L'acciaio inossidabile contiene almeno il 10.5% di cromo, che forma uno strato protettivo di ossido che previene ruggine e corrosione. Questo materiale versatile è disponibile in cinque famiglie principali: austenitico, ferritico, martensitico, duplex e indurente per precipitazione, ciascuna con proprietà uniche che la rendono adatta a diverse applicazioni.
Gli acciai inossidabili austenitici costituiscono il 70% della produzione di acciaio inossidabile e contengono il 16-25% di cromo e l'8-20% di nichel. Hanno una struttura cristallina cubica a facce centrate che rimane amagnetica allo stato ricotto.
Questi acciai non possono essere temprati mediante trattamento termico, ma solo tramite lavorazione a freddo, che può all'incirca raddoppiarne la resistenza. Allo stato ricotto, il grado 304 ha una resistenza alla trazione di 515-750 MPa e uno snervamento di circa 215 MPa, con un eccellente allungamento superiore al 40%.
Gli acciai austenitici offrono la migliore resistenza alla corrosione generale tra le famiglie di acciai inossidabili. Resistono efficacemente alla corrosione atmosferica, all'acqua dolce e a molti agenti chimici. Tuttavia, sono vulnerabili alla vaiolatura indotta da cloruri e alla criccatura da tensocorrosione in soluzioni di cloruri calde.
Gli acciai inossidabili austenitici sono utilizzati nelle apparecchiature per la lavorazione alimentare, nei lavelli da cucina, nelle tubazioni degli impianti chimici e nei dispositivi medici. La loro combinazione di resistenza alla corrosione, formabilità e prestazioni sia a temperature criogeniche che elevate li rende incredibilmente versatili.
Gli acciai inossidabili ferritici sono acciai al cromo semplici contenenti dal 10.5 al 18% di cromo, con un tenore di carbonio molto basso (tipicamente inferiore allo 0.12%) e poco o niente nichel. Mantengono una struttura cristallina cubica a corpo centrato e rimangono magnetici a temperatura ambiente.
Questi acciai non possono essere temprati mediante trattamento termico. Il grado 430, ad esempio, ha una resistenza moderata, con un carico di rottura di circa 450 MPa e uno snervamento di 205 MPa allo stato ricotto. Presentano una duttilità limitata (allungamento del 20-30%) rispetto ai gradi austenitici.
I gradi ferritici offrono una moderata resistenza alla corrosione, migliore dell'acciaio al carbonio ma generalmente inferiore a quella dei gradi austenitici. Eccellono nella resistenza alla criccabilità da tensocorrosione da cloruri grazie alla loro struttura ferritica. I ferritici ad alto contenuto di cromo possono resistere a temperature fino a 815 °C senza eccessiva formazione di scaglie.
Le applicazioni più comuni includono sistemi di scarico per automobili, interni di elettrodomestici e finiture architettoniche. Il loro basso costo (non richiedono nichel costoso) li rende popolari per prodotti di consumo che richiedono una moderata resistenza alla corrosione.
Gli acciai inossidabili martensitici contengono l'11-18% di cromo, con un contenuto di carbonio più elevato (0.1-1.2%) che ne consente l'indurimento tramite trattamento termico. Hanno in genere un contenuto minimo di nichel (0-2%) e sono ferromagnetici.
Il vantaggio principale è la loro capacità di essere temprati mediante tempra e rinvenimento. Il grado 410 può raggiungere una durezza di 40-45 HRC e una resistenza alla trazione superiore a 1000 MPa dopo un adeguato trattamento termico. Ciò comporta una ridotta duttilità: l'allungamento può scendere al 10% o meno allo stato temprato.
Gli acciai martensitici presentano la più bassa resistenza alla corrosione tra le famiglie di acciai inossidabili. L'elevato contenuto di carbonio lega una parte del cromo sotto forma di carburi, riducendo il cromo libero disponibile per la protezione dalla corrosione. Offrono prestazioni adeguate in ambienti miti, ma possono arrugginire in condizioni aggressive.
Questi acciai sono particolarmente indicati per applicazioni che richiedono elevata durezza e una certa resistenza alla corrosione: lame di coltelli, strumenti chirurgici, componenti di valvole, alberi di pompe e cuscinetti. Il grado 410 soddisfa esigenze di uso generale, mentre il 420 e il 440C offrono una durezza ancora maggiore per gli utensili da taglio.
Gli acciai inossidabili duplex hanno una microstruttura mista: circa il 50% di austenite e il 50% di ferrite. Contengono il 18-28% di cromo, il 4-8% di nichel, il 2.5-4% di molibdeno e lo 0.1-0.3% di azoto. Il grado 2205, il duplex più comune, contiene circa il 22% di cromo, il 5% di nichel e il 3% di molibdeno.
Questi acciai presentano un limite di snervamento circa doppio rispetto ai gradi austenitici. Il grado 2205 ha un limite di snervamento di 450-550 MPa rispetto ai 240 MPa del 304, pur mantenendo un allungamento del 25%. Sono magnetici grazie alla fase ferritica.
I gradi duplex offrono un'eccellente resistenza alla corrosione, spesso superiore all'acciaio inossidabile 316. Il loro elevato contenuto di cromo, molibdeno e azoto conferisce loro un indice di resistenza alla vaiolatura (PREN) superiore a 35, molto più alto del PREN 26 dell'acciaio inossidabile 316. Sono altamente resistenti alla criccatura da tensocorrosione da cloruri.
Gli acciai duplex sono impiegati nelle piattaforme petrolifere offshore, negli impianti di processo chimico, negli impianti di desalinizzazione e nelle attrezzature marine. La loro elevata resistenza consente di ottenere pareti più sottili in recipienti e serbatoi a pressione, con conseguente risparmio di peso e costi.
Gli acciai inossidabili PH raggiungono un'elevata resistenza grazie al trattamento termico di invecchiamento. In genere contengono il 15-17.5% di cromo, il 4-8% di nichel, oltre ad aggiunte di rame, niobio, alluminio o titanio che formano precipitati rinforzanti. Il grado 17-4PH contiene circa il 17% di cromo, il 4% di nichel e il 4% di rame.
Dopo il trattamento di invecchiamento, questi acciai raggiungono resistenze alla trazione di 1000-1500 MPa. Il grado 17-4PH invecchiato a 480 °C raggiunge una resistenza alla trazione di circa 1400 MPa con una durezza di 40-44 HRC. Anche allo stato trattato in soluzione, presentano una rispettabile resistenza di circa 1050 MPa.
I gradi PH offrono una resistenza alla corrosione paragonabile a quella dell'acciaio inossidabile 304 in molti ambienti. Resistono bene alla corrosione atmosferica, all'acqua dolce e alle sostanze chimiche delicate, superando le prestazioni dei gradi martensitici standard come il 410.
Le applicazioni più comuni includono componenti aerospaziali, componenti di turbine a gas, elementi di fissaggio ad alta resistenza, alberi di pompe e strumenti medicali. La capacità di lavorare i componenti allo stato morbido e poi indurirli per invecchiamento fino a raggiungere la massima resistenza li rende particolarmente preziosi per componenti complessi.
| Classe | Tipo | Cr (% in peso) | Ni (% in peso) | Mo (% in peso) | C (% in peso) | Altri elementi chiave |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 304 (S30400) | Austenitico | 18-20 | 8.0-10.5 | - | ≤ 0.08 | Equilibrio Fe |
| 316 (S31600) | Austenitico | 16-18 | 10-14 | 2.0-3.0 | ≤ 0.08 | Mo per la resistenza alla corrosione |
| 430 (S43000) | Ferritico | 16-18 | ≤ 0.75 | - | ≤ 0.12 | Acciaio Cr dritto a basso costo |
| 410 (S41000) | Martensitici | 11.5-13.5 | ≤ 0.75 | - | 0.08-0.15 | L'alto C consente l'indurimento |
| 904L (N08904) | Austenitico ad alta lega | 19-23 | 23-28 | 4.0-5.0 | ≤ 0.02 | Cu 1-2%; N ≤0.1% |
| 2205 (S32205) | Duplex | ~ 22 | ~5 | ~3 | ≤ 0.03 | N ~0.14% per il bilanciamento di fase |
| 17-4PH (S17400) | Indurimento delle precipitazioni | 15.0-17.5 | 3.0-5.0 | - | ≤ 0.07 | Cu 3-5%; Nb 0.15-0.45% |
Il grado 304, noto anche come acciaio inossidabile 18/8, è l'acciaio inossidabile più versatile e ampiamente utilizzato. Contiene il 18-20% di cromo e l'8-10.5% di nichel, con un contenuto di carbonio limitato allo 0.08%.
Allo stato ricotto, il 304 ha una resistenza alla trazione di 515-750 MPa e una resistenza allo snervamento di circa 215 MPa con un eccellente allungamento superiore al 40%. Può essere rinforzato solo tramite lavorazione a freddo, che può portare la resistenza alla trazione a 800-1100 MPa.
Il 304 resiste in modo eccellente alla corrosione atmosferica, all'acqua dolce e a molti prodotti chimici organici. Tuttavia, è soggetto a corrosione puntiforme in ambienti clorurati come l'acqua di mare. La variante 304L a basso tenore di carbonio previene la sensibilizzazione durante la saldatura.
Il grado 316, l'acciaio inossidabile di "grado marino", aggiunge il 2-3% di molibdeno a una composizione simile al 304. Questa aggiunta di molibdeno migliora significativamente la resistenza alla corrosione puntiforme e interstiziale.
Le proprietà meccaniche sono molto simili a quelle del 304, con resistenza alla trazione di 515-720 MPa e limite di snervamento di 200-240 MPa allo stato ricotto. La variante 316L con carbonio inferiore allo 0.03% previene la sensibilizzazione.
Il molibdeno rende il 316 di gran lunga superiore al 304 in ambienti con presenza di cloruri. Resiste alle atmosfere marine, alle zone esposte a spruzzi d'acqua di mare e agli ambienti chimici con cloruri che causerebbero la corrosione o la rottura del 304.
Il grado 430 contiene il 16-18% di cromo e praticamente nessun nichel, il che lo rende uno dei gradi di acciaio inossidabile più economici. Il carbonio è limitato allo 0.12%.
Il 430 ricotto ha una resistenza alla trazione di circa 450 MPa e uno snervamento di 205 MPa con un allungamento di circa il 22%. È magnetico e non può essere indurito mediante trattamento termico.
Il 430 si comporta bene in ambienti miti e può tollerare temperature fino a 815 °C ininterrottamente. Tuttavia, ha una resistenza alla corrosione inferiore rispetto al 304: tende a arrugginire in caso di nebbia salina o esposizione alle coste.
Il grado 410 contiene l'11.5-13.5% di cromo e lo 0.1-0.15% di carbonio, fornendo una quantità sufficiente di entrambi per una moderata resistenza alla corrosione e temprabilità.
Una volta temprato e rinvenuto, il 410 raggiunge una durezza di 40-45 HRC con una resistenza alla trazione superiore a 1000 MPa. Allo stato ricotto, è relativamente morbido, con una resistenza alla trazione di 480-700 MPa.
Il 410 offre una buona resistenza agli ambienti con corrosione moderata, soprattutto se temprato e lucidato. Offre prestazioni adeguate in presenza di vapore e acidi diluiti, ma arrugginisce in ambienti ricchi di cloruri.
Il grado 904L è un acciaio super austenitico contenente il 19-23% di cromo, il 23-28% di nichel, il 4-5% di molibdeno e l'1.5% di rame. Il tenore di carbonio è mantenuto estremamente basso, al massimo dello 0.020%.
Allo stato ricotto in soluzione, il 904L ha una resistenza alla trazione di circa 490 MPa e uno snervamento di 220 MPa con allungamento superiore al 35%. Come altri austenitici, non può essere indurito mediante trattamento termico.
L'acciaio 904L offre un'eccezionale resistenza alla corrosione, in particolare in presenza di acido solforico e fosforico. Può sopportare l'acido solforico bollente fino al 40-50% di concentrazione e resiste alla corrosione da cloruri meglio dell'acciaio 316.
Il grado 2205 contiene circa il 22% di cromo, il 5% di nichel, il 3% di molibdeno e lo 0.14-0.20% di azoto, creando una struttura austenite-ferrite bilanciata.
Questa struttura duplex offre un limite di snervamento di 450-550 MPa, il doppio di quello del 316L, mantenendo un allungamento del 25%. La resistenza alla trazione raggiunge i 700-800 MPa allo stato ricotto.
Il PREN di 35-40 del 2205 indica un'eccellente resistenza alla corrosione puntiforme, di gran lunga superiore al PREN di 26 del 316L. È praticamente immune alla criccatura da corrosione sotto sforzo da cloruri fino a 150 °C.
Il 17-4PH contiene il 15-17.5% di cromo, il 3-5% di nichel, il 3-5% di rame e lo 0.15-0.45% di niobio. Il nome deriva dal suo contenuto nominale del 17% di cromo e del 4% di nichel.
Dopo l'invecchiamento a 482°C (condizione H900), 17-4PH raggiunge una resistenza alla trazione di 1310-1400 MPa con un limite di snervamento di 1100-1300 MPa e una durezza di circa HRC 44. Le proprietà possono essere personalizzate variando la temperatura di invecchiamento.
L'acciaio 17-4PH offre una resistenza alla corrosione paragonabile a quella del 304 nella maggior parte degli ambienti. Resiste bene alla corrosione atmosferica, all'acqua dolce e agli acidi deboli, superando significativamente i gradi martensitici come il 410.
Il tipo 303 è essenzialmente 304 con aggiunta di zolfo dallo 0.15 allo 0.35% per una migliore lavorabilità. Lo zolfo forma inclusioni di solfuro di manganese che lubrificano gli utensili da taglio durante la lavorazione.
Questo grado di lavorabilità libera sacrifica una certa resistenza alla corrosione e duttilità in favore di una lavorabilità superiore rispetto al 304 standard. Non è consigliato per ambienti marini o altamente acidi.
I tipi 321 e 347 sono gradi austenitici stabilizzati simili al 304, ma con aggiunte di titanio (321) o niobio (347). Questi elementi impediscono la formazione di carburo di cromo durante la saldatura o l'esposizione ad alte temperature.
La stabilizzazione consente a questi gradi di mantenere la resistenza alla corrosione dopo un'esposizione prolungata a 450-800 °C, dove lo standard 304 diventerebbe sensibile e suscettibile alla corrosione intergranulare.
I tipi 201 e 202 sono acciai austenitici a basso contenuto di nichel, in cui manganese (5.5-7.5%) e azoto sostituiscono parzialmente il costoso nichel. Contengono il 16-18% di cromo e solo il 3.5-5.5% di nichel.
Questi gradi offrono proprietà meccaniche simili al 304 a un costo inferiore, ma con una resistenza alla corrosione leggermente ridotta e una maggiore tendenza all'incrudimento.
Il tipo 409 contiene solo il 10.5-11.75% di cromo con stabilizzazione al titanio, il che lo rende uno degli acciai inossidabili più economici disponibili.
Sebbene abbia la più bassa resistenza alla corrosione tra i gradi di acciaio inossidabile e possa formare ruggine superficiale in ambienti aggressivi, resiste bene alle alte temperature e alla corrosione passante.
Il tipo 420 è un grado martensitico ad alto tenore di carbonio, con il 12-14% di cromo e lo 0.3% di carbonio. Se temprato correttamente, raggiunge una durezza di 50 HRC.
Questo acciaio inossidabile di "grado posate" offre un'adeguata resistenza alla corrosione in acqua e in ambienti miti se ben lucidato e temprato.
Il tipo 440C è l'acciaio inossidabile standard più duro, con una percentuale di carbonio compresa tra lo 0.95 e l'1.2% e di cromo tra il 16 e il 18%. Può essere trattato termicamente fino a raggiungere una durezza HRC di 58-62.
Sebbene presenti una discreta resistenza alla corrosione in condizioni miti, l'elevato contenuto di carbonio lega il cromo, riducendo la resistenza alla corrosione rispetto ai gradi di acciaio inossidabile a basso tenore di carbonio.
Il super duplex tipo 2507 contiene il 25% di cromo, il 7% di nichel, il 4% di molibdeno e lo 0.25% di azoto. Offre una resistenza alla corrosione ancora maggiore rispetto al tipo 2205, con un PREN superiore a 40.
Il limite di snervamento raggiunge gli 800-900 MPa, garantendo una resistenza eccezionale e una resistenza superiore all'acqua di mare calda e agli ambienti ad alto contenuto di cloruro.
Il 15-5 PH contiene il 15% di cromo e il 5% di nichel con aggiunte di rame e niobio. È stato sviluppato per mantenere una tenacità migliore rispetto al 17-4PH, soprattutto nelle sezioni spesse.
Le proprietà meccaniche corrispondono a quelle del 17-4PH con resistenza alla trazione fino a 1400 MPa una volta invecchiato, ma il 15-5 PH mantiene una tenacità alla frattura superiore a livelli di resistenza equivalenti.
