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Il comportamento alla corrosione ambientale degli acciai inossidabili

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Il comportamento alla corrosione ambientale degli acciai inossidabili A. Tomba Gli acciai inossidabili: chi sono Gli acciai inossidabili sono le- ghe a base di ferro che uniscono alle proprietà meccaniche tipiche degli acciai, caratteristiche pecu- liari di resistenza alla corrosione. La parola italiana che li contraddi- stingue è quanto mai impropria in quanto essi sono "ossidabilissimi", vale a dire hanno la possibilità, grazie al contenuto degli elementi in lega, essenzialmente alla per- centuale di cromo, di "passivarsi", cioè di ricoprirsi di uno strato di ossidi invisibile, di spessore pari a pochi strati atomici, che protegge il metallo sottostante dagli attacchi corrosivi. Molto propria è invece la dizione anglosassone "stainless", derivata dalla capacità di questi materiali di non "arrugginirsi" ne- gli ambienti atmosferici e naturali. Il fenomeno della passivazione avviene per reazione con l'ambien- te ossidante, come ad esempio l'aria, l'acqua, soluzioni varie, etc... La natura di questo strato è autoci- catrizzante e garantisce la prote- zione del metallo, anche se local- mente si verificano abrasioni od asportazioni della pellicola, qua- lora composizione chimica del- l'acciaio e severità del danno siano opportunamente inter-relazionate. In particolare, questo film passivo può essere più o meno resistente in funzione della concentrazione di cromo nella lega e in relazione all'eventuale presenza di altri ele- menti quali il nichel, il molibdeno, il titanio, ecc. Il valore minimo di Cr affinchè si possa parlare di acciaio inossida- bile, cioè in grado di passivarsi, è l'I 1/1 2%. E' chiaro, quindi, che esistono diversi gradi di inossida- bilità e di resistenza alla corrosio- ne nell'ambito della numerosa gamma di prodotti inossidabili di- sponibili. Essi coprono, in altre parole, una ampia scala di nobiltà cinetica, a seconda del contenuto IL COMPORTAMENTO ALLA CORROSIONE AMBIENTALE DEGLI ACCIAI INOSSIDABILI The centrai role of thè resistance of passive film of stainless steels which depends upon their actual surface composition and microstructure, is emphasized. The wider and wider social acceptability and polyfunctionality of stainelss steels are among thè reasons or their growinasuccess in thè building industry and architecture.lhe mechanisms of corrosion, intended mainly as factors leading to aesthetic deterioration in building architectural application, are reviewed as a function of thè type of steel, surphace finish and thè characteristics of thè exposure site. A number of generai advices are outiined aiming at selecting thè proper steel grade for each set of environmental conditions. in lega degli elementi che li carat- terizzano. Parimenti, in relazione a definiti rapporti tra gli elementi chimici che ne costituiscono la composizione, l'acciaio inox pre- senta diverse microstrutture in gra- do di offrire uno spettro fortemente diversificato di proprietà meccani- che a temperatura ambiente, crio- geniche o elevate. Pertanto per ogni livello di severità ambientale e di richiesta meccanico-resistenziale compreso all'interno della vastissi- ma gamma di problematiche tec- nologiche di impiego, si può trova- re la soluzione tecnico-economica ottimale configurabile nella scelta del tipo di acciaio inox adatto (fig. 1 ). Gli acciai inox si dividono tradi- zionalmente, secondo la loro mi- crostruttura, in tre grandi famiglie: - i martensitici - i ferritici - gli austenitici. Gli inossidabili martensitici sono leghe al cromo (dall'I 1 al 1 8% cir- ca) con carbonio relativamente elevato, contenenti piccole quanti- tà di altri elementi come, ad esem- pio, il nichel. Sono gli unici inox che possono prendere tempra e pertanto aumentare le loro caratte- ristiche meccaniche (carico di rot- tura, carico di snervamento, durez- za) mediante trattamento termico. La loro resistenza alla corrosione è in genere modesta, comparativa- L'albero genealogica degli acciai inox Fig. 1 - L'albero genealogico degli acciai inox. L'EDILIZIA 6 9 7mente alle altre famiglie, come pure difficoltose sono formalità e salda- bilità. Anche i ferritici sono acciai inossidabili al solo cromo a struttu- ra cubica a corpo centrato come l'acciaio al C (il contenuto di Cr è variabile da 11 al 30%), ma non possono inalzare le loro caratteri- stiche meccaniche per mezzo di trattamenti termici. Si lavorano fa- cilmente per deformazione plasti- ca, sia a caldo che a freddo e presentano resistenza alla corro- sione da buona a eccellente, di- pendente dal livello di Cr, nonché da alligazioni con Mo. Bassi livelli di C e N e l'impiego di elementi stabilizzanti quali Ti e Nb, favori- scono saldabilità, formabilità e te- nacità. Gli austenitici sono invece leghe al cromo-nichel, tipicamente con cromo tra 1 7 e 26% e nichel tra il 7 e il 25%, a struttura cubica a facce centrate. Gli austenitici possono incrementare le loro proprietà ten- sili per incrudimento da deforma- zione a freddo (laminazione, im- butitura, ecc). Esistono diverse versioni a basso contenuto di car- bonio, stabilizzate con titanio o niobio, per i più svariati tipi di impiego. Ottima è la loro lavora- bilità soprattutto la deformabilità a freddo (specie l'imbutibilità) e la saldabilità, nonché la tenacità an- che a temperature criogeniche. Eccellente è la loro resistenza alla corrosione, peraltro in funzione di Cr e Mo, seppure trovino il loro tallone d'Achille nell'essere soggetti a criccature sotto tensione in am- bienti clorurati a temperature ele- i vate. Oltre a queste tre categorie prin- cipali, esistono anche altre due fa- miglie meno note, il cui impiego è in forte ascesa, per impieghi più specifici. La prima è quella degli acciai "austeno-ferritici", detti an- che "duplex", che presentano una struttura mista di austenite e di fer- 698 11/91 L'EDILIZIA rite. Questi materiali sono impie- gati quando vengono richieste, ad esempio, caratteristiche di elevata resistenza nei confronti della cor- rosione sotto tensione; essi hanno saldabilità e caratteristiche mec- caniche di solito superiori a quelle dei ferritici correnti. Da citare sono anche gli acciai inossidabili "indurenti per preci- pitazione"; questi presentano la possibilità di innalzare notevol- mente le proprie caratteristiche meccaniche per trattamenti termici particolari di invecchiamento, che consentono di far precipitare fasi intermetalliche dure nella matrice al fine di aumentare le proprietà meccaniche della lega. Inoltre, gli acciai indurenti per precipitazione possiedono resistenza alla corro- sione paragonabile a quella degli acciai austenitici classici, a parità di cromo e molibdeno. Attualmente si è giunti ad una differenziazione notevole nella ti- pologia degli acciai inossidabili e se ne contano ben più di cento tipi solo tra quelli standarizzati, ai quai sono da aggiungere i "fine steels", prodotti dalle diverse acciaierie, rivolti a risolvere definiti problemi di impiego in nicchie particolari di mercato. Accettabilità e polifunzionalità La versatilità, multifunzionalità e larga disponibilità, nonché il prez- zo fortemente competitivo degli acciai inox in relazione alla capa- cità di risolvere problemi pratici dell'utilizzatore, fanno sì che le previsioni macroeconomiche più conservative indichino per il settore un aumento medio del consumo superiore al 3/4% annuo fino al 2000, a fronte di un aumento della produzione industriale stimata non distante dal 2% (fig. 2). Questo quadro peraltro non tiene neanche conto del grande potenziale svilup- po atteso nel comparto dei nuovi acciai inox strutturali di basso co- sto da collocare nella fascia tecni- co/economica "vuota" tra l'accia- io al C rivestito e gli inossidabili tradizionali. La citata prevista espansione risiede nella afferma- zione progressiva delle peculiari caratteristiche dell'acciaio inossi- dabile, riassumibili in: - resistenza al deterioramento - estetica - competitivita economica con solu- zioni consolidate che comportano interventi manutentivi più o meno frequenti - capacità di adattarsi alla evolu- zione sempre più sofisticata della domanda - elevatissima accettabilità sociale, connessa all'immagine "verde- ecologica" implicita nel concetto inossidabile - alta riciclabilità. Tra i settori ove maggiore è lo sviluppo dell'impiego dell'inossi- dabile è da annoverare, da qual- che anno, quello dell'edilizia e del- l'architettura. Le potenzialità di crescita in questo settore sono par- ticolarmente elevate in Europa, ove la penetrazione dell'inox nell'im- piego architettonico è tuttora piut- tosto scarsa se rapportata a quanto accade in Giappone, pur tenendo conto del diverso quadro socio- economico-culrurale (fig. 3). Il successo crescente nel settore edilizio/architettonico è il frutto che si raccoglie dopo aver seminato esperienze inizialmente isolate ma di grande prestigio, risultate estre- mamente positive sotto il profilo estetico, delladurata, della sostan- ziale economicità. La lunga storia dell'impiego edi- lizio inizia addirittura negli anni '30 con i grattacieli delle grandi compagnie (es. grattacielo Chry- sler del 1 930), diffondendosi poi in Europa e in Italia (CSM-1969) in edifici dapprima di grande impo-t COLTELLERIA CISTERNE SENI CONSUMO DUREVOLI LAVELLI CICLO ALIMENTARE 1975 1980 1985 1990 Ciclo di vita dei prodotti inox ANNI Fig. 2 - Andamento del consumo mondiale di acciai inox. nenza. E' degli ultimi 10-20 anni la progressiva e inizialmente timida comparsa dell'inossidabile nella edilizia civile, abitativa e nell'arre- do urbano. Il successo attuale, pe- raltro da considerare solo una base per futuri e ben più allargati svi- luppi, ormai poggia su una serie di fatti concreti quali: -larga e pronta disponibilità di prodotti piatti, lunghi, sagomati, variamente finiti offerta dai pro- duttori; - costi sempre più competitivi con le soluzioni tradizionali; -pieno riconoscimento, anche nel settore edile dopo quello indu- striale, della validità dei criteri di scelta dei materiali sulla base del ciclo di vita e non del solo costo di investimento iniziale; -sempre più diffusa capacità di pensare-lavorare- costruire inox da parte di una miriade di impre- se medie-piccole-piccolissime. Ciò è avvenuto per la capillare azione di disseminazione dell'informa- zione tecnica sul cosa-come-per- chè fare con l'acciaio inossidabile Fig. 3 - Ciclo di vita dei prodotti inossidabili in relazione ai settori di impiego. L'edilizia è un settore in fase di forte crescita. svolta dalle organizzazioni dei produttori e dal Centro Inox. Tutto ciò ha portato l'Italia a li- velli di consumo apparente di ac- ciaio inox tra i più alti nel mondo, facendone peraltro un mercato di accesissima concorrenza, dove si misurano i più forti e qualificati produttori mondiali. Ed è proprio questo stimolo che migliora conti- nuamente l'industria nazionale del settore, portandola ad offrire, in ogni settore di impiego, quello che serve agli operatori. Le proprietà giuste per le richieste dell'edilizia e dell'architettura. Molti architetti ed ingegneri si avvalgono da tempo del singolare connubio di caratteristiche offerto dall'acciaio inossidabile, un mate- riale versatile che si presta in modo egregio ad una vasta gamma di applicazioni edili e costruttive. La diversità delle applicazioni per cui si è utilizzato l'acciaio inox in ogni parte del mondo vanno dai compo- nenti più semplici a strutture molto complesse e originali. Spesso considerato in passato un materiale riservato alle applica- zioni di maggior prestigio, oggi l'acciaio inossidabile è visto come una soluzione funzionale, efficace e competitiva sul piano dei costi di molti problemi ben specifici che si presentano nel settore dell'edilizia. Ormai è il materiale di elezione per essere utilizzato specificamente per tutte quelle aree, nascoste od espo- ste, che vanno soggette a fenomeni di corrosione. Le caratteristiche peculiari del- l'acciaio inossidabile sfruttate nel- l'edilizia sono: - elevata resistenza alla corrosione - l'acciaio inox non richiede nessun rivestimento protettivo, se non ri- chiesto per finalità estetico/deco- rative; - bassi costi di manutenzione - per mantenere la sua finltura origina- ria, il materiale richiede soltanto dei periodici lavaggi a base di acqua e sapone; - resistenza, durevolezza, affida- l i / 9 l L'EDILIZIA 699j bilità con un elevato carico di rot- tura; - facile saldabilità nonché formabi- lità mediante profilatura o stam- paggio; - disponibilità di una ampia gam- ma di finiture comprendenti il sa- tinato, l'opaco, il lucido e le diver- se improntature (grana di riso, mosaico, eco). Si possono ag- giungere, infine, molteplici colo- razioni quali, oro, bronzo, blu, rosso, verde e nero ottenute me- diante procedimenti chimico-fisici e/o rivestimenti plastici conferiti in linee di "coil coating". La forma di prodotto più larga- mente impiegata finora in edilizia è il prodotto piatto e derivati (pro- filati, stampati, tubi saldati per ar- redo, etc). Lo sviluppo prepotente è previsto nel prossimo futuro per le finiture più personalizzate, colora- te etc. attualmente presenti seppure non disponibili almeno come pro- dotto di facile e/o pronta reperibi- lità. Fin da ora si prevede un incre- mento di impiego per nuovi prodot- ti lunghi, ad esempio le barre di inossidabile, nelle opere civili stra- dali in cemento armato. L'esperien- za autostradale dimostra infatti che la corrosione, esaltata dai sali an- tighiaccio, distrugge in pochi anni i manufatti, compromettendo via- bilità, sicurezza, investimenti in quelle costose e vitali infrastrutture. In forma di nuovi speciali tubi saldati, magari avvolgibili in roto- li, di spessore sottile, tagliabili con facilità in cantiere e dotati di giunti a innesco rapido, l'acciaio inossi- dabile si presenterà presto in forza per risolvere con semplicità i pro- blemi di installazione e la garanzia di durata delle rete di distribuzione e scarico delle acque calde e fred- de degli edifici civili. Le necessità di coniugare dure- volezza ed estetica negli esterni degli edifici industriali pubblici e civili godranno a breve di una pro- 700 11/91 L'EOIUZIA gressiva disponibilità di preverni- ciato su base inossidabile sulla scorta di quanto è accaduto in Giappone nell'ultimo decennio. In definitiva, seppure solo attraverso alcuni sviluppi esemplificativi tra i tanti in corso è evidente che l'evo- luzione continua dei prodotti inos- sidabili dimostra l'attenzione della produzione verso le esigenze pre- senti e future dell'ingegnere edile e dell'architetto. La corrosione: perché e come si manifesta Si è già accennato al fatto che l'acciaio inox deve la sua "inalte- rabilità" alla fortunata e singolare modalità di reagire con l'ambiente circostante ossidante, costruendo un film invisibile di spessore 3-5 10~ 7 mm, costituito da ossi/idrossidi di Cr, che lo isola efficacemente (fig. 4). Per analogia questo film sopra un lamierino di 1 mm di spessore fa la figura di una cartolina sopra un palazzo di dieci piani. Tale film, detto film passivo, non è una co- struzione statica, ma si riforma continuamente a spese sia dell'ac- ciaio, che si consuma, seppure a velocità impercettibile, rimanendo peraltro sostanzialmente inalterato alla vista, che dell'ossigeno conte- nuto nel mezzo di esposizione. Il mantenimento di questa inalterabi- lità "costa" tanto meno quanto più è alto il Cr e il Mo nell'acciaio e, a parità di questi ultimi, in relazione al tenore di Ni. Questo costo di "corrosione generale" è quantiz- zato nella corrente di passività ip, determinata dagli elettroni che nel- l'unità di tempo lasciano il metallo a causa della reazione di ossida- zione (ovvero di corrosione) ridu- cendo contemporaneamente ossi- geno dall'ambiente circostante. Per dare una idea tangibile, estrapolando dati sperimentali, si ricava che nell'atmosfera urbana inquinata sono necessari oltre cen- to anni per consumare un millime- tro di acciaio ferritico al 1 7% Cr e alcuni secoli per un acciaio 18 Cr 10 Ni. D'altra parte, in analogia con un organismo vivente, l'acciaio inox può soffrire di "manifestazio- ni acute" che lo possono seriamen- AMBIENTE OSSIDANTE Fig. 4 • II film passivo degli acciai inox. Schema.te danneggiare localmente, com- promettendone estetica ed inalte- rabilità. Si tratta di manifestazioni a carico del film passivo che con- corrono a riportare il materiale verso il proprio stato di quiete ter- modinamica o di ossido dal quale la tecnologia estrattiva e di trasfor- mazione lo ha tolto. L'impiego edilizio/architettonico dell'acciaio inox presuppone pri- mariamente il superamento dei problemi della corrosione, ovvero delle conseguenze negative sul piano funzionale ed estetico della interazione del materiale con l'am- biente. Esse sono determinate dalla natura potenzialmente aggressiva degli agenti di inquinamento at- mosferico. Tra le speci chimiche aggressive sono da annoverare, in primo luogo, i cloruri, tipici del- l'ambiente marino e l'anidride sol- forosa derivante dalla combustione dei combustibili fossili, contami- nante primario delle aree indu- striali. Fumi, pulviscolo, particelle carboniose da prodotti incombusti etc. aggravano ulteriormente il quadro della severità ambientale, determinando uno spettro di situa- zioni diversificate che vanno dalle località con aria purissima a quelle marine industriali. Il modello di meccanismo di cor- rosione localizzata all'atmosfera è relativamente semplice e schemati- camente, può esser così riassunto nei suoi stadi principali successivi (fig 5): - la pioggia o l'umidità condensata formano, sulla superficie dell'ac- ciaio inox, gocce di acqua conte- nenti piccole quantità di contami- nanti, cloruri, anidride solforosa, ossidi di azzoto, polveri etc. in relazione al tipo di sito. Di per sé questa soluzione non sarebbe in grado di attaccare localmente il film passivo dell'acciaio inox, an- che di quello più semplice ed eco- nomico (es. al 1 2% Cr). - nel tempo e per effetto della irra- Modello schematico di corrosione atmosferica 0 2 ACCIAIO INOX Fig. 5-ll RUGGINE ACIDIFICAZIONE meccanismo di corrosione localizzata degli acciai inox esposti all'atmosfera. diazione solare, l'acqua evapora e gli ioni dissolti si concentrano progressivamente. Parallelamen- te, l'ossigeno atmosferico diffon- de rapidamente negli strati sottili periferici delle goccioline d'ac- qua, sotto ai quali il materiale si troverà a contrastare una soluzio- ne salina fortemente ossigenata che si va concentrando e acidifi- cando. • in relazione alla intrinseca resi- stenza alla corrosione dei vari tipi di acciaio inox, in presenza di cloruri e in un ambiente che si va progressivamente acidificando per idrolisi dei primi prodotti di cor- rosione, il materiale può essere attaccato in corrispondenza dei suoi "punti deboli" quali i giunti di grano, le inclusioni non metalli- che, o nelle aree ossidate dalla saldatura, ove la passività è più labile. • questa situazione può essere ag- gravata dalla presenza di parti- celle presenti nell'atmosfera in forma di fumi e polveri che si accumulano in depositi, spesso igroscopici, capaci di mantenere a lungo l'umidità e limitare local- mente l'accesso di ossigeno ne- cessario a riformare il film passi- vo. Le polveri carboniose poi esplicano un ruolo attivo a causa della elevata nobiltà del carbo- nio, determinando pile locali di corrosione o celle galvaniche in cui è l'acciaio che si corrode. Le manifestazioni patologiche del film passivo nell'ambiente edilizio/ architettonico possono esser ricon- dotte alle seguenti principali for- me: - corrosione galvanica - corrosione puntiforme (pitting o vaiolatura) - corrosione in fessura {crevice). La corrosione galvanica pre- suppone il contatto di materiali di- versi immersi nella stessa soluzio- ne. In questo caso il materiale meno resistente alla corrosione, ovvero meno riobile/incrementa fortemen- te la propria cinetica di corrosione (fig- 6) C i . Il pitting si manifesta attraverso attacchi puntiformi che, in caso di forte severità ambientale, possono perforare il materiale. La causa ambientale primaria di questa cor- rosione è lo ione cloruro che in certe condizioni, attacca lo strato U/91 TEOIUZIA 701J Isjjga dando luogo alla corrosione cosid- dettcu-in fessura o "crevice corro- sion" (fig. 8). Tutte queste forme di corrosione sono progressivamente contrasta- bili mediate: -scelta opportuna del materiale in relazione alla severità ambienta- le; -accurata progettazione -cura nella installazione -adozione, se necessario, di ma- nutenzione periodica. Volltntlro i OCCORRE: B Differenti metalli • In contatto elettrico • Immersi nella stessa soluzione corrosiva •«. IL METALLO CHE E' ^ a Meno nobile a Meno passivo • Più attivo o Più nobile a Più passivo a Meno attivo ^ DIVENTA ANODO •» CATOOO j^. E O Sì corrode a velocita aumentata -MH •DB •HBR " ì \ 4'a „ MORFOLOGIA -ir j OH <- PIT " ^ ^ DI PITTING ^* r - ^ - — - A * - ^ ~* e" Fig. 6 - Schema del processo elettrochimico di corrosione galvanica. I tipi e le finlture per l'edilizia e l'architettura I progettisti hanno a disposizio- ne una serie di qualità di acciai inossidabili fra le quali scegliere per far fronte alla gravita della passivo nei suoi punti deboli (fig. 7). corrosione ambientale. La qualità In campo architettonico questa più semplice e meno dispendiosa forma di corrosione è la più fre- sarà sufficiente per condizioni quente e comporta essenzialmente d'aria pulite; l'acciaio più legato alterazioni dell'estetica piuttosto darà risultati migliori nelle condi- che dalla funzionalità dell'acciaio zioni peggiori. Sono state ampia- in servizio. mente sperimentate tre qualità, Danneggiamenti in interstizi, quali i Tipi 430, 304 e 316, tutti sotto depositi, in aree schermate facilmente disponibili e che si pre- metallo/metallo o metallo/non stano a coprire pressoché tutte le metallo, che favoriscono l'accumu- situazioni. Questi tre tipi di acciai larsi di soluzioni stagnanti possono inox base, rappresentano global- parimenti avvenire sull'acciaio inox mente oltre l'80% della produzio- Slproleggeosi corrode a velocita più bassa PITTING • tal

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