Materiali Per Alta Temperatura

Problemi ad alta temperatura:
• Creep (scorrimento viscoso a caldo)
• Ossidazione
Acciai al carbonio
•
•
•
•
•
•
Possono essere impiegati fino a 450°C
C ≤ 0.20%
Mn ≤ 1.6%
Si tra 0.15 e 0.50%
S e P ≤0.040%
Per combattere invecchiamento mantenendo
il grano fine: aggiunte di Al
• Possono essere aggiunti Cr, V
Carico unitario di snervamento a caldo (MPa) in funzione
della temperatura
Acciaio
150°C
250°C
300°C
350°C
400°C
Fe 360-1
167
147
132
123
113
Fe 360-2
167
147
132
123
113
Fe 410-1
196
177
157
147
137
Fe 410-2
196
177
157
147
137
Fe 460-1
230
216
186
172
157
Fe 460-2
230
201
186
172
157
Fe 510-1
275
240
216
201
177
Fe 510-2
275
235
216
201
177
Fe E 285
226
176
157
137
118
Fe E 315
255
196
177
157
137
Fe E 355
284
226
216
196
167
Fe E 390
314
255
245
216
186
Fe E 420
343
275
265
235
206
Campi di utilizzo degli acciai al
Mo e Cr-Mo
• 16 Mo 5: fino a 450°C
• 14 CrMo 4 5: fino a 520°C (fino a 580°C se
modificato con l’1.25% di Cr e lo 0.25% di
Mo)
• 12 CrMo 9 10: maggiormente resistente
all’ossidazione a caldo, ma meno resistente
al creep a 600°c rispetto al presedente
modificato
Acciai inossidabili
• Gli acciai inossidabili sono molto resistenti
all’ossidazione a caldo. La resistenza è tanto
maggiore al crescere del tenore di Cr.
• Presentano problemi di precipitazione di
seconde fasi (fase σ, χ) fragili, in
particolare all’interno della ferrite (inox
ferritici e duplex)
Acciai inossidabili ferritici
• AISI 430: T 800°C per impieghi contitnuativi,
850°C per impieghi intermittenti
• AISI 446 (26%Cr): può arrivare ai 11001150°C
• I problemi di fragilità sono minori se l’acciaio
rimane sempre ad alta temperatura, diventano
importanti se vengono portati a temperature
basse dopo l’impiego ad alta temperatura
Valori dei carichi di rottura in
funzione della durata e della
temperatura per AISI 430 e 446
Acciai inossidabili austenitici
• La presenza di nichel e la struttura
austenitica di questi acciai la resistenza
meccanica e la tenacità, la fatica termica, la
resistenza alla carburazione e alla
nitrurazione
• Di contro possono avere problemi in
presenza di composti solforati
• Attenzione alla precipitazione di carburi e
fase σ
Formazione di fase σ
• Estremamente lenta sotto i 600°C, aumenta al
crescere della temperatura sopra questo valore
• Molto rapida nelle strutture bifasiche (duplex),
può richiedere tempi molto lunghi per le
strutture completamente austenitiche
• Per gli acciai austenitici al Ni-Cr è massima
nell’intervallo di T 750-900°C
• Ne ostacolano la formazione: C, N, Mn
• Ne favoriscono la formazione: Si, Mo, Ti, Nb,
Al
Valori dei carichi di rottura (a) e delle
sollecitazioni che danno uno scorrimento dell’1%
(b) in 10000 h per vari tipi di acciaio inossidabile
austenitico in funzione della temperatura
Superleghe per alte temperature
• Leghe a base di nichel (Incoloy, Inconel,
Hastelloy, Nimonic, ecc…)
• Leghe a base di cobalto
• Leghe a base di metalli refrattari
(sperimentali)
Incoloy:
• Hanno come maggiore componente ancora il
ferro, l’alta percentuale di Ni stabilizza la fase
austenitica ed impedisce la formazione di fase σ
• resistono bene in ambienti carburanti, ossidanti,
contenenti idrogeno,
• hanno caratteristiche meccaniche non
eccessivamente elevate
• Sono impiegate fino a temperature dell’ordine dei
1000°C
Inconel
• Sono essenzialmente composte da Ni e
contengono Cr intorno al 15%
• Inconel 600: resiste all’ossidazione fino a
1150°C
• Inconel 700 e 722: hanno maggiori
caratteristiche a caldo ottenute per
precipitazione di seconde fasi con Al e Ti
Nimonic
• Si differenziano poco dalla Inconel, ma
hanno caratteristiche meccaniche
leggermente maggiori
• Rispetto alle Inconel hanno generale
maggiore Cr (intorno al 20%) e Co
• Sono sempre presenti elementi indurenti
quali Ti e Al
Hastelloy
• Sono leghe a base di nichel, contenti alte
percentuali di Cr o Mo
• Messe a punto principalmente per la resistenza
alla corrosione:
• Tipo B: ambienti acidi riducenti
• Tipo C e D acidi ossidanti
• Hanno anche buone caratteristiche meccaniche
a caldo
• Tipo X resiste all’ossidazione fino a 1200°C
TD nichel
• Costituita dal 98% di Ni e dal 2% di ossido di
Torio disperso nella matrice in particelle di
diametro circa 0.1 µm.
• Ha resistenza al creep eccellente fino a 10001100°C, a tali temperature è nettamente
superiore alle leghe di Ni eCo
• Ha problemi di ossidazione a caldo: per
esposizioni prolungate necessita di un
rivestimento superficiale
Leghe di Co
• Hanno buona resistenza al creep, ma elevata
resistenza all’ossidazione sopra i 900°C
• La resistenza all’ossidazione può essere aumentata
aggiungendo Cr
• Sono difficilmente lavorabili sia a caldo che a freddo,
si impiegano generalmente come getti
• Possono essere indurite con precipitazione di seconde
fasi a base di carburi di Mo, W, Nb e Tl.
• Aumenti notevoli si hanno per aggiunte di
piccolissime percentuali di B e Zr
Leghe a base di metalli refrattari
• Cromo: ottima resistenza all’ossidazione a
caldo, ma notevole fragilità
• Vanadio: estremamente fragile
• Molibdeno: ottime proprietà meccaniche,
ma enormi problemi di ossidazione a caldo
• Niobio, renio, tantalio e tungsteno: ancora
allo stato sperimentale con pochi risultati