Appunti schematici Corrosione e protezione dei materiali metallici

R R

• Designazione: sistema americano (codice di 5 cifre preceduto dalla lettera C; le prime tre cifre

sistema alfanumerico

indicano la famiglia di leghe e possono essere seguite da due zeri) e

(codice di lunghezza variabile, preceduto da “Cu”, che riporta gli elementi presenti sotto forma

di simbolo chimico e la loro percentuale sotto forma di numero intero. Si antepone alla sigla la

lettera P se l’ottone è per deformazione plastica e la lettera G se è per getto).

• fosforo

Il viene aggiunto al Cu per rimuovere l'ossigeno presente nel materiale, migliorando la

deformabilità plastica a freddo e l’attitudine alla saldatura: l’ossigeno può formare ossidi che

possono creare uno strato super ciale che impedisce la corretta fusione dei materiali. Inoltre gli

ossidi possono restare intrappolati nel cordone di saldatura come inclusioni, compromettendo

la resistenza meccanica e la durabilità del giunto saldato. In aggiunta, l’ossigeno può reagire

con altri elementi presenti nel bagno di saldatura, producendo gas (come CO o CO ) che

2

possono rimanere intrappolati nella saldatura mentre si solidi ca, formando porosità. L’aggiunta

di fosforo può tuttavia alterare la conducibilità elettrica del Cu: si formano impurità che

in uenzano la struttura cristallina del rame e ostacolano il libero movimento degli elettroni.

• Pitting del rame: può essere indotto da acque fortemente inquinate, ma nel passato si è

spesso veri cato anche nelle comuni condutture civili. In questi ultimi casi si è rilevata spesso la

concomitanza con acque a pH elevato e livelli signi cativi di cloruri e solfati. Il meccanismo

dell’attacco corrosivo trae origine dal particolare stato di fornitura delle tubazioni. Queste ultime

infatti, quando fornite allo stato ricotto, subiscono un trattamento termico a temperature tra 400

e 600°C, che lascia sulle super ci interne un residuo carbonioso disomogeneo, che potrebbe

essere la causa dell’innesco delle osservate corrosioni localizzate. Per ovviare a questo

SANCO

inconveniente sono disponibili tubazioni per le quali si assicura l’assenza di residui

O),

carboniosi interni e la formazione di un sottile velo di ossidulo di rame (Cu che si trasforma

2

durante utilizzo con acqua potabile in una patina nobile costituita da carbonato basico di rame

CuCO (OH) (malachite) di caratteristico colore verde, che protegge nel tempo le tubazioni.

3∙ 2(s)

• Metalli bianchi: →

leghe ternarie Cu-Ni-Zn altoresistenziali (σ =800 MPa) Bronzine.

R 10

fl fi fl fi fi fi fi fi fi

Ottoni

• Leghe Cu-Zn dove la percentuale di Zn va dal 5% al 40%.

• Con addizioni di vari elementi originano una vasta gamma di leghe; tra queste gli ottoni al

nichel (leghe cupronichel).

• soluzioni solide sostituzionali α;

Quando la percentuale di Zn è inferiore a 36% si formano

leghe bifasiche α+β.

oltre questa percentuale si formano le

• ottoni α rossi ottoni α gialli.

Si distingue inoltre tra e

• ottone Cartridge)

Tra gli ottoni più importanti ricordiamo la lega 70%Cu - 30%Zn (C26000, e la

ottone Muntz).

lega 60%Cu - 40%Zn (C28000,

• In acqua la fase β, più ricca di Zn, viene attaccata preferenzialmente rispetto alla fase α (lo Zn è

dezinci cazione.

meno nobile del rame) e subisce

• resistenza a corrosione

La caratteristica principale degli ottoni l’elevata in ambienti naturali,

dove si forma un sottile deposito di prodotti di corrosione molto protettivo, detto patina nobile.

• Pb

Con aggiunte di (1-3%) migliora la lavorabilit degli ottoni alle macchine utensili per

asportazione di truciolo: il piombo ha la stessa funzione dei solfuri di manganese negli acciai,

ovvero è praticamente insolubile, per cui favorisce la formazione di inclusioni non metalliche che

contribuiscono alla ra nazione dell'acciaio.

• Negli ottoni al nichel migliora molto la resistenza a corrosione, soprattutto in ambiente marino,

90-10 70-30.

cos come la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione-erosione: e

• Dezinci cazione degli ottoni: interessa gli ottoni monobasici con tenori di Zn > 15% e tutti gli

ottoni bifasici con Zn > 40%. Si ipotizza che tutta la matrice Cu+Zn vada in soluzione, ma

essendo lo zinco meno nobile del rame questo si ossida, lasciando Cu metallico depositato, che

As, Sb P

determina la variazione di colore da giallo iniziale a rosso. Piccole aggiunto di o

ADZ).

aumentano la resistenza alla dezinci cazione, ma solo per ottoni monobasici (ottoni

Bronzi

• Leghe Cu-Sn dove la percentuale di Sn va dall’1,5% al 20%.

• soluzioni

Lo Sn, comunemente aggiunto al Cu con tenore del 9-10%, dà origine a

monofasiche α ottima resistenza alla corrosione

che presentano in numerosi ambienti e

buone caratteristiche meccaniche.

• Aumentando la percentuale di stagno oltre il 13,9% si ottengono leghe di durezza maggiore, ma

maggiore fragilit .

• L’elevata resistenza alla corrosione dei bronzi spiega il larghissimo uso in costruzioni navali, o

per materiali a contatto con liquidi o atmosfere corrosive (impianti chimici).

• È usuale chiamare bronzi anche leghe caratterizzate dalla presenza di un altro metallo, anche se

lo stagno non c’ oppure un componente minoritario, tra queste i bronzi all’alluminio

(cuprallumini), che hanno ottima resistenza alla fatica e alla cavitazione (i bronzi propriamente

detti sono chiamati bronzi comuni).

CORROSIONE PER TURBOLENZA ED EROSIONE

• sforzo di taglio

Il movimento relativo di un uido rispetto ad una super cie genera uno che può

danneggiare i lm super ciali protettivi.

• L’e etto aumenta all’aumentare della velocità del uido e viene esaltato dalla presenza di un

particolato solido.

• sforzo critico di taglio

La corrosione si innesca quando si supera uno in corrispondenza di una

velocità critica, oltre la quale si danneggiano e rimuovono i lm protettivi.

• leghe di rame,

Particolarmente soggette a questo fenomeno sono le con velocità critiche poco

superiori a 1 m/s. Si formano dei crateri con forma di ferro di cavallo orientati secondo la

a ferro di cavallo).

direzione del usso (attacco

• cupronichel 70/30 90/10

Maggiori resistenze sono o erte dai (3,7 m/s) e (2,4 m/s).

• titanio acciai inox

Il è considerato quasi immune dalla corrosione-erosione e per gli il

danneggiamento rimane modesto anche ad alte velocità.

• I lm di passivazione elettrochimica sono più resistenti delle patine nobili (maggiore adesione).

I lm di passività inoltre si riformano immediatamente una volta rimossi, le patine nobili no.

• Le velocità critiche indicate in letteratura sono relative ad un usso in una tubazione orizzontale.

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fl

LEGHE DI TITANIO

• Metallo molto abbondante sulla crosta terrestre (dopo Fe,Al,Mg).

• g/cm

Ha bassa densit (4,5 ) e alta temperatura di fusione (1668°C). Il modulo elastico è pari a

3

115GPa (aumentabile con l’aggiunta di interstiziali) e il carico di rottura nelle leghe arriva no a

σ =1200 MPa σ =600 MPa).

(in media È dotato di elevata resistenza a fatica e eccezionale

R R

resistenza a corrosione. Il costo è pari a 6-8 volte quello di un acciaio inox.

• È stato a lungo inutilizzato per le di colt di estrazione dal minerale rutilo (TiO ) (ragioni tutt’oggi

2

del suo elevato costo) e per la sua alta reattivit con l’ambiente, soprattutto ossigeno. Una volta

prodotto, il titanio puro, noto commercialmente come titanio grado 2, sviluppa naturalmente un

sottile ma estremamente tenace lm di ossido sulla sua super cie (TiO ).

2

• aerospaziale.

Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate nell'industria Tra queste, la lega

Ti-6Al-4V,

più comunemente impiegata è la lega che contiene alluminio e vanadio.

• Polimor smo: titanio α (EC, stabile no a 882°C) e titanio β (CCC, stabile per T>882°C).

• Il reticolo EC del titanio ha un rapporto c/a minore rispetto al valore teorico di 1,66; questa

caratteristica conferisce al titanio una maggiore facilità di lavorazione attraverso deformazione

plastica. L’aggiunta di vari elementi di lega può in uenzare la temperatura di trasformazione,

spostandola e potenzialmente abbassandola; questo può portare alla formazione di diverse

leghe α, leghe bifasiche α+β, leghe β, leghe quasi-α leghe quasi-β.

strutture, tra cui e Le

leghe pi impiegate in applicazioni di resistenza a corrosione ad umido sono le leghe α.

• Leghe α: impiegate allo stato ricotto, hanno eccellenti propriet dalle basse temperature no a

500°C; sono facilmente saldabili e a temperatura ambiente sono le meno resistenti tra le leghe

di titanio. Nelle varie versioni di titanio α commerciale, aumentando il tenore di ossigeno dallo

0,18% del Grado 1 allo 0,40% del Grado 4, il carico unitario di snervamento aumenta da 170 a

480 MPa, a fronte di una riduzione nei valori di allungamento a rottura.

SUPERLEGHE

• O rono eccezionali combinazioni di propriet . In funzione della loro composizione, possono

esibire resistenze in ambiente umido ed a caldo e trovano ampio impiego anche nell’industria

chimica e petrolchimica. Non sono facili da lavorare e sono pi costose degli acciai.

Superleghe a base nichel

• Superleghe resistenti a corrosione (CRA): sono in grado di resistere a corrosione in ambienti

speci ci senza dare grande importanza alla loro resistenza meccanica. La loro maggiore

resistenza a corrosione rispetto agli acciai inox (base ferro) dovuta alla possibilit di sciogliere

nella matrice CFC del Ni quantit assai maggiori di elementi che incrementano la stabilit degli

ossidi di cromo di passivit , quali soprattutto il Mo (N molto meno). In modo indicativo il limite di

550°C.

temperatura per le CRA Tra le superleghe a base nichel resistenti a corrosione

Haynes int.

troviamo le

• Superleghe per alta temperatura (HTA): sono molto impiegate per palettature di turbine a gas

e in molte applicazioni dell'industria chimica e petrolchimica; hanno grande resistenza in

ambienti corrosivi (ad eccezione di quelli contenenti zolfo) no ad una T massima di

1200-1300°C e ottima resistenza a creep. Sono designate con il marchio registrato dell'impresa

detentrice del brevetto, seguito da un numero o codice che individua la composizione: Nimonic,

Inconel, Hastelloy Haynes. Pur avendo una composizione generalmente complessa, queste

superleghe presentano una microstruttura relativamente semplice