L'acciaio inossidabile si scioglie in un'ampia gamma, non in un singolo punto

L'acciaio inossidabile non ha una temperatura di fusione. È una famiglia di leghe e ogni grado fonde nel proprio intervallo di temperature. Per i gradi industriali comuni l'intervallo è compreso all'incirca tra 1.375 °C (2.500 °F) e 1.530 °C (2.786 °F). La cifra più spesso citata per il popolare grado austenitico 304 è 1.400–1.450 °C ; un grado martensitico come 410 fonde a una temperatura più elevata, a 1.480-1.530 °C.

Perché un intervallo invece di un punto? Un metallo puro fonde a una temperatura fissa, ma l'acciaio inossidabile è una miscela di ferro, cromo, nichel e altri elementi. Queo la lega viene riscaldata, i suoi costituenti con il punto di fusione più basso diventano prima liquidi. Quella temperatura è la solido . Il liquidus è la temperatura alla quale scompare l'ultimo solido. Tra i due il materiale è in parte solido e in parte liquido, motivo per cui i valori pubblicati appaiono sempre come un intervallo.

Entrambe le estremità dell’intervallo contano. Il solidus ti dice quando il carico di una fornace inizierà a perdere la sua forma; il liquidus ti dice quando è completamente fuso. Nessuno dei due numeri, tuttavia, indica la temperatura alla quale un componente dovrebbe essere utilizzato.

Intervalli di fusione per i comuni gradi di acciaio inossidabile

La tabella seguente elenca gli intervalli di fusione per i gradi comunemente specificati nelle apparecchiature industriali. L'ultima colonna è volutamente inclusa: mostra la tipica temperatura massima di servizio continuo nell'aria e rende immediatamente visibile il divario tra intervallo di fusione e funzionamento sicuro.

Leggere la tabella

304, 316 e 321 fondono all'interno di una finestra simile anche se i loro pacchetti di leghe differiscono. 410 fonde notevolmente più in alto perché la sua struttura martensitica è più vicina a una lega semplice di ferro-cromo. Il confronto più istruttivo, tuttavia, è quello tra 304 e 310S: condividono lo stesso intervallo di fusione, ma il 310S può funzionare a una temperatura di servizio quasi 200 °C più alta. L'intervallo di fusione da solo non direbbe quale grado appartiene all'interno di una fornace.

I gradi fusi resistenti al calore seguono la stessa logica

Gradi fusi resistenti al calore utilizzati per attrezzature per forni, come 1.4848 and 1.4837 , comportarsi allo stesso modo. I loro intervalli di fusione sono vicini a quelli dei loro equivalenti lavorati, ma livelli più elevati di carbonio e silicio ampliano l'intervallo di solidificazione. Ciò è importante durante la fusione e significa anche che la loro resistenza utilizzabile è determinata dal comportamento allo scorrimento viscoso e dall'ossidazione piuttosto che dal punto di fusione.

Come la chimica delle leghe sposta l'intervallo di fusione

Cromo, nichel, carbonio e molibdeno svolgono lavori diversi

Il cromo rende inossidabile l'acciaio inossidabile, ma non aumenta il punto di fusione. Il nichel stabilizza la struttura austenitica e migliora la resistenza alle alte temperature, ma tende ad abbassare il solidus. Il carbonio, mantenuto basso nella maggior parte degli acciai inossidabili lavorati e aumentato deliberatamente negli acciai fusi resistenti al calore, amplia il divario tra solidus e liquidus. Il molibdeno, aggiunto al 316, migliora la resistenza alla vaiolatura spingendo leggermente l'intervallo di fusione verso il basso.

Il risultato pratico è che i gradi austenitici (304, 316, 321, 310S) fondono in una fascia intorno a 1.375-1.450 °C, mentre i gradi martensitici e ferritici come 410 e 430 possono fondere a temperature più elevate. Quando un acquirente confronta le schede tecniche, piccole differenze nell'intervallo di fusione tra gradi simili raramente rappresentano il fattore decisivo. Il divario tra l'intervallo di fusione di un grado e il suo temperatura massima di servizio conta molto di più.

Perché i numeri pubblicati variano tra le fonti

Le tabelle di riferimento non sempre concordano fino all'ultimo grado, e non ci si aspetta che lo facciano. Ogni calore di produzione ha un'analisi leggermente diversa e piccoli cambiamenti nel cromo, nel nichel, nel carbonio, nel silicio o negli elementi residui spostano il solidus di alcuni gradi. Per scopi ingegneristici tale variazione è irrilevante; ciò che conta è se il grado rimane solido e resistente alla temperatura operativa del forno.

Il punto di fusione non è una temperatura operativa sicura

Per qualsiasi componente in acciaio inossidabile, l'intervallo di fusione rappresenta un limite massimo, non un obiettivo operativo. Una parte perderà le sue proprietà meccaniche utili molto prima che inizi a sciogliersi.

Il creep inizia a circa la metà della temperatura di fusione

I metalli iniziano a deformarsi o deformarsi lentamente sotto carico sostenuto, a circa il 40-50% della loro temperatura di fusione su scala assoluta. Per il 304, che fonde a circa 1.400-1.450 °C, la zona sensibile al creep inizia intorno ai 400-560 °C; entro gli 800–900 °C, il creep domina già la vita di un componente caricato. Questo è esattamente il motivo per cui il 304 non è consigliato per il servizio continuo a temperature molto superiori a 870 °C, anche se il suo intervallo di fusione è superiore di quasi 600 °C. Le parti rotanti sono ancora più esigenti: le pale dei ventilatori dei forni combinano l'alta temperatura con lo stress centrifugo, quindi il loro involucro di sicurezza è impostato ben al di sotto del punto di fusione.

L'ossidazione e l'atmosfera del forno stabiliscono il limite reale

In aria, il limite di servizio di un grado inossidabile è regolato dalla resistenza all'incrostazione. Il cromo forma e mantiene lo strato protettivo di ossido; Il 310S, con circa il 25% di cromo e il 20% di nichel, resiste all'ossidazione a temperature che distruggerebbero rapidamente il 304. Nelle atmosfere di carburazione, nitrurazione o riduzione, il quadro cambia di nuovo: la carburazione rende fragili, la nitrurazione forma strati duri e fragili e il ciclo termico rompe le scaglie di ossido. La scelta del grado deve quindi considerare insieme l'intervallo di fusione, la resistenza allo scorrimento viscoso, il limite di ossidazione e la risposta atmosferica.

Cosa significa questo per i componenti del forno e gli strumenti per il trattamento termico

I componenti del forno, come cestelli, vassoi, tubi radianti, rulli e ventole, operano in una fascia ristretta: abbastanza calda da avvicinarsi all'estremità inferiore degli intervalli di fusione dell'acciaio inossidabile, ma molto al di sotto di essi in servizio effettivo. Un cestello per un trattamento termico che funziona a 950 °C si trova a circa 450 °C al di sotto del solidus di 304. Sembra sicuro, ma lo scorrimento viscoso, l'ossidazione, la carburazione e la fatica termica decidono se il cestello dura un mese o due anni. A Fusione in lega FH , la stessa disciplina di selezione governa ogni componente che costruiamo.

310S e la famiglia di utensili saldati

Per cestelli e dispositivi saldati che devono mantenere la loro geometria a 1.000 °C e oltre, il 310S è un punto di partenza frequente. Il suo intervallo di fusione si sovrappone a quello del 304, ma la sua resistenza all'ossidazione e la resistenza allo scorrimento a caldo sono sostanzialmente migliori. I componenti fabbricati come i cestelli saldati per trattamento termico 310S sono costruiti con questo grado per forni sotto vuoto e atmosferici dove cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento richiedono stabilità dimensionale. La stessa logica si applica su scala più ampia: grandi vassoi di base per trattamento termico vengono regolarmente specificati rispetto a un controllo del grado basato sull'intervallo di fusione prima che venga posata una singola saldatura.

Qualità fuse per rulli, tubi radianti e collegamenti

Quando un componente è troppo grande, troppo complesso o troppo sollecitato per essere fabbricato da una piastra, subentra la fusione. I forni a suola a rulli, ad esempio, utilizzano rulli centrifugati in qualità come 1.4848 e 1.4848 Rulli del forno in acciaio fuso resistenti al calore dimostrare come la logica del voto diventa una parte operativa. I tubi radianti, i collegamenti fusi, le rotaie del forno e i cursori vengono prodotti allo stesso modo. Per la geometria non standard, più ampio getti di acciaio resistenti al calore il programma abbina la lega e la geometria alla zona effettiva del forno.

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Un avvertimento vale per ogni acquisto: non specificare un materiale semplicemente perché il suo intervallo di fusione supera la temperatura del forno. L'atmosfera operativa, il ciclo di riscaldamento e raffreddamento, il carico e la durata richiesta svolgono tutti un ruolo. Se il tuo forno si trova vicino all'estremità superiore dell'intervallo di funzionamento di un grado, un ingegnere di fonderia può verificare tali condizioni prima di impegnarti in un progetto.

Utilizzare l'intervallo di fusione come primo filtro, quindi verificare il rendimento

Quando si valuta una scheda tecnica in acciaio inossidabile per una parte ad alta temperatura, considerare l'intervallo di fusione come un controllo di sopravvivenza. Quindi utilizza le proprietà del servizio per giudicare le prestazioni:

1. Confermare la temperatura massima della zona del forno e confrontarla con l'intervallo di fusione del grado. Il margine dovrebbe essere ampio.
2. Verificare la temperatura massima di servizio continuo nell'atmosfera interessata; nell'aria, la resistenza alla scala normalmente stabilisce questo limite.
3. Stimare il rischio di creep in base al tempo trascorso alla temperatura e al carico applicato; per una lunga durata superiore a 800–900 °C, passare al 310S o a un grado fuso come 1.4848.
4. Rivedere il ciclo termico, compreso il raffreddamento; la fatica termica e la distorsione possono porre fine alla vita di una parte prima che lo faccia lo scorrimento viscoso.
5. Documentare la decisione, perché gli utensili del forno vivono o muoiono in base alla corrispondenza tra lega e servizio.

Il punto di fusione dell'acciaio inossidabile è un intervallo perché l'acciaio inossidabile è una famiglia, non un singolo materiale. Utilizzare l'intervallo come limite, quindi pesare l'ossidazione, lo scorrimento, l'atmosfera e il carico. Questi fattori determinano se un componente sopravvive in una vera fornace.