Inconel vs Acciaio inossidabile: Confronto tecnico completo

Per le condizioni operative che richiedono un'eccezionale resistenza alle alte temperature, resistenza al creep e resistenza superiore alla corrosione aggressiva (in particolare cloruro, acqua di mare e ambienti ossidanti/ad alta temperatura), l'Inconel (superleghe a base di nichel) è la scelta giusta, nonostante il suo costo iniziale più elevato; per le applicazioni strutturali generali, architettoniche, alimentari e per molti casi di servizio marino o chimico in cui il costo, la formabilità e la saldabilità sono decisivi, gli acciai inossidabili (leghe di ferro-cromo-nichel, ad es. 304/316) rimangono il miglior valore. Scegliere in base alla temperatura di servizio, al meccanismo di corrosione, ai carichi meccanici e al costo dell'intero ciclo di vita, piuttosto che in base alla marca o all'istinto.

Fondamenti di metallurgia

Differenza di base

• Inconel è un nome di famiglia con marchio registrato per superleghe a base di nichel-cromo (Ni-Cr)spesso con aggiunte di Mo, Nb (columbium), Ti, Al e altri elementi che stabilizzano una microstruttura resistente ad alta temperatura. Leghe comuni: Inconel 625 (rafforzato in soluzione solida) e Inconel 718 (indurente per precipitazione).

• Acciai inossidabili sono leghe a base di ferro con ≥10,5% di cromo (Cr) per formare un film di ossido passivo; molti contengono nichel (Ni) per stabilizzare la fase austenitica (es. 304, 316). Le famiglie di materiali sono ferritica, austenitica, martensitica e duplex.

Conseguenze della microstruttura

• Le leghe a base di nichel mantengono resistenza e tenacità a temperature elevate perché la matrice di Ni e le aggiunte di lega resistono alla diffusione e al rammollimento; alcune leghe (718) formano precipitati γ′/γ″ che aumentano notevolmente la resistenza allo snervamento dopo l'invecchiamento.

• Gli acciai inossidabili austenitici si basano sulla matrice di ferro cubica a facce centrate stabilizzata da Ni; sono duttili e resistenti alla corrosione a temperature ambiente e moderate, ma si rammolliscono e perdono resistenza allo scorrimento più rapidamente delle superleghe di nichel alle alte temperature di servizio.

Istantanee di composizione chimica

La tabella seguente mostra composizioni tipiche semplificate per gradi rappresentativi. (Per l'approvvigionamento, utilizzare le schede tecniche del produttore e le specifiche di acquisto; le composizioni variano a seconda delle specifiche e dei produttori).

(Fonti: bollettini tecnici dei produttori e schede tecniche delle leghe).

Proprietà meccaniche e prestazioni in temperatura

Resistenza e tenacità a temperatura ambiente

• Molte leghe di Inconel hanno resistenze alla trazione e allo snervamento superiori a quelle dei comuni acciai inossidabili austenitici a temperatura ambiente. Ad esempio, l'Inconel 625 e 718 hanno intervalli di snervamento/trazione più elevati e una maggiore resistenza alla fatica rispetto al 304/316.

Comportamento a temperature elevate (differenza fondamentale)

• Resistenza allo scorrimento e alla rottura: Le leghe di Inconel (in particolare i gradi induriti per precipitazione come il 718) mantengono una resistenza al creep molto più elevata fino a diverse centinaia di °C (e in alcune leghe fino a 700-1000 °C) rispetto agli acciai inossidabili, che iniziano a perdere la capacità di sopportare il carico al di sopra di ~400-600 °C a seconda del grado.

• Stabilità termica: Le leghe a base di nichel resistono all'accrescimento dei grani e mantengono la vita a fatica sotto i cicli termici meglio dei comuni gradi inossidabili.

Esempio di proprietà meccaniche (semplificate)

Gradi equivalenti di Inconel

STANDARD	WERKSTOFF NR.	UNS	GOST	AFNOR	JIS	BS	IT	O
Inconel 600	2.4816	N06600	МНЖМц 28-2,5-1,5	NC15FE11M	NCF 600	NA 13	NiCr15Fe	ЭИ868
Inconel 601	2.4851	N06601	XH60BT	NC23FeA	NCF 601	NA 49	NiCr23Fe	ЭИ868
Inconel 617	2.4663	N06617
Inconel 625	2.4856	N06625	ХН75МБТЮ	NC22DNB4M	NCF 625	NA 21	NiCr22Mo9Nb	ЭИ602
Inconel 690	2.4642	N06690
Inconel 718	2.4668	N07718
Inconel 725	-	N07725
Inconel X-750	2.4669	N07750

Punto di fusione, densità e resistenza alla trazione dell'Inconel

	Densità	Punto di fusione	Resistenza alla trazione	Resistenza allo snervamento (0,2%Offset)	Allungamento
600	8,47 g/cm3	1413 °C (2580 °F)	Psi - 95.000 , MPa - 655	Psi - 45.000 , MPa - 310	40 %
601	8,1 g/cm3	1411 °C (2571 °F)	Psi - 80.000 , MPa - 550	Psi - 30.000 , MPa - 205	30 %
617	8,3 g/cm³	1363°C	≥ 485 MPa	≥ 275 MPa	25 %
625	8,4 g/cm3	1350 °C (2460 °F)	Psi - 135.000 , MPa - 930	Psi - 75.000 , MPa - 517	42.5 %
690	8,3 g/cm³	1363°C	≥ 485 MPa	≥ 275 MPa	25 %
718	8,2 g/cm3	1350 °C (2460 °F)	Psi - 135.000 , MPa - 930	Psi - 70.000 , MPa - 482	45 %
725	8,31 g/cm3	1271°C-1343 °C	1137 MPa	827 MPa	20 %
X-750	8,28 g/cm3	1430°C	1267 MPa	868 MPa	25 %

Acciaio inox

Gradi equivalenti di acciaio inossidabile

STANDARD	WERKSTOFF NR.	UNS	JIS	BS	GOST	AFNOR	IT
SS 304	1.4301	S30400	SUS 304	304S31	08Х18Н10	Z7CN18-09	X5CrNi18-10
SS 304L	1.4306/1.4307	S30403	SUS 304L	304S11	03Х18Н11	Z3CN18-10	X2CrNi18-9 / X2CrNi19-11
SS 310	1.4845	S31000	-	-	-	-	-
SS 310S	1.4845	S31008	SUS310S	-	20Ch23N18	-	X8CrNi25-21
SS 316	1.4401 / 1.4436	S31600	SUS 316	316S31 / 316S33	-	Z7CND17-11-02	X5CrNiMo17-12-2 / X3CrNiMo17-13-3
SS 316L	1.4404 / 1.4435	S31603	SUS 316L	316S11 / 316S13	03Ch17N14M3 / 03Ch17N14M2	Z3CND17-11-02 / Z3CND18-14-032	X2CrNiMo17-12-2 / X2CrNiMo18-14-3
SS 317	1.4449	S31700	SUS 317	-	-	-	X6CrNiMo19-13-4
SS 317L	1.4438	S31703	SUS 317L	-	-	-	X2CrNiMo18154
SS 321	1.4541	S32100	SUS 321	-	08Ch18N10T	-	X6CrNiTi18-10
SS 321H	1.4541	S32109	SUS 321H	-	-	-	X6CrNiTi18-10
SS 347	1.4550	S34700	SUS 347	-	08Ch18N12B	-	X6CrNiNb18-10
SS 347H	1.4961	S34709	SUS 347H	-	-	-	X7CrNiNb18-10
SS 446	1.4762	S44600	-	-	-	-	-

Composizione in acciaio inox

Grado	C	Mn	Si	P	S	Cr	Mo	Ni	N
SS 304	0,08 max	2 max	0,75 max	0,040 max	0,030 max	18 - 20	-	8 - 11	-
SS 304L	0,03 max	2 max	0,75 max	0,045 max	0,030 max	18 - 20	-	8 - 12	0,10 max
SS 310	0,25 max	2 max	1,50 max	0,045 max	0,030 max	24 - 26	-	19 - 22	-
SS 310S	0,08 max	2 max	1,50 max	0,045 max	0,030 max	24 - 26	-	19 - 22	-
SS 316	0,08 max	2 max	0,75 max	0,045 max	0,030 max	16 - 18	2 - 3	10 - 14	0,1 max
SS 316L	0,3 max	2 max	0,75 max	0,045 max	0,030 max	16 - 18	2 - 3	10 - 14	0,10 max
SS 317	008 max	2 max	1 max	0,040 max	0,03 max	18 - 20	3 - 4	11 - 14	0,10 max
SS 317L	0,035 max	2 max	1 max	0,040 max	0,03 max	18 - 20	3 - 4	11 - 15	-
SS 321	0,08 max	2 max	0,75 max	0,045 max	0,03 max	17 - 19	5xC min 0,60% max	9 - 12	0,10 max
SS 321H	0,04 - 0,10 max	2 max	0,75 max	0,045 max	0,03 max	17 - 19	4xC min 0,60% max	9 - 12	0,10 max
SS 347	0,08 max	2 max	0,75 max	0,045 max	0,03 max	17 - 20	10xC min 1,00 max	9 - 13	62.74
SS 347H	0.04 - 0.10	2 max	0,75 max	0,045 max	0,03 max	17 - 20	8xC min 1,00 max	9 - 13	62.74
SS 446	0,2 max	1,5 max	0,75 max	0,040 max	0,03 max	23 - 30	0.10 - 0.25	0,50 max	Equilibrio

Punto di fusione, densità e resistenza alla trazione dell'acciaio inossidabile

Grado	Densità	Punto di fusione	Resistenza alla trazione	Resistenza allo snervamento (0,2%Offset)	Allungamento
SS 304	8,0 g/cm3	1400 °C (2550 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	35 %
SS 304L	8,0 g/cm3	1400 °C (2550 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	40 %
SS 310	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	35 %
SS 310S	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	35 %
SS 316	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	35 %
SS 316L	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	40 %
SS 317	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	35 %
SS 317L	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	35 %
SS 321	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	35 %
SS 321H	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	35 %
SS 347	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	40 %
SS 347H	8,0 g/cm3	1454 °C (2650 °F)	Psi - 75000 , MPa - 515	Psi - 30000 , MPa - 205	40 %
SS 446	7,5 g/cm3	1510 °C (2750 °F)	Psi - 75.000 , MPa - 485	Psi - 40.000 , MPa - 275	20 %

Comportamento alla corrosione: chi attacca chi?

Acciaio inossidabile (304, 316) - punti di forza e di debolezza

• Gli acciai inossidabili austenitici formano una pellicola passiva di ossido di cromo che conferisce una resistenza generale alla corrosione atmosferica, a molti prodotti chimici e a una moderata esposizione all'acqua di mare (il 316 è migliore del 304 a causa del Mo). Tuttavia, sono vulnerabili alla corrosione per vaiolatura e interstiziale in ambienti con presenza di clorurie alcuni gradi possono subire cricche da corrosione da stress in presenza di sollecitazioni di trazione e temperature elevate.

Inconel - più ampio intervallo di corrosione

• Molte leghe a base di nichel hanno eccezionale resistenza alla vaiolatura, alla corrosione interstiziale, alle cricche da tensocorrosione da cloruri e all'ossidazione e carburazione ad alte temperatureL'Inconel 625 si distingue per la resistenza all'acqua di mare e alle cricche indotte dai cloruri, mentre il 718 bilancia la forza e la resistenza alla corrosione per i servizi più severi. Per i mezzi aggressivi (forti ossidanti, ambienti con cloruri caldi), l'Inconel spesso supera gli acciai inossidabili.

Regola pratica

• Se il fluido o l'ambiente comprende cloruri a temperatura elevata, miscele di acidi e cloruri o sali ossidanti ed è necessaria una lunga durata.preferiscono le leghe di nichel. Se l'economia e la formabilità per il servizio a temperatura ambiente/bassa dominano, gli acciai inossidabili sono in genere sufficienti.

Fabbricazione, saldatura e lavorazione meccanica

Formatura e sagomatura

• Acciai inossidabili (serie 300) sono facilmente formabili e lavorabili a freddo; si adattano alla produzione di lamiere e tubi con i comuni processi di formatura.

• Inconel Le leghe di alluminio sono più difficili da formare a freddo e possono richiedere forze più elevate e cicli di ricottura accurati per evitare l'indurimento da lavoro.

Saldatura e giunzione

• Molte leghe di Inconel sono saldabili, ma spesso richiedono trattamenti termici controllati prima e dopo la saldatura e metalli d'apporto adeguati (in particolare i gradi rinforzati per precipitazione come il 718 per evitare cricche o perdita di proprietà). La saldatura degli acciai inossidabili è generalmente più semplice per 304/316, ma entrambi possono richiedere la selezione di metalli d'apporto per evitare la sensibilizzazione o la criccatura a caldo.

Lavorazione meccanica

• Le leghe Inconel sono più difficile da lavorare rispetto agli acciai inossidabili - si induriscono, hanno una bassa conducibilità termica e richiedono utensili rigidi, inserti rivestiti e velocità di taglio inferiori. Ciò aumenta i tempi e i costi di produzione. Anche la lavorazione dell'acciaio inossidabile non è banale, ma le pratiche convenzionali sono più mature e spesso più economiche.

Standard, gradi e note di approvvigionamento

Standard e specifiche importanti

• Per lastre/lamiere/nastri di acciaio inossidabile: ASTM A240 / A240M (specifica i requisiti chimici e meccanici di molti gradi inossidabili).

• Per Inconel / leghe di nichel: fare riferimento ai bollettini tecnici del produttore e alle specifiche ASTM relative alla forma desiderata, ad esempio ASTM B637 copre alcune barre/forgiati in lega di nichel ed è comunemente riferita ai materiali IN718; le singole leghe hanno anche specifiche AMS, ISO e proprietarie.

Tracciabilità e rapporti di prova

• Per le applicazioni critiche richiedere certificati di prova del mulino (MTC) secondo EN 10204 3.1 o 3.2 (o equivalente), rapporti di durezza, registrazioni di trattamenti termici e registrazioni di prove NDT/pressione, se pertinenti.

Costo, disponibilità ed economia del ciclo di vita

Prezzo di acquisizione

• Le leghe di base di nichel di solito costano sostanzialmente di più per kg rispetto ai comuni acciai inossidabili, spesso più volte (a seconda del mercato e della lega). Il premio di costo iniziale può essere di 2-5 volte o più, a seconda del tipo, della forma e della volatilità del mercato. Il Nickel Institute e le riviste di economia dei materiali sottolineano che le leghe di nichel sono più costose, ma possono far risparmiare sui costi del ciclo di vita nei servizi corrosivi/ad alta temperatura.

Costo a vita intera

• Quando si calcolano manutenzione, tempi di inattività, frequenza di sostituzione e margini di sicurezza, Inconel può essere economicamente giustificato, nonostante i costi iniziali, per i componenti di lunga durata o mission-critical (ad esempio, turbine a gas, processi chimici, sottomarini), perché riduce i guasti e i cicli di ispezione/riparazione. L'acciaio inossidabile spesso vince sul primo costo ed è ideale quando le condizioni operative rimangono moderate.

Matrice di applicazione (casi d'uso consigliati)

Suggerimenti per la progettazione e l'ispezione

• Progettazione per l'ispezione: Quando si utilizzano acciai inossidabili in acque con cloruri, è necessario prevedere ispezioni periodiche di crepe e vaiolature; utilizzare una progettazione adeguata per ridurre al minimo le zone di ristagno.

• Evitare le trappole galvaniche di metallo dissimile senza isolamento - una lega di nichel a contatto con alcuni acciai può creare coppie galvaniche; tenetene conto nei gruppi imbullonati e negli anodi sacrificali.

• Specificare il trattamento termico e la tempra per Inconel 718 per garantire la struttura dei precipitati (trattamento in soluzione + invecchiamento) e le prestazioni di trazione.

• La finitura superficiale è importante: Le superfici più lisce riducono la suscettibilità alla vaiolatura; specificare gli obiettivi Ra per i servizi critici al cloruro.

Tabelle di confronto principali

Tabella A - Confronto meccanico e di temperatura (rappresentativo)

Tabella B - Resistenza alla corrosione (qualitativa)

Tabella C - Impatto dei costi di fabbricazione e produzione

Errori comuni e trappole per l'approvvigionamento

1. Acquistare "Inconel" genericamente senza specificare il grado, il trattamento termico e la forma: le diverse leghe di Inconel si comportano in modo radicalmente diverso (ad esempio, 625 vs 718). Specificare sempre il numero UNS o la designazione proprietaria e la tempra richiesta.

2. Supponendo che l'acciaio inossidabile sopravviva ad una prolungata esposizione al cloruro caldo - se è possibile che si verifichino SCC da cloruro o vaiolatura a temperature elevate, l'inossidabile può cedere prematuramente.

3. Non tiene conto della corrosione galvanica quando si mescolano leghe di nichel con acciai basso-legati in acqua di mare - progettare strati isolanti o utilizzare elementi di fissaggio compatibili.

Domande frequenti

1. D: L'Inconel è più resistente dell'acciaio inossidabile?
   R: A temperatura ambiente e soprattutto a temperature elevate, molte leghe di Inconel (ad esempio, 718, 625) presentano una resistenza alla trazione, allo snervamento e allo scorrimento superiore a quella dei comuni acciai inossidabili (304/316).

2. D: Qual è il migliore in acqua di mare, l'Inconel o l'inossidabile 316?
   R: Sebbene il 316 si comporti bene in molti ambienti marini, le leghe di nichel come l'Inconel 625 offrono una resistenza superiore alla vaiolatura, alla corrosione interstiziale e alla cricca da tensocorrosione da cloruro in esposizioni aggressive all'acqua di mare.

3. D: L'Inconel può essere saldato facilmente?
   R: Molti Inconel sono saldabili, ma alcuni gradi (718) richiedono procedure di saldatura specifiche e un trattamento termico post-saldatura per ripristinare le proprietà indurite dall'età; i costi di saldatura e le qualifiche sono in genere più elevati rispetto agli acciai inossidabili.

4. D: Esistono acciai inossidabili con proprietà simili all'Inconel?
   R: Gli acciai inossidabili super-austenitici e duplex/super-duplex possono migliorare la resistenza alle alte temperature e ai cloruri, ma raramente eguagliano la resistenza alle alte temperature e all'ossidazione delle superleghe a base di nichel. Confronto in base ai requisiti di prestazione.

5. D: Qual è il più costoso, Inconel o inossidabile?
   R: L'Inconel e le altre leghe a base di nichel sono generalmente molto più costose per massa rispetto all'acciaio inossidabile 304/316, spesso diverse volte più care a seconda delle condizioni di mercato e della scelta della lega.

6. D: Quale grado di Inconel è migliore per i dispositivi di fissaggio ad alta temperatura?
   R: L'Inconel 718 e alcune leghe di nichel indurite per precipitazione sono comuni per i dispositivi di fissaggio ad alta temperatura e ad alta resistenza, anche se la scelta dipende dalla temperatura di esercizio e dall'ambiente. Richiedere la conformità alle specifiche ASTM/AMS per i dispositivi di fissaggio.

7. D: L'acciaio inossidabile può essere utilizzato in servizio criogenico?
   R: Alcuni acciai inossidabili (304L, 316L, alcuni austenitici e duplex) hanno una buona tenacità criogenica; selezionare leghe con comprovate prestazioni a bassa temperatura. Anche alcune leghe di Inconel hanno proprietà criogeniche favorevoli.

8. D: Quali test devo richiedere quando acquisto Inconel?
   R: Richiedere i certificati di prova della cartiera (3.1/3.2), le prove di trazione e di durezza, le registrazioni dei trattamenti termici e la NDT, se richiesta. Per le parti critiche, specificare la composizione chimica certificata e la tracciabilità.

9. D: Come si confronta l'espansione termica?
   R: Le leghe di nichel hanno spesso coefficienti di espansione termica (CTE) diversi da quelli degli acciai inossidabili, il che è importante nei gruppi esposti a sbalzi di temperatura. Controllare le schede tecniche e le tolleranze di progetto.

10. D: Ci sono vantaggi ambientali o normativi nella scelta dell'inossidabile rispetto al nichel?
    R: L'impatto ambientale e la riciclabilità variano a seconda della lega e del processo. Sia le leghe inossidabili che quelle di nichel sono riciclabili, ma le considerazioni sull'energia incarnata e sulle risorse possono influenzare la scelta nei progetti orientati alla sostenibilità. Se questo aspetto è importante, considerare la valutazione del ciclo di vita.

Come scegliere: lista di controllo per le decisioni rapide

1. Il servizio supererà 400-500°C sotto carico prolungato? → si appoggiano all'Inconel/altri Ni-base.

2. Il pitting da cloruro / SCC è una modalità di guasto credibile? → considerare Inconel 625 o leghe ad alto tenore di nichel.

3. Il budget è il vincolo principale e i carichi/tempi sono moderati? → Probabilmente è sufficiente l'acciaio inox 304/316.

4. I costi di fabbricazione e di lavorazione e i cicli di firma sono limitati? → L'inossidabile è di solito più economico e più semplice.

5. Per la bullonatura e la minuteria di sicurezza ad alte temperature, scegliere leghe con specifiche ASTM/AMS appropriate e MTC verificati.

Riassunto finale

Le leghe a base di nichel (famiglia Inconel) e gli acciai inossidabili non sono intercambiabili: ogni famiglia risolve un problema ingegneristico diverso. Scegliete le leghe di nichel quando la temperatura, il creep e la corrosione aggressiva lo richiedono e il costo totale di proprietà giustifica il sovrapprezzo; scegliete gli acciai inossidabili quando le priorità sono l'economicità, la producibilità e una buona resistenza generale alla corrosione a temperature ambiente o moderate. Per evitare sorprese, specificare sempre nei documenti di acquisto la qualità, la tempra, gli standard e i requisiti di prova/ispezione esatti.

Riferimenti autorevoli

• Lega INCONEL® 625 - Bollettino tecnico (Metalli speciali)
• Lega INCONEL® 718 - Bollettino tecnico (Metalli speciali)
• Nickel Institute - Leghe a base di nichel ad alta temperatura e ad alta resistenza (revisione tecnica)
• ASTM A240/A240M - Specifiche standard per lamiere, fogli e nastri di acciaio inossidabile al cromo e al cromo-nichel