Conoscenza base del nichel e dell'acciaio inossidabile
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Conoscenza base del nichel e dell'acciaio inossidabile
La funzione principale del nichel nell'acciaio inossidabile è quella di modificare la struttura cristallina dell'acciaio. Uno dei motivi principali per aggiungere nichel all'acciaio inossidabile è la formazione della struttura cristallina di austenite, che migliora le proprietà dell'acciaio inossidabile come plasticità, saldabilità e tenacità. Pertanto, il nichel viene indicato come l'elemento che forma l'austenite. La struttura cristallina dell'acciaio al carbonio ordinario è chiamata ferrite, che presenta una struttura cubica a corpo centrato (BCC). L'aggiunta di nichel promuove la trasformazione della struttura cristallina da una struttura cubica a corpo centrato (BCC) a una struttura cubica a faccia centrata (FCC), chiamata austenite. Tuttavia, il nichel non è l’unico elemento con questa proprietà. Gli elementi comuni che formano l'austenite includono nichel, carbonio, azoto, manganese e rame. L'importanza relativa di questi elementi nella formazione dell'austenite è di grande importanza per prevedere la struttura cristallina dell'acciaio inossidabile. Attualmente sono state sviluppate molte formule per esprimere l'importanza relativa degli elementi che formano l'austenite, la più famosa delle quali è la seguente formula:
Capacità di formazione dell'austenite=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%
Da questa equazione si può vedere che il carbonio è un forte elemento formante austenite, con una capacità di formare austenite 30 volte quella del nichel. Tuttavia, non può essere aggiunto all'acciaio inossidabile resistente alla corrosione perché può causare corrosione da sensibilizzazione e conseguenti problemi di corrosione intergranulare dopo la saldatura. Anche la capacità dell'elemento azoto di formare austenite è 30 volte quella del nichel, ma è un gas. Per evitare il problema della porosità, all’acciaio inossidabile è possibile aggiungere solo una quantità limitata di azoto. L'aggiunta di manganese e rame può portare a una riduzione della durata del refrattario e a problemi di saldatura durante il processo di produzione dell'acciaio.
Dall'equazione del nichel si può vedere che l'aggiunta di manganese non è molto efficace nella formazione di austenite, ma l'aggiunta di manganese può dissolvere più azoto nell'acciaio inossidabile, che è un elemento molto forte che forma austenite. Nell'acciaio inossidabile della serie 200, manganese e azoto sono sufficienti per sostituire il nichel e formare una struttura austenitica al 100%. Minore è il contenuto di nichel, maggiore sarà la quantità di manganese e azoto da aggiungere. Ad esempio, nell'acciaio inossidabile tipo 201, contiene solo il 4,5% di nichel e lo 0,25% di azoto. Secondo l'equazione del nichel, la capacità di questo azoto di formare austenite è equivalente al 7,5% di nichel, quindi può anche formare una struttura austenite al 100%. Questo è anche il principio di formazione dell'acciaio inossidabile della serie 200. In alcuni acciai inossidabili della serie 200 che non soddisfano gli standard, a causa dell'impossibilità di aggiungere quantità sufficienti di manganese e azoto per formare una struttura austenitica al 100%, la quantità di cromo aggiunto è stata ridotta artificialmente, il che porta inevitabilmente a una diminuzione della resistenza alla corrosione dell’acciaio inossidabile.
Nell'acciaio inossidabile, due forze opposte agiscono contemporaneamente: gli elementi che formano ferrite formano continuamente ferrite e gli elementi che formano austenite formano continuamente austenite. La struttura cristallina finale dipende dalla quantità relativa di due tipi di elementi aggiunti. Il cromo è un elemento che forma ferrite, quindi esiste una relazione competitiva tra gli elementi che formano cromo e austenite nella formazione della struttura cristallina dell'acciaio inossidabile.
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