MONEL E HASTELLOY
Materiali progettati per lavorare dove gli acciai tradizionali non bastano
Quando si parla di Monel e Hastelloy si entra nel campo delle leghe speciali a base nichel, utilizzate in condizioni nelle quali resistenza alla corrosione, temperatura e stabilità metallurgica diventano requisiti fondamentali.
Non si tratta semplicemente di materiali "più resistenti" rispetto agli acciai comuni.
La loro composizione chimica è studiata per ottenere proprietà specifiche in ambienti particolarmente aggressivi.
Il comportamento durante la saldatura è quindi strettamente legato alla metallurgia della lega.
Tra i problemi che devono essere considerati troviamo:
solidificazione del bagno;
segregazione degli elementi di lega;
criccatura a caldo;
liquation cracking;
diluizione;
contaminazione;
deformazioni;
variazioni microstrutturali;
formazione di fasi indesiderate;
perdita locale della resistenza alla corrosione.
Per questo motivo la saldatura di queste leghe richiede un controllo molto accurato del materiale, della preparazione e del ciclo termico.
1. MONEL E HASTELLOY NON SONO ACCIAI
È importante chiarire subito un punto.
Il termine Monel identifica una famiglia di leghe principalmente a base nichel-rame, mentre Hastelloy identifica diverse famiglie di leghe a base nichel sviluppate soprattutto per resistere alla corrosione e alle alte temperature.
Il Monel 400, ad esempio, contiene principalmente nichel e rame ed è noto per la sua resistenza alla corrosione in numerosi ambienti, compresa l'acqua di mare e diverse soluzioni chimiche.
Le leghe Hastelloy comprendono invece composizioni differenti. Alcune delle più conosciute appartengono alla famiglia Ni-Cr-Mo, nella quale cromo e molibdeno contribuiscono alla resistenza in ambienti fortemente corrosivi.
Tra le qualità più conosciute troviamo:
Hastelloy B;
Hastelloy B-2;
Hastelloy B-3;
Hastelloy C-4;
Hastelloy C-22;
Hastelloy C-276;
Hastelloy G-30.
Non sono quindi intercambiabili.
Ogni lega deve essere trattata in funzione della propria composizione e delle condizioni di esercizio.
2. LA METALLURGIA DELLE LEGHE A BASE NICHEL
Il nichel possiede una struttura cristallina cubica a facce centrate, indicata normalmente come FCC.
Una delle caratteristiche più importanti delle leghe a base nichel è la capacità della matrice di mantenere buone caratteristiche meccaniche e di corrosione anche in condizioni nelle quali molti acciai perdono parte delle proprie prestazioni.
A seconda della lega vengono aggiunti elementi come:
cromo;
molibdeno;
rame;
ferro;
tungsteno;
niobio;
titanio;
alluminio;
carbonio.
La quantità e la combinazione di questi elementi determinano il comportamento metallurgico della lega.
Il cromo contribuisce alla resistenza all'ossidazione e alla corrosione.
Il molibdeno è particolarmente importante nella resistenza alla corrosione localizzata e in numerosi ambienti acidi.
Il rame è caratteristico delle leghe Monel e contribuisce alla loro resistenza in determinati ambienti corrosivi.
Tungsteno e molibdeno sono invece importanti in molte leghe Hastelloy ad elevata resistenza alla corrosione.
3. MONEL 400
Il Monel 400 è una delle leghe nichel-rame più conosciute.
La composizione è principalmente costituita da nichel e rame, con piccole quantità di altri elementi.
È apprezzato per:
resistenza all'acqua di mare;
resistenza a numerose soluzioni saline;
buona resistenza agli ambienti alcalini;
buona resistenza meccanica;
buona tenacità;
comportamento stabile in un'ampia gamma di temperature.
È utilizzato nell'industria:
chimica;
marina;
petrolifera;
energetica;
trattamento delle acque;
apparecchiature per ambienti corrosivi.
Il Nickel Institute identifica il Monel 400 come la lega nichel-rame più comune e ne evidenzia l'utilizzo soprattutto in applicazioni marine e nell'industria chimica.
4. MONEL K-500
Un'altra lega importante è il Monel K-500.
Rispetto al Monel 400 presenta un sistema di indurimento differente e può raggiungere livelli di resistenza meccanica molto superiori attraverso un trattamento di invecchiamento.
La presenza di elementi come alluminio e titanio permette la formazione di precipitati che aumentano la resistenza.
Questo significa che il comportamento metallurgico del K-500 è diverso da quello del Monel 400.
Il trattamento termico diventa quindi un elemento fondamentale per ottenere le proprietà meccaniche previste. I dati del Nickel Institute riportano specifici cicli di trattamento e invecchiamento per il K-500.
5. MONEL E SALDATURA
Le leghe Monel possono essere saldate con diversi processi.
Tra i più utilizzati troviamo:
TIG/GTAW;
MIG/GMAW;
arco sommerso in applicazioni idonee;
elettrodo rivestito.
Il TIG è particolarmente interessante quando è necessario ottenere un controllo molto preciso del bagno di saldatura.
È importante mantenere:
arco stabile;
protezione gassosa efficace;
superfici perfettamente pulite;
apporto termico controllato;
corretta velocità di avanzamento.
La contaminazione della superficie può compromettere il risultato della saldatura.
6. PULIZIA: UNA FASE FONDAMENTALE
Con le leghe a base nichel la pulizia non deve essere considerata un'operazione secondaria.
Prima della saldatura devono essere eliminati:
oli;
grassi;
vernici;
ossidi;
residui di lavorazione;
contaminanti metallici;
umidità.
Gli utensili utilizzati per la preparazione devono essere adeguati e puliti.
La contaminazione da elementi estranei può favorire fenomeni di criccatura e compromettere la resistenza alla corrosione del giunto.
Il Nickel Institute sottolinea che la qualità della saldatura e la cura delle operazioni di fabbricazione sono fondamentali per mantenere le prestazioni delle leghe di nichel in servizio corrosivo.
7. HASTELLOY: UNA FAMIGLIA DI LEGHE
Il nome Hastelloy non identifica un unico materiale.
È una famiglia molto ampia di leghe a base nichel sviluppate per differenti condizioni di servizio.
Tra le più conosciute troviamo:
Hastelloy C-22
Hastelloy C-276
Hastelloy B-2
Hastelloy B-3
Hastelloy G-30
Le diverse composizioni permettono di ottenere resistenza in ambienti chimici differenti.
Il C-276, per esempio, appartiene alla famiglia delle leghe Ni-Cr-Mo ed è particolarmente conosciuto per la resistenza alla corrosione in ambienti riducenti.
8. HASTELLOY C-276
Il C-276 è probabilmente una delle leghe Hastelloy più conosciute.
La sua composizione comprende principalmente:
nichel;
cromo;
molibdeno;
ferro;
tungsteno.
La combinazione di questi elementi permette di ottenere un'elevata resistenza alla corrosione in numerosi ambienti chimici.
Viene utilizzato in:
industria chimica;
impianti di processo;
trattamento dei fumi;
apparecchiature per acidi;
impianti per ambienti altamente corrosivi.
La saldatura deve preservare la composizione e la microstruttura necessarie a mantenere la resistenza alla corrosione del materiale.
9. HASTELLOY C-22
Il C-22 appartiene alla stessa grande famiglia delle leghe Ni-Cr-Mo, ma possiede una composizione differente.
La presenza di cromo, molibdeno e altri elementi permette di ottenere un comportamento molto interessante in ambienti ossidanti e riducenti.
Il C-22 è utilizzato soprattutto quando la resistenza alla corrosione è uno dei requisiti principali del componente.
Come per il C-276, la saldatura deve essere eseguita evitando contaminazioni e cicli termici non necessari.
10. HASTELLOY B-2 E B-3
Le leghe della serie B sono caratterizzate da un elevato contenuto di molibdeno.
Sono progettate principalmente per resistere a determinati ambienti fortemente riducenti.
La differenza tra le varie qualità riguarda soprattutto la composizione e la stabilità metallurgica.
Il materiale d'apporto deve essere scelto in funzione della specifica lega e dell'ambiente di esercizio.
Non è corretto utilizzare un consumabile generico per tutte le leghe Hastelloy.
11. SOLIDIFICAZIONE DELLA SALDATURA
Durante la saldatura la zona interessata dall'arco raggiunge temperature superiori al punto di fusione.
Il bagno inizia successivamente a solidificare.
La solidificazione avviene attraverso la crescita di strutture dendritiche.
Gli elementi di lega possono concentrarsi nelle regioni interdendritiche.
Si crea quindi una microsegregazione.
Questa situazione è importante perché alcune composizioni locali possono avere temperature di solidificazione inferiori rispetto alla matrice.
Se durante la fase finale della solidificazione il materiale è sottoposto a tensioni di contrazione, può verificarsi solidification cracking.
12. CRICCATURE A CALDO
Le cricche a caldo sono uno dei fenomeni da considerare nella saldatura delle leghe a base nichel.
Possono essere favorite da:
composizione chimica;
segregazione;
geometria del giunto;
elevato vincolo;
apporto termico;
velocità di saldatura;
contaminazione;
tecnica di saldatura.
La prevenzione parte quindi dalla scelta corretta del materiale d'apporto e arriva fino alla tecnica dell'operatore.
13. LIQUATION CRACKING
Il liquation cracking interessa principalmente la zona termicamente alterata.
Durante il ciclo termico alcune regioni della microstruttura possono subire una fusione localizzata.
Durante il successivo raffreddamento queste zone possono diventare punti favorevoli alla formazione di microcricche.
Il fenomeno è particolarmente importante quando la lega contiene costituenti o segregazioni sensibili alla fusione parziale.
Per questo il controllo del calore introdotto nel componente è fondamentale.
14. APPORTO TERMICO
L'apporto termico è uno dei parametri più importanti.
In forma semplificata:
Q ≈ η × V × I / v
dove:
Q = energia lineare;
η = rendimento del processo;
V = tensione;
I = corrente;
v = velocità di avanzamento.
Nelle leghe a base nichel non è corretto pensare che "più calore" significhi automaticamente "migliore penetrazione".
Un apporto termico eccessivo può aumentare il tempo trascorso a temperature elevate e influenzare:
microstruttura;
segregazione;
deformazioni;
dimensione del bagno;
zona termicamente alterata;
rischio di criccatura.
15. PREPARAZIONE DEL GIUNTO
La preparazione del giunto deve essere precisa.
Devono essere controllati:
angolo dei lembi;
apertura della radice;
allineamento;
pulizia;
spessore;
eventuale preriscaldo;
accessibilità.
Le superfici devono essere prive di contaminazioni.
Anche piccoli residui di grasso o altri contaminanti possono creare problemi durante la saldatura.
16. PRERISCALDO
A differenza di molti acciai al carbonio e basso-legati, le leghe a base nichel non richiedono automaticamente un preriscaldo elevato.
Il preriscaldo deve essere stabilito in funzione della lega, dello spessore, della temperatura ambiente e della procedura.
Un riscaldamento eccessivo e non necessario può aumentare l'accumulo termico.
In molti casi è più importante assicurarsi che il materiale sia:
pulito, asciutto e a temperatura controllata.
17. TEMPERATURA DI INTERPASS
La temperatura tra una passata e l'altra deve essere mantenuta sotto controllo.
Una temperatura troppo elevata significa maggiore accumulo di calore.
Questo può modificare il ciclo termico e aumentare il rischio di fenomeni metallurgici indesiderati.
Per questo nelle saldature multipass è necessario lasciare raffreddare il componente fino alla temperatura prevista dalla procedura prima di depositare la passata successiva.
18. SALDATURA TIG
Il TIG rappresenta uno dei processi più utilizzati quando è necessario ottenere un controllo elevato.
I vantaggi principali sono:
controllo del bagno;
precisione;
possibilità di lavorare con correnti relativamente contenute;
ottima qualità del deposito;
controllo dell'apporto di materiale.
È particolarmente adatto per:
radici;
piccoli spessori;
tubazioni;
componenti critici;
riparazioni;
passate di finitura.
La protezione del gas deve essere mantenuta anche durante il raffreddamento iniziale del cordone.
19. SALDATURA MIG/MAG
Il processo MIG/GMAW può essere utilizzato quando sono richieste maggiore produttività e velocità di deposito.
Il controllo dei parametri deve essere particolarmente accurato.
Devono essere considerati:
modalità di trasferimento;
corrente;
tensione;
velocità;
gas;
portata;
apporto termico.
Il MIG pulsato può permettere un controllo più preciso del trasferimento del materiale e del calore introdotto.
20. MATERIALE D'APPORTO
La scelta del consumabile è una delle decisioni più importanti.
Non è sufficiente scegliere un filo "a base nichel".
Il consumabile deve essere compatibile con:
lega base;
processo;
temperatura;
ambiente corrosivo;
resistenza meccanica;
trattamento termico;
eventuale saldatura dissimile.
Nelle leghe di nichel la composizione del materiale d'apporto deve essere scelta anche considerando la diluizione del materiale base.
21. DILUIZIONE
La diluizione è particolarmente importante nei giunti dissimili e nei riporti.
Una parte del materiale base entra nel bagno di saldatura e modifica la composizione del deposito.
Se la quantità è eccessiva, il materiale depositato può perdere parte delle caratteristiche previste.
Questo è particolarmente importante nei riporti anticorrosione.
La prima passata deve quindi essere progettata considerando:
materiale base + consumabile + percentuale di diluizione.
22. SALDATURA DISSIMILE
Monel e Hastelloy possono essere utilizzati anche in giunti con materiali differenti.
In questi casi diventano importanti:
coefficiente di dilatazione;
conducibilità termica;
composizione chimica;
diluizione;
resistenza alla corrosione;
compatibilità del consumabile;
tensioni residue.
Una saldatura dissimile non deve essere progettata soltanto per ottenere una buona fusione.
Deve essere progettata per mantenere le proprietà del giunto durante tutto il servizio.
23. TRATTAMENTI TERMICI
Le leghe a base nichel possono essere suddivise, in modo generale, in:
leghe rinforzate per soluzione solida
e
leghe rinforzate per precipitazione.
Le prime non vengono normalmente indurite attraverso un trattamento di precipitazione come avviene nelle leghe PH.
Il Nickel Institute distingue infatti le leghe di nichel per corrosione a soluzione solida dalle leghe induribili per precipitazione. Le prime non possono essere rafforzate mediante trattamento termico nello stesso modo delle seconde, mentre le seconde utilizzano trattamenti specifici di invecchiamento.
24. TRATTAMENTI DEL MONEL 400
Il Monel 400 può essere fornito in diverse condizioni metallurgiche.
È possibile incontrarlo:
ricotto;
lavorato a freddo;
disteso;
in altre condizioni definite dalla specifica del prodotto.
Il trattamento termico deve quindi essere collegato alla condizione iniziale del materiale.
Non è corretto applicare automaticamente un trattamento termico dopo la saldatura senza verificare la specifica del materiale e i requisiti del componente.
25. TRATTAMENTO DEL MONEL K-500
Il K-500 è un caso diverso.
La sua maggiore resistenza meccanica può essere ottenuta attraverso un trattamento di invecchiamento che permette la formazione di precipitati responsabili dell'indurimento.
Il ciclo termico deve essere rigorosamente controllato.
La saldatura può inoltre modificare localmente la condizione metallurgica del materiale.
Per questo, quando il componente deve mantenere elevate proprietà meccaniche, il trattamento post-saldatura deve essere valutato insieme alla condizione metallurgica richiesta.
26. TRATTAMENTI DELLE LEGHE HASTELLOY
Molte leghe Hastelloy utilizzate per la resistenza alla corrosione appartengono alla categoria delle leghe a soluzione solida.
In queste leghe il trattamento termico non viene utilizzato semplicemente per "aumentare la durezza".
L'obiettivo è piuttosto mantenere una struttura metallurgica stabile e una distribuzione degli elementi di lega compatibile con le proprietà richieste.
Per alcune qualità possono essere previsti trattamenti di solubilizzazione.
Le temperature e i tempi devono essere quelli stabiliti dal produttore e dalla specifica applicabile.
27. SOLUBILIZZAZIONE
La solubilizzazione consiste nel riscaldare la lega a una temperatura sufficientemente elevata da riportare determinati costituenti nella soluzione solida, seguita da un raffreddamento controllato.
Il trattamento può essere utilizzato per ottenere una struttura più uniforme e limitare la presenza di fasi indesiderate.
È fondamentale però non generalizzare.
Ogni lega Hastelloy ha una composizione propria e può avere un trattamento termico differente.
28. CONTROLLI NON DISTRUTTIVI
La qualità della saldatura deve essere verificata attraverso controlli adeguati alla criticità del componente.
Possono essere utilizzati:
VT – Visual Testing
PT – Penetrant Testing
RT – Radiographic Testing
UT – Ultrasonic Testing
Il controllo con liquidi penetranti è particolarmente utile per individuare discontinuità aperte in superficie.
Per applicazioni critiche possono essere richiesti controlli volumetrici e procedure specifiche.
29. METALLOGRAFIA
Quando è necessario comprendere realmente il comportamento del giunto, la metallografia diventa uno strumento fondamentale.
Una sezione metallografica può permettere di osservare:
struttura del deposito;
crescita dendritica;
HAZ;
segregazione;
fasi secondarie;
porosità;
microcricche;
penetrazione;
morfologia della fusione.
È uno degli strumenti più importanti per lo studio e la qualificazione di una procedura di saldatura.
30. WPS E QUALIFICAZIONE
La saldatura di Monel e Hastelloy destinata ad applicazioni industriali deve essere eseguita secondo procedure definite e qualificate quando richiesto.
La WPS deve stabilire, tra gli altri:
materiale;
processo;
consumabile;
diametro;
corrente;
tensione;
velocità;
apporto termico;
gas;
preriscaldo;
interpass;
tecnica;
eventuale trattamento termico.