Embrittlement della fase Sigma: gestione del servizio ad alta temperatura nelle tubazioni in acciaio inossidabile

L’embrittlemente della fase sigma è la formazione di un intermetallico duro e fragile a base di cromo e ferro negli acciai inossidabili, che precipita approssimativamente tra 600 e 950 °C, riducendo drasticamente sia la tenacità sia la resistenza alla corrosione della lega. Il risultato pratico è che un tubo duttile al momento della posa può diventare pericolosamente fragile dopo un lungo periodo di servizio o dopo un raffreddamento lento attraverso tale intervallo di temperature, in particolare nelle leghe ad alto contenuto di cromo, ad alto contenuto di molibdeno e nelle leghe duplex. La sua gestione si basa sul controllo del tempo e della temperatura di esposizione, sulla scelta della lega appropriata e sul ripristino della microstruttura mediante ricottura di solubilizzazione, qualora necessario. Presso Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. affrontiamo il problema della fase sigma già nelle fasi di progettazione e trattamento termico, non come semplice correzione successiva.

Che cos’è la fase sigma e perché si forma
Sigma è un intermetallico ordinato, ricco di cromo (genericamente di tipo FeCr), estremamente duro e quasi privo di duttilità. Si forma preferenzialmente ai bordi dei grani e alle interfacce ferrite-austenite, poiché tali siti forniscono sia il cromo necessario sia i percorsi di diffusione richiesti. La sua formazione è controllata dalla diffusione, quindi dipende congiuntamente da temperatura e tempo: all’interno della banda critica, la lega deve essere esposta in modo prolungato per generare quantità significative di sigma, e la precipitazione avviene più rapidamente nella parte centrale di tale intervallo, spesso intorno a 700–850 °C per molte leghe austenitiche.
Sigma presenta alcune caratteristiche subdole. Poiché sottrae cromo alla matrice circostante per costituirsi, il metallo adiacente risulta impoverito in cromo e pertanto meno resistente alla corrosione; così, un singolo meccanismo compromette contemporaneamente le prestazioni meccaniche e quelle chimiche. Inoltre, sigma può formarsi anche durante un raffreddamento lento successivo a saldatura o forgiatura, non soltanto in servizio: ciò significa che un componente potrebbe già contenere sigma ancor prima di essere messo in funzione.

Quali leghe sono suscettibili
La suscettibilità aumenta con il contenuto di cromo e molibdeno, poiché entrambi sono forti formatori della fase sigma. Le ghise austenitiche ad alta lega, come le leghe 316, 317 e le superaustenitiche, sono più soggette rispetto alla lega 304 a bassa lega. Le leghe stabilizzate con titanio o niobio, come le leghe 321 e 347, vengono scelte per impieghi a temperature elevate anche perché resistono alla sensibilizzazione, ma non sono immuni alla formazione della fase sigma nella parte superiore del campo di temperatura critico.
Le leghe duplex e super duplex richiedono particolare attenzione. Le leghe 2205 e 2507/S32750 contengono circa il 22–25% di cromo, oltre a molibdeno e una frazione elevata di ferrite; poiché la fase sigma si forma più rapidamente nella ferrite, queste leghe possono generare fasi fragilizzanti in tempi molto brevi nell’intervallo di temperatura 700–900 °C. Questo è il motivo per cui la fabbricazione di componenti duplex prevede controlli rigorosi sull’apporto termico e sulla temperatura tra i passaggi, e perché la temperatura massima raccomandata per l’impiego continuativo della lega 2205 è ben inferiore a quella di molte leghe austenitiche. Se una lega duplex viene mantenuta troppo a lungo intorno ai 850 °C, la tenacità all’urto può diminuire drasticamente.

Conseguenze in esercizio
Il sintomo più evidente della fragilità da sigma è il crollo della tenacità all’urto a temperatura ambiente. Un metallo che, in condizioni nuove, assorbiva elevate energie nel test Charpy può scendere a una frazione molto piccola di tale valore dopo la formazione della fase sigma, aumentando così il rischio di frattura fragile durante arresti dell’impianto, cicli termici o prove idrostatiche di riqualifica quando il metallo è freddo. La duttilità ad alta temperatura subisce un danno minore, quindi il pericolo si manifesta spesso soltanto quando l’impianto viene raffreddato per interventi di manutenzione.
La penalizzazione corrosiva deriva dall’impoverimento in cromo nelle zone circostanti le particelle di sigma. L’attacco localizzato, la corrosione da pitting e quella intergranulare si accelerano in tali zone impoverite, compromettendo proprio quelle leghe scelte per servizi particolarmente aggressivi. Nei materiali duplex, la combinata perdita di tenacità e di resistenza alla corrosione è esattamente il motivo per cui l’evitare fasi indurenti costituisce un requisito fondamentale nella fase di fabbricazione.

Prevenzione tramite progettazione e specifiche
La prima azione da compiere è mantenere il metallo fuori dalla fascia critica durante il funzionamento. Stabilire una temperatura massima documentata per il servizio e rispettarla: in questo modo si evita la maggior parte della formazione di sigma in servizio. Per le tubazioni in acciaio duplex significa rispettare il tetto di temperatura indicato dal produttore, anziché i limiti superiori applicati agli acciai austenitici. Qualora le alte temperature siano inevitabili, scegliere una lega stabilizzata o appositamente progettata per alte temperature, tenendo conto dell’esposizione cumulativa nel corso dell’intera vita utile prevista.
Anche i controlli di fabbricazione hanno un’importanza equivalente. Il raffreddamento rapido attraverso il campo di precipitazione dopo saldatura o formatura a caldo limita il tempo disponibile per la diffusione, riducendo così le possibilità di crescita della fase sigma. Per gli acciai duplex, il controllo dell’apporto termico, della temperatura tra i passaggi e della velocità di raffreddamento mantiene corretto l’equilibrio ferrite-austenite e inibisce la formazione di intermetallici. Le riparazioni saldate ripetute nello stesso punto rappresentano un rischio nascosto, poiché ogni intervento aggiunge un ulteriore ciclo termico nella zona critica.

Rilevamento e ripristino
La fase sigma si evidenzia metallograficamente mediante incisione e microscopia, e il suo effetto viene misurato tramite prove di impatto che rivelano la perdita di tenacità. Essendo dura, può essere individuata mediante rilievi di durezza e incisivi specializzati, mentre prove di corrosione confermano l’esaustione di cromo. Quando un componente risulta contenere sigma dannosa, è possibile ripristinare la microstruttura mediante ricottura in soluzione: riscaldare ben al di sopra del campo di precipitazione, tipicamente intorno a 1040–1120 °C per molte leghe austenitiche, mantenere per il tempo sufficiente a riportare l’intermetallico in soluzione, quindi raffreddare rapidamente per bloccare la struttura omogenea e attraversare rapidamente la finestra di riformazione.
La ricottura in soluzione funziona, ma non è sempre praticabile su tubazioni già installate, quindi la prevenzione rimane la scelta migliore. Per i nuovi materiali, una condizione di fornitura correttamente ricotta in soluzione e temprata, verificata mediante analisi chimiche e prove meccaniche, garantisce che il tubo parta privo di fasi induranti.

Conclusioni pratiche
La fase sigma è un fenomeno dipendente dal tempo e dalla temperatura, particolarmente attivo approssimativamente tra 600 e 950 °C e più rapido nelle leghe ad alto contenuto di cromo, molibdeno e nelle leghe duplex. Per evitarne la formazione, rispettare i limiti di temperatura di servizio, controllare i cicli termici di saldatura e deformazione e specificare materiali sottoposti a ricottura in soluzione. La sua presenza può essere rilevata mediante metallografia e prove di resilienza; ove possibile, può essere eliminata mediante ricottura in soluzione seguita da tempra rapida. Wenqiang fornisce acciai austenitici, stabilizzati e duplex nelle corrette condizioni di trattamento termico, con analisi chimiche, meccaniche e di corrosione eseguite internamente per confermare che la microstruttura sia idonea prima che i tubi vengano impiegati in servizi ad alta temperatura.

Domande frequenti
D: A quale temperatura si forma la fase sigma negli acciai inossidabili?
R: La fase sigma precipita approssimativamente tra 600 e 950 °C, con la velocità massima di formazione tipicamente nella parte centrale di tale intervallo. L’esposizione prolungata o il raffreddamento lento attraverso tale intervallo ne favoriscono la formazione, in particolare nelle leghe ad alto contenuto di cromo, molibdeno e nelle leghe duplex.
D: La fragilità da fase sigma può essere invertita?
R: Sì. Il ricottura in soluzione a circa 1040-1120 °C per le leghe austenitiche dissolve la fase sigma nuovamente nella matrice, e la tempra rapida ne impedisce la riformazione. Per le tubazioni già installate, ciò risulta spesso impraticabile, quindi si preferisce prevenirla mediante il controllo della temperatura.

Per tubazioni in acciaio inossidabile austenitico e duplex sottoposte a ricottura in soluzione e verificate mediante test interni, contattare Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. al numero +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/