Acciaio Martensitico

Acciai inossidabili martensitici

1. Introduzione Metallurgica

Gli acciai inossidabili martensitici sono leghe Fe-Cr-C che, a differenza degli austenitici, sono temprabili — cioè la loro struttura cambia e si indurisce con il raffreddamento rapido dall'alta temperatura. Questo è il tratto che li distingue radicalmente da tutta la famiglia austenitica trattata in precedenza, e che rende la loro saldatura molto più delicata e "rischiosa" se non gestita correttamente.

Il concetto chiave da avere sempre in testa: ogni volta che salda un martensitico, il calore dell'arco trasforma il materiale in austenite nella zona riscaldata; quando si raffredda, quell'austenite ritorna martensite — una struttura dura, ma fragile e soggetta a fessurazione se non gestita con preriscaldo, apporto termico controllato e trattamento termico post-saldatura.

2. Metallurgia di Base — Il Triangolo Cr-C-Ni

2.1 Il ruolo del Cromo e del Carbonio

A differenza degli austenitici (dove il Cr è ferritizzante e il Ni austenitizzante in equilibrio), nei martensitici il gioco si fa con Cromo e Carbonio:

  • Cromo (11,5–18%) — sufficiente a garantire il film passivo anticorrosivo, ma non così alto da spingere la struttura verso la ferrite pura

  • Carbonio (0,1–1,2%) — è l'elemento che determina la durezza massima raggiungibile in tempra. Più carbonio = più durezza, ma anche più fragilità e più rischio di cricche a freddo in saldatura

Questo equilibrio si legge ancora una volta nel diagramma di Schaeffler: i martensitici occupano la zona centrale del diagramma, dove Creq e Nieq bassi portano la microstruttura verso martensite pura o martensite+ferrite delta.

2.2 Composizione chimica per grado

Grado (AISI/UNS)ENC%Cr%Ni%Mo%AltroImpiego tipico4101.40060,08-0,1511,5-13,5≤0,75——Uso generale, componentistica4201.4021/1.40280,15-0,4012-14≤0,75——Coltellerie, valvole, alta durezza4311.40570,12-0,2015-171,25-2,5——Alberi, bulloneria, migliore tenacità440A/B/C1.4109/1.4112/1.41250,60-1,2016-18≤0,750,4-0,75—Altissima durezza, cuscinettiCA6NM (fusione)1.4317≤0,0611,5-143,5-4,50,4-1,0—Giranti turbine, bassa % carbonio17-4PH1.4542≤0,0715-17,53-5—Cu 3-5%, NbIndurimento per precipitazione

Nota pratica: il CA6NM (usato molto nelle giranti di turbine idrauliche e pompe) è un martensitico "soft" a basso carbonio, molto più saldabile dei gradi da coltelleria come il 420 o 440 — è importante non confonderli: sono nella stessa famiglia ma si comportano in modo molto diverso in saldatura.

3. Trattamenti Termici — Il Cuore del Discorso

A differenza dell'austenitico (dove il trattamento termico serve raramente), nei martensitici il trattamento termico è quasi sempre obbligatorio, sia prima che dopo la saldatura.

3.1 Preriscaldo (Preheat)

Obbligatorio nella quasi totalità dei casi. Serve a:

  • Rallentare la velocità di raffreddamento, riducendo il rischio di martensite fragile non rinvenuta

  • Ridurre il gradiente termico e quindi le tensioni residue

  • Favorire la fuoriuscita dell'idrogeno diffusibile dal bagno di saldatura (causa primaria delle cricche a freddo, vedi punto 4.1)

GradoTemperatura di preriscaldo indicativa410, CA6NM (basso C)150-200°C420, 431200-300°C440 (alto C)250-350°C

3.2 Temperatura di interpass

Va mantenuta uguale o superiore al preriscaldo per tutta la durata della saldatura multipass — mai lasciare raffreddare il pezzo sotto la temperatura di preriscaldo tra una passata e l'altra, pena la formazione di martensite non controllata nelle passate già fatte.

3.3 Trattamento termico post-saldatura (PWHT)

Qui sta la differenza più importante rispetto agli austenitici: il pezzo va quasi sempre trattato termicamente subito dopo la saldatura, spesso a caldo, senza far raffreddare completamente il pezzo a temperatura ambiente (per evitare che tutta la martensite fresca, ancora fragile e piena di idrogeno, resti esposta a temperatura ambiente troppo a lungo).

Due trattamenti principali:

a) Rinvenimento immediato (Post Weld Heat Treatment / Tempering)

  • Riscaldamento a 600-750°C (sotto la temperatura critica Ac1, tipicamente 750-800°C per non ri-austenitizzare)

  • Trasforma la martensite fragile "as-welded" in martensite rinvenuta, tenace e stabile

  • Va fatto entro poche ore dalla saldatura, idealmente senza far scendere il pezzo sotto i 100°C tra fine saldatura e inizio trattamento (mantenimento della temperatura di preriscaldo fino al forno)

b) Trattamento post-riscaldo per idrogeno (Post Heating / Hydrogen Bake-out)

  • Mantenimento a 200-300°C per alcune ore subito dopo la saldatura, prima ancora del rinvenimento vero e proprio

  • Serve specificamente a far diffondere e uscire l'idrogeno dal giunto, riducendo drasticamente il rischio di cricche a freddo ritardate (che possono comparire anche 24-48h dopo la saldatura)

4. Problematiche in Saldatura — Cosa Può Andare Storto

4.1 Cricche a freddo da idrogeno (la vera minaccia dei martensitici)

Questo è il problema numero uno nella saldatura dei martensitici, molto più critico che negli austenitici. Si verifica quando tre fattori coincidono contemporaneamente:

  1. Struttura sensibile — la martensite fresca è dura e fragile

  2. Idrogeno diffusibile — introdotto da umidità nel rivestimento elettrodo, gas, materiale sporco/unto, umidità ambientale

  3. Tensioni residue — dal ritiro del cordone e dal vincolo del pezzo

La combinazione porta a cricche che compaiono ore dopo la saldatura, spesso quando il pezzo sembra già "pronto" — per questo si chiamano anche "cricche ritardate".

Contromisure pratiche:

  • Elettrodi/fili basso idrogeno, essiccati correttamente (elettrodi basici: 300-350°C per 1-2h prima dell'uso, poi in forno di mantenimento a 100-150°C)

  • Preriscaldo e interpass rispettati sempre, senza scorciatoie

  • Post-riscaldo per idrogeno prima del rinvenimento

  • Pulizia accurata del giunto (no olio, ruggine, umidità)

4.2 Fragilità della zona termicamente alterata (ZTA)

Nella ZTA il materiale subisce il ciclo completo di austenitizzazione e ritempra rapida — è la zona più dura e più fragile di tutto il giunto. Un apporto termico troppo basso genera una ZTA molto stretta ma durissima (rischio cricche); un apporto termico troppo alto genera grano austenitico grossolano, che dopo tempra dà martensite a grana grossa, ancora più fragile. La finestra di apporto termico corretto va sempre verificata con la WPS qualificata, non lasciata al giudizio del momento.

4.3 Scelta del materiale d'apporto — matching vs. austenitico

Una decisione che il saldatore deve conoscere: per giunti martensitici si può usare:

  • Materiale d'apporto matching (stessa composizione del base, es. tipo 410/420) — richiede sempre preriscaldo/PWHT rigorosi, ma dà un giunto con caratteristiche meccaniche uniformi

  • Materiale d'apporto austenitico (tipo 309/308) — più tollerante all'idrogeno perché l'austenite lo trattiene meglio senza fessurarsi, usato spesso per riparazioni o quando il PWHT completo non è praticabile, ma non dà lo stesso matching di durezza/resistenza del base metallo

5. Procedure di Saldatura

5.1 TIG/GTAW (141)

Preferito per radici e spessori sottili, massimo controllo dell'apporto termico.

  • Polarità: DC- (DCEN)

  • Materiale d'apporto: matching (es. ER410, ER420) o austenitico ER309L per riparazioni

  • Gas: Argon puro 100%

5.2 SMAW/Elettrodo (111)

Molto usato in manutenzione e riparazione componenti.

  • Elettrodo basico (tipo E410-16/17, E420-16), essiccazione obbligatoria

  • Polarità: DC+ generalmente

5.3 MIG/MAG (131/135)

Per produzione su spessori maggiori, meno diffuso rispetto a TIG/SMAW per componenti critici.

  • Filo matching o austenitico secondo WPS

  • Gas: Ar + piccola % CO₂ (miscela simile a quella usata per austenitici)

6. Gas di Protezione

GasProcessoNoteArgon puroTIGStandardAr + 2-5% H₂—Da evitare sui martensitici (a differenza degli austenitici) — l'idrogeno nel gas aumenta il rischio di cricche a freddoAr + 2-2,5% CO₂MIG/MAGUso standard

7. Controlli Raccomandati

ControlloPerché è particolarmente importante quiLiquidi penetranti (PT)Va fatto non subito dopo la saldatura, ma dopo il post-riscaldo/rinvenimento — le cricche da idrogeno spesso non sono ancora visibili a caldoDurezza (misurazione Vickers/Brinell in ZTA)Verifica che il rinvenimento abbia effettivamente abbassato la durezza sotto i limiti di normativa (spesso <350 HV per servizi H₂S/sour service)Radiografia (RT)Su giunti critici, dopo PWHT completo

8. Riferimenti Normativi

  • EN ISO 15614-1 — Qualifica procedure di saldatura

  • NACE MR0175 / ISO 15156 — Requisiti durezza per servizio in ambiente H₂S (sour service), molto rilevante per i martensitici in oil&gas

  • EN ISO 5817 — Livelli di accettazione difetti

Riassunto Pratico da Cantiere

  1. Preriscalda sempre (150-350°C secondo grado) — non è opzionale come per l'inox austenitico

  2. Mantieni la temperatura di interpass, non far raffreddare il pezzo tra le passate

  3. Usa materiale d'apporto essiccato e a basso idrogeno

  4. Dopo la saldatura, non lasciare raffreddare il pezzo a temperatura ambiente prima del trattamento termico — passa subito al post-riscaldo/rinvenimento

  5. Controlla con liquidi penetranti dopo il trattamento termico, non subito dopo la saldatura

  6. Se non sai se è un grado "facile" (CA6NM) o "difficile" (440), verifica sempre la scheda tecnica del materiale prima di saldare