M. Boniardi°, V. Boneschi* °Dipartimento di Meccanica ...

1 Trattamenti di preparazione56 Trattamenti di preparazioneM. Boniardi , V. Boneschi* Dipartimento di Meccanica , politecnico di Milano*Centro InoxTrattamenti e Finiture luglio 2005 and passivationof stainless steels Pickling and passivation operationsare very important for stainlesssteel components as they createthe best conditions for that material to favour the passivation process, which is the base of stainlessnessDecapaggio e passivazionedegli acciai inossidabiliIntroduzioneParlando di acciai inossidabili quasi sempre immediato pensare adun materiale che in qualsiasi condi-zione rimane inalterato, resistendoagli attacchi delle varie forme dicorrosione. Nella realt esistonouna serie di fattori che devono esse-re presi in considerazione per assi-curare che queste leghe possano ga-rantire l attesa inossidabilit che siaspetta chi decida di farne uso. Fon-damentale lo stato della superficie:tanto pi importante se si tiene amente che gli acciai inossidabili, nel-la stragrande maggioranza dei casi,vanno in esercizio senza protezioniulteriori (rivestimenti protettivi, ver-niciatura ecc), potendo cos contareunicamente sulle proprie caratteri-stiche intrinseche di materiali pas-sivanti per resistere alle aggressionidell ambiente che li circonda e man-tenere inalterato il proprio aspetto ela propria funzionalit.

2 Gli acciai inossidabili e la lororesistenza alla corrosioneGli acciai inossidabili, grazie all ele-vato tenore di cromo contenuto in le-ga, si ricoprono spontaneamente diuno strato di ossido di cromo (nor-malmente Cr2O3) molto sottile, com-patto, trasparente e ben aderente al-la superficie detto film di passivit : ta-le strato di ossidi preserva gli acciaiinossidabili dall aggressione del-l ambiente circostante e ne garanti-sce la resistenza alla passivazione degli acciai inossi-dabili dipende in larga misura dal te-nore di cromo presente in lega: se-Le operazioni di decapaggio e di passivazionediventano di primaria importanza per uncomponente inox in quanto mettono tale materialenelle condizioni migliori per promuovere ilmeccanismo della passivazione che alla basedell inossidabilit .Fig. 1 Schematizzazione del fenomeno di of the corrosion phenomenon 57 Trattamenti e Finiture luglio 2005 la Euronorm 10088 neces-sario un tenore minimo di 10,5% dicromo per poter garantire la passi-vazione in aria a temperatura am-biente di questi materiali.

3 Secondoaltri autori la percentuale di cromoper permettere la formazione di unfilm passivo stabile leggermentepi elevata e si attesta attorno al 12%.Si noti, inoltre, come la possibilit omeno di formare uno strato passivodipenda in larga misura anche dal te-nore di ossigeno dell ambiente, dalsuo grado di acidit /basicit (pH) edalla temperatura. Per meglio comprendere i meccani-smi che governano la corrosione diun materiale metallico inserito in undeterminato ambiente, opportunoriferirsi allo schema tipo dell accop-piamento galvanico della corrosioneelettrochimica (fig. 1).Nel caso di una lastrina d acciaio ac-coppiata con una di rame, la corro-sione dell acciaio (ossia del materialemeno nobile tra i due) pu essere vi-sta come la somma di due processielettrochimici concomitanti e con-temporanei: il processo anodico di dissoluzio-ne (ossidazione) del ferro con con-seguente liberazione di elettroni:2Fe 2Fe2++ 4e-(1) il processo catodico(riduzione) checonsuma gli elettroni liberatisi e por-ta alla riduzione delle specie chimi-che presenti nell ambiente (ad esem-pio dell ossigeno):O2+ 2H2O + 4e- 4 OH-(2)Poich le due reazioni comportanoun trasporto ionico ed una circola-zione di elettroni ovvero una circo-lazione di corrente nel sistema, neconsegue quanto maggiore sar ilnumero di elettroni circolanti tantomaggiori saranno gli ioni ferro che siscioglieranno nella velocit di corrosione, quindi, sa-r direttamente proporzionale allacorrente circolante.

4 Velocit di corrosione icorr= ianodica= icatodica(3)Dal punto di vista chimico/elettro-chimico, la (1) e la (2) porteranno al-la formazione di ossidi e/o idrossididi ferro secondo la relazione:2Fe + O2+ 2H2O 2Fe(OH)2 Per meglio comprendere quanto so-pra enunciato, possibile ricorrere altracciamento delle curve che de-scrivono le due reazioni (1) e (2) al va-riare delle condizioni di tensione im-poste, ovvero la correlazione esi-stente tra la tensione imposta E e lacorrente circolante curve cos ottenute sono mostra-te in fig. 2 e prendono il nome di cur-ve potenziodinamiche, l una per lacaratteristica anodica (metallo/legache si corrode) e l altra per la carat-teristica catodica (ambiente).Nel caso molto semplice di un co-mune acciaio al carbonio le due cur-ve si presentano come mostrate infig. 2a mentre per un acciaio inossi-dabile si verifica la situazione mo-strata in fig. 2b. Il punto d intersezione delle due cur-ve mostrate in fig.

5 2 rappresenta lacondizione (3) in cui si ha l equiva-lenza delle correnti circolanti: essostabilisce il punto di funzionamentodel sistema e permette di stimare lavelocit di corrosione del materiale inquel particolare caso degli acciai al carbonio lacurva anodica (curva 1 - fig. 2a) mo-not na crescente: la corrente cresceproporzionalmente al crescere dellatensione applicata e con essa crescequindi la velocit di quanto riguarda gli acciai inos-sidabili (curva 1 - fig. 2b) osserva-bile, invece, il tipico comportamentoattivo-passivo. Dopo un primo pe-riodo in cui la curva anodica mostraun comportamento attivo (fino al va-lore Epp icp, tensione di passivazio-ne primaria - corrente di critica dipassivazione), si manifesta il feno-Fig. 2 Caratteristiche anodiche e catodiche in ambiente ossidante: (a) per un generico acciaio al carbonio e (b)per un generico acciaio inossidabile. (1) rappresenta la caratteristica anodica o del metallo e (2) lacaratteristica catodica o dell and cathode characteristics in oxidizing environment: (a) for a generic carbon steel and (b) for ageneric stainless steel.

6 (1) it represents the anode or metal characteristic and (2) the cathode orenvironmental di preparazione58 Trattamenti e Finiture luglio 2005 della passivazione con forma-zione del film protettivo di ossido dicromo. La caratteristica elettrochi-mica dell acciaio si modifica bru-scamente e, al crescere della ten-sione applicata E, si osserva una di-minuzione della corrente che si sta-bilizza attorno al valore ip(corrente dipassivazione). In corrispondenza delvalore della corrente di passivazionela velocit di corrosione ridottissi-ma e pu essere considerata, in pra-tica, nulla. Questo valore di corrente (ip) restacostante per un ampio intervallo ditensione (da Ep, tensione di passi-vazione, fino ad Et, tensione di trans-passivazione), oltre al quale l acciaioinossidabile torna a comportarsi inmodo elevata resistenza alla corrosioneuniforme degli acciai inossidabili vadunque collegata con i bassi valori diipe nell intervallo Ep-Et; tale feno-meno si manifesta in modo decisivo,giova qui ricordarlo, quando l am-biente ha caratteristiche ossidanti odebolmente ossidanti (come l aria,ad esempio).

7 L ottimo comportamento alla corro-sione degli acciai inossidabili va an-che ricercato in un altra importantecaratteristica: il film passivo di ossi-di di cromo dinamicamente stabi-le. Ci significa che qualora il filmpassivo venga danneggiato local-mente per effetti meccanici o perazioni chimiche, lo strato di ossidi dicromo in grado di riformarsi spon-taneamente, purch l ambiente cir-costante abbia un sufficiente potereossidante. In tal senso, l atmosfera el acqua costituiscono una sufficien-te fonte d ossigeno per il meccani-smo della passivazione (fig. 3).Altri elementi chimici, direttamen-te o indirettamente, influenzano l a-desione, la stabilit , lo spessore, lapossibilit di formazione e la velo-cit di ricostituzione di tale film e diconseguenza la resistenza alla cor-rosione dell acciaio. Questi elementi sono il molibdeno,l azoto, il nichel, il titanio ecc. Esi-stono pertanto acciai inossidabiliche possono garantire resistenzaalla corrosione molto elevata anchein ambienti particolarmente ag-gressivi.

8 In fig. 4, a titolo d esempio, riportatol andamento del valore del pH in fun-zione del tenore di molibdeno che pro-voca la depassivazione in acciai inos-sidabili con tenori di cromo tra il 17%e il 18% in una soluzione 2M di , affinch il meccanismodella passivazione possa verificarsi emantenersi stabile nel tempo, ne-cessario che lo stato superficiale del-l acciaio sia esente da qualsiasi ele-mento che possa ostacolarne o ri-tardarne l si riferisce, in particolare, a ossi-di di saldatura o ossidi dovuti ad al-terazioni termiche, sostanze conta-minanti (ad esempio particelle deri-vanti da altri materiali metallici, co-Fig. 3 Schematizzazionedel meccanismodella passivazionespontanea degliacciai ofthe spontaneouspassivation processof stainless 4 Andamento del pH infunzione del tenore dimolibdeno cheinduce ladepassivazione inacciai inossidabilicontenenti tenori diCromo tra il 17% e il18% in una soluzione2M di trend according tothe percentage ofmolybdenum whichdetermines thedepassivation instainless steelscontaining proportionsof Chromium rangingfrom 17% to 18% in a2M solution of e Finiture luglio 2005 l acciaio al carbonio), sporcizia divaria natura (grassi, olii ), chepossono provenire dal ciclo tecno-logico delle lavorazioni a cui il ma-teriale di base stato sottoposto perarrivare al componente finito, o pi semplicemente possono dipendereda una cattiva movimentazione ostoccaggio (ad esempio trasportocon funi di acciaio al carbonio ar-rugginito direttamente in contattocon l acciaio inossidabile).

9 In presenza di alterazioni della super-ficie l acciaio inossidabile non pu be-neficiare del fenomeno della passiva-zione e si manifestano attacchi corro-sivi pi o meno accentuati con mor-fologia tipo pitting (fig. 5).Affinch il manufatto in acciaioinossidabile possa garantire appienole propriet anticorrosive, neces-sario che la sua superficie sia ade-guatamente ripulita e preparata perespletare nel miglior modo possibi-le le propriet di passivazione: le ope-razioni tecnologiche dedicate allamessa a punto della superficie del-l acciaio inossidabile prendono il no-me di decapaggioe decapaggio e lapassivazioneEsistono diversi metodi per prepararele superfici secondo le finalit sopradescritte: tali metodi sono scelti infunzione del genere di ossido o del ti-po di contaminazione subita dal-l acciaio, tenendo per presente il ti-po di materiale, la forma e la tipolo-gia del componente nonch il nu-mero di pezzi sui quali operare il decapaggioIl procedimento di decapaggio fi-nalizzato a rimuovere le scaglie di os-sidi resistenti, formatesi in conse-guenza di riscaldamenti a tempera-tura elevata in presenza di un atmo-sfera ossidante.

10 Quanto accade, adesempio, nei processi di laminazionea caldo e di fucinatura, durante i trat-tamenti termici o dopo le operazionidi sistemi di decapaggio sono di duetipi: decapaggio meccanico e deca-paggio decapaggio meccanico viene ese-guito con sabbie silicee, corindone,sfere di vetro o di acciaio inossida-bile, spazzole di acciaio inossidabileo di materiali inerti. Grande attenzione deve essere postaper evitare fenomeni di contamina-zione ferrosa dell acciaio inossida-bile, facendo sempre uso di stru-menti specificamente dedicati; inparticolare le attrezzature usate (sfe-re, sabbie ecc.) non dovranno maiaver lavorato, in precedenza, con al-tri materiali solito il decapaggio meccanicopu precedere quello chimico, so-prattutto quando lo strato di ossidida rimuovere molto consistente eresistente. Nel caso dei decapaggiper via chimica si utilizzano bagniacidi. Queste modalit di decapaggiosono le pi diffuse e si basano susoluzioni di acido solforico (H2SO4)o soluzioni di acido nitrico (HNO3)pi acido fluoridrico (HF), portati atemperature superiori a quella am-biente.