Acciaio inossidabile: perché?

Se hai mai visto una macchina per trattamenti sottovuoto, avrai notato che la camera in cui viene effettuata la lavorazione e gran parte del resto dell’impianto sono realizzati in acciaio inossidabile. Lo stesso vale per gli strumenti scientifici che operano in condizioni di vuoto: il volume in cui vengono effettuate le operazioni è quasi sempre racchiuso da una camera a vuoto in acciaio inossidabile.

Ma perché, in queste particolari applicazioni scientifiche e tecnologiche, si usa questo materiale? Quali sono i vantaggi che offre (e quali i possibili svantaggi)?

Possiamo iniziare chiarendo innanzitutto quando un acciaio può essere considerato inossidabile. Come è noto, l’acciaio è una lega di ferro, contenente percentuali più o meno significative di carbonio, ed eventualmente altri elementi di lega in grado di modificarne le proprietà, rendendole adatte a ogni applicazione in cui il materiale può essere utilizzato.

L’acciaio al carbonio, se esposto a un ambiente contenente tracce di umidità, come è noto, si ossida, formando quella che comunemente viene chiamata ruggine. Si tratta fondamentalmente di un processo elettrochimico spontaneo che tende a portare il ferro contenuto nella lega nel suo stato termodinamicamente più stabile: l’ossido. La ruggine, infatti, presenta spesso la tipica colorazione bruno-rossastra dell’ossido ferrico (noto anche come ematite). Naturalmente, l’ossidazione dell’acciaio al carbonio – che è un problema per quanto riguarda la durata dei prodotti con esso realizzati – può essere contrastata in vari modi: zincatura, verniciatura, uso di anodi sacrificali, ecc.

Tra le varie possibilità, ce n’è una molto interessante per diverse applicazioni industriali e che risale a un’invenzione dei britannici Woods e Clark, che nel 1872 brevettarono una lega di ferro contenente il 35% in peso di cromo e resistente agli acidi. L’industrializzazione di questa invenzione, tuttavia, avvenne solo qualche decennio più tardi, quando Harry Brearley di Sheffield, nel 1913, durante un esperimento riguardante gli acciai per armi da fuoco, scoprì che il suo provino di acciaio con il 13-14% di cromo e con un contenuto di carbonio relativamente alto (0,25%) non arrugginiva se esposto all’atmosfera.

Gli studi metallurgici effettuati per determinare l’origine di questa rilevante proprietà hanno portato a una conclusione: la resistenza all’ossidazione di queste leghe deriva dalla formazione spontanea, sulla loro superficie, di un sottile film di ossido di cromo, chiamato strato passivante. Lo spessore di questo film è piccolissimo, essendo normalmente inferiore a 5 nm (per dare un’idea, equivalente a un centinaio di atomi), e la sua struttura è molto compatta e particolarmente priva di difetti. Inoltre, nel caso in cui questo film venga danneggiato meccanicamente, ha la fantastica proprietà di rigenerarsi spontaneamente e rapidamente.

Si tratta quindi di una sorta di vernice perfetta, con un’altissima adesione al materiale sottostante e capacità autorigenerante. Inoltre, è altamente protettiva nei confronti dei fenomeni di corrosione. Questa vernice si forma grazie all’ossidazione del cromo presente nella lega, che funge quindi da materiale sacrificale per rendere il prodotto non più attaccabile dalla corrosione.

Determinazione della quantità minima di cromo libero

Un altro risultato importante degli studi effettuati è stata la determinazione della quantità minima di cromo libero (cioè non legato al carbonio come carburo di cromo) necessaria affinché la passivazione sia completa ed efficiente: questa soglia critica si aggira intorno al 10,5%. Possiamo quindi dire che tutti gli acciai con un contenuto di cromo libero in lega superiore al 10,5% possono essere definiti acciai inossidabili. Normalmente, per vari motivi, si preferisce utilizzare percentuali di cromo leggermente superiori al valore indicato, normalmente tra il 12% e il 17%.

Un’ulteriore scoperta, frutto delle ricerche effettuate, riguarda il fatto che gli acciai inossidabili non sono solo resistenti alla corrosione a umido, ma anche, in certa misura e fino a determinati valori di temperatura, anche alla corrosione a caldo.

A questo punto, ci si potrebbe chiedere perché – date le eccezionali proprietà sopra elencate – gli acciai inossidabili non abbiano completamente sostituito i normali acciai al carbonio in tutte le applicazioni industriali. Il motivo è che gli acciai inossidabili presentano anche aspetti negativi, dal punto di vista ingegneristico. Tra questi: un basso carico di snervamento, una bassa conducibilità termica, maggiori difficoltà nelle lavorazioni meccaniche e una significativa tendenza, per quanto riguarda gli elementi di fissaggio, al grippaggio. Inoltre, va preso in considerazione il fattore economico: il cromo e gli altri elementi di lega che compongono la composizione degli acciai inossidabili sono elementi costosi, al punto da rendere questa classe di materiali insostenibile dal punto di vista economico in molte applicazioni industriali.

Di per sé, la varietà di acciai inossidabili disponibili è molto ampia: una prima classificazione può essere fatta dividendoli in austenitici (come i noti AISI304 e AISI316), ferritici o martensitici (ad esempio AISI430) e acciai inossidabili duplex. In ogni classe, le leghe disponibili sono molte e la scelta deve essere fatta in base ai parametri di progetto (es. carico di snervamento, possibilità di effettuare trattamenti termici, necessità che il materiale sia ferromagnetico, resistenza all’abrasione, conducibilità termica, ecc.).

Nel caso delle apparecchiature per il vuoto, la classe di acciai inossidabili più utilizzata è senza dubbio quella degli acciai austenitici, cioè quelli che comprendono, tra gli elementi di lega, oltre al cromo, una certa percentuale di nichel, come elemento austenitizzante e in alcuni casi molibdeno. Questa classe di acciai non è sensibile ai trattamenti termici ed è essenzialmente amagnetica. Ad esempio, il già citato AISI304 contiene circa il 18% di cromo e il 10% di nichel. Invece, l’AISI316 contiene il 16% di cromo, l’11-13% di nichel e il 2-3% di molibdeno. Esistono anche varianti a basso contenuto di carbonio di questi acciai (AISI304L, AISI316L), che consentono di effettuare saldature evitando l’impoverimento di cromo libero causato dalla formazione di carburi di cromo a temperatura critica (fenomeno chiamato precipitazione dei carburi).

Conclusioni

La domanda è quindi: perché gli acciai inossidabili sono preferiti ai normali acciai al carbonio in questo tipo di apparecchiature? I motivi sono molteplici:

• Quando si lavora in alto vuoto, non è consigliabile utilizzare vernici o zincature, a causa dei possibili fenomeni di degasaggio legati alla presenza di questi trattamenti, che, da un lato, aumenterebbero i tempi di pompaggio e, dall’altro, potrebbero portare alla contaminazione dell’atmosfera di processo.
• Se la lega utilizzata si ossidasse, l’ossido di ferro formato, essendo altamente idrofilo, aumenterebbe la quantità di vapore acqueo che il sistema di pompaggio dovrebbe gestire durante le operazioni di baking (riscaldamento) della camera a vuoto, effettuate per migliorare il livello di vuoto base. Ciò porterebbe inevitabilmente a un aumento dei tempi di pompaggio.
• Se necessario, una struttura non verniciata può essere facilmente modificata e adattata, ad esempio mediante operazioni di saldatura.
• Potendo resistere anche all’ossidazione a caldo, una camera in acciaio inossidabile può essere sottoposta a trattamenti di riscaldamento interno, al fine di migliorare la pulizia superficiale, anche a temperature relativamente elevate, senza la formazione di ossido (scaglia).
• L’acciaio inossidabile austenitico è facilmente saldabile in quanto non forma strutture fragili (martensite) anche quando la velocità di raffreddamento è molto elevata. È comunque importante verificare, in questo caso, che il materiale utilizzato sia del tipo a basso contenuto di carbonio, per evitare il fenomeno della sensibilizzazione. Inoltre, può essere facilmente tagliato con i moderni sistemi di taglio laser, sia a CO₂ che in fibra, in modo simile al normale acciaio al carbonio.

In definitiva, la pratica industriale ha insegnato che, nelle applicazioni del vuoto, il maggior costo dell’acciaio inossidabile rispetto all’acciaio al carbonio è ampiamente compensato dai vantaggi che il suo utilizzo offre. Per questo motivo, è il materiale più utilizzato in questo tipo di apparecchiature.