Come si comporta la fusione in acciaio inossidabile negli ambienti ad alta temperatura?

Il vantaggio austenitico a temperature elevate

La fusione in acciaio inossidabile mantiene ottime prestazioni negli ambienti caldi soprattutto grazie alla sua struttura austenitica. Leghe come CF8 e CF8M, equivalenti fusi rispettivamente di 304 e 316, conservano una struttura cristallina a facce centrate dalla temperatura ambiente fino all’intervallo di fusione. Questa struttura non subisce la trasformazione di fase tipica degli acciai ferritici, quindi non si verifica una perdita improvvisa di resistenza legata a un cambiamento della struttura cristallina. Al contrario, la resistenza diminuisce gradualmente con l’aumentare della temperatura, offrendo ai progettisti un campo di prestazioni prevedibile per componenti quali griglie per forni, supporti per tubi e ugelli per bruciatori.

Resistenza alla formazione di scaglie e ruolo dell'ossido di cromo

Ciò che distrugge davvero un componente in acciaio ad alta temperatura non è solo l'ammorbidimento, ma anche l'ossidazione. Le fusioni in acciaio inossidabile resistono alla formazione di scaglie perché il cromo presente nella lega forma sulla superficie uno strato denso e aderente di ossido di cromo. Questo film funge da barriera alla diffusione, rallentando ulteriori attacchi dell'ossigeno. L'effetto dipende dalla concentrazione. Una lega con il 18% di cromo resiste abbastanza bene a 870 °C, ma aumentando il contenuto di cromo fino al 25%, come nella lega fusa CK20, si estende il limite pratico di impiego oltre i 1000 °C. Anche il nichel contribuisce stabilizzando l'austenite e migliorando l'aderenza dello strato ossidico durante i cicli termici.

Comportamento di fluenza nei componenti in acciaio inossidabile fuso

Il creep, ovvero la deformazione permanente lenta sotto carico costante a elevata temperatura, determina la durata di molti componenti dei forni. La struttura granulare ottenuta per colata, con i suoi carburi interdendritici, può rappresentare sia un vantaggio che uno svantaggio. Carburi fini e ben dispersi bloccano i limiti dei grani e inizialmente ostacolano la formazione di vuoti da creep. Tuttavia, dopo migliaia di ore, tali carburi possono ingrossarsi e nuove fasi, come la fase sigma, possono precipitare, riducendo progressivamente la resistenza al creep. Le leghe di acciaio inossidabile per fusione progettate per impieghi ad alta temperatura, in particolare quelle conformi alla norma ASTM A297, bilanciano cromo, nichel e carbonio per mantenere una rete stabile di carburi per tutta la vita operativa del componente.

Selezione della lega appropriata: un’analisi basata sui dati per le leghe 304, 316 e 310

Ogni lega presenta un limite di temperatura oltre il quale l’ossidazione si accelera e la resistenza diminuisce drasticamente. La tabella seguente confronta tre leghe di acciaio inossidabile per fusione ampiamente utilizzate.

I dati raccolti da riferimenti di leghe resistenti al calore, tra cui l'ASM Specialty Handbook on Stainless Steels, mostrano che il salto da CF8 a CK20 può più che raddoppiare la durata pratica di servizio in condizioni di ossidazione ciclica. Il molibdeno contenuto nel CF8M migliora solo marginalmente la resistenza al sollevamento; il principale fattore di cambiamento per un'alta temperatura sostenuta è il bilanciamento del cromo e del nichel.

Lezioni da un errore di un impianto termico

Un’officina commerciale per trattamenti termici dell’Ohio utilizzava supporti di tipo a cesto realizzati in ghisa CF8 per cicli di carburazione a 925 °C. Dopo circa quattro mesi di funzionamento continuo, i supporti iniziarono a deformarsi di alcuni millimetri, causando distorsioni sui pezzi trasportati. Un’analisi post-mortem rivelò un’intensa ossidazione lungo i bordi dei grani e un marcato ingrossamento dei carburi. L’officina sostituì i supporti con getti in CK20. Il maggiore contenuto di cromo e nichel raddoppiò l’intervallo di sostituzione e la migliore stabilità dimensionale ridusse gli scarti derivanti da pezzi distorti di circa il 15 per cento. Il passaggio si è ripagato entro un anno, nonostante il costo iniziale dei getti in CK20 fosse circa il 30 per cento superiore.

Bilanciare l’espansione termica e il servizio ciclico

Le fusioni in acciaio inossidabile si espandono di più rispetto agli acciai al carbonio o bassolegati. Per un componente che subisce cicli tra temperatura ambiente e 900 °C più volte al giorno, la fatica termica può provocare crepe nello strato di ossido ed esporre nuovo metallo all’ossidazione. Progettare con raggi generosi, evitare bruschi cambiamenti di sezione e selezionare una qualità con duttilità sufficiente alla temperatura di esercizio sono fattori altrettanto importanti della composizione chimica. Il processo di fusione offre qui un vantaggio, poiché consente di realizzare transizioni fluide e sezioni di parete uniformi, riducendo le concentrazioni di tensione dove solitamente iniziano le crepe termiche. Le fonderie specializzate in leghe ad alta temperatura, come JBD, sfruttano la progettazione dei modelli e la modellazione della solidificazione per estendere notevolmente la vita utile di queste fusioni rispetto a quanto potrebbe ottenere una lavorazione grossolana.