Quanti pregi ha l’ottone! Ma anche lui, purtroppo, si corrode
Storicamente impiegato nella impiantistica civile ed industriale, l’ottone è una lega di rame e zinco dotata di elevata alta resistenza agli stress meccanici. A caratterizzarla, ci sono inoltre
- un’ottima lavorabilità meccanica;
- una durezza inferiore a quella del bronzo;
- sempre in paragone con il bronzo, una più elevata resistenza alla corrosione.
Tuttavia, questo promettente materiale non è indenne da un fenomeno di entità molto grave, che causa di deterioramento – generalmente lento (altrimenti si parla di attacco chimico) – delle proprietà tecnologiche.
Parlo, naturalmente, di corrosione. Un fenomeno troppo spesso sottovalutato, in entrambi i suoi aspetti:
- umida quando si è in presenza di acqua allo stato condensato,
- secca in assenza di acqua condensata (a temperature elevate).
Sei modi in cui la corrosione colpisce il tuo materiale
Nonostante i loro molti pregi, ahimè, gli ottoni non si sottraggono alla corrosione. Né questa si presenta con una sola faccia! Ci sono infatti sei modalità riconoscibili, e quindi ‘monitorabili’. Anche se vorrei dirti, ottimisticamente, che sono ‘evitabili’.
Come è naturale aspettarsi, molto incide l’ambiente in cui il metallo si trova a ‘lavorare’, e in generale incidono le condizioni di utilizzo. Comunque, sarà meglio stilare un elenco, c he poi non è neppure tanto breve, per realizzare una visione complessiva del fenomeno.
Ecco a te il mostro a più teste, quel castigo che la corrosione. Proviamo a declinarla:
- corrosione generalizzata,
- corrosione localizzata per vaiolatura (“pitting”),
- corrosione per azione meccanica (erosione, “fretting”),
- dealligazione in particolari ambienti (o dezincificazione degli ottoni),
- corrosione intergranulare e
- corrosione sottosforzo (crepe di stagionatura degli ottoni)
Vediamo una per una queste pesanti minacce alla qualità del tuo materiale, alle ripercussioni che possono avere nella produzione e nella vita d’esercizio dei prodotti. Si dice che prevenire è meglio di curare: per cui cerchiamo di far luce sulla ‘malattia’.
Corrosione generalizzata
Gli ottoni si comportano bene in acqua fresca non inquinata (2,5-25 μm/anno), mentre possono presentare dezincificazione in acque ferme e leggermente acide. La condensa di vapore, contenente anidride carbonica e ossigeno, può attaccare l’ottone, che risulta più resistente se ricoperto con stagno (da 225 μm/anno a 25 μm/anno).
Gli ottoni mostrano elevata resistenza a corrosione in acqua di mare, insieme ad un’elevata resistenza ad erosione ed alle incrostazioni (“biofouling”). La corrosione è normalmente minore di 20 μm/anno in acque marine ferme.
Ottone ammiragliato ed ottone all’alluminio (resistente ad acque marine che circolano ad alta velocità) inibiti possono essere usati per tubi di scambiatori di calore e condensatori operanti con acque marine e salmastre.
Gli ottoni resistono bene all’acido fosforico puro, moderatamente all’acido solforico di media concentrazione, male agli acidi cloridrico e fluoridrico.
Resistono male alle soluzioni ammoniacali, meglio a quelle alcaline per soda o potassa. Prodotti petroliferi contenenti zolfo corrodono gli ottoni a basso zinco, ma sono meno aggressivi con ottoni α+β, specialmente se inibiti.
Corrosione localizzata per vaiolatura (“pitting”)
È la più dannosa, perché può provocare concentrazione degli sforzi in corrispondenza all’attacco corrosivo e buchi nel metallo.
Gli ottoni non tendono a corrodersi per pitting, ma questo fenomeno, cui appaiono più sensibili gli ottoni ad alto zinco può presentarsi in acqua di mare quasi ferma. Il pit non tende a penetrare con velocità costante negli ottoni, ma si ferma dopo un certo tempo. In particolare sono sensibili alla corrosione per areazione differenziale (“crevice”) gli ottoni all’alluminio, che più facilmente tendono ad essere passivi.
Nei tubi di condensatori percorsi da fluidi ad alta velocità può verificarsi l’erosione-corrosione, e cioè un attacco facilitato dall’asportazione del film protettivo presente sulla superficie che comporta una dissoluzione accelerata del metallo per ripristinare il film alla superficie.
Corrosione per azione meccanica (erosione, “fretting”)
Sulla superficie di contatto di materiali metallici compressi l’uno sull’altro e soggetti a vibrazioni e scorrimenti di piccola entità, l’attacco si presenta morfologicamente a vaiolature o solchi circondati da prodotti di corrosione o a volte solamente come perdita di lucentezza del materiale metallico. Il fenomeno del fretting si ha ogni qual volta che scorrimenti di piccola ampiezza tra tue superfici in contatto avvengono per un gran numero di cicli. Questo movimento porta a due forme di danneggiamento: usura superficiale e deterioramento a fatica. L’estensione dell’usura e del danneggiamento superficiale è molto più grande di quanto faccia pensare l’ordine di grandezza delle distanze di scorrimento. Contatti che sembrano essere privi di movimenti relativi, come connessioni ad interferenza, permettono movimenti relativi dell’ordine dei nanometri quando sono applicati carichi alternati e oscillanti. Tali movimenti sono molto difficili da eliminare. I risultati del fretting sono quindi riassumibili in perdita di metallo nelle aree di contatto, produzione di ossido e detriti metallici, rotture dei rivestimenti, perdita delle tolleranze dimensionali e aumento della resistenza elettrica di superficie. I metalli nobili non sono suscettibili alla corrosione per sfregamento mentre è il meccanismo di rottura dominante nei connettori rivestiti di stagno.
Dealligazione (o “dezincificazione”)
Si tratta della dissoluzione selettiva, a seguito di un processo di attacco, dello zinco presente come elemento di lega negli ottoni. È facilmente osservabile a occhio nudo poiché il materiale metallico assume nelle zone di attacco una colorazione simile a quella del rame. Ne deriva lo scadimento delle proprietà meccaniche.
La dezincificazione può essere:
- a strato, quando tutta la superficie della lega è interessata al fenomeno corrosivo con sostituzione di rame spugnoso alla matrice;
- a tampone, quando la sostituzione del rame all’ottone avviene in zone limitate della matrice;
- intercristallina, quando l’attacco interessa il contorno dei grani. Il rimedio principale contro la dezincificazione degli ottoni monofasici consiste nell’introdurre particolari elementi di lega (arsenico, fosforo, ecc.) come inibitori dell’attacco.
Al processo sono sensibili gli ottoni con più del 15 % di zinco, in cui rimosso il metallo più elettronegativo selettivamente, lasciando un deposito del metallo più nobile in forma poco coerente.
Si ha dissoluzione della lega e riprecipitazione del rame sulla superficie in strato poroso. La corrosione può continuare per dissoluzione ulteriore dell’ottone e crescita dello strato polveroso di rame. Il fenomeno può essere locale, con le aree vicine non attaccate o poco dezincificate.
Il fenomeno tende a manifestarsi in acque che contengono molto ossigeno e anidride carbonica, e se le acque sono calme o poco mosse. La dezincificazione si presenta generalmente uniforme in acque leggermente acide, a bassa conducibilità ed a temperatura ambiente; mentre l’attacco è spesso locale in acque neutre o debolmente alcaline, saline e calde.
Corrosione intergranulare
È un tipo di corrosione selettiva che si verifica in corrispondenza dei bordi di grano o nelle loro immediate vicinanze, senza agire sulla matrice.
Al bordo grano il materiale risulta disuniforme a causa di:
- distorsioni reticolari;
- fasi eterogenee (cristallizzazione o azione termica).
Corrosione sottosforzo (SCC, crepe di stagionatura)
Tipo di corrosione localizzata molto insidiosa, si sviluppa con la formazione di cricche nel metallo e si realizza tramite l’azione combinata di una tensione meccanica e di un mezzo corrosivo specifico a blanda azione corrosiva e tale che, in assenza dello stato di tensione, avrebbe dato luogo ad attacco con morfologia differente (es. corrosione generalizzata, pitting,…).
La corrosione parte in corrispondenza ad un difetto di superficie, che può essere un pit, un attacco intergranulare, un attacco in corrispondenza ad un precipitato, dove si può localizzare uno stato di sforzo particolare.
Quali fattori favoriscono l’insorgere del fenomeno?
- la dealligazione con formazione di vuoti;
- la frattura fragile di un prodotto di corrosione;
- un attacco localizzato all’interfaccia tra due fasi;
- un attacco intergranulare che si mantiene locale;
- uno stato di tensione di superficie, che consenta l’intrusione dell’ambiente nella cricca.
Gli ottoni suscettibili ai fenomeni SCC hanno contenuto di zinco compreso tra 20 e 40%. La suscettibilità aumenta di poco con l’aumentare del contenuto di zinco. Degli altri elementi presenti negli ottoni si pensa che fosforo, arsenico, magnesio, tellurio, stagno, berillio e manganese diminuiscano la suscettibilità alla SCC, nell’ordine ed in funzione dell’ambiente. Il silicio diminuisce la probabilità che si abbiano cricche. La dimensione del grano cristallino e la microstruttura possono influenzare la velocità di propagazione delle cricche, e quindi diminuire la suscettibilità dell’ottone a SCC. Così la velocità di criccatura diminuisce al diminuire della dimensione del grano cristallino.
Si arriva a rottura con carichi nettamente inferiori a quelli necessari per portare ad una frattura puramente meccanica.
Sono soggetti a c.s.s. molti materiali: acciai ferritici, inox, leghe di rame, leghe di titanio.
- Scoppio di caldaie in acciaio al carbonio per infragilimento caustico.
- Cedimento dei carrelli di aeroplani in acciai ferritici.
- Reattori chimici in acciaio inox in presenza di cloruri.
- Ti in soluzioni acquose contenenti Cl, ma anche in soluzioni organiche (alcol metilico).
I danni fanno veramente paura…
I danni prodotti dalla corrosione sono molto rilevanti e vengono normalmente classificati come:
- danni diretti: riguardano la sostituzione di strutture e componenti, per perdite di prodotto, per manutenzione e ripristino, per ridondanza di apparecchiature, per oneri di progetto e assicurativi;
- indiretti: dovuti alla perdita di produzione per la fermata degli impianti, per la limitazione della produttività, per le bonifiche ambientali conseguenti lo spandimento di prodotti, per la riduzione della vita utile degli impianti e delle strutture.
… ma puoi ‘armarti’ per tempo. Chiedi una consulenza a SteelBetter!
Gli ottoni compongono, ad oggi, il volume maggiore prodotto tra le leghe di rame. Se lo sai, e se lo sai per esperienza, perché ci lavori, sei sicuramente interessato a giocare bene la tua partita.
Qualche suggerimento ce l’ho proprio sulla punta della lingua… facciamo molta attenzione:
- alla progettazione: e specialmente alla presenza di interstizi, di cavità di raccolta di acqua, e umidità, di sfiati, di sollecitazioni meccaniche e termiche.
- alla scelta dei materiali, una volta conosciuta e ‘misurata’ l’aggressività dell’ambiente di esercizio.
- alla scelta dei metodi di protezione: sarà attiva con azioni intese a ridurre la velocità delle reazioni elettrochimiche, o passiva quando consistente in una barriera ostativa, frapposta tra gli agenti aggressivi (acqua, ossigeno, ioni) e la superficie metallica.
- alla manutenzione: deve prevedere ispezioni periodiche con osservazione diretta e con metodi non distruttivi.
Molte disavventure, oltretutto, si possono evitare scegliendo opportunamente l’ottone. E di seguito provedendo a ottimizzarne le performance con le opportune lavorazioni… il trattamento termico per eliminare o ridurre le tensioni residue dipende anche dalla forma del particolare e dal suo posizionamento nel forno, e deve essere valutato con attenzione. Perché non lo valutiamo direttamente in SteelBetter?