Acciaio Dupex e Superduplex
Acciai inossidabili Duplex e Superduplex
Gli acciai inossidabili Duplex e Superduplex rappresentano una delle famiglie di materiali più interessanti e tecnicamente impegnative nel campo della saldatura industriale.
La loro caratteristica fondamentale è una microstruttura bifasica composta da ferrite e austenite, generalmente con un rapporto progettato vicino all'equilibrio tra le due fasi. Questa struttura permette di combinare una buona resistenza meccanica con un'elevata resistenza alla corrosione, in particolare nei confronti della corrosione localizzata e, per alcune qualità, della corrosione sotto tensione in presenza di cloruri.
Questi vantaggi, tuttavia, richiedono un controllo molto rigoroso del processo di fabbricazione e soprattutto della saldatura.
Il Duplex non deve essere considerato semplicemente come un normale acciaio inox da saldare. Durante il ciclo termico di saldatura la microstruttura viene modificata e, se il calore apportato, la temperatura tra le passate e la velocità di raffreddamento non sono correttamente controllati, possono comparire fenomeni metallurgici capaci di compromettere le prestazioni del giunto.
Per questo motivo la saldatura di Duplex e Superduplex deve essere affrontata considerando contemporaneamente:
composizione chimica;
equilibrio ferrite/austenite;
ciclo termico;
apporto termico;
temperatura di interpass;
gas di protezione;
materiale d'apporto;
velocità di raffreddamento;
eventuale presenza di fasi intermetalliche;
trattamento termico post-saldatura;
controlli non distruttivi e metallografici.
1. COS'È UN ACCIAIO DUPLEX?
Gli acciai Duplex sono acciai inossidabili caratterizzati da una struttura metallurgica costituita da due fasi principali:
ferrite α + austenite γ
La presenza contemporanea delle due fasi permette di ottenere proprietà che, negli acciai inox completamente ferritici o completamente austenitici, sono più difficili da combinare.
La ferrite contribuisce principalmente a:
elevata resistenza meccanica;
buona resistenza alla corrosione sotto tensione;
buona resistenza alla corrosione in presenza di cloruri.
L'austenite contribuisce invece a:
duttilità;
tenacità;
resistenza alla corrosione;
stabilizzazione dell'equilibrio microstrutturale.
L'obiettivo metallurgico non è quindi ottenere una microstruttura completamente ferritica dopo la saldatura, ma ottenere nuovamente un equilibrio adeguato tra ferrite e austenite.
2. DUPLEX, LEAN DUPLEX E SUPERDUPLEX
All'interno della famiglia Duplex esistono diverse composizioni chimiche.
Tra le qualità più conosciute troviamo:
Lean Duplex, con contenuto di elementi di lega inferiore;
Duplex 2205, uno dei materiali più utilizzati industrialmente;
Superduplex 2507, caratterizzato da maggiore contenuto di Cr, Mo e N;
Duplex e Superduplex speciali sviluppati per applicazioni particolarmente aggressive.
Un riferimento molto diffuso è il 2205, mentre il 2507 rappresenta una delle qualità Superduplex più conosciute.
La maggiore resistenza alla corrosione dei Superduplex è legata principalmente all'incremento degli elementi di lega e dell'azoto.
3. IL PREN: UN PARAMETRO FONDAMENTALE
Uno dei parametri utilizzati per confrontare la resistenza alla corrosione localizzata degli acciai inox è il PREN – Pitting Resistance Equivalent Number.
Una relazione frequentemente utilizzata è:
PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
Il PREN non rappresenta una prova di corrosione vera e propria e non può sostituire una qualificazione sperimentale del materiale, ma costituisce un utile indicatore metallurgico.
Nei Superduplex l'elevato contenuto di:
Cromo;
Molibdeno;
Azoto;
porta generalmente a valori di PREN molto elevati.
È proprio questo uno dei motivi per cui questi materiali vengono impiegati in ambienti contenenti cloruri, acqua di mare, impianti offshore, industria petrolifera e del gas e impianti chimici.
4. LA METALLURGIA DEL DUPLEX
La saldatura modifica inevitabilmente la microstruttura.
Durante il riscaldamento il materiale attraversa differenti campi di stabilità delle fasi. Il problema principale è che il raffreddamento dalla temperatura elevata può non consentire la formazione di una quantità sufficiente di austenite.
Il risultato può essere una zona termicamente alterata (HAZ) eccessivamente ferritica.
Questo fenomeno è particolarmente importante perché la ferrite in eccesso può modificare:
tenacità;
resistenza alla corrosione;
comportamento alla corrosione localizzata;
comportamento in ambiente contenente cloruri.
La microstruttura di un giunto Duplex deve quindi essere valutata come risultato del ciclo termico complessivo.
5. ZONA FUSA E ZONA TERMICAMENTE ALTERATA
Dal punto di vista metallurgico è importante distinguere due regioni.
Zona Fusa – FZ
È la regione che durante la saldatura raggiunge la fusione.
La sua composizione dipende dalla combinazione tra:
materiale base;
materiale d'apporto;
diluizione;
gas di protezione;
parametri di saldatura.
Il materiale d'apporto viene normalmente scelto in modo da favorire la formazione della corretta quantità di austenite durante il raffreddamento.
Zona Termicamente Alterata – HAZ
È la regione del materiale base che non fonde ma viene sottoposta al ciclo termico della saldatura.
Questa è una delle zone più critiche.
Un apporto termico eccessivo o una permanenza troppo lunga a temperature elevate possono favorire:
crescita del grano ferritico;
formazione di fasi secondarie;
precipitazione di fasi intermetalliche;
perdita di tenacità;
riduzione della resistenza alla corrosione.
6. FASI INTERMETALLICHE: SIGMA E CHI
Uno degli aspetti metallurgici più importanti nella saldatura dei Superduplex è il controllo delle fasi intermetalliche.
Tra quelle più conosciute troviamo la fase sigma (σ).
La fase sigma è una fase ricca soprattutto di cromo e molibdeno e può precipitare in determinate condizioni di temperatura e tempo.
La sua presenza può provocare una significativa riduzione di:
duttilità;
tenacità;
resistenza alla corrosione.
Un altro fenomeno da considerare è la formazione di fase chi (χ), anch'essa associata a composizioni ricche di elementi di lega e a determinati cicli termici.
La formazione di queste fasi è favorita da permanenze nella regione di temperatura appropriata e da raffreddamenti non sufficientemente rapidi.
Per questo motivo, nella saldatura del Duplex, non è corretto ragionare soltanto in termini di amperaggio e tensione.
Il parametro fondamentale è il ciclo termico.
7. CONTROLLO DELL'APPORTO TERMICO
L'apporto termico è uno dei parametri più importanti.
In termini semplificati può essere espresso come:
Q ≈ η × V × I / v
dove:
Q = apporto termico;
η = rendimento del processo;
V = tensione;
I = corrente;
v = velocità di avanzamento.
Le unità e i coefficienti devono essere coerenti con il sistema di misura utilizzato.
Un apporto termico troppo elevato può aumentare il tempo di permanenza del materiale nella regione critica e favorire fenomeni metallurgici indesiderati.
Un apporto termico troppo basso può invece generare un raffreddamento eccessivamente rapido e una microstruttura troppo ricca di ferrite.
Per il Duplex quindi non esiste il principio "più caldo è meglio".
L'obiettivo è ottenere un ciclo termico controllato.
8. TEMPERATURA DI INTERPASS
La temperatura tra le passate è un parametro fondamentale nella saldatura multipass.
Una temperatura di interpass troppo elevata può provocare un accumulo termico eccessivo.
Questo può aumentare il tempo trascorso nella finestra di temperatura favorevole alla precipitazione di fasi indesiderate.
Per questo motivo le WPS dedicate a Duplex e Superduplex stabiliscono normalmente limiti di temperatura di interpass più restrittivi rispetto a molte saldature convenzionali.
La temperatura deve essere verificata realmente sul componente e non semplicemente stimata.
Il saldatore deve quindi lavorare seguendo una sequenza controllata:
saldatura → controllo interpass → eventuale raffreddamento → passata successiva.
9. PRERISCALDO: ATTENZIONE AL DUPLEX
Uno degli errori più comuni consiste nell'applicare automaticamente le regole utilizzate per gli acciai al carbonio.
Il Duplex generalmente non richiede un preriscaldo elevato per motivi legati all'idrogeno come avviene in molti acciai basso-legati.
Un preriscaldo eccessivo può diventare addirittura controproducente perché aumenta il calore accumulato nel componente.
La temperatura iniziale deve quindi essere controllata secondo la procedura qualificata.
In presenza di umidità, contaminazioni o condizioni ambientali sfavorevoli, il problema deve essere affrontato attraverso un corretto controllo del processo e della superficie, non semplicemente aumentando indiscriminatamente la temperatura del pezzo.
10. SCELTA DEL MATERIALE D'APPORTO
La scelta del consumabile è fondamentale.
Per un Duplex 2205, ad esempio, vengono normalmente utilizzati consumabili specifici con composizione studiata per ottenere il corretto equilibrio metallurgico dopo la saldatura.
Il materiale d'apporto può essere leggermente più legato rispetto al materiale base proprio per compensare gli effetti del ciclo termico e favorire la formazione di austenite.
Per i Superduplex la scelta deve essere ancora più accurata.
Non è sufficiente scegliere un consumabile semplicemente perché "è inox".
Occorre verificare:
composizione chimica;
PREN;
compatibilità metallurgica;
proprietà meccaniche;
temperatura di servizio;
ambiente corrosivo;
processo di saldatura;
eventuali requisiti normativi.
11. SALDATURA TIG
Il processo TIG/GTAW è particolarmente adatto al Duplex quando sono richiesti elevato controllo del bagno e qualità metallurgica.
È frequentemente utilizzato per:
passate di radice;
tubazioni;
componenti di precisione;
spessori contenuti;
giunti con elevati requisiti qualitativi.
Un parametro particolarmente importante è la protezione del rovescio.
Il gas di protezione deve impedire l'ossidazione della radice.
Una protezione insufficiente può provocare una forte ossidazione superficiale e compromettere la resistenza alla corrosione.
Nel TIG Duplex è quindi fondamentale controllare:
portata gas;
purezza del gas;
forma del bagno;
lunghezza d'arco;
velocità di avanzamento;
apporto termico;
protezione del rovescio.
12. SALDATURA MIG/MAG
Il processo GMAW/MIG-MAG può essere utilizzato con elevata produttività.
La scelta del gas è importante perché il gas di protezione influenza:
stabilità dell'arco;
trasferimento del metallo;
penetrazione;
composizione della zona fusa;
comportamento superficiale.
Devono essere utilizzati gas e modalità di trasferimento compatibili con il materiale e con la procedura qualificata.
L'obiettivo non è semplicemente ottenere una buona saldatura visivamente, ma mantenere sotto controllo il ciclo termico e la composizione metallurgica della zona fusa.
13. SALDATURA AD ELETTRODO RIVESTITO
Il processo SMAW può essere utilizzato anche per Duplex e Superduplex attraverso elettrodi specifici.
Particolare attenzione deve essere dedicata alla conservazione e gestione degli elettrodi.
Umidità e contaminazioni possono compromettere la qualità del giunto.
La procedura deve stabilire:
tipo di elettrodo;
diametro;
corrente;
polarità;
temperatura di interpass;
sequenza di saldatura;
eventuali prescrizioni di essiccazione e mantenimento.
14. PULIZIA PRIMA DELLA SALDATURA
La pulizia è fondamentale.
Il Duplex deve essere protetto dalla contaminazione da:
ferro libero;
oli;
grassi;
vernici;
marcature non idonee;
polveri;
contaminanti provenienti dalla lavorazione.
È buona pratica utilizzare utensili dedicati agli acciai inox e impedire il contatto con utensili contaminati da acciai al carbonio.
Una contaminazione ferrosa può diventare un punto di innesco per fenomeni corrosivi.
15. GAS DI PROTEZIONE E AZOTO
L'azoto assume un'importanza particolare nel Duplex perché è un elemento di lega fondamentale per la stabilità dell'austenite e per la resistenza alla corrosione.
In alcune applicazioni possono essere utilizzate miscele di gas contenenti azoto, secondo quanto previsto dalla procedura qualificata.
L'obiettivo è evitare condizioni che impoveriscano localmente la zona saldata di azoto o favoriscano una microstruttura non equilibrata.
La scelta del gas deve quindi essere considerata come parte integrante della progettazione della saldatura.
16. TRATTAMENTO TERMICO POST-SALDATURA
Uno degli aspetti più importanti è comprendere che il Duplex non deve essere trattato termicamente dopo la saldatura in modo automatico come un normale acciaio al carbonio.
Un trattamento termico non correttamente progettato può favorire:
precipitazione di fase sigma;
fase chi;
carburi e nitruri;
alterazioni dell'equilibrio ferrite/austenite;
perdita di tenacità;
perdita di resistenza alla corrosione.
Quando è necessario un trattamento termico, deve essere definito sulla base della specifica qualità, dello spessore, del codice applicabile e dei requisiti del componente.
Per molte applicazioni saldate di Duplex e Superduplex il corretto controllo della saldatura è preferibile a un successivo trattamento termico eseguito per "correggere" una microstruttura non controllata.
17. SOLUTION ANNEALING
Per alcune condizioni produttive può essere previsto un trattamento di solubilizzazione, seguito da raffreddamento rapido.
Lo scopo è riportare il materiale verso una condizione metallurgica appropriata, dissolvendo precipitati indesiderati e ristabilendo l'equilibrio delle fasi.
Il ciclo deve essere rigorosamente controllato.
Temperatura, permanenza e velocità di raffreddamento non possono essere stabilite genericamente per tutti i Duplex.
Devono essere definite in funzione della specifica lega e della normativa applicabile.
18. SALDATURA MULTIPASS
Nella saldatura multipass il problema non riguarda soltanto la singola passata.
Ogni passata modifica termicamente quelle precedenti.
Si crea quindi una successione di cicli termici.
Una passata successiva può:
riscaldare nuovamente la zona fusa;
modificare l'equilibrio ferrite/austenite;
favorire o dissolvere determinate precipitazioni;
modificare la microstruttura della HAZ.
La sequenza delle passate diventa quindi parte integrante del controllo metallurgico.
19. DIFETTI TIPICI
Tra i principali problemi che possono interessare un giunto Duplex troviamo:
Eccesso di ferrite
Può essere provocato da un raffreddamento troppo rapido o da condizioni metallurgiche non corrette.
Fasi intermetalliche
La presenza di sigma o chi può ridurre drasticamente tenacità e resistenza alla corrosione.
Ossidazione della radice
Una protezione insufficiente durante TIG può compromettere la superficie e la resistenza alla corrosione.
Porosità
Può derivare da contaminazione, protezione gassosa insufficiente o parametri non corretti.
Mancanza di fusione
Può essere causata da energia insufficiente, geometria del giunto o tecnica di saldatura non adeguata.
Crateri e difetti di fine cordone
Devono essere evitati attraverso una corretta gestione dell'estinzione dell'arco.
20. CONTROLLO METALLURGICO
Per applicazioni critiche il controllo della qualità non deve fermarsi all'esame visivo.
A seconda delle specifiche possono essere utilizzati:
VT – esame visivo;
PT – liquidi penetranti;
RT – radiografia;
UT – ultrasuoni;
esami ferritici;
esami metallografici;
prove di corrosione;
prove meccaniche;
prove di durezza.
La misura della ferrite può essere particolarmente utile per verificare l'equilibrio microstrutturale del giunto.
Tuttavia, una semplice misura superficiale della ferrite non deve essere interpretata come una caratterizzazione completa della microstruttura.
21. WPS E WPQR
Per la saldatura industriale di Duplex e Superduplex la procedura deve essere qualificata con particolare attenzione.
La WPS – Welding Procedure Specification deve definire almeno:
materiale base;
gruppo di materiali;
spessore;
processo;
materiale d'apporto;
diametro;
corrente;
tensione;
velocità;
apporto termico;
gas di protezione;
temperatura di preriscaldo;
temperatura interpass;
posizione;
tecnica di saldatura;
eventuali requisiti di trattamento termico.
La qualificazione della procedura deve essere supportata dal relativo WPQR/PQR, secondo il codice o la norma applicabile.
Per lavori industriali critici non è sufficiente che il saldatore "abbia già saldato il Duplex".
È la procedura qualificata che deve dimostrare la capacità di ottenere le proprietà richieste.
22. APPROCCIO DA WELDING ENGINEER
La saldatura del Duplex deve essere progettata partendo dalla metallurgia e non solamente dai parametri della saldatrice.
Un Welding Engineer dovrebbe ragionare secondo questa sequenza:
Materiale → composizione chimica → microstruttura → ciclo termico → consumabile → parametri → raffreddamento → microstruttura finale → proprietà del giunto.
Questo approccio permette di comprendere perché due saldature apparentemente identiche possano avere comportamenti completamente differenti in esercizio.
Una saldatura può infatti essere:
esteticamente perfetta;
dimensionalmente corretta;
priva di difetti visibili;