Corrosion behaviour of AISI F55 super-duplex stainless steel in halides-rich environments

The bi-phasic structure that constitutes duplex stainless steels confer them, besides considerable mechanical properties, the unique capability to counteract a wide range of corrosive phenomena, even if they have to face strongly aggressive environments. Their resistance against chloride ions attacks, in particular, make them extremely suitable for the production of pipelines systems and valves, since these components are extensively adopted in subsea applications. This considered, corrosion represents at the same time the major threat to the “wealth” of duplex stainless steels during their service. The main purpose of the current work results then the understanding of the inclination towards this kind of surficial degradation shown by a specific grade of duplex stainless steel, namely AISI F55 (UNS S32760) super-duplex stainless steel, subjected to several environmental conditions. The first part of the analysis focuses on the effect of differently-lasting annealing thermal treatments on the corrosion resistance of this metallic alloy. In the following step, instead, the polarization process switches the target to the appreciation of the influence acted by the cooling rates that variably feature forged tough bodies, all across their thickness. The experimental campaign clearly shows a consistent dependency of the above-mentioned properties on both the balance between austenitic and ferritic fraction constituting the microstructure of the steel and on the partition of certain chemical elements inside the same phases. Ferrite, in detail, emerges as the phase that is selectively attacked by chloride ions at room temperature, whereas austenite takes its place when temperature significantly increases. In the former condition, however, it is proved that an increase of ferritic content up to 56% by volume anyway translates into an enhancement in the endurance specifically associated to pitting corrosive mechanism. Moreover, the presence of both molybdenum and manganese, if added to their migration towards one fraction rather than to the other, appears particularly detrimental for the integrity of the material, whereas chromium and tungsten, on the other hand, tend to generally improve its behavior.

La struttura bifasica che costituisce gli acciai inossidabili duplex conferisce loro, in aggiunta alle considerevoli proprietà meccaniche, una esclusiva capacità di contrastare una ampia pluralità di fenomeni corrosivi, anche quando essi si trovano a fronteggiare ambienti fortemente aggressivi. La resistenza che mostrano nei confronti dell’attacco da parte degli ioni cloruro, in particolare, li rende estremamente adatti per la produzione di gasdotti e valvole, dal momento che questi componenti sono ampiamente impiegati in applicazioni sottomarine. Considerando quanto detto, la corrosione rappresenta allo stesso tempo la principale minaccia all’integrità degli acciai inossidabili duplex durante il proprio servizio. L’obiettivo principale del presente lavoro risulta quindi essere la comprensione della tendenza verso questo tipo di degrado superficiale mostrata da una specifica classe di acciai inossidabili duplex, vale a dire la classe AISI F55 (UNS S32760), sottoposta ad una moltitudine di condizioni ambientali diverse. La prima parte dell’analisi si concentra sull’effetto esercitato da trattamenti termici di ricottura a differente durata nei confronti della resistenza a corrosione di questa lega metallica. Nella fase successiva dello studio, invece, il processo di polarizzazione focalizza la propria attenzione sulla valutazione dell’influenza attuata dalle velocità di raffreddamento che caratterizzano in maniera variabile i componenti forgiati di grandi dimensioni, lungo tutto il relativo spessore. La campagna sperimentale evidenzia chiaramente una profonda dipendenza delle suddette proprietà sia dall’equilibrio tra la frazione austenitica e la frazione ferritica costituenti la microstruttura dell’acciaio, sia dalla separazione di alcuni specifici elementi chimici tra le due medesime fasi. La ferrite, precisamente, emerge come la fase selettivamente attaccata dagli ioni cloruro a temperatura ambiente, mentre l’austenite si sostituisce ad essa quando la temperatura aumenta considerevolmente. Nel primo caso, comunque, un incremento del contenuto ferritico, fino ad un valore massimo pari al 56% in volume, determina in egual modo un miglioramento della resistenza in relazione allo specifico meccanismo di corrosione per pitting. La presenza contemporanea di manganese e molibdeno, inoltre, se aggiunta alla corrispondente migrazione preferenziale verso una fase piuttosto che verso l’altra, appare fortemente deleteria per la capacità dell’acciaio di contrastare gli attacchi corrosivi, mentre cromo e tungsteno, al contrario, tendono in generale a migliorare un tale comportamento.