior parte dell'austenite. Tuttavia, l'elettrodo stesso conterrà uno stabilizzatore di ferrite, come il molibdeno, per favorire la formazione di ferrite nel metallo di saldatura. I produttori solitamente indicano un intervallo tipico di quantità di ferrite per il metallo di saldatura. Come accennato in precedenza, il carbonio è un forte stabilizzatore austenitico e, per questi motivi, è fondamentale evitare che venga aggiunto al metallo di saldatura.
I valori di ferrite sono derivati ​​dal diagramma di Schaeffler e dal diagramma WRC-1992, che utilizzano formule equivalenti di nichel e cromo per calcolare il valore, il quale, una volta riportato sul diagramma, produce un numero normalizzato. Il valore di ferrite, compreso tra 0 e 7, corrisponde alla percentuale in volume della struttura cristallina di ferrite presente nel metallo di saldatura; tuttavia, a percentuali più elevate, il valore di ferrite aumenta più rapidamente. È importante ricordare che la ferrite nell'acciaio inossidabile non è la stessa della ferrite dell'acciaio al carbonio, ma una fase chiamata ferrite delta. L'acciaio inossidabile austenitico non presenta trasformazioni di fase associate a processi ad alta temperatura come il trattamento termico.
La formazione di ferrite è auspicabile perché è più duttile dell'austenite, ma deve essere controllata. Bassi livelli di ferrite possono produrre saldature con un'eccellente resistenza alla corrosione in alcune applicazioni, ma sono estremamente soggette a cricche a caldo durante la saldatura. Per le condizioni di utilizzo generali, il contenuto di ferrite dovrebbe essere compreso tra 5 e 10, ma per alcune applicazioni possono essere richiesti valori inferiori o superiori. La ferrite può essere facilmente verificata in cantiere utilizzando un indicatore di ferrite.
Poiché hai menzionato problemi di fessurazione e un basso contenuto di ferrite, devi esaminare attentamente il tuo materiale d'apporto e assicurarti che produca un contenuto di ferrite sufficiente: circa 8 dovrebbe essere l'ideale. Inoltre, se utilizzi la saldatura ad arco con filo animato (FCAW), questi materiali d'apporto utilizzano in genere un gas di protezione al 100% di anidride carbonica o una miscela di argon al 75% e CO2 al 25%, che può causare l'assorbimento di carbonio nel metallo di saldatura. Potresti valutare il passaggio alla saldatura ad arco con gas di protezione (GMAW) e utilizzare una miscela di argon al 98% e ossigeno al 2% per ridurre la possibilità di assorbimento di carbonio.
Per saldare l'acciaio inossidabile all'acciaio al carbonio è necessario utilizzare il materiale d'apporto E309L. Questo metallo d'apporto è specificamente utilizzato per la saldatura di metalli dissimili e, dopo che l'acciaio al carbonio viene diluito nella saldatura, forma una certa quantità di ferrite. Poiché una parte del carbonio viene assorbita dall'acciaio al carbonio, al materiale d'apporto vengono aggiunti stabilizzatori di ferrite per contrastare la tendenza del carbonio a formare austenite. Ciò contribuisce a prevenire la formazione di cricche termiche nelle applicazioni di saldatura.
In sintesi, per eliminare le cricche a caldo sulle giunzioni saldate di acciaio inossidabile austenitico, verificare la presenza di un adeguato materiale d'apporto ferritico e seguire una buona pratica di saldatura. Mantenere l'apporto termico al di sotto di 50 kJ/pollice, mantenere temperature tra le passate da moderate a basse e assicurarsi che le giunzioni di saldatura siano prive di contaminazioni prima della saldatura. Utilizzare un calibro appropriato per verificare la quantità di ferrite sulla giunzione saldata, puntando a uno spessore compreso tra 5 e 10.
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