Investigation on welding and corrosion properties of the UNS S32304 & UNS S32570 duplex stainless steels and development of Nickel-Tungsten Carbide hardfacing by Plasma Transferred Arc (PTA) process

Gli acciai inossidabili duplex presentano proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e tenacità superiori rispetto agli acciai inossidabili ferritici, austenitici e martensitici. L’ottimo bilanciamento delle loro proprietà è dovuto alla particolare microstruttura che è costituita da percentuali pressoché uguali di ferrite (δ) e di austenite (γ). L’austenite è responsabile della resistenza a corrosione e della tenacità, la ferrite fornisce l’elevata resistenza meccanica; grazie a questa combinazione di proprietà l’acciaio inossidabile duplex offre molti vantaggi rispetto agli acciai inossidabili monofasici. Gli acciai duplex possono sopportare condizioni di esercizio più gravose e possono essere utilizzati in svariati settori industriali come l’alimentare, il petrolchimico, l’oil & gas, la trasmissione di potenza ed in ambiente marino. La saldatura è il principale metodo per la fabbricazione delle strutture in acciaio inossidabile e molteplici sono i processi che possono essere utilizzati a tale scopo. Tuttavia, la saldatura determina inevitabilmente un cambiamento delle proprietà del materiale base nella zona interessata dell’alterazione microstrutturale. Nella zona di saldatura si può assistere alla perdita del giusto bilanciamento delle due principali fasi, nonché si può verificare la precipitazione di fasi intermetalliche complesse. I processi di saldatura applicabili agli acciai inossidabili duplex possono essere molteplici; in questo lavoro sono stati studiati gli effetti prodotti da alcune varianti del tradizionale processo TIG sulla saldatura dell’acciaio duplex UNS S32304 e dell’acciaio superduplex UNS S32570. In particolare, sono stati considerati gli effetti dell’aggiunta di polveri di nichel, dell’utilizzo di azoto come gas di processo e dell’esecuzione di uno specifico trattamento termico a valle della realizzazione dei giunti saldati. È stata successivamente effettuata una caratterizzazione microstrutturale al microscopio ottico metallografico (MO) e sono state utilizzate tecniche di analisi di immagine al fine di studiare l’evoluzione delle percentuali di fase nelle diverse zone dei giunti. Prove di trazione e prove di microdurezza hanno consentito di valutare i miglioramenti ottenuti sulle proprietà meccaniche. Inoltre, su campioni ricavati dai giunti stessi sono state eseguite prove elettrochimiche per studiare la resistenza a corrosione al variare delle condizioni di processo e del trattamento termico. I risultati ottenuti mostrano che, sia l’aggiunta delle polveri di nichel, sia l’utilizzo dell’azoto come gas di processo determinano un incremento delle proprietà meccaniche e microstrutturali dei giunti. Risulta tuttavia che il processo che consente il miglior incremento prestazionale è l’esecuzione del trattamento termico post saldatura, in quanto tende a ripristinare le percentuali delle fasi ferritica e austenitica a livelli confrontabili con quelli del metallo base. Nella seconda parte della tesi sono state studiate le proprietà di un riporto a base di polveri di nichel e particelle di carburo di tungsteno applicato mediante processo PTA (Plasma Transferred Arc) sulla superficie dell’acciaio da utensili D2, adatto per lavorazioni a freddo. Con un riporto superficiale di tale tipologia è possibile incrementare sia la qualità dell’acciaio sia aumentare la sua vita in esercizio in molte applicazioni industriali. Per ottenere una appropriata combinazione dei parametri di processo e per eseguire il numero minimo di prove, è stato utilizzato la metodologia DoE (Design of Experiment). Come parametri variabili sono stati considerati la corrente, la velocità di avanzamento e il preriscaldamento. Questi parametri sono importanti per ottenere un riporto finale con una appropriata geometria del cordone di saldatura e con buone proprietà metallurgiche. Tutti i campioni sono stati preparati per le necessarie caratterizzazioni metallografiche ed è stato considerato l’effetto dei parametri di processo sulla geometria del cordone di saldatura. Nel corso di ciascun esperimento sono stati misurati i parametri della geometria del cordone tra cui la diluizione, la penetrazione e il rinforzo. Le microstrutture e la distribuzione delle particelle di carburo di tungsteno sono stati analizzati sia al microscopio ottico metallografico (OM) sia al microscopio elettronico a scansione (SEM) dotato di microsonda EDS. Inoltre, sono state eseguite prove di microdurezza per valutare le proprietà meccaniche dei riporti realizzati. Infine, fra tutti gli esperimenti, è stato selezionato il campione con l’appropriata geometria del cordone e l’adeguata microstruttura. Nell’ultima parte della tesi si è cercato di valutare l’effetto dell’aggiunta di nanoparticelle di carburo di tungsteno sul comportamento meccanico e metallurgico dell’esistente polvere di nichel. Per questi campioni, in aggiunta a quelli sopra menzionati, sono stati eseguiti test di usura ed analisi mediante profilometro sulla superficie, al fine di confrontare e selezionare l’ottima percentuale di aggiunta di nanoparticelle. I dettagli degli esperimenti e dei metodi sono descritti negli abstracts relativi a ciascun capitolo.