Guida alla forgiatura dell'acciaio inossidabile: I 3 tipi principali spiegati

L'acciaio inossidabile è un tipo di acciaio altamente legato con un basso contenuto di carbonio (generalmente non superiore a 0,4% in massa) e contenente vari elementi di lega (con una frazione di massa di elementi di lega superiore a 13%).

Gli acciai inossidabili si dividono in ferritici, austenitici e martensitici in base alla loro struttura a matrice. L'acciaio inossidabile ha un'elevata resistenza alla deformazione, una bassa conducibilità termica, una forte sensibilità al surriscaldamento e una scarsa forgiatura.

Forgiatura di acciaio inossidabile ferritico

L'acciaio inossidabile ferritico contiene una piccola quantità di carbonio, con una frazione di massa di cromo compresa tra 16% e 30% (come 20Cr13, 10Cr17, ecc.). Questo tipo di acciaio non subisce trasformazioni strutturali durante il riscaldamento e il raffreddamento e non può utilizzare metodi di trattamento termico per migliorare la resistenza o affinare i grani; solo i metodi di forgiatura possono affinare i grani. La sua temperatura di ricristallizzazione è bassa, la velocità di ricristallizzazione è rapida, i grani tendono a crescere durante il riscaldamento e la forgiatura è scarsa. I punti chiave del processo di forgiatura dell'acciaio inossidabile ferritico sono i seguenti:

1) La grana dell'acciaio inossidabile ferritico inizia a crescere a 600°C. Per evitare la formazione di grani durante il processo di riscaldamento, la temperatura di riscaldamento non deve essere troppo alta e il tempo di mantenimento non deve essere troppo lungo. Il valore iniziale comunemente utilizzato temperatura di forgiatura è compresa tra 1100 e 1150°C, e la temperatura di riscaldamento dell'ultimo fuoco non dovrebbe superare i 1000°C. Per ridurre il tempo di permanenza della billetta alle alte temperature, è necessario riscaldare rapidamente la billetta alla temperatura iniziale di forgiatura dopo averla riscaldata lentamente a 760°C.

2) Poiché l'acciaio inossidabile ferritico non può utilizzare metodi di trattamento termico per affinare i grani, deve essere completamente forgiato durante la forgiatura per affinare i grani e garantire una deformazione sufficiente e uniforme. La deformazione dell'ultimo fuoco deve essere superiore a 12% - 20%. La temperatura finale di forgiatura deve essere inferiore a 800°C per evitare che i grani raffinati si riaggreghino. Tuttavia, per evitare l'indurimento da lavoro causato da una temperatura finale di forgiatura troppo bassa, la temperatura finale di forgiatura non dovrebbe essere inferiore a 750°C.

3) Dopo la forgiatura, l'acciaio deve essere raffreddato ad aria per disperdere rapidamente la zona di infragilimento a 475°C. Una ricottura di breve durata al di sopra dei 550°C (in genere 700-800°C) può riportare l'acciaio inossidabile infragilito al suo stato originale non fragile.

Forgiatura di acciaio inossidabile austenitico

La frazione di massa di carbonio dell'acciaio inossidabile austenitico è inferiore a 0,25%, la frazione di massa di cromo è compresa tra 17% e 19% e la frazione di massa di nichel è compresa tra 8% e 18%, come 12Cr18Ni9, 17Cr18Ni9, ecc. L'acciaio inossidabile austenitico non subisce trasformazioni strutturali quando viene raffreddato, né può utilizzare metodi di trattamento termico per aumentare la resistenza e affinare i grani, ma può essere sottoposto solo a deformazione termica per forgiatura e ricristallizzazione. I grani dell'acciaio inossidabile austenitico tendono a crescere ad alte temperature, ma la tendenza alla crescita non è così forte come quella dell'acciaio inossidabile ferritico.

Le specifiche di riscaldamento degli acciai inossidabili austenitici sono simili a quelle degli acciai ferritici: la temperatura iniziale di forgiatura è generalmente compresa tra 1150 e 1180°C, mentre la temperatura finale di forgiatura non dovrebbe essere inferiore a 850°C; in caso contrario, la precipitazione di carburi nella struttura aumenta la resistenza alla deformazione, rendendo la forgiatura soggetta a cricche.

 I punti chiave del processo di forgiatura dell'acciaio inossidabile austenitico sono i seguenti:

1) Evitare rigorosamente la carburazione durante il riscaldamento. Il carbonio e il cromo formano facilmente composti di carburo di cromo ai confini dei grani, che impoveriscono il contenuto di cromo nella matrice vicino ai confini dei grani e aumentano la sensibilità dell'acciaio alla corrosione intergranulare. Il riscaldamento deve avvenire in un'atmosfera debolmente ossidante.

2) Quando si forgiano i lingotti di acciaio, iniziare con una pressatura leggera. Solo quando la deformazione del lingotto d'acciaio raggiunge 30% è possibile applicare una pressatura pesante. Durante la forgiatura, il lingotto deve essere alimentato in un'unica direzione per evitare di martellare ripetutamente in un punto, evitando così la formazione di cricche trasversali centrali.

3) Il rapporto di forgiatura per i lingotti di acciaio è compreso tra 4 e 6 e per le billette tra 2 e 4, a seconda della granulometria della materia prima. La granulometria dell'acciaio inossidabile austenitico influisce notevolmente sulla resistenza alla corrosione dell'acciaio. Per ottenere una struttura a grana fine, occorre assicurarsi che l'ultimo calore abbia un rapporto di forgiatura sufficiente, con una quantità di deformazione superiore al grado di deformazione critico per la ricristallizzazione.

4) Durante il processo di deformazione è necessaria una deformazione uniforme per ottenere una struttura della grana più uniforme. Per i forgiati di dischi tondi si possono prendere in considerazione le seguenti misure:

• Utilizzare una piattaforma e una superficie dell'incudine lisce, lubrificando se necessario;
• Preriscaldare la piattaforma e la superficie dell'incudine a 150-450°C;
• Aggiungere pastiglie di acciaio a basso tenore di carbonio a entrambe le estremità del disco grezzo;
• Utilizzare la forgiatura per impilamento;
• Applicare una compressione intermittente durante la deformazione;
• Utilizzare un involucro per il sollevamento.

5) L'acciaio inossidabile austenitico ha un tasso di ritiro particolarmente elevato. Quando la forgiatura è nella sua forma finale, si dovrebbe considerare un tasso di ritiro maggiore (da 1,5% a 1,7%) per evitare che il pezzo forgiato venga scartato a causa delle dimensioni insufficienti dopo il raffreddamento.

6) Raffreddamento ad aria dopo la forgiatura. L'acciaio inossidabile austenitico può essere raffreddato ad aria, a pozzo o a sabbia dopo la forgiatura.

7) Per ridisciogliere i carburi precipitati durante il processo di forgiatura e raffreddamento ad aria nell'austenite, ottenendo una struttura austenitica uniforme e singola a temperatura ambiente, l'acciaio inossidabile dovrebbe essere sottoposto a un trattamento di solubilizzazione, ossia riscaldamento e mantenimento a 1020-1050°C, quindi raffreddamento ad acqua. La temperatura non deve essere troppo alta e il tempo di mantenimento non deve essere troppo lungo per evitare la crescita dei grani.

3. Forgiatura di acciaio inossidabile martensitico

L'acciaio inossidabile martensitico ha una frazione di massa di carbonio compresa tra 0,1% e 4% e una frazione di massa di cromo compresa tra 12% e 14%, come 20Cr13, 30Cr13, 40Cr13, ecc. Questo tipo di acciaio è austenitico ad alte temperature e si trasforma in struttura martensitica quando viene raffreddato a temperatura ambiente. Ha una durezza superiore a quella degli acciai inossidabili ferritici e austenitici, e la sua granulometria può essere affinata e le proprietà meccaniche migliorate mediante trattamento termico.

La temperatura di riscaldamento per gli acciai inossidabili martensitici non deve essere troppo elevata, poiché una temperatura troppo alta può portare alla formazione di δ-ferrite, riducendo la plasticità dell'acciaio. La temperatura iniziale di forgiatura è generalmente compresa tra 1100 e 1150°C. Questo tipo di acciaio ha una scarsa conducibilità termica e un riscaldamento rapido può facilmente causare cricche. Pertanto, deve essere riscaldato lentamente prima di raggiungere gli 850°C e solo dopo aver migliorato la plasticità può essere riscaldato rapidamente alla temperatura iniziale di forgiatura.

Questo tipo di acciaio presenta una struttura austenitica monofase ad alte temperature e non presenta particolari difficoltà di forgiatura, ma è necessario evitare forti colpi nell'intervallo tra 900 e 950°C per evitare la frantumazione. Anche la quantità di deformazione dell'ultimo fuoco non ha requisiti particolari e la temperatura finale di forgiatura è generalmente intorno ai 900°C.

Se questo tipo di acciaio viene raffreddato in aria dopo la forgiatura, si trasforma immediatamente in una struttura martensitica. All'interno del pezzo forgiato sono presenti notevoli tensioni termiche, tensioni residue di forgiatura e tensioni strutturali, che possono facilmente portare a cricche superficiali. Pertanto, dopo la forgiatura, il pezzo deve essere raffreddato lentamente in sabbia calda o in un forno e deve essere eseguita una tempestiva ricottura per eliminare le tensioni interne e ridurre la durezza, facilitando la lavorazione.