Trattamenti Superficiali

Acciai inossidabili austenitici

trattamenti superficiali: come – quando – perché

  • considerazioni metallurgiche
  • fenomeni di corrosione
  • interazione acciaio inossidabile – ambiente
  • qualificazione delle superfici delle costruzioni in acciaio inossidabile
  • trattamento superficiale degli acciai inossidabili austenitici
  • controlli finalizzati
  • norme antinfortunistiche e precauzioni
  • problemi accessori: trattamento acque di lavaggio ed eliminazione fanghi
  • conclusione

resistenza alla corrosione, passività nei confronti dei prodotti trattati e agevole pulizia.
Questi gli elementi chiave da considerare fín dalle fasi di preventivazione e progettazione di apparecchiatura industriali.
Di ruggero rigatti

la scelta di un acciaio inossidabile austenitico è fatta solitamente per assicurare ad una costruzione un buon comportamento alla corrosione, una passività verso ciò che deve contenere ed un’agevole pulizia.
Proprietà espresse così semplicemente sottintendono – talvolta altre come: sterilità, assenza di reazioni di cessione, assenza di reazioni di parete, uniformità di parete, uniformità di comportamento nel tempo, ecc.

Queste prestazioni sono in genere ottenibili a patto di rispettare semplici regole, quali:

scelta appropriata dei materiale;
progettazione adeguata della costruzione;
realizzazione corretta della costruzione;
trattamento delle superfici corretto e finalizzato ai risultati da ottenere;
controllo finale della costruzione e dei trattamenti.
L’esperienza va mostrando sempre più che il costo globale della costruzione è il minore possibile solo se si tiene conto di tutti i fattori fin dall’inizio, ciò significa anche che è opportuno stabilire già in fase di preventivazione e progettazione come effettuare i trattamenti superficiali che assicurano le proprietà finali richieste dail’ utente.

Con questo articolo ci proponiamo di fornire agli interessati un quadro chiaro di ciò che si intende per trattamenti superficiali e quali implicazioni questi trattamenti possano avere sui risultati che si vogliono ottenere.

Considerazioni metallurgiche

la struttura degli acciai inossidabili austenitici è alla base del loro impiego. Anche minime variazioni microstrutturali hanno una considerevole influenza sul comportamento alla corrosione nei più diversi ambienti.
Pertanto queste variazioni strutturali possono avere una enorme importanza non solo in relazione all’applicazione finale, ma anche in relazione ai trattamenti superficiali a cui il manufatto dovrà essere sottoposto (si potrebbero infatti verificare fenomeni di corrosione anche durante questi trattamenti superficiali).
E’ opportuno quindi tenerne conto e, come affermano le buone regole, si deve conoscere per evitare.
I fenomeni strutturali da evitare sono:

  • ingrossamento del grano (permanenza eccessiva a temperatura elevata, dovuta non solamente a saldatura o trattamenti termici, ma anche a deformazioni o lavorazioni meccaniche).
  • Precipitazione di carburi (temperatura, tempo di permanenza e contenuto di carbonio sono i tre fattori che influenzano il fenomeno; si può intervenire anche scegliendo materiali a bassissimo tenore di carbonio o stabilizzati oppure effettuando un trattamento termico di solubilizzazione).
  • Formazione. Di fase sigma (composizione, temperatura e tempo di permanenza sono i tre fattori che possono influenzare il fenomeno, che per altro è meno rilevante dei primi due negli acciai austenitici).

Prestare un’adeguata attenzione a questi problemi, consentirà poi di evitarne altri, con i relativi costi, in sede di trattamento superficiale del manufatto, per non parlare di quelli che potrebbero intervenire nell’impiego finale.

Fenomeni di corrosione

gli acciai inossidabili austenitici hanno la caratteristica di presentare superficialmente uno strato di ossido di cromo (formatosi all’aria o prodotto. Artificialmente) molto sottile ed invisibile che protegge il materiale dagli attacchi dell’ambiente; questa resistenza dipende dalla percentuale di cromo e di nichel, nonché dalla presenza di alcuni altri alliganti come ad esempio il molibdeno. La resistenza alla corrosione è invece diminuita dal manganese, che talvolta sostituisce il nichel; effetto negativo ha pure il carbonio al di sopra di certi valori (0,05%. ) In caso di trattamenti termici, saldature o sollecitazioni elevate (in questi casi si trova talvolta impiegato il titanio o il niobio come stabilizzante).
Quando è impedita la formazione di questo strato di ossido di cromo o quando questo viene continuamente distrutto, gli acciai inossidabili austenitici si corrodono.
I tipi di corrosione riscontrabili sono:

  • corrosione uniforme;
  • corrosione galvanica;
  • corrosione interstiziale;
  • corrosione puntiforme (vaiolatura o pitting);
  • corrosione sotto sforzo (stress corrosíon);
  • corrosione intercristallina;
  • ossidazione da eterogeneità;
  • corrosione per fatica, ecc.

Per poter utilizzare bene la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili, è necessario:

  • conoscere i tipi di corrosione possibili e le loro cause;
  • scegliere le leghe adatte per ogni applicazione pratica;
  • far attenzione alla progettazione corretta dei manufatto per evitare situazioni che possono essere causa di corrosione;
  • effettuare trattamenti superficiali adeguati al manufatto e mantenerlo metallicamente pulito.

I trattamenti superficiali degli acciai austenitici, qualora siano presenti le condizioni in cui si può verificare un tipo di attacco corrosivo e qualora non vengano effettuati in condizioni controllate, possono condurre attacchi superficiali localizzati o diffusi dei manufatti.

Lo scopo invece dei trattamenti superficiali è quello di conferire, tra l’altro, all’acciaio inossidabile le migliori condizioni per resistere alla corrosione.

Uno dei compiti dell’esperto di trattamenti superficiali è proprio quello di evidenziare eventuali condizioni anomale dei manufatti in modo da consentire al costruttore di porvi rimedio in tempo, prima cioè che il manufatto venga definitivamente impiegato.

Sono state effettuate molte ricerche con lo scopo di chiarire l’influenza della finitura superficiale sulla resistenza alla corrosione. Una ricerca recente evidenze la pericolosità delle lavorazioni meccaniche superficiali nel caso dell’aisi 304, mentre un’altra fornisce dati comparativi per l’aisi 316 stabilizzato al titanio (v. Fig. 1).

materiali1

interazioni acciaio inossidabile -ambiente

le interazioni tra un manufatto e l’ambiente avvengono tramite la sua superficie.
Di solito chi sceglie un manufatto in acciaio inossidabile ha l’esigenza di minimizzare queste reazioni; ciò corrisponde a:

  • scegliere il tipo di acciaio inossidabile adatto;
  • garantirsi la purezza della superficie;
  • passivarne la superficie;
  • avere la minima superficie (più compatta e chiusa possibile).

Le interazioni possibili sono:

  • scambio di materia di tipo chimico (corrosione, reazione con depositi (6), ecc.);
  • scambio di materia di ti fisico (polarizzazione, adsorbimento, desorbimento, ecc.);
  • scambio di materia fisicochimico;

problemi di qualità e di funzionalità’ fanno sì che queste interazioni debbano essere in massima parte evitate in moltissime industrie (farmaceutica, elettronica, chimica, cartaria, nucleare, dei vuoto, alimentare, ecc.).

Qualificazione delle superfici delle costruzioni in acciaio inossidabile

poiché i problemi che affliggono gli utilizzatori dei manufatti in acciaio inossidabile sono:

  • corrosione
  • pulizia
  • incrostazioni
  • effetto parete
  • cessione,

l’esperienza ha indotto a qualificare le superfici sulla base delle proprietà che minimizzano tali problemi e cioè:

  • potenziale elettrochimico
  • (grado di nobiltà = misura della resistenza alla corrosione);
  • rugosità (ra, rt, rz);
  • forma dei microprofilo (= compattezza);
  • struttura cristallina superficiale;
  • inclusioni eterogenee;
  • grado di pulizia;
  • passività.

Allo stato attuale non esiste ancora una normativa da tutti riconosciuta. I vari utilizzatori industriali, a seconda delle diverse esigenze, hanno messo a punto o definito criteri di controllo per l’accettazione dei manufatti.
Le società più all’avanguardia nel settore dei trattamenti superficiali stanno effettuando uno sforzo di ricerca applicata per la definizione di parametri, metodi e criteri di controllo che possano venire accettati e normalizzati.

Trattamento superficiale degli acciai inossidabili austenitici

a seconda dell’impiego dei manufatto è necessario un certo trattamento superficiale.
Come si rileva dalla fig. 2 è almeno necessaria in ogni caso la passivazione, che per la verità avviene lentamente anche all’aria. Una buona e sicura passivazione è però sempre necessaria prima dell’impiego del manufatto, per cui è consigliabile assicurarsi che sia presente almeno con un controllo.

Normalmente si impiega un metodo semplice e rapido, alla portata di tutti gli operatori. I casi più frequenti di manufatto da trattare sono quelli di costruzioni saldate, per le quali è d’obbligo il decapaggio dei cordoni di saldatura.
La molatura dei cordoni è assolutamente da evitare in tutte quelle applicazioni in cui non si vuol correre il rischio di avere problemi di corrosione sotto sforzo.

Il decapaggio delle superfici si effettua di solito anche per eliminare ogni pericolo di eterogeneità incluse (ciò può derivare dalle lavorazioni), mentre la rimozione di ossidi superficiali si effettua in genere solo in caso di semplici problemi di estetica. Il metodo più diffuso di decapaggio è quello con la pasta, perché è il più semplice e non richiede costose attrezzature.
La pasta più consigliabile è una sospensione perché in tal caso il liquido agisce totalmente ed alla f ne tutto l’acido in essa contento
ha reagito con la superficie metallica.

Altri metodi di decapaggio sono quello ad immersione chimica o elettrolitica (questo per applicazioni speciali) ed a spruzzo (si presta ad elevate produzioni ed automazioni). La lucidatura elettrochimica è stata inizialmente impiegata per surrogare la lucidatura manuale o a macchina di tipo meccanico con lo scopo di controllare qualità e costi (caffetterie, bacinelle per gelaterie, ecc.), ma successivamente, in seguito ad un maggior approfondimento delle proprietà delle superfici lucidate elettrochimicamente, è stata via via sempre più impiegata in settori d’avanguardia.

Oggi la lucidatura elettrochimica contribuisce a risolvere problemi in settori ad elevato contenuto tecnologico. Come quello farmaceutico, chimico, elettronico, cartario, dell’alto vuoto, alimentare, biochimico, medico, ecc. Ed è un trattamento fondamentale per tutti i manufatti in acciaio inossidabile destinati a questi settori.

Naturalmente, più sofisticato è il trattamento, più costose sono le attrezzature ed i controlli con cui si deve operare, e di conseguenza più raffinata la tecnologia impiegata dagli operatori.

Ritornando allo schema dei trattamenti proposto, è opportuno non considerare con leggerezza il problema dei lavaggio finale, fondamentale per non lasciare residui sulla superficie, che altrimenti risulterebbe macchiata e non adeguata alle esigenze. Analoghe considerazioni valgono per l’asciugatura.
Per quanto concerne il controllo del trattamento, a seconda delle prescrizioni questo, può essere semplicemente visivo oppure più complesso come vedremo al prossimo paragrafo.

Controlli finalizzati

a nostro avviso il primo controllo, da fare sempre, è quello. Di passivazione della superficie.
E’ estremamente semplice perché impiega solo due reattivi e nessuna attrezzatura particolare. Tutti gli altri controlli sono decisamente più complessi perché richiedono l’impiego di attrezzature costose e di personale specializzato e non sono pertanto alla portata della maggior parte degli operatori.

I controlli sono da mettere in relazione alle prestazioni del manufatto e quindi al capitolato dei cliente; generalmente si effettuano rilievi delle proprietà indicate precedentemente, anche se sovente non viene richiesto il controllo di tutte le proprietà citate.

Nella norma, nei settori più sofisticati si lavora su campioni standard di superfici di partenza; su parte di questi campioni vengono effettuati i trattamenti superficiali; prima e dopo il trattamento del manufatto si effettuano i rilievi concordati tra cliente e fornitore; questi rilievi devono corrispondere a quelli effettuati sui campioni standard. Altri controlli sono quelli sul la resistività dell’acqua di lavaggio, conteggi di particelle, ecc.

Norme antinfortunistiche e precauzioni

tutti o quasi i prodotti impiegati per il trattamento delle superfici di acciaio inossidabile contengono acidi forti.
Pertanto per evitare pericolose ustioni è necessario acquistare prodotti di cui vengano fornite le norme di impiego e di sicurezza e seguirle scrupolosamente.

Problemi accessori: trattamento acque di lavaggio ed eliminazione fanghi

dopo ogni trattamento è assolutamente necessario lavare con acqua di rete il manufatto, per evitare che rimangano tracce di acidi o di metalli sulla superficie.
Non è possibile scaricare queste acque senza averle preventivamente trattate in modo da neutralizzarle e da decantare i sali insolubili e gli idrati in esse contenuti.
La neutralizzazione dei prodotti sul manufatto è assolutamente sconsigliabile perché riprecipiterebbe gli ossidi idrati sulla superficie metallica compromettendone la purezza, e quindi anche il risultato dei trattamento superficiale stesso.
I fanghi, dopo filtrazione, vanno inviati alle apposite discariche o consegnati alle ditte autorizzate al loro ritiro.

Conclusione

come si è visto, gli aspetti da considerare nel caso dei trattamenti superficiali degli acciai inossidabili austenitici sono molteplici ed i risultati sono molto sovente legati alla collaborazione tra progettazione, costruzione, trattamenti superficiali ed utenza finale.
Per i problemi più complessi è opportuno rivolgersi agli specialisti, mentre nella maggior parte dei casi i costruttori stessi possono operare utilizzando le informazioni ed i prodotti reperibili sul mercato.