Brasatura dell'acciaio inossidabile

Brasatura dell'acciaio inossidabile

1. Brasabilità

Il problema principale nella brasatura dell'acciaio inossidabile è che la pellicola di ossido sulla superficie influisce seriamente sulla bagnabilità e sulla diffusione della saldatura. Diversi acciai inossidabili contengono una notevole quantità di cromo (Cr), e alcuni contengono anche nichel (Ni), titanio (Ti), manganese (Mn), molibdeno (Mo), niobio (Nb) e altri elementi, che possono formare una varietà di ossidi o persino ossidi compositi sulla superficie. Tra questi, gli ossidi Cr2O3 e TiO2 di cromo e titanio (TiO2) sono piuttosto stabili e difficili da rimuovere. Nella brasatura in aria, è necessario utilizzare un flusso attivo per rimuoverli; nella brasatura in atmosfera protettiva, la pellicola di ossido può essere ridotta solo in un'atmosfera ad alta purezza con basso punto di rugiada e temperatura sufficientemente elevata; nella brasatura sottovuoto, è necessario disporre di un vuoto e di una temperatura adeguati per ottenere un buon risultato di brasatura.

Un altro problema della brasatura dell'acciaio inossidabile è che la temperatura di riscaldamento ha un grave effetto sulla struttura del metallo base. La temperatura di brasatura dell'acciaio inossidabile austenitico non deve superare i 1150 °C, altrimenti si verificherà una crescita eccessiva dei grani; se l'acciaio inossidabile austenitico non contiene elementi stabili come Ti o Nb e ha un alto contenuto di carbonio, è necessario evitare anche la brasatura entro la temperatura di sensibilizzazione (500 ~ 850 °C). Ciò previene la diminuzione della resistenza alla corrosione dovuta alla precipitazione di carburo di cromo. La scelta della temperatura di brasatura per l'acciaio inossidabile martensitico è ancora più rigorosa. Un aspetto fondamentale è quello di far coincidere la temperatura di brasatura con la temperatura di tempra, in modo da combinare il processo di brasatura con il trattamento termico; l'altro aspetto è che la temperatura di brasatura deve essere inferiore alla temperatura di rinvenimento per evitare che il metallo base si ammorbidisca durante la brasatura. Il principio di selezione della temperatura di brasatura per l'acciaio inossidabile a indurimento per precipitazione è lo stesso di quello per l'acciaio inossidabile martensitico, ovvero la temperatura di brasatura deve essere compatibile con il sistema di trattamento termico per ottenere le migliori proprietà meccaniche.

Oltre ai due problemi principali sopra menzionati, si riscontra una tendenza alla formazione di cricche da stress durante la brasatura dell'acciaio inossidabile austenitico, soprattutto quando si utilizza una lega d'apporto di rame e zinco. Per evitare tali cricche, il pezzo deve essere sottoposto a ricottura di distensione prima della brasatura e riscaldato uniformemente durante il processo.

2. Materiale per brasatura

(1) In base ai requisiti di utilizzo delle saldature in acciaio inossidabile, i metalli d'apporto per brasatura comunemente utilizzati per le saldature in acciaio inossidabile includono metallo d'apporto per brasatura a base di stagno e piombo, metallo d'apporto per brasatura a base di argento, metallo d'apporto per brasatura a base di rame, metallo d'apporto per brasatura a base di manganese, metallo d'apporto per brasatura a base di nichel e metallo d'apporto per brasatura a base di metalli preziosi.

La lega per saldatura stagno-piombo è utilizzata principalmente per la saldatura dell'acciaio inossidabile ed è adatta ad avere un elevato contenuto di stagno. Maggiore è il contenuto di stagno nella lega, migliore è la sua bagnabilità sull'acciaio inossidabile. La resistenza al taglio delle giunzioni in acciaio inossidabile 1Cr18Ni9Ti brasate con diverse leghe per saldatura stagno-piombo comuni è riportata nella Tabella 3. A causa della bassa resistenza delle giunzioni, queste vengono utilizzate solo per la brasatura di componenti con ridotta capacità portante.

Tabella 3 Resistenza al taglio del giunto in acciaio inossidabile 1Cr18Ni9Ti brasato con saldatura stagno-piombo

I materiali d'apporto a base d'argento sono i più comunemente utilizzati per la brasatura dell'acciaio inossidabile. Tra questi, le leghe argento-rame-zinco e argento-rame-zinco-cadmio sono le più diffuse perché la temperatura di brasatura ha un effetto minimo sulle proprietà del metallo base. La resistenza delle giunzioni in acciaio inossidabile ICr18Ni9Ti brasate con diverse leghe a base d'argento comuni è riportata nella Tabella 4. Le giunzioni in acciaio inossidabile brasate con leghe a base d'argento sono raramente utilizzate in ambienti altamente corrosivi e la temperatura di esercizio delle giunzioni generalmente non supera i 300 °C. Quando si brasa l'acciaio inossidabile senza nichel, per prevenire la corrosione della giunzione brasata in ambienti umidi, è necessario utilizzare un materiale d'apporto con un maggiore contenuto di nichel, come ad esempio b-ag50cuzncdni. Quando si brasa l'acciaio inossidabile martensitico, per prevenire l'ammorbidimento del metallo base, è necessario utilizzare un materiale d'apporto con una temperatura di brasatura non superiore a 650 °C, come ad esempio b-ag40cuzncd. Nella brasatura dell'acciaio inossidabile in atmosfera protettiva, per rimuovere lo strato di ossido superficiale, si possono utilizzare flussi autobrasanti contenenti litio, come b-ag92culi e b-ag72culi. Nella brasatura dell'acciaio inossidabile sottovuoto, per garantire una buona bagnabilità del metallo d'apporto anche in assenza di elementi facilmente evaporabili come Zn e CD, si può optare per un metallo d'apporto a base di argento contenente elementi come Mn, Ni e RD.

Tabella 4 Resistenza della giunzione in acciaio inossidabile ICr18Ni9Ti brasata con metallo d'apporto a base d'argento

I materiali d'apporto per brasatura a base di rame utilizzati per la brasatura di diversi tipi di acciaio sono principalmente rame puro, rame-nichel e rame-manganese-cobalto. Il rame puro viene utilizzato principalmente per la brasatura in atmosfera protettiva o sottovuoto. La temperatura di esercizio del giunto in acciaio inossidabile non supera i 400 °C, ma il giunto presenta una scarsa resistenza all'ossidazione. Il rame-nichel viene utilizzato principalmente per la brasatura a fiamma e a induzione. La resistenza del giunto brasato in acciaio inossidabile 1Cr18Ni9Ti è riportata nella Tabella 5. Si può notare che il giunto ha la stessa resistenza del metallo base e un'elevata temperatura di esercizio. Il rame-manganese-cobalto viene utilizzato principalmente per la brasatura dell'acciaio inossidabile martensitico in atmosfera protettiva. La resistenza e la temperatura di esercizio del giunto sono paragonabili a quelle ottenute con materiali d'apporto a base d'oro. Ad esempio, la giunzione in acciaio inossidabile 1Cr13 brasata con lega saldante b-cu58mnco ha le stesse prestazioni della stessa giunzione in acciaio inossidabile brasata con lega saldante b-au82ni (vedere Tabella 6), ma il costo di produzione è notevolmente ridotto.

Tabella 5 Resistenza al taglio del giunto in acciaio inossidabile 1Cr18Ni9Ti brasato con metallo d'apporto a base di rame ad alta temperatura

Tabella 6 Resistenza al taglio del giunto brasato in acciaio inossidabile 1Cr13

I materiali d'apporto per brasatura a base di manganese sono utilizzati principalmente per la brasatura in atmosfera gassosa, per la quale è richiesta un'elevata purezza del gas. Al fine di evitare la crescita dei grani del metallo base, è necessario selezionare un materiale d'apporto per brasatura con una temperatura di brasatura inferiore a 1150 °C. Come mostrato nella Tabella 7, è possibile ottenere un effetto di brasatura soddisfacente per i giunti in acciaio inossidabile brasati con lega a base di manganese. La temperatura di esercizio del giunto può raggiungere i 600 °C.

Tabella 7 Resistenza al taglio del giunto in acciaio inossidabile lcr18ni9fi brasato con metallo d'apporto a base di manganese

Quando l'acciaio inossidabile viene brasato con un materiale d'apporto a base di nichel, il giunto presenta buone prestazioni alle alte temperature. Questo materiale d'apporto viene generalmente utilizzato per la brasatura in atmosfera protettiva di gas o sottovuoto. Per ovviare al problema della formazione di un eccesso di composti fragili nel giunto brasato durante il processo, che ne riduce significativamente la resistenza e la plasticità, è necessario ridurre al minimo lo spazio tra i componenti per garantire la completa diffusione nel metallo base degli elementi che tendono a formare fasi fragili presenti nella lega saldante. Per prevenire la crescita dei grani del metallo base dovuta a un lungo tempo di mantenimento alla temperatura di brasatura, è possibile adottare misure di processo che prevedono un breve tempo di mantenimento e un trattamento di diffusione a una temperatura inferiore (rispetto alla temperatura di brasatura) dopo la saldatura.

I metalli d'apporto per brasatura a base di metalli nobili utilizzati per la brasatura dell'acciaio inossidabile includono principalmente metalli d'apporto a base d'oro e metalli d'apporto contenenti palladio, tra i quali i più tipici sono b-au82ni, b-ag54cupd e b-au82ni, che presentano una buona bagnabilità. Il giunto in acciaio inossidabile brasato ha un'elevata resistenza alle alte temperature e all'ossidazione, e la temperatura massima di esercizio può raggiungere gli 800 ℃. Il b-ag54cupd ha caratteristiche simili al b-au82ni e il suo prezzo è inferiore, quindi tende a sostituire il b-au82ni.

(2) La superficie dell'acciaio inossidabile nell'atmosfera del flusso e del forno contiene ossidi come Cr2O3 e TiO2, che possono essere rimossi solo utilizzando un flusso ad alta attività. Quando l'acciaio inossidabile viene brasato con una lega stagno-piombo, il flusso adatto è una soluzione acquosa di acido fosforico o una soluzione di acido cloridrico di ossido di zinco. Il tempo di attività della soluzione acquosa di acido fosforico è breve, quindi è necessario adottare il metodo di brasatura a riscaldamento rapido. I flussi Fb102, Fb103 o Fb104 possono essere utilizzati per la brasatura dell'acciaio inossidabile con metalli d'apporto a base d'argento. Quando si brasa l'acciaio inossidabile con metallo d'apporto a base di rame, si utilizza il flusso Fb105 a causa dell'elevata temperatura di brasatura.

Nella brasatura dell'acciaio inossidabile in forno, si utilizza spesso un'atmosfera sottovuoto o un'atmosfera protettiva composta da idrogeno, argon e ammoniaca decomposta. Durante la brasatura sottovuoto, la pressione del vuoto deve essere inferiore a 10⁻² Pa. Quando si brasa in atmosfera protettiva, il punto di rugiada del gas non deve essere superiore a -40 °C. Se la purezza del gas non è sufficiente o la temperatura di brasatura non è elevata, è possibile aggiungere all'atmosfera una piccola quantità di flussante per brasatura gassosa, come il trifluoruro di boro.

2. Tecnologia di brasatura

L'acciaio inossidabile deve essere pulito più accuratamente prima della brasatura per rimuovere eventuali residui di grasso e olio. È preferibile brasare immediatamente dopo la pulizia.

La brasatura dell'acciaio inossidabile può essere effettuata mediante fiamma, induzione e riscaldamento in forno. Il forno per la brasatura deve essere dotato di un buon sistema di controllo della temperatura (la deviazione della temperatura di brasatura deve essere di ± 6 ℃) e deve potersi raffreddare rapidamente. Quando si utilizza l'idrogeno come gas di protezione per la brasatura, i requisiti relativi all'idrogeno dipendono dalla temperatura di brasatura e dalla composizione del metallo base, ovvero, minore è la temperatura di brasatura, maggiore è la quantità di stabilizzante presente nel metallo base e minore è il punto di rugiada dell'idrogeno richiesto. Ad esempio, per acciai inossidabili martensitici come 1Cr13 e Cr17Ni2T, durante la brasatura a 1000 ℃, il punto di rugiada dell'idrogeno deve essere inferiore a -40 ℃; per l'acciaio inossidabile al cromo-nichel 18-8 senza stabilizzante, il punto di rugiada dell'idrogeno deve essere inferiore a 25 ℃ durante la brasatura a 1150 ℃; Tuttavia, per l'acciaio inossidabile 1Cr18Ni9Ti contenente stabilizzante al titanio, il punto di rugiada dell'idrogeno deve essere inferiore a -40 °C durante la brasatura a 1150 °C. Quando si brasa con protezione di argon, è richiesta una purezza dell'argon maggiore. Se sulla superficie dell'acciaio inossidabile viene depositato rame o nichel, il requisito di purezza del gas di protezione può essere ridotto. Per garantire la rimozione del film di ossido sulla superficie dell'acciaio inossidabile, è possibile aggiungere anche un flusso di gas BF3 e utilizzare una lega saldante autoflussante contenente litio o boro. Quando si brasa l'acciaio inossidabile sotto vuoto, i requisiti di grado di vuoto dipendono dalla temperatura di brasatura. Con l'aumento della temperatura di brasatura, il vuoto richiesto può essere ridotto.

Il processo principale di lavorazione dell'acciaio inossidabile dopo la brasatura consiste nella pulizia del flusso residuo e dell'inibitore di flusso residuo, e nell'esecuzione di un trattamento termico post-brasatura, se necessario. A seconda del flusso e del metodo di brasatura utilizzati, il flusso residuo può essere lavato con acqua, pulito meccanicamente o chimicamente. Se si utilizza un abrasivo per pulire il flusso residuo o la pellicola di ossido nella zona riscaldata vicino al giunto, si deve utilizzare sabbia o altre particelle fini non metalliche. I componenti realizzati in acciaio inossidabile martensitico e acciaio inossidabile a indurimento per precipitazione necessitano di un trattamento termico in base alle specifiche esigenze del materiale dopo la brasatura. I giunti in acciaio inossidabile brasati con metalli d'apporto Ni-Cr-B e Ni-Cr-Si vengono spesso sottoposti a un trattamento termico di diffusione dopo la brasatura per ridurre i requisiti di spazio di brasatura e migliorare la microstruttura e le proprietà dei giunti.