Lacciaio inossidabile (o inox) è una lega ferro-carbonio, caratterizzata dalla presenza di elementi di lega quali cromo (Cr) e nichel (Ni). Tali elementi donano una maggiore resistenza alle ossidazioni e alle corrosioni, rispetto al comune acciaio non legato (anche detto acciaio al carbonio), grazie alla formazione di un sottile strato (dell'ordine dei nanometri) di ossido superficiale detto anche "Film passivante", il quale protegge la lega dall'attacco di agenti atmosferici ed esterni. La capacità di resistere alla corrosione di questa particolare lega, infatti, è dovuta principalmente alla presenza del cromo, il quale in ambiente ossidante tende a trasformarsi in Ossido di cromo (III) (Cr2O3) e produrre, sulla superficie del manufatto in inox, uno strato nanometrico (dell'ordine dei ) di tale composto, il quale previene il contatto tra il ferro contenuto nella lega e l'ossigeno atmosferico e altri agenti ossidanti e corrosivi che potrebbero compromettere l'integrità del manufatto. Il processo è chiamato passivazione ed è sia naturale che indotto artificialmente.
Generalmente, l'acciaio inox contiene valori di cromo tra il 12 e 18 %, ma vengono utilizzati anche altri elementi per aumentare la resistenza all'ossidazione e alla corrosione.
Per poter avere la formazione dello strato di ossido "passivante" efficace, e per cui un acciaio può essere ritenuto inossidabile, il contenuto minimo di Cromo "libero" (ossia, non combinato al carbonio) è del 10,5%. Il cromo nella lega, infatti, combinandosi con il carbonio, può formare carburi di cromo che, precipitando ai bordi dei grani della struttura cristallina, ne limitano la disponibilità a formare ossidi e, quindi, a passivarsi.
Altri termini comunemente usati e sinonimi, sono: acciaio inox (dal francese acier inoxydable), stainless steel (in inglese acciaio senza macchia) e rostfrei Stahl (in tedesco acciaio senza ruggine).
Storia
L'invenzione dell'acciaio inossidabile si deve agli inglesi Woods e Clark, i quali nel 1872 brevettarono una lega di ferro contenente il 35% in peso di cromo e resistente agli acidi. L'industrializzazione tuttavia avvenne soltanto anni dopo quando nel 1913 Harry Brearley di Sheffield, sperimentando acciai per canne di armi da fuoco, scoprì che un suo provino di acciaio con il 13-14% di cromo e con un tenore di carbonio relativamente alto (0,25%) non si arrugginiva quando era esposto all'atmosfera. La prima menzione di questo progresso tecnologico risale al 1915 e si trova in un articolo del New York Times riguardo l'uso per posateria di questa classe di acciai, elogiandone la resistenza alla corrosione perfino a contatto con gli acidi organici contenuti nei cibi. Successivamente questa proprietà venne spiegata con la passivazione del cromo, che forma sulla superficie una pellicola di ossido estremamente sottile, continua e stabile.
I successivi progressi della metallurgia fra gli anni quaranta e sessanta del XX secolo hanno ampliato il loro sviluppo e le loro applicazioni.
Tuttora vengono perfezionati e adattati alle richieste dei vari settori industriali, come il petrolifero/petrolchimico, minerario, aeronautico-difesa, energetico, nucleare, farmaceutico e alimentare.
Descrizione
Passivazione
Molto appropriata è la dizione anglosassone stainless (letteralmente "senza macchia") derivata dalla capacità di questi materiali di ossidarsi (o, come si suol dire, passivarsi) ma non arrugginirsi negli ambienti atmosferici e naturali.
Il fenomeno della passivazione avviene per reazione del metallo con l'ambiente ossidante (aria, acqua, soluzioni varie, ecc).
La natura dello strato passivante, formato essenzialmente da ossidi/idrossidi di cromo, è autocicatrizzante e garantisce la protezione del metallo, anche se localmente si verificano abrasioni o asportazioni della pellicola, qualora la composizione chimica dell'acciaio e la severità del danno siano opportunamente inter-relazionate.
In particolare, il film passivo può essere più o meno resistente in funzione della concentrazione di cromo nella lega e in relazione all'eventuale presenza di altri elementi leganti quali il nichel, il molibdeno, il titanio.
Classificazione degli acciai inossidabili attraverso l'indice P.R.E.N. Gli acciai inossidabili possono essere classificati attraverso la loro resistenza alla corrosione localizzata e, in particolare, alla vaiolatura. Questa classificazione si basa sulla composizione chimica e sul calcolo dell'indice Pitting Resistance Equivalent Number (P.R.E.N.); più questo indice è elevato, maggiore risulterà la resistenza alla vaiolatura. Questa classificazione è utilizzata in quanto di facile e agile determinazione, tuttavia va ricordato che non fornisce una descrizione completa ed esauriente delle proprietà di resistenza a corrosione degli acciai inossidabili. Gli acciai inossidabili possono quindi essere suddivisi in quattro categorie: Acciai Inossidabili Lean: non contengono Molibdeno e il valore tipico del loro indice P.R.E.N. si attesta intorno a 25 (per esempio il 18-10) Acciai Inossidabili Standard: sono caratterizzati da un indice P.R.E.N. tra 25 e 40 (per esempio l'AISI 316) Acciai Inossidabili Super: possiedono un indice P.R.E.N. ≥ 40 Acciai Inossidabili Iper: contengono elevate percentuali di Cromo > 30% in peso e il valore dell'indice P.R.E.N. può raggiungere 50
Nomenclatura AISI In commercio esistono vari tipi di acciaio inox, conosciuti principalmente sotto la notazione AISI (American Iron and Steel Institute), l'istituto di unificazione statunitense per ferro e acciaio. La notazione AISI ha però assunto erroneamente il sinonimo di "acciaio inox", ma tale istituto codifica anche tipi differenti di acciaio, non solo inox.
La notazione AISI individua l'acciaio inox attraverso una sigla a tre cifre con possibile aggiunta di una lettera. La prima di queste cifre indica la classe dell'acciaio secondo questo schema: serie 2XX - acciaio austenitico al cromo-nichel-manganese serie 3XX - acciaio austenitico al cromo-nichel e cromo-nichel-molibdeno serie 4XX - acciai ferritici o martensitici al cromo serie 5XX - acciaio martensitico al cromo medio serie 6XX - acciaio indurente per precipitazione al cromo tra le lettere ad esempio: la lettera "L" indica la bassa percentuale di carbonio (Low Carbon) presente. Questa caratteristica fa sì che l'acciaio leghi meno gas, in quanto il carbonio tende, in qualsiasi condizione, a legarsi con l'idrogeno, precipitando idrocarburi; la presenza di idrogeno è spesso penalizzante per l'acciaio, ad alte temperature e soprattutto in condizione di ionizzazione (radiazioni ionizzanti). L'atomo di idrogeno ionizzato (H+) è molto piccolo e ad alta temperatura si sposta con maggiore facilità nel reticolo dell'acciaio, rischia di accumularsi e provocare pericolose discontinuità. Il basso tenore di carbonio consente anche una buona saldabilità anche per spessori > 6 mm. l'annotazione "N" sta a indicare la presenza di azoto (Nitrogenum) disciolto nella lega. Grazie alle sue proprietà di gas inerte (il legame azoto-azoto è triplo, gli atomi son molto vicini tra loro e si separano difficilmente), l'azoto sull'acciaio funge da "schermo", limitando le contaminazioni esterne. L'annotazione "Ti" sta a indicare la presenza di titanio, il quale assicura una completa resistenza alla corrosione nelle saldature, tra elementi di grande spessore.
Sigle commerciali I vari acciai inox differiscono in base alla percentuale in peso degli elementi costituenti la lega.
Tra gli acciai più comunemente utilizzati distinguiamo: 304 - Cr (18%) Ni (10%) C (0,05%); 304 L - (Low Carbon): Cr (18%) Ni (10%) C (< 0,03%); 316 - Cr (16%) Ni (11.3/13 %) Mo (2/3 %) 316 L - (Low Carbon): Cr (16,5/18,5%) Ni (10,5/13,5%) Mo (2/2,25%) C (< 0,02%); 316 LN - (Low Carbon Nitrogen) (presenza di azoto disciolto nel reticolo cristallino del materiale); 316 LN ESR (electro-slag remelting); 430: Cr (16/18 %) C (0,08%). 904 L - (Low Carbon): Cr (19/23%) Ni (23/28%) Mo (2/2,25%) C (< 0,03%) Cu (1-2%); ritenuto il migliore acciaio in termini di durabilità e lucentezza; praticamente inattaccabile dagli acidi grazie alla presenza di rame. La casa Rolex è tra le uniche al mondo ad utilizzare questo acciaio per realizzare i propri manufatti.
Questi materiali possono essere anche stabilizzati al titanio o al niobio come: 316 Ti 316 Nb 430 Ti.
La formazione cristallina della lega, influenza diverse caratteristiche del materiale con elevata importanza per il suo utilizzo. Quella principale, è la struttura magnetica: nella disposizione a corpo centrato l'acciaio è ferritico o martensitico e perciò sviluppa proprietà magnetiche (è attratto dalle calamite); nella disposizione a facce centrate, l'acciaio è austenitico e perciò è paramagnetico.
Come già accennato in precedenza, gli AISI 304 e 316 appartengono alla famiglia degli acciai a struttura austenitica (amagnetico), mentre l'AISI 420 è a struttura martensitica (magnetico).
La differenza tra gli acciai 304 e 316, a parte il costo maggiore e la presenza di Mo nel 316, è data dalla più elevata austenicità del secondo, grazie alla più alta percentuale di nichel.
Sebbene questi acciai conservino la struttura austenitica, in alcuni casi restano nella massa grani cristallini isolati che mantengono una struttura ferritica, derivata dalla ferrite δ.
Tipologie di acciaio inossidabile
Gli acciai inox si dividono tradizionalmente, secondo la loro microstruttura, in tre grandi famiglie: acciai inossidabili ferritici (a struttura cristallina "Cubica a Corpo Centrato (CCC)", magnetici); acciai inossidabili austenitici (a struttura cristallina "Cubica a Facce Centrate (CFC)", non magnetici); acciai inossidabili martensitici (a struttura cristallina "Cubica a Corpo Centrato (CCC)", magnetici). Oltre a queste tre categorie esistono anche altre tre famiglie, il cui impiego è in forte ascesa, per impieghi specifici: acciai inossidabili induriti per precipitazione, o PH (Precipitation Hardening); acciai inossidabili bifasici austeno-ferritici, o Duplex; acciai inossidabili austenitici al Mn-N o Nichel -free.
Acciai inossidabili ferritici Gli acciai inossidabili ferritici sono acciai inossidabili in cui il principale elemento aggiunto in lega è il cromo, variabile dall'11 al 30% circa. All'interno di questo campo, infatti, si osserva dal diagramma di stato ferro-cromo, che la lega ottenuta dalla temperatura ambiente a quella di fusione rimane sempre in fase ferritica.
Questi acciai hanno buona resistenza meccanica e moderata resistenza alla corrosione. Hanno grano cristallino a reticolo cubico a corpo centrato (sono magnetici) come gli acciai al carbonio, ma le caratteristiche meccaniche non possono essere incrementate per mezzo di trattamenti termici.
Il tenore di carbonio è minore rispetto agli acciai inossidabili martensitici. Un tipo particolarmente resistente al calore contiene il 26% di cromo. Altri elementi presenti sono il molibdeno, l'alluminio per aumentare la resistenza all'ossidazione a caldo, lo zolfo per facilitare la lavorabilità.
Il limite di snervamento è moderatamente basso e, non essendo possibile effettuare trattamenti termici di tempra per l'assenza di punti critici, è possibile migliorare le caratteristiche meccaniche esclusivamente attraverso fenomeni di ricristallizzazione o di incrudimento. Si osserva una particolare attenzione a limitare il riscaldamento al di sotto degli 850 °C per evitare l'ingrossamento del grano cristallino, e a non sostare tra i 400 e i 570 °C nel raffreddamento, per non incorrere nella fragilità al rinvenimento.