Effetto della Kolsterizzazione sulla resistenza all’usura e alla corrosione dell’acciaio AISI 316L

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1. GLI ACCIAI INOSSIDABILI 
 
 
 
 
1.1 INTRODUZIONE 
 
La norma EN 10088 definisce acciai inossidabili quelle leghe ferrose che 
contengono cromo in ragione di almeno il 10,5%: la ragione di tale definizione va 
ricercata nella caratteristica di queste leghe di resistere bene ad un attacco corrosivo, 
proprietà posta in luce sperimentalmente a suo tempo da Tamman (Figura 1.1 [1]); 
gli acciai inossidabili, infatti, sono in grado di passivarsi in un ambiente 
sufficientemente ossidante (per esempio l’aria), ossia di formare sulla superficie una 
sottile (20 100 Å) ma tenace pellicola di ossido. La composizione della pellicola è 
variabile e dipende da molteplici fattori quali il tipo d’acciaio, la sua composizione 
chimica, lo stato superficiale e le condizioni di trattamento termico [2].  
In questo capitolo verranno illustrate le caratteristiche generali e i principali 
metodi di indurimento superficiale degli acciai inossidabili, con particolare 
riferimento agli austenitici. 
 
 
 
 
Figura 1.1 Curva di Tamman.
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1.2 CARATTERISTICHE DEGLI ACCIAI INOSSIDABILI 
1.2.1 Metallurgia 
 
Gli acciai ordinari, non legati, sono essenzialmente delle leghe ferro-carbonio 
le cui caratteristiche metallurgiche sono rappresentate nel diagramma di stato 
riportato in Figura 1.2 [3]. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.2 Diagramma di stato ferro-carbonio.
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Figura 1.3 Cella elementare cubica a corpo centrato (a), cubica a facce centrate (b). 
 
 
 
 
 
Come si può notare da tale diagramma, il ferro puro è caratterizzato da diverse 
forme allotropiche, distinte con lettere dell’alfabeto greco [4]: 
 
 Ferro . La sua forma di cristallizzazione è cubica a corpo centrato 
(Figura 1.3 (a)), è magnetico ed è stabile fino a 769°C. 
 
 Ferro . La sua forma di cristallizzazione è analoga al ferro , per cui 
modernamente non è considerato come forma allotropica a se stante; è 
paramagnetico ed è stabile negli intervalli 769911°C durante il 
riscaldamento, 900769°C nel raffreddamento. 
 
 Ferro . Forma di cristallizzazione cubica a facce centrate (Figura 1.3 
(b)), stabile negli intervalli 911 1392°C nel riscaldamento, 1401 900°C 
durante il raffreddamento. 
 
 Ferro . Forma di cristallizzazione cubica a corpo centrato, stabile da 
1392°C al punto di fusione (1536°C).
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In definitiva, a seconda della struttura del reticolo di ferro si distingueranno 
diversi tipi di soluzioni ferro-carbonio:  
 
Ferrite  : soluzione solida interstiziale di carbonio in ferro . Per analogia 
vengono chiamate ferrite tutte le soluzioni solide di altri elementi nel ferro 
. 
 
Austenite: soluzione solida interstiziale di carbonio in ferro . Per analogia 
vengono chiamate austenite tutte le soluzioni solide di altri elementi nel 
ferro . 
 
Ferrite  : soluzione solida interstiziale di carbonio in ferro . 
 
Data la forma della cella cubica a facce centrate, l’austenite è in grado di 
mantenere in soluzione una quantità di carbonio molto superiore rispetto alla ferrite. 
 
Nel caso degli acciai inossidabili, oltre al ferro e al cromo, entrano in gioco 
anche altri elementi quali cromo e nichel: sarà opportuno allora considerare altri due 
diagrammi di stato, quello ferro-cromo (Figura 1.4) e quello ferro-nichel (Figura 1.5) 
[1]. 
Il diagramma ferro-cromo evidenzia la azione alfagena o ferritizzante del 
cromo che, come è chiaramente visibile in Figura 1.4, restringe il campo di esistenza 
del ferro   per favorire il dilatarsi di quello del ferro ; esistono anche altri elementi 
alfageni e tra questi ricordiamo il silicio, il molibdeno, il titanio, il niobio , il tantalo 
e l’alluminio. 
Nel campo dei tenori di cromo fino a circa il 13% si nota l’esistenza di un 
campo chiuso del ferro , quindi per leghe aventi tenore di cromo inferiore al limite 
predetto si ha, partendo dal solido, prima la separazione di ferrite, poi la 
trasformazione di questa in austenite e infine la ritrasformazione finale in ferrite. 
Una più attenta osservazione ci porta poi a considerare l’esistenza di una 
nuova fase, denominata fase : questa fase, che può essere presente negli acciai 
inossidabili, specialmente con alto tenore di cromo, è da considerarsi deleteria sia 
per quanto riguarda la tenacità che per quanto riguarda la resistenza a corrosione.
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           Figura 1.4 Diagramma di stato ferro-cromo.  Figura 1.5 Diagramma di stato ferro-nichel. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.6 Influenza del carbonio sul diagramma ferro-cromo.
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Il diagramma ferro-nichel, invece, mostra la netta azione gammagena o 
austenitizzante del nichel che, al contrario del cromo, allarga il campo di esistenza 
del ferro   riducendo quello del ferro  e del ferro ; anche in questo caso esistono 
altri elementi ad azione gammagena e tra questi ricordiamo il manganese, l’azoto, il 
rame e il carbonio. In effetti, considerando l’influenza del carbonio sul diagramma di 
stato ferro-cromo (in Figura 1.6 è riportata la porzione di diagramma relativa alla 
parte inferiore della zona di esistenza del ferro ) si nota come esso allarghi la curva 
che delimita il campo di esistenza dell’austenite [5]. Poiché il campo in cui il ferro  
è stabile a temperatura elevata si allarga, quando sia presente carbonio in ragione 
dello 0,25%, a tenori di cromo superiori al 20%, potremo avere acciai inossidabili 
temprabili, vale a dire in grado di elevare la loro durezza attraverso un trattamento 
termico di tempra. 
 
Da quanto detto finora emerge che avremo la possibilità di distinguere almeno 
tre famiglie di acciai inossidabili: 
 
 I ferritici, a struttura ferritica stabile indipendente dalla temperatura; 
 
 Gli austenitici, a struttura austenitica stabile indipendente dalla 
temperatura; 
 
 I martensitici, induribili mediante trattamento termico. 
 
Schaeffler ha riportato in un diagramma che prende il suo nome l’influenza dei 
diversi elementi alfageni e gammageni sulla formazione dei diversi tipi di acciai 
inossidabili. 
Questo diagramma, riportato in Figura 1.7 [6], considera gli elementi alfageni 
espressi come “cromo equivalente”: 
 
cromo equivalente = %Cr + % Mo + 1,5 · %Si + 0,5 · %Nb. 
 
L’asse delle ordinate del diagramma riporta invece gli elementi gammageni 
espressi come “nichel equivalente”:  
 
nichel equivalente = %Ni + 30 · %C + 0,5 · %Mn.
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Figura 1.7 Diagramma di Schaeffler. 
 
 
 
 
 
 
Il diagramma, per la verità, è stato tracciato per indicare le strutture che 
possono essere presenti nei cordoni di saldatura, dunque generabili in un bagno fuso 
che solidifica rapidamente partendo da una temperatura molto elevata. Ne scende 
che, in linea di principio, l’estensione al caso della produzione di acciai inossidabili 
costituisce un’estrapolazione certamente non rigorosa. 
Nel diagramma di Schaeffler, poi, non sono indicati né un elemento alfageno 
come il titanio né un elemento gammageno come l’azoto: la ragione va ricercata nel 
fatto che il diagramma è tracciato per cordoni di saldatura all’arco ricavati con l’uso 
di elettrodi rivestiti e che elettrodi contenenti titanio non sono adottati nella pratica.
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L’azoto, non compreso inizialmente nello studio di Schaeffler, è stato 
successivamente introdotto nel diagramma di De Long o Schaeffler modificato 
(Figura 1.8 [7]) in cui 
 
nichel equivalente = %Ni + 30 · %C + 30 · %N + 0,5 · %Mn. 
 
Possiamo dunque concludere che 
 
 Gli acciai martensitici sono quelli aventi indicativamente un tenore di 
carbonio compreso tra 0,1 0,5% con punte anche di 1% e oltre, nonché 
un tenore di cromo indicativamente compreso tra 11 e 19%; 
 
Figura 1.8 Diagramma di De long
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 Gli acciai ferritici sono quelli aventi indicativamente un tenore di cromo 
compreso tra 10,5 e 30% e tenori di carbonio molto bassi, solitamente al 
di sotto dello 0,1%; 
 
 Gli acciai austenitici sono quelli che, oltre al cromo (in ragione del 
1628%) contengono nichel in ragione del 6 32% e tenori di carbonio 
molto bassi, al di sotto dello 0,15%. Vanno menzionati, accanto a questi, 
anche quelli in cui parte del nichel è sostituita dal manganese. 
 
Ricordiamo che esistono anche gli acciai a struttura duplex, detti anche 
austeno-ferritici, in cui la composizione è equilibrata in modo che siano presenti 
contemporaneamente austenite e ferrite, e gli acciai inossidabili indurenti per 
precipitazione. 
I diagrammi riportati nelle Figura 1.9 e Figura 1.10 [1] illustrano, in modo 
puramente qualitativo, il posizionamento delle varie famiglie di acciai inossidabili in 
una rappresentazione avente in ascisse le percentuali di cromo ed in ordinate, 
rispettivamente, quelle di nichel e di carbonio. 
Oltre a carbonio, nichel e cromo, gli acciai inossidabili possono contenere al 
loro interno altri elementi di lega, tra i quali ricordiamo: 
 
 Molibdeno: aumenta la stabilità della pellicola passivante, specie in 
ambienti riducenti, e ha un’influenza favorevole sulle proprietà 
meccaniche a caldo degli acciai austenitici; 
 
 Manganese: viene utilizzato negli acciai austenitici per sostituire 
parzialmente il nichel come elemento austenitizzante; 
 
 Silicio e Alluminio: aumentano la resistenza all’ossidazione a caldo;  
 
 Titanio e Niobio (o Columbio): avendo affinità per il carbonio formano 
con esso carburi molto stabili, evitando il verificarsi della corrosione 
intergranulare (v. Paragrafo 1.4.2.3); 
 
 Tungsteno e Vanadio: vengono aggiunti in alcuni acciai austenitici e 
martensitici per elevarne le proprietà meccaniche a caldo;
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Figura 1.9 Tipi o famiglie di acciai inossidabili in funzione del contenuto di cromo e nichel. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.10 Tipi o famiglie di acciai inossidabili in funzione del contenuto di cromo e carbonio.
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 Rame: talvolta aggiunto per aumentare la resistenza a corrosione in certi 
ambienti oppure, in parziale sostituzione del nichel, per ottenere acciai 
austenitici che presentino una migliore deformabilità a caldo; 
 
 Azoto: utilizzato negli acciai austenitici per accrescere il carico di 
rottura e, soprattutto, il limite di scostamento dalla proporzionalità; per 
ragioni economiche può essere utilizzato in parziale sostituzione del 
nichel; 
 
 Zolfo: migliora la lavorabilità alle macchine utensili. 
 
 
 
1.2.2 Designazione degli acciai inossidabili 
 
La designazione degli acciai inossidabili è stabilita dall’UNI nella norma UNI-
EN 10027, che vale in generale per tutti gli acciai e consta di due parti. 
La prima parte (designazione alfanumerica) fissa le regole di designazione 
mediante simboli letterali e alfanumerici che esprimono la destinazione di impiego e 
le caratteristiche principali degli acciai e che ne forniscono una indicazione 
abbreviata (vedi Tabella 1.1). 
La seconda parte (designazione numerica) fissa le regole di designazione 
attraverso un sistema numerico, orientato all’informatizzazione dei dati, in cui ogni 
acciaio è individuato da un codice così formato: 
 
1.XX YY(YY) 
  
dove   1.  numero di gruppo del materiale (1.=acciaio) 
   XX  numero del gruppo dell’acciaio 
YY(YY) numero sequenziale. Le cifre tra parentesi sono 
previste per una possibile applicazione futura.
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Tabella 1.1 Designazione (secondo UNI) degli acciai legati il cui tenore in massa di almeno un elemento di lega 
supera il 5%. 
 
 
 
 
 
Tabella 1.2 Numeri di gruppo per individuare i diversi tipi di acciai inossidabili e refrattari con codice 
numerico secondo la norma UNI-EN 10027.
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Nella Tabella 1.2 viene riportato l’estratto del prospetto dei codici che 
consentono di costruire o decifrare la designazione numerica degli acciai inossidabili 
e refrattari. 
A livello mondiale, una tra le designazioni più diffuse nel settore degli acciai 
inossidabili è sicuramente quella della AISI (American Iron and Steel Institute): essa 
divide gli acciai in 
 
 Acciai austenitici al cromo-manganese-nichel, designati da un numero 
di tre cifre principiante con la cifra 2 (2xx), dove la seconda coppia di 
cifre (xx) non ha nessun riferimento alla analisi del materiale, ma 
semplicemente serve a distinguere un tipo da un altro; 
 
 Acciai austenitici al cromo-nichel, designati da un numero di tre cifre 
principiante con la cifra 3 (3xx), dove la seconda coppia di cifre ha il 
medesimo significato sopra menzionato; ;  
 
 Acciai ferritici e martensitici al solo cromo, designati da un numero di 
tre cifre principiante con la cifra 4 (4xx) dove la seconda coppia di cifre 
ha il significato già sottolineato. 
 
Per la corrispondenza tra le designazioni degli acciai inossidabili secondo le 
varie unificazioni e le classificazioni esistenti a livello mondiale si rimanda a testi 
specializzati. 
 
 
 
1.3 TIPI DI ACCIAI INOSSIDABILI 
1.3.1 Gli acciai inossidabili martensitici 
 
Nella Tabella 1.3 sono radunate le analisi dei tipi di acciai inossidabili previsti 
dalla UNI-EN 10088 designati con sigla alfanumerica, codice numerico (secondo 
UNI-EN 10027) e affiancati alla sigla AISI corrispondente, quando possibile.
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Tabella 1.3 Analisi indicativa degli acciai inossidabili martensitici. 
 
 
 
 
 
Gli acciai inossidabili martensitici posseggono i punti A
1
 e A
3
 e sono 
suscettibili, pertanto, di innalzare le loro caratteristiche meccaniche resistenziali e di 
durezza mediante un trattamento termico di tempra: tali acciai vengono dunque 
utilizzati quando, oltre ad una certa resistenza alla corrosione, sono richieste elevate 
caratteristiche di resistenza a trazione, durezza e resistenza ad usura. 
A seconda della quantità di carbonio e di cromo presente in lega si possono 
ottenere, mediante riscaldo a temperature superiori a quella di austenitizzazione 
(punto A
3
) delle strutture completamente austenitiche o delle strutture austenitiche 
più carburi: ne consegue che si avranno, a tutta tempra, strutture formate, 
rispettivamente, da martensite oppure da martensite più carburi. Questa è la ragione 
del fatto che, dopo tempra, è possibile pervenire a durezze molto diverse a seconda 
del tipo di acciaio con cui si ha a che fare.
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A causa dell’elevato tenore di leganti in essi presenti, questi acciai sono detti 
autotempranti: possono quindi essere temprati anche su grossi spessori e come mezzi 
di raffreddamento vengono di solito adottati l’aria e l’olio riscaldato. 
La resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili martensitici è inferiore a 
quella dei ferritici e degli austenitici. Le migliori condizioni di resistenza alla 
corrosione sono quelle corrispondenti allo stato di tempra e distensione attorno ai 
150 200°C: allo stato ricotto, infatti, una buona parte di cromo è combinata con il 
carbonio sotto forma di carburi, con il risultato che la matrice risulta notevolmente 
impoverita di cromo e quindi si comporta come se ne avesse un tenore molto 
inferiore a quello nominale. 
La permeabilità magnetica (relativa) classifica gli acciai inossidabili 
martensitici tra i materiali ferromagnetici: essa si aggira, per i tipi AISI 410 e 416, 
attorno a valori di 700 1000. 
In Figura 1.11 i vari tipi di acciai martensitici vengono messi in relazione con 
gli AISI 403 e 410 assunti come riferimento. 
 
 
 
 
 
Figura 1.11 Relazione tra gli acciai martensitici rapportati agli AISI 403 e 410 assunti come riferimento.