PWHT Acciaio inossidabile

Gli acciai inossidabili sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature industriali grazie alla loro resistenza alla corrosione e alla saldabilità, ma possono essere utilizzati in ambienti operativi ad alta temperatura solo se viene effettuato un trattamento termico post-saldatura (PWHT) per prevenire l'infragilimento della fase sigma e la conseguente cricca.

Le PWHT sono spesso condotte in un'atmosfera come l'argon o l'azoto per ridurre al minimo la formazione di fasi nocive che causano la riduzione della resistenza alla corrosione e il degrado delle proprietà meccaniche nel tempo.

Resistenza alla corrosione

Il cromo è l'elemento principale dell'acciaio inossidabile e crea uno strato di ossido protettivo contro l'ulteriore ossidazione e corrosione. L'aggiunta di altri elementi di lega, come il nichel (Ni) o il molibdeno (Mo), può migliorare ulteriormente la resistenza alla corrosione, a seconda delle condizioni ambientali e delle esigenze applicative.

L'acciaio inossidabile non fonde ad alte temperature come molti altri metalli; tuttavia, i processi di saldatura possono produrre calore intenso e cicli di raffreddamento rapidi che causano cambiamenti microstrutturali al suo interno. Ad esempio, l'ingrossamento del metallo saldato (ZTA) e la precipitazione di carburo di cromo. Tali modifiche possono compromettere la sua forza, la duttilità e la resistenza alla corrosione.

La saldatura può contribuire alla corrosione galvanica, che si verifica quando due metalli entrano in contatto. Ad esempio, le saldature in acciaio inox possono corrodersi a causa dell'attacco galvanico provocato dal rame (Cu) presente nel metallo saldato che reagisce con l'ossigeno del gas di saldatura.

Gli acciai duplex come il 17-4 e il PH13-8Mo offrono una maggiore resistenza alla corrosione rispetto ai gradi austenitici come il 304 e il 316; tuttavia, possono essere suscettibili alla sensibilizzazione e alla corrosione intergranulare. Per ovviare a questo problema, le saldature degli acciai duplex dovrebbero essere collocate in un ambiente privo di corrosione; in alternativa, il trattamento termico post-saldatura (PWHT) può ridurre la sensibilità alla sensibilizzazione e promuovere una buona resistenza alla trazione e durezza dopo la saldatura.

Proprietà meccaniche

Gli acciai inossidabili sono generalmente materiali forti e resistenti; tuttavia, sono suscettibili di cambiamenti durante i processi di saldatura. Se esposti a temperature estreme durante i processi di saldatura, il metallo saldato e la ZTA possono diventare fragili a causa dei rapidi processi di ciclaggio termico che provocano cambiamenti microstrutturali all'interno del tessuto e dei materiali di saldatura/ZTA.

Le PWHT dovrebbero sempre essere applicate dopo la saldatura per aiutare a proteggere e preservare l'integrità dei componenti saldati insieme, anche se la loro necessità dipende in larga misura dal tipo di saldatura e dalle condizioni di servizio previste.

I gradi austenitici di cromo-nichel progettati per l'uso in ambienti soggetti a corrosione severa possono richiedere il PWHT per ridurre al minimo la sensibilizzazione in caso di esposizione a temperature elevate, mentre i gradi destinati ad applicazioni meno aggressive o precedentemente trattati termicamente possono non richiedere questo processo aggiuntivo.

Studi recenti hanno esplorato gli effetti del PWHT sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche delle saldature di acciaio inossidabile austenitico 316L saldate ad arco plasma durante il trattamento termico a filo plasma (PWHT). Hanno scoperto che, con l'aumento delle temperature PWHT, aumenta anche il contenuto di ferrite; tuttavia, la resistenza alla trazione, la tenacità alla frattura, l'allungamento uniforme e totale diminuiscono con l'aumentare del tempo di PWHT.

Processo di saldatura

La saldatura può avere un effetto drammatico sulle proprietà meccaniche e sulla resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile, ma scegliendo parametri di saldatura adeguati e applicando trattamenti termici post-saldatura, ingegneri e saldatori possono minimizzare questi effetti collaterali e massimizzare il suo potenziale.

Gli acciai inossidabili saldati possono essere sottoposti a trattamento termico post-saldatura (PWHT) per alleviare le tensioni residue e migliorare la saldabilità, in particolare per le sezioni di materiale più grandi o più spesse. Purtroppo, il PWHT può anche causare la distorsione della sezione saldata; per limitare questa possibilità, la sezione saldata deve essere lasciata abbastanza libera da evitare che la sua espansione e contrazione provochi distorsioni nelle connessioni chiave.

La PWHT non solo riduce le sollecitazioni, ma può anche ridurre la suscettibilità all'infragilimento della fase sigma e ai danni da creep a temperature elevate, minimizzando il gradiente di temperatura tra le temperature di distensione e di ricottura in soluzione.

In presenza di diversi apporti di calore di saldatura, è stata utilizzata la microscopia ottica per valutare gli effetti della saldatura sulla microstruttura di una sovrapposizione di saldatura. Il contenuto di ferrite è aumentato con l'aumento del calore di saldatura; ciò indica che la ferrite delta è stata trasformata preferenzialmente in ferrite sigma durante la fusione, con conseguente perdita di peso misurata attraverso test di resistenza alla corrosione per vaiolatura in un ambiente corrosivo artificiale.

Requisiti

Il trattamento termico post-saldatura degli acciai inossidabili dovrebbe mantenere le loro proprietà meccaniche. Ciò è particolarmente vero per i gradi austenitici, dove uno strato superficiale austenitizzato, formato dalla formazione di uno strato passivo contenente ossido di cromo, rimane stabile dopo la saldatura per minimizzare i problemi di corrosione; il trattamento PWHT, tuttavia, potrebbe smantellare questa barriera e quindi diminuire la resistenza alla corrosione di questi materiali.

Pertanto, è fondamentale sapere quando l'acciaio inossidabile richiede o meno un trattamento termico post-saldatura dopo la saldatura. La necessità del PWHT dipende in larga misura dal grado, dalle condizioni di servizio previste e dalla procedura di saldatura.

Molte applicazioni industriali che utilizzano l'acciaio inossidabile non richiedono la PWHT, come le saldature negli impianti pressurizzati. Ciò può essere dovuto a tecniche di saldatura avanzate, a saldature più piccole e a un ambiente privo di problemi di corrosione intergranulare.

Ci sono alcune saldature che richiedono la PWHT, come quelle situate in ambienti ostili o in condizioni di forte stress. La criccatura da liquefazione del bordo del grano può portare a una significativa perdita di duttilità e a una maggiore suscettibilità alla criccatura da tensocorrosione da cloruro; la PWHT agisce riscaldando il giunto a temperature che favoriscono la formazione di carburo fine di niobio o molibdeno, sopprimendo contemporaneamente la crescita della parte ferritica di una lega chiamata "fase sigma", altrimenti nota come stabilizzazione termomeccanica.