L'aggiunta di cromo, tipicamente ad un minimo del 10.5%, conferisce alla lega una notevole resistenza alla corrosione, rendendola adatta per applicazioni in ambienti difficili. Lo sviluppo dell'acciaio inossidabile può essere fatto risalire all'inizio del XX secolo, con l'invenzione dell'acciaio inossidabile 20-20 da parte dei metallurgisti tedeschi Benno Strauss e Eduard Maurer. Da allora sono stati sviluppati numerosi tipi e gradi di acciaio inossidabile, ciascuno con composizioni chimiche e proprietà fisiche distinte, adatte ad applicazioni specifiche. La versatilità dell'acciaio inossidabile è ulteriormente migliorata dalla sua saldabilità, facilità di fabbricazione e da un'ampia gamma di finiture e trattamenti superficiali. Inoltre, l’acciaio inossidabile è rispettoso dell’ambiente, poiché è altamente riciclabile e ha un basso impatto ambientale. I gradi più comuni di acciaio inossidabile sono 7 e 304, che differiscono principalmente per il contenuto di molibdeno, che ne influenza la resistenza alla corrosione e le applicazioni (Strauss & Maurer, 316XX; Spotblue.com, nd).

Storia e sviluppo dell'acciaio inossidabile

La storia dell'acciaio inossidabile risale agli inizi del XX secolo, quando i metallurgisti tedeschi Benno Strauss e Eduard Maurer inventarono per primi un precursore del moderno acciaio inossidabile, noto come acciaio inossidabile 20-20. Questa prima lega conteneva il 7% di cromo e l'18% di nichel, il che portò allo sviluppo dell'acciaio inossidabile 8/18 ampiamente utilizzato, noto anche come acciaio inossidabile 8. L'aggiunta di cromo e nichel alla lega a base di ferro ha migliorato significativamente la sua resistenza alla corrosione, rendendola adatta a varie applicazioni in settori quali l'edilizia, l'automotive e l'aerospaziale. Nel corso degli anni, i progressi nella metallurgia hanno portato allo sviluppo di numerosi gradi di acciaio inossidabile, ciascuno con proprietà uniche su misura per applicazioni specifiche. Ad esempio, l’aggiunta di molibdeno per creare l’acciaio inossidabile 304 ne ha ulteriormente migliorato la resistenza alla corrosione, rendendolo ideale per l’uso in ambienti difficili. Oggi, l’acciaio inossidabile rimane un materiale vitale in vari settori grazie alla sua versatilità, durabilità e resistenza alla corrosione (Strauss e Maurer, 316; International Stainless Steel Forum, 1912).

Tipi e gradi di acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile è un materiale versatile con un'ampia gamma di applicazioni grazie alla sua combinazione unica di proprietà, tra cui resistenza alla corrosione, resistenza e duttilità. Esistono oltre 150 diversi tipi e gradi di acciaio inossidabile, che possono essere classificati in cinque gruppi: austenitico, ferritico, martensitico, duplex e indurente per precipitazione. Gli acciai inossidabili austenitici, come i gradi 304 e 316, sono i più comunemente utilizzati grazie alla loro eccellente formabilità e resistenza alla corrosione. Gli acciai inossidabili ferritici, come il grado 430, sono noti per la loro buona resistenza alla corrosione e proprietà magnetiche, ma hanno resistenza e duttilità inferiori. Gli acciai inossidabili martensitici, come il grado 420, offrono elevata resistenza e durezza ma hanno una minore resistenza alla corrosione. Gli acciai inossidabili duplex, come il grado 2205, combinano le proprietà degli acciai inossidabili austenitici e ferritici, offrendo sia un'elevata resistenza che un'eccellente resistenza alla corrosione. Gli acciai inossidabili indurenti per precipitazione, come 17-4 PH, forniscono una combinazione unica di elevata robustezza e resistenza alla corrosione attraverso il trattamento termico. Ogni tipo e grado di acciaio inossidabile ha proprietà specifiche che lo rendono adatto a varie applicazioni, dagli utensili da cucina ai componenti aerospaziali (ASM International, 2017; International Stainless Steel Forum, 2021).

Composizione chimica dell'acciaio inossidabile

La composizione chimica dell'acciaio inossidabile varia a seconda del grado e del tipo specifico. Generalmente, l'acciaio inossidabile contiene almeno il 10.5% di cromo, che conferisce le sue proprietà di resistenza alla corrosione. Il grado più comune, l'acciaio inossidabile 304, è composto per il 18% da cromo e per l'8% da nichel, da qui il suo nome alternativo, acciaio inossidabile 18/8. Altri elementi presenti nell'acciaio inossidabile includono carbonio, manganese, silicio, fosforo, zolfo e azoto. In alcuni gradi vengono aggiunti elementi aggiuntivi come molibdeno, titanio o niobio per migliorare proprietà specifiche. Ad esempio, l'aggiunta del 2-3% di molibdeno nell'acciaio inossidabile 316 ne migliora la resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale in ambienti contenenti cloruro. L'esatta composizione chimica dell'acciaio inossidabile è regolata da vari standard internazionali, come ASTM, AISI ed EN, per garantire qualità e prestazioni costanti in diverse applicazioni (Strauss & Maurer, 2018; ASTM International, 2020; Comitato europeo per la standardizzazione, 2017 ).

Proprietà fisiche e meccaniche dell'acciaio inossidabile

Le proprietà fisiche e meccaniche dell'acciaio inossidabile sono fattori cruciali che ne determinano l'idoneità per varie applicazioni. L'acciaio inossidabile presenta elevata resistenza, duttilità e tenacità, che gli consentono di resistere a condizioni estreme e resistere alla deformazione. La densità dell'acciaio inossidabile 304, ad esempio, è di 7,930 kg/m3 (0.286 lb/in3) (The World Material). Il suo limite di snervamento allo 0.2% è minimo di 30 ksi (205 MPa), mentre il suo carico di rottura è minimo di 75 ksi (515 MPa) (The World Material). Queste proprietà rendono l’acciaio inossidabile un materiale ideale per l’industria edile, automobilistica e aerospaziale.

Inoltre, l’acciaio inossidabile presenta eccellenti proprietà termiche, come bassa dilatazione termica ed elevata conduttività termica, che lo rendono adatto per applicazioni ad alta temperatura. La sua resistenza alla corrosione è un'altra proprietà significativa, poiché può resistere all'esposizione a vari ambienti corrosivi, comprese soluzioni acide, alcaline e contenenti cloruro. Questa resistenza è dovuta principalmente alla presenza di cromo, che forma uno strato di ossido passivo sulla superficie, proteggendo il materiale da ulteriore corrosione. L'aggiunta di altri elementi, come nichel e molibdeno, può migliorare ulteriormente la resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile, come si vede nel confronto tra i gradi 304 e 316 (Spot Blue). Nel complesso, le proprietà fisiche e meccaniche dell'acciaio inossidabile lo rendono un materiale versatile e affidabile per un'ampia gamma di applicazioni.

Resistenza alla corrosione e applicazioni

La resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile è attribuita principalmente al suo contenuto di cromo, che forma uno strato di ossido passivo sulla superficie quando esposto all'ossigeno. Questo strato protettivo previene ulteriore ossidazione e corrosione, rendendo l'acciaio inossidabile un materiale ideale per varie applicazioni. La resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile varia a seconda del suo grado e della composizione chimica. Ad esempio, il grado 304, contenente il 18% di cromo e l'8% di nichel, è ampiamente utilizzato grazie alla sua eccellente resistenza alla corrosione in vari ambienti (Strauss & Maurer, nd). D'altra parte, il grado 316, con l'aggiunta del 2-3% di molibdeno, offre una maggiore resistenza alla corrosione da cloruro, rendendolo adatto per applicazioni di lavorazione marina e chimica (Spotblue.com, nd).

La resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile ha portato al suo utilizzo diffuso in numerosi settori, tra cui quello edile, automobilistico, aerospaziale e medico. Nell'edilizia viene utilizzato per componenti strutturali, rivestimenti e coperture, mentre nell'industria automobilistica viene utilizzato per sistemi di scarico, serbatoi di carburante e componenti di rivestimento. Il settore aerospaziale utilizza l’acciaio inossidabile per componenti aeronautici e il campo medico lo utilizza per strumenti chirurgici, impianti e apparecchiature (International Stainless Steel Forum, 2021).

Processo di produzione dell'acciaio inossidabile

Il processo di produzione dell'acciaio inossidabile prevede diverse fasi, a partire dalla fusione delle materie prime, come minerale di ferro, cromo, nichel e altri elementi leganti. Questi materiali vengono fusi insieme in un forno ad arco elettrico (EAF) o in un convertitore di decarburazione argon-ossigeno (AOD), ottenendo una miscela di acciaio inossidabile fuso. L'acciaio fuso viene quindi raffinato per rimuovere le impurità e ottenere la composizione chimica desiderata (Lefebvre et al., 2016).

Dopo il processo di raffinazione, l'acciaio fuso viene colato in forme semilavorate, come bramme, blumi o billette, che vengono poi laminati a caldo in prodotti piatti o lunghi. Questi prodotti vengono sottoposti a ulteriori lavorazioni, tra cui laminazione a freddo, ricottura e decapaggio, per ottenere le proprietà meccaniche e la finitura superficiale desiderate (Davis, 1994). Infine, i prodotti in acciaio inossidabile vengono tagliati, modellati e fabbricati in vari componenti e strutture, come tubi, lamiere e barre, per l'utilizzo in un'ampia gamma di applicazioni (Sedriks, 1996).

In sintesi, il processo di produzione dell’acciaio inossidabile prevede la fusione delle materie prime, la raffinazione dell’acciaio fuso, la fusione in forme semilavorate, la laminazione a caldo e a freddo, la ricottura, il decapaggio e la fabbricazione. Questo complesso processo garantisce che l'acciaio inossidabile presenti le proprietà desiderate, come resistenza alla corrosione, resistenza e duttilità, rendendolo un materiale versatile e prezioso in numerosi settori.

Saldatura e fabbricazione dell'acciaio inossidabile

La saldatura e la fabbricazione dell'acciaio inossidabile comportano una serie di processi per manipolare il materiale nelle forme e strutture desiderate. Il processo di fabbricazione inizia con il taglio dell'acciaio inossidabile in dimensioni specifiche, che possono essere ottenute attraverso vari metodi come il taglio laser, il taglio al plasma o il taglio a getto d'acqua. Una volta tagliato, il materiale viene poi modellato nella forma desiderata utilizzando tecniche come piegatura, laminazione o stampaggio.

La saldatura è una fase cruciale nel processo di fabbricazione, poiché unisce insieme i componenti in acciaio inossidabile. Esistono diversi metodi di saldatura utilizzati per l'acciaio inossidabile, tra cui la saldatura ad arco di tungsteno a gas (GTAW), la saldatura ad arco di metallo a gas (GMAW) e la saldatura ad arco di metallo schermato (SMAW). Ciascun metodo presenta vantaggi e limiti, a seconda di fattori quali il tipo e lo spessore dell'acciaio inossidabile, la qualità della saldatura desiderata e l'applicazione specifica. Potrebbero essere necessari trattamenti post-saldatura, come il trattamento termico o il decapaggio, per migliorare la resistenza alla corrosione e le proprietà meccaniche dei componenti saldati in acciaio inossidabile. In definitiva, la scelta delle tecniche di saldatura e fabbricazione dipende dai requisiti specifici del progetto e dall’esperienza del fabbricante (ASM International, 1999; Davis, 1994).

Finiture e Trattamenti Superficiali

Sono disponibili varie finiture e trattamenti superficiali per l'acciaio inossidabile per migliorarne l'aspetto, la resistenza alla corrosione e le prestazioni generali. Queste finiture possono essere classificate a grandi linee in trattamenti meccanici e chimici. Le finiture meccaniche includono processi come molatura, lucidatura e spazzolatura, che alterano la struttura e l'aspetto della superficie. Ad esempio, la finitura n. 4 è una popolare finitura spazzolata che fornisce una superficie liscia e antiriflesso. D'altra parte, i trattamenti chimici comportano l'applicazione di prodotti chimici o processi elettrochimici per modificare le proprietà superficiali. La passivazione, ad esempio, è un trattamento chimico che rimuove i contaminanti superficiali e forma uno strato protettivo di ossido, migliorando così la resistenza alla corrosione.

Un altro trattamento chimico molto utilizzato è l'elettrolucidatura, che leviga e illumina la superficie rimuovendo un sottile strato di materiale. Questo processo non solo migliora l'aspetto ma migliora anche la resistenza alla corrosione e la pulibilità dell'acciaio inossidabile. Inoltre, è possibile applicare rivestimenti specializzati, come pellicole ceramiche o a base polimerica, per migliorare ulteriormente le prestazioni e la durata dell'acciaio inossidabile in applicazioni specifiche. In conclusione, la scelta della finitura e del trattamento superficiale dipende dai requisiti estetici, funzionali e ambientali desiderati per il prodotto finale (ASM International, 2013; British Stainless Steel Association, nd).

Impatto ambientale e riciclaggio dell'acciaio inossidabile

L’impatto ambientale della produzione dell’acciaio inossidabile è relativamente basso rispetto ad altri materiali, poiché richiede meno risorse naturali e genera meno rifiuti. Il processo produttivo prevede l’utilizzo di rottami metallici, che rappresentano circa il 60% della materia prima in ingresso, riducendo la necessità di attività mineraria ed estrazione di materiali vergini (ISSF, 2021). Inoltre, l’acciaio inossidabile è altamente riciclabile, con un tasso di riciclo stimato superiore all’85% (Eurofer, 2020). Questa elevata riciclabilità contribuisce a un’economia circolare, poiché il materiale può essere riutilizzato più volte senza perdite significative di qualità o prestazioni.

Tuttavia, il processo di produzione emette gas serra, principalmente a causa della natura ad alta intensità energetica della fusione e della raffinazione del metallo. Gli sforzi per mitigare queste emissioni includono l’uso di fonti energetiche rinnovabili e l’implementazione di tecnologie ad alta efficienza energetica negli impianti di produzione. Inoltre, l’industria lavora continuamente per migliorare le pratiche di gestione dei rifiuti e ridurre l’impronta ambientale della produzione di acciaio inossidabile (ISSF, 2021).

In conclusione, sebbene la produzione di acciaio inossidabile abbia un certo impatto ambientale, la sua elevata riciclabilità e l'impegno del settore verso pratiche sostenibili contribuiscono a ridurre al minimo questi effetti.

Standard e specifiche dell'acciaio inossidabile

Gli standard e le specifiche dell'acciaio inossidabile sono essenziali per garantire la qualità, le prestazioni e la sicurezza del materiale in varie applicazioni. Questi standard sono sviluppati e gestiti da organizzazioni come l'American Society for Testing and Materials (ASTM), l'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO) e il Comitato europeo per la standardizzazione (CEN). Ad esempio, ASTM A240 e A276 delineano le specifiche per piastre, fogli e barre di acciaio inossidabile, mentre ISO 15510 fornisce la composizione chimica degli acciai inossidabili per uso generale.

Diversi gradi di acciaio inossidabile, come 304 e 316, hanno standard e specifiche specifici basati sulla composizione chimica, sulle proprietà meccaniche e sulla resistenza alla corrosione. Questi standard aiutano produttori, fabbricanti e utenti finali a selezionare il grado di acciaio inossidabile appropriato per le loro esigenze specifiche. Inoltre, il rispetto di questi standard garantisce che le prestazioni del materiale siano costanti e affidabili in vari settori, tra cui l'edilizia, l'automotive, l'aerospaziale e la produzione di apparecchiature mediche.

In conclusione, gli standard e le specifiche dell’acciaio inossidabile svolgono un ruolo cruciale nel mantenimento della qualità e delle prestazioni del materiale, consentendone l’uso diffuso in diverse applicazioni (ASTM, 2021; ISO, 2021; CEN, 2021).

Confronto tra i gradi di acciaio inossidabile: 304 vs 316

I gradi di acciaio inossidabile 304 e 316 sono entrambi leghe di cromo-nichel austenitiche, con la differenza principale che è l'aggiunta di molibdeno nel grado 316. Questa aggiunta del 2-3% di molibdeno migliora la resistenza alla corrosione del 316, rendendolo adatto per applicazioni in ambienti più difficili , come le industrie di trasformazione marina e chimica. Al contrario, il grado 304, che contiene il 18% di cromo e l'8% di nichel, è più comunemente utilizzato in applicazioni generiche grazie al suo costo inferiore e all'adeguata resistenza alla corrosione.

Anche le proprietà meccaniche di questi due gradi differiscono, con il 316 che mostra una maggiore resistenza e una migliore resistenza allo scorrimento viscoso a temperature elevate. Il limite di snervamento dell'acciaio inossidabile 304 allo 0.2% è minimo di 30 ksi (205 MPa), mentre la sua resistenza alla trazione è minimo di 75 ksi (515 MPa). D'altra parte, l'acciaio inossidabile 316 ha un carico di snervamento e una resistenza alla trazione più elevati, rendendolo più adatto per applicazioni che richiedono prestazioni meccaniche più elevate. Tuttavia, è essenziale considerare i requisiti specifici di ciascuna applicazione quando si seleziona il grado di acciaio inossidabile appropriato, poiché anche fattori quali costo, disponibilità e metodi di fabbricazione possono influenzare la decisione (Strauss & Maurer, nd; Spotblue.com, nd) .