Numero di ferrite nelle saldature in acciaio inossidabile duplex e austenitico: misurazione e controllo

Il numero di ferrite, o FN, quantifica la quantità di ferrite presente in una saldatura di acciaio inossidabile; i saldatori lo controllano perché influenza le prestazioni della saldatura. Per le saldature duplex e super duplex, il contenuto di ferrite desiderato è generalmente compreso tra 30 e 70 FN, corrispondente a una struttura bifasica bilanciata, mentre per le saldature austenitiche si mira solitamente a un contenuto di ferrite ridotto ma non nullo, circa tra 3 e 10 FN, per prevenire la fessurazione a caldo. Il FN viene misurato più frequentemente con uno strumento calibrato chiamato ferritoscopio e previsto mediante il diagramma WRC-1992; si tratta di un parametro di controllo pratico che collega la procedura di saldatura alla resistenza alla corrosione e alla tenacità.

Cosa rappresenta il numero di ferrite
Il numero di ferrite è un indice magnetico standardizzato, non una percentuale volumetrica diretta. È stato introdotto perché le prime misurazioni della «percentuale di ferrite» variavano notevolmente tra diversi laboratori; pertanto, il settore ha adottato una scala riproducibile definita sulla base della risposta magnetica e riconducibile a standard secondari. A bassi livelli, il numero di ferrite (FN) e la percentuale volumetrica di ferrite sono simili, ma divergono all’aumentare della ferrite; per questo i requisiti per gli acciai duplex indicano l’accettazione in termini di FN oppure di percentuale convertita, con un metodo definito. Il numero è importante perché ferrite e austenite presentano comportamenti diversi: la ferrite conferisce resistenza meccanica e resistenza alla corrosione da tensione indotta da cloruri, mentre l’austenite garantisce tenacità e duttilità. Una saldatura che solidifica con un bilanciamento errato sacrifica una di queste proprietà per ottenere l’altra.

Perché i giunti saldati austenitici e duplex sono diversi
Nei gradi austenitici, come 304L e 316L, il metallo base è essenzialmente completamente austenitico, ma il metallo d’apporto è deliberatamente formulato per solidificare con una piccola percentuale (qualche percento) di ferrite delta. Questa ridotta frazione di ferrite interrompe i contorni dei grani austenitici continui e scioglie impurità quali zolfo e fosforo, prevenendo la formazione di fessurazioni a caldo durante la solidificazione. Una quantità insufficiente di ferrite, inferiore a circa 3 FN, comporta il rischio di fessurazioni; una quantità eccessiva, superiore a circa 10–12 FN, può ridurre la tenacità e, dopo esposizione in servizio, favorire l’indurimento fragile. Nei gradi duplex il meccanismo è opposto: il metallo base è già una miscela bilanciata e l’obiettivo è riprodurre tale equilibrio anche nel cordone di saldatura. Un eccesso di ferrite in una saldatura duplex — che si verifica quando la saldatura si raffredda troppo rapidamente perché l’austenite possa riformarsi — degrada la tenacità e la resistenza alla corrosione, mentre un eccesso di austenite riduce la resistenza meccanica e può localmente compromettere la resistenza alla corrosione da pitting.

Previsione del valore FN mediante il diagramma WRC-1992
Il diagramma WRC-1992 è lo strumento moderno per prevedere la ferrite saldata in base alla composizione. Riporta graficamente un equivalente cromo, che somma gli elementi formatori di ferrite, contro un equivalente nichel, che somma gli elementi formatori di austenite, e fornisce il valore previsto di FN. L'equivalente cromo è Cr + Mo + 0,7 × Nb, mentre l'equivalente nichel è Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. Il coefficiente elevato assegnato all'azoto spiega perché le aggiunte di azoto spostano la saldatura verso l'austenite e perché vengono utilizzate intenzionalmente negli elettrodi di riempimento duplex e nei gas di protezione.

Tabella: Obiettivi tipici di ferrite

Misurazione della ferrite nella pratica
Il ferritoscopio è lo strumento principale in officina. Applica un campo magnetico sul giunto saldato e ne misura la risposta, che varia in proporzione al contenuto di ferrite, fornendo in pochi secondi una lettura diretta in unità FN, una volta calibrato rispetto a standard certificati. È uno strumento non distruttivo, portatile e particolarmente adatto ai controlli in produzione sia sui passaggi di radice sia su quelli di copertura. Per fini arbitrali o di ricerca, il conteggio puntuale metallografico su sezione trasversale incisa fornisce una percentuale in volume; entrambi i metodi sono disciplinati da norme riconosciute. Effettuare più letture lungo il giunto saldato e nella zona termicamente influenzata, anziché una singola misura in un punto isolato, poiché la diluizione e il raffreddamento variano lungo e attraverso il giunto. Ricordare inoltre che il ferritoscopio misura esclusivamente la regione superficiale a contatto con lo strumento: quindi rettifica, deformazione a freddo e contaminazione superficiale possono alterare il risultato, e le misure su tubi di piccolo diametro curvi potrebbero richiedere una correzione geometrica. In un laboratorio attrezzato, la misurazione della ferrite viene abbinata alle prove di resilienza e alle prove di corrosione per verificare che un valore favorevole si traduca effettivamente in prestazioni meccaniche e di resistenza alla corrosione accettabili.

Controllo della ferrite mediante procedura
Due processi dominano il controllo della ferrite: l'apporto termico e l'azoto. L'apporto termico regola la velocità di raffreddamento, che a sua volta determina la quantità di austenite che può riformarsi dalla ferrite solidificata per prima. Nella saldatura duplex, un apporto termico troppo basso provoca un raffreddamento rapido che 'congela' una percentuale eccessiva di ferrite, privando l'austenite degli elementi necessari alla sua formazione e riducendo la tenacità; un apporto termico eccessivo rallenta così tanto il raffreddamento da consentire la formazione di fasi intermetalliche. Un intervallo controllato — spesso con un limite superiore di temperatura tra le passate intorno ai 150 gradi Celsius — mantiene equilibrata la microstruttura. L'azoto è il fattore chimico chiave: l'aggiunta di qualche percentuale di azoto al gas di protezione (argon) e la scelta di un materiale d'apporto sovrallegato, ricco di nichel e azoto, favoriscono la riformazione dell'austenite e migliorano la resistenza alla corrosione del cordone saldato. Il caso autogeno richiede particolare attenzione, poiché un cordone realizzato senza materiale d'apporto e senza azoto nel gas di protezione dipende esclusivamente dalla composizione chimica del metallo base e tende a produrre un eccesso di ferrite; per questo motivo i primi passaggi (root passes) su acciai duplex vengono quasi sempre eseguiti con un gas di protezione di fondo contenente azoto. Un errore in questa fase ha conseguenze concrete: un cordone saldato duplex troppo ricco di ferrite mostra bassa tenacità secondo la prova Charpy e può creparsi sotto sollecitazione da cloruri; un cordone povero di ferrite perde resistenza meccanica e resistenza alla corrosione localizzata (pitting); un cordone austenitico con troppa poca ferrite può creparsi durante la solidificazione. Specificare una finestra di valori FN, prevederla mediante il diagramma WRC-1992, controllare accuratamente apporto termico e contenuto di azoto e verificare il risultato con uno strumento ferritoscopio trasforma la qualità della saldatura in un risultato controllato e documentabile, anziché in una semplice ipotesi.

Domande frequenti
D: Quale numero di ferrite deve avere una saldatura duplex 2205?
R: Una saldatura duplex 2205 bilanciata mira tipicamente a un numero di ferrite (FN) compreso approssimativamente tra 30 e 60; un eccesso di ferrite riduce la tenacità e la resistenza alla corrosione, mentre una quantità insufficiente ne riduce la resistenza meccanica.
D: Come si misura il numero di ferrite su saldature finite?
R: Nella maggior parte dei casi mediante uno strumento calibrato chiamato ferritoscopio, che rileva il numero di ferrite (FN) in modo non distruttivo in pochi secondi; il conteggio puntuale metallografico viene utilizzato per fini arbitrali e fornisce una percentuale in volume.

Per tubi duplex e austenitici saldati e collaudati secondo obiettivi controllati di ferrite, contattare Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. Tel. +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/