Gli acciai inossidabili bifasici austeno-ferritici, detti anche duplex, sono leghe ferrose inossidabili che presentano una struttura a grani cristallini misti di austenite e di ferrite. Questi acciai posseggono una microstruttura che può essere definita ibrida, in quanto coesistono due differenti strutture cristalline. Ciò è dovuto all'attento bilanciamento degli elementi alliganti sia ferritizzanti (come il cromo) sia austenitizzanti (come il nichel) presenti in queste leghe. La frazione volumetrica delle due fasi può variare in un ampio intervallo a causa del trattamento termico imposto e delle proprietà meccaniche e di resistenza a corrosione desiderate. Tuttavia un rapporto volumetrico 50/50 tra le fasi ne offre la migliore combinazione.

Le buone caratteristiche meccaniche, che permettono la realizzazione di strutture più leggere, e l'elevato rapporto resistenza alla corrosione/costo, legato ai bassi tenori di nichel presenti, rendono questa classe d'acciai particolarmente attraenti come sostituti delle classiche famiglie di acciai inossidabili. Inoltre, una maggior conoscenza dei fenomeni metallurgici che interessano queste leghe ne sta permettendo un sempre più diffuso utilizzo, superando le limitazioni che finora avevano afflitto gli acciai inossidabili bifasici.

La denominazione “Duplex” deriva dalla caratterizzazione topologica della microstruttura di questi acciai, in cui i due componenti microstrutturali sono arrangiati in cristalli di dimensioni simili distribuiti casualmente nello spazio.

Storia Le prime testimonianze di acciai inossidabili a matrice bifasica austeno-ferritica risalgono all'inizio degli anni trenta in parallelo sia nei paesi scandinavi sia in Francia. Si può attribuire all'inglese J.H.G. Monypenny la prima trattazione scientifica di questa famiglia di acciai inossidabili “a struttura bifasica” in relazione ad una microstruttura composta da ferrite e austenite in proporzioni volumetriche del 50/50, realizzata sulla base delle indicazioni di un brevetto Krupp risalente al 1922. Negli anni seguenti, la migliore resistenza meccanica e la più elevata resistenza ad usura rispetto ai tradizionali acciai inossidabili austenitici, hanno garantito a questa classe di acciai le prime applicazioni a livello industriale sia come getti sia come semilavorati forgiati a caldo. La commercializzazione ha inizio negli anni cinquanta-sessanta. Il miglioramento delle tecnologie di affinazione dell'acciaio negli anni settanta apporta un sostanziale miglioramento della qualità di tutti gli acciai inossidabili, grazie alla possibilità di assicurare strette forbici composizionali e di abbassare le frazioni degli elementi nocivi. Un sostanziale abbassamento dei costi e una migliore resistenza a corrosione sono ulteriori sensibili migliorie apportate dall'adozione di queste nuove tecnologie di affinazione accoppiate all'avvento della colata continua. Tanto che alla fine di quel decennio viene messa a punto la lega SAF 2205, un acciaio inossidabile bifasico al 22% di cromo e 5% di nichel con aggiunte di molibdeno e azoto, le cui ottime proprietà lo rendono a tutt'oggi uno dei più diffusi e apprezzati acciai di questa categoria. Nel decennio seguente la famiglia di acciai inossidabili bifasici si evolve in due direzioni opposte. La prima punta sull'economicità e sull'incremento delle caratteristiche meccaniche, riducendo il contenuto di nichel (SAF 2304) e, conseguentemente, aumentando il rapporto ferrite/austenite a 70/30. La seconda mira a un incremento della resistenza a corrosione con un aumento del tenore degli alliganti passivanti (SAF 2507) e porta alla genesi dei moderni acciai inossidabili bifasici della classe dei Super Duplex. La validità e l'ampia diffusione degli acciai inossidabili bifasici è riconosciuta sia dai produttori sia dagli utilizzatori, a tal punto che per la richiesta di una ancora maggiore resistenza alla corrosione accoppiata alle buone caratteristiche meccaniche di queste leghe ha portato allo sviluppo negli ultimi anni delle leghe Iper Duplex. Le ottime proprietà dimostrate da questa classe d'acciai di ultima generazione promette un'estremamente ampia diffusione di queste leghe.

Composizione chimica La microstruttura duplex dei moderni acciai inossidabili bifasici è ottenuta attraverso uno stretto controllo della composizione chimica. Nel dettaglio, si comportano come elementi stabilizzanti della fase ferritica il cromo, il molibdeno, il silicio e il niobio. D'altro canto, la formazione della fase austenitica è promossa dall'alligazione di nichel, manganese, rame, carbonio e azoto. Gli acciai inossidabili bifasici posseggono una microstruttura ibrida: il tenore di cromo varia dal 18 al 32% e tende a stabilizzare la microstruttura ferritica, quello di nichel dal 4,5 al 7% risulta in quantità insufficienti per determinare una struttura microcristallina totalmente austenitica (che quindi rimane in parte ferritica). Inoltre, quasi tutte le sue varianti contengono fra il 2,5 e il 4% di molibdeno. Esistono infine forme di acciai inossidabili bifasici duplex, chiamati "poveri" che non contengono molibdeno e hanno tenori di nichel minori del 4,5%. Un corretto bilanciamento di elementi ferritizzanti e austenitizzanti permette di ottenere una microstruttura dal rapporto volumetrico di 50/50 tra ferrite e austenite. Tale microstruttura garantisce la migliore combinazione tra proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione. In tabella vengono riportate le composizioni chimiche degli acciai inossidabili bifasici più diffusi, la loro composizione microstrutturale e il loro indice P.R.E.N..

SAF UNS UNI EN 10088-1 % C Max % Cr % Ni % Mo % N Ferrite/Austenite P.R.E.N. 2304 S32304 X3CrNiN 23 4 0,03 23 4 0,2 0,1 70/30 25 2205 S31803 X3CrNiMoN 22 5 0,03 22 5 3 0,16 50/50 35 2507 S32750 X2CrNiMoN 25 7 4 0,03 25 7 4 0,3 50/50 42,5 3207 HD S33207 X2CrNiMoN 32 7 0,03 32 7 3,5 0,5 50/50 50

Classificazione degli acciai inossidabili bifasici attraverso l'indice P.R.E.N.

Gli acciai inossidabili bifasici, come le altre classi di acciai inossidabili, possono essere classificati in base alla loro resistenza alla vaiolatura attraverso l'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 semplice determinazione attraverso la composizione chimica, tuttavia va ricordato che non fornisce una descrizione completa delle proprietà di resistenza a corrosione. Gli acciai inossidabili bifasici, analogamente agli altri acciai inossidabili, possono quindi essere suddivisi in quattro categorie: Acciai Inossidabili Bifasici Magri: P.R.E.N. ≤ 35, non contengono molibdeno e il valore tipico del loro indice P.R.E.N. si attesta intorno a 25, appartiene a questa tipologia l'acciaio SAF 2304. Acciai Inossidabili Bifasici Standard: sono caratterizzati da un indice 35 < P.R.E.N. ≤ 40, il più diffuso tra gli acciai inossidabili bifasici, il SAF 2205, è compreso in questa categoria. Acciai Inossidabili Bifasici Super: possiedono un indice 40 < P.R.E.N. ≤ 45, l'acciaio più rappresentativo di questa categoria è il SAF 2507. Risulta di particolare interesse industriale che al di sotto di questa categoria, gli acciai bifasici non possono essere impiegati in ambienti ricchi di acido solfidrico. Acciai Inossidabili Bifasici Iper: contengono elevate percentuali di cromo > 30% in peso e il valore dell'indice P.R.E.N. ≥ 45 può raggiungere anche 50. L'acciaio leader di questa classe è il SAF 3207 HD.

Topologia

Questa classe di acciai inossidabili viene denominata Duplex a seguito della caratterizzazione topologica della microstruttura di queste leghe, dipendente sia dal rapporto volumetrico tra le fasi sia dalla loro distribuzione nello spazio. Una microstruttura possiede una topologia di tipo “Duplex” quando i due componenti microstrutturali sono presenti in frazioni volumetriche comparabili, i cristalli delle due fasi hanno dimensioni simili e sono arrangiati rispettivamente tra loro casualmente. Di conseguenza, in questo sistema tre diverse interfacce (corrispondenti alle differenti tipologie di bordo grano) sono presenti: ferrite/ferrite, austenite/austenite, ferrite/austenite.

Questo tipo di microstruttura si manifesta nei semilavorati, dopo formatura a caldo, in una microstruttura a pancake.

Questa topologia microstrutturale tuttavia non è descrittiva anche dei getti. Nel dettaglio, poiché alle temperature più elevate la fase ferritica risulta termodinamicamente più stabile, inoltre, solidificando a più elevate temperature nuclea per prima e quindi questa svolgerà il ruolo di matrice. D'altra parte, l'austenite solidificando a più basse temperature si disporrà lungo i bordi grano della matrice ferrica e negli spazi tra i grani ferritici già solidificati.

Proprietà Proprietà meccaniche Acciaio Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A % SAF 2304 400 600 - 820 25 SAF 2205 450 680 - 880 25 SAF 2507 550 800 - 1000 25 SAF 3207 HD 800 880 - 1050 29

Vengono riportate in tabella alcune caratteristiche meccaniche indicative per le principali tipologie di acciai inossidabili bifasici.

La microstruttura bifasica di questi acciai inossidabili è alla base delle loro proprietà buone meccaniche, spesso superiori a quelle dei loro diretti concorrenti monofasici. In particolare, il carico di snervamento di queste leghe non solo raggiunge valori circa doppi rispetto agli acciai inossidabili austenitici della serie AISI 3xx, ma anche supera di 50-100 MPa quello delle controparti monofasiche ferritiche. Simili considerazioni possono essere tratte riguardo al carico di rottura. Il modulo elastico, per quanto di pochi GPa inferiore rispetto a quello degli acciai inossidabili ferritici, rimane comunque superiore rispetto a quello degli acciai inossidabili austenitici. Questa caratteristica può risultare decisiva quando la resistenza all'usura deve essere accoppiata a un’elevata resistenza a corrosione, ad esempio nell'industria petrolchimica. Inoltre, anche l’allungamento a rottura di questa classe di acciai inossidabili risulta comparabile a quella dei concorrenti monofasici, garantendo una buona lavorabilità, nonostante una leggera flessione di questa caratteristica.

Gli acciai inossidabili bifasici sono caratterizzati anche da un’ottima resilienza, tuttavia, a causa della matrice ferritica presentano una temperatura di transizione duttile-fragile, che attestandosi intorno ai -60 °C/-100 °C può essere evitata abbastanza agevolmente. Questa famiglia di acciai inoltre mostra un’elevata resistenza all'innesco ed alla propagazione delle cricche sia in termini di tenacità sia in termini di resistenza a fatica sia in aria che in ambienti aggressivi. La possibilità di risultare migliore dei diretti concorrenti monofasici è assicurata a questi acciai dalla particolarità della loro microstruttura. Infatti, a causa della differenza di resistenza meccanica delle due fasi costituenti, le deformazioni inizialmente si concentreranno nella fase austenitica provocandone un forte incrudimento. A seguito di questo fenomeno, le deformazioni si distribuiranno più omogeneamente in tutto il materiale, fino a portarlo a raggiungere le ottime caratteristiche meccaniche precedentemente.

Resistenza a corrosione