Glossario

La passivazione è un trattamento chimico superficiale dei metalli e in particolare degli acciai inossidabili, usato nel settore metallurgico per i seguenti scopi:

• rimuovere i contaminanti;
• promuovere la rapida formazione della pellicola passiva di ossido su una superficie metallica appena creata (ad esempio tramite molatura o lavorazione meccanica);

I trattamenti di passivazione vengono effettuati con bagno in soluzioni acide (di solito acido nitrico HNO3, oppure acido citricoC₆H₈O₇) o utilizzando paste, che puliscono la superficie dell’acciaio da contaminanti ferrosi.

RESISTENZA ALLA CORROSIONE DELL’ACCIAIO INOSSIDABILE

Gli acciai inossidabili sono progettati per auto-passivarsi naturalmente, ogni volta che una superficie pulita è esposta a un ambiente che possa fornire abbastanza ossigeno da formare il ricco strato superficiale di ossido di cromo, da cui la resistenza alla corrosione di queste leghe dipende.

Quando i manufatti in acciaio vengono a contatto con aria o acqua (ambienti aggressivi), si presentano le condizioni di esposizione alle quali questi acciai reagiscono con il fenomeno di auto-passivazione.

La resistenza alla corrosione dell’acciaio inossidabile è influenzata dalla rugosità della superficie. Ad esempio, dopo la lucidatura, la resistenza dell’acciaio inox agli agenti corrosivi diminuisce notevolmente.

Anche la passivazione, come l’elettrolucidatura, può essere usata per migliorare la resistenza alla corrosione delle superfici lucidate meccanicamente.

PERCHÉ PASSIVARE L‘ACCIAIO INOX?

La passivazione è studiata per massimizzare la resistenza alla corrosione intrinseca di pezzi in acciaio inossidabile dopo la lavorazione.

Il processo di passivazione restituisce agli acciai inossidabili le caratteristiche originarie, rimuovendo frammenti e oli indesiderati dalla superficie.

Quando un manufatto viene lavorato, varie particelle possono permeare la superficie del metallo, indebolendo la sua resistenza alla corrosione e renderlo più sensibile a fattori ambientali.

Schegge, sporcizia e altre particelle e residui quali le contaminazioni di ferro, grassi e oli di lavorazione influenzano tutti la resistenza della superficie naturale e possono essere incorporati nella superficie durante il processo di lavorazione.

Queste particelle sono spesso invisibili all’occhio umano e causano frequentemente deterioramento. Il processo di passivazione migliora e purifica la superficie del pezzo. La superficie risanata agisce come un rivestimento protettivo a fattori ambientali quali aria, acqua e altri ambienti estremi.

I VANTAGGI DELLA PASSIVAZIONE

Questo trattamento è molto importante perché ripristina le proprietà inossidabili dell’oggetto trattato e, di solito, non comporta notevoli cambiamenti estetici nell’acciaio. Di seguito i principali vantaggi:

• Migliore resistenza alla corrosione
• Finitura/aspetto uniforme e liscio
• Spazzolatura (superficie lucida)
• Pulizia
• Estensione della vita del prodotto

La passivazione rimane comunque un punto critico, nel quale si può fare la differenza. Se eseguita in maniera non corretta, la passivazione può effettivamente causare corrosione.

DECAPAGGIO E PASSIVAZIONE

Non sempre sono indicati i trattamenti di passivazione; è importante considerare se ciò sia strettamente necessario o meno. Si deve prestare attenzione alla selezione e all’utilizzo del trattamento per garantire che quello selezionato sia efficace contro il contaminante.

Gli acciai inossidabili possono essere passivati soltanto se la superficie è pulita e priva di residui di saldatura o altre contaminazioni.

Le scorie possono essere rimosse tramite il decapaggio (o abrasione meccanica) e sebbene una volta lavata dall’acido (decapante), la superficie dell’acciaio inox appena trattata sarà immediatamente passivata.

È importante non considerare questi due trattamenti identici.

Il decapaggio di solito comporta miscele di azoto/acido fluoridrico, mentre la passivazione tradizionale viene eseguita utilizzando solo acido nitrico.

Il processo di passivazione è talvolta frainteso. Non è un trattamento disincrostante, né qualcosa come una mano di vernice.

Si tratta di un metodo di post-fabbricazione adottato per massimizzare la resistenza alla corrosione della lega di acciaio inossidabile utilizzata per produrre il pezzo finito.

COME FUNZIONA LA PASSIVAZIONE?

Non v’è alcun accordo universale sulla precisa dinamica di come funziona la passivazione. È certo però che un film di ossido protettivo è presente sulla superficie passiva dell’acciaio inox, prima che il pezzo sia fabbricato.

Questo film invisibile è considerato estremamente sottile; lo spessore è quasi 0,00000254 mm (circa 100.000 volte più sottile di un capello umano).

Un pezzo di acciaio inox pulito, appena lavorato, spazzolato o decapato acquisisce automaticamente questo film di ossido a contatto con l’atmosfera (ossigeno). In condizioni ideali, il film protettivo di ossido copre completamente tutte le superfici del pezzo.

Alcuni elementi (es. azoto, titanio, nichel, molibdeno, etc.) influenzano in maniera più o meno importante, la formazione, lo spessore, la stabilità, l’adesione e la velocità di ricostruzione del film passivante e quindi la resistenza alla corrosione dell’acciaio.

Contaminanti come sporcizia o particelle di ferro, possono essere trasferiti dagli utensili di taglio alla superficie delle parti in acciaio inox durante la lavorazione. Se non rimosse, queste particelle estranee possono ridurre l’efficacia della pellicola protettiva originale. Quando accade questo, può iniziare l’attacco corrosivo.

Durante i processi di lavorazione, una quantità microscopica di ferro può essere trasferita dall’utensile di taglio alla superficie del pezzo di acciaio inossidabile. In determinate condizioni, potrebbe apparire un sottile strato di ruggine sul pezzo. Questo non è altro che la corrosione dell’utensile e non del metallo principale.

A volte la fessura alla particella integrata proveniente dall’utensile o dei suoi prodotti di corrosione può causare l’attacco del pezzo stesso.

Analogamente, piccole particelle di ferro contenente sporcizia presente nell’officina possono aderire alla superficie del pezzo in acciaio. Sebbene il metallo possa sembrare lucido appena lavorato, le particelle invisibili di ferro possono causare corrosione sulla superficie dopo l’esposizione all’atmosfera.

Il problema dei solfuri

Anche l’esposizione ai solfuri può rappresentare un problema, se non preso in considerazione. Queste particelle provengono dall’aggiunta di zolfo agli acciai inossidabili per migliorarne la lavorabilità.

I solfuri migliorano la capacità della lega a formare trucioli, che si staccano nettamente dall’utensile da taglio durante la lavorazione. Se il pezzo non è passivato correttamente, i solfuri possono agevolare l’inizio di una corrosione superficiale del prodotto.

In entrambi i casi, è necessario passivare per massimizzare la naturale resistenza alla corrosione dell’acciaio inossidabile. Il trattamento di passivazione può rimuovere le contaminazioni superficiali ferrose e dei solfuri.

Procedere in due fasi distinte è fondamentale per fornire la migliore resistenza possibile alla corrosione:

• pulizia prima di tutto (importantissima e talvolta trascurata)
• bagno acido (trattamento passivante)

FASE N. 1: PULIZIA

La pulizia deve essere sempre effettuata prima. Grasso, refrigerante o altri corpuscoli presenti in officina devono essere rimossi dalla superficie per ottenere la migliore resistenza alla corrosione possibile.

Schegge di lavorazione o altra sporcizia possono essere tolti dal manufatto con cautela. Per rimuovere oli di lavorazione o refrigeranti può bastare un semplice sgrassatore o detergente commerciale.

I materiali estranei, come gli ossidi termici, possono essere rimossi mediante molatura, o con metodi quali il decapaggio con immersione in acido.

A volte un operatore può saltare la pulizia di base, supponendo erroneamente che semplicemente immergendo la parte grassa in un bagno acido, avranno luogo simultaneamente sia la pulizia che la passivazione… Niente di più falso!

Accade invece, che il grasso contaminato reagisce con l’acido e si formano bolle di gas. Queste bolle si depositano sulla superficie del metallo e interferiscono con la passivazione.

Ancora peggio, la contaminazione della soluzione di passivazione, talvolta con alti livelli di cloruri, può causare il cosiddetto “attacco flash”, come mostrato nell’immagine seguente.

Invece di ottenere il film di ossido desiderato, una superficie lucida, pulita e resistente alla corrosione, l’attacco flash provoca una superficie fortemente acidata o scura; un deterioramento della superficie stessa che la passivazione doveva ottimizzare.

FASE N. 2: BAGNI PASSIVANTI (bagni in acido)

Dopo un’accurata pulizia, il manufatto in acciaio inox è pronto per l’immersione in un bagno acido di passivazione. Può essere utilizzato uno dei tre seguenti metodi:

• passivazione in acido nitrico (HNO₃)
• passivazione in HNO₃ con bicromato di sodio
• passivazione in C₆H₈O₇

Quale bagno e soluzione utilizzare dipende dal grado dell’acciaio inossidabile e dai criteri previsti.

Le leghe più resistenti al cromo-nichel (serie 300) possono essere passivate in un bagno di HNO₃ al 20%. Come indicato sotto (tabella 1), gli acciai inossidabili meno resistenti possono essere passivati aggiungendo bicromato di sodio al bagno di acido nitrico, per rendere la soluzione più ossidante e capace di formare una pellicola passiva sulla superficie.

Un’altra opzione alternativa all’acido nitrico + bicromato di sodio, è quella di aumentare la concentrazione di HNO₃ al 50%. L’aggiunta di bicromato di sodio e la maggiore concentrazione di acido nitrico riducono le probabilità di un attacco flash indesiderato.

Procedure di passivazione degli acciai inossidabili (acciai automatici esclusi) in bagni di acido nitrico

I metodi sotto indicati variano in base alle specifiche caratteristiche ed al contenuto di cromo delle leghe trattate.

Tabella 1

Passivazione degli acciai inossidabili automatici

La procedura per la passivazione degli acciai inossidabili automatici è alquanto differente da quella utilizzata per gli acciai inossidabili non adatti a lavorazioni meccaniche ad alta velocità. Questo perché i solfuri degli acciai automatici (contenenti zolfo) vengono parzialmente o totalmente rimossi durante la passivazione in un bagno all’acido nitrico, creando discontinuità microscopiche nella superficie del pezzo lavorato.

Anche il risciacquo con acqua, normalmente efficace, può lasciare intrappolati in queste discontinuità residui di acido dopo la passivazione. Se non viene neutralizzato o rimosso, questo acido residuo può successivamente attaccare la superficie dell’acciaio.

Per passivare efficacemente gli acciai inox automatici, alcune aziende utilizzano un processo alcalino-acido-alcalino, che neutralizza l’acido intrappolato. Questo metodo di passivazione può essere realizzato in meno di due ore.

Procedura:

1. sgrassaggio
2. immergere il manufatto per 30 min. in una soluzione di idrossido di sodio al 5% a 71/82 °C
3. sciacquare bene con acqua
4. immergere il manufatto per 30 min. in una soluzione contenente acido nitrico al 20% + 22 g/L di bicromato di sodio a 49/60 °C
5. sciacquare accuratamente con acqua
6. ripetere il punto n. 2
7. sciacquare con acqua
8. asciugare

Nella figura sottostante sono visibili i vantaggi del metodo di passivazione alcalino-acido-alcalino. Entrambi i campioni sono stati esposti a nebbia salina (NaCl al 5% alla temperatura di 35 °C).

Il cono di sinistra mostra chiaramente la superficie migliorata e la resistenza dell’acciaio inossidabile per lavorazioni meccaniche ad alta velocità passivato con questo procedimento. Nel cono di destra è visibile il risultato di un trattamento di passivazione convenzionale.

Eccezioni

Sono necessarie speciali procedure per la passivazione di raccordi per impianti di bevande in acciaio inox. Gli standard previsti dalla norma ASTM A967 non possono essere applicati agli acciai automatici per tali impieghi. Qualora un’officina meccanica abbia bisogno di prodotti in acciaio inox per il settore beverage, dovrebbe sempre prima verificarne le caratteristiche con il suo fornitore.

La scelta finale relativa al tipo di passivazione dipende dagli standard di fornitura imposti dal costruttore, per il quale le parti o componenti possono essere applicati.

Per ulteriori informazioni, fare riferimento alla normativa ASTM A967 “Specifiche standard dei trattamenti chimici di passivazione per pezzi in acciaio inossidabile”.

Passivazione in acido citrico come alternativa ai trattamenti di acido nitrico

L’acido nitrico può essere utilizzato da solo, per rimuovere leggere contaminazioni di ferro dalla superficie, inoltre facilita la passivazione della superficie di acciaio pulita.

I trattamenti in C₆H₈O₇ possono essere considerati come un’alternativa al HNO₃ in quanto entrambi forniscono le condizioni ossidanti necessarie per la passivazione.

La passivazione in C₆H₈O₇ è sempre più utilizzata dai produttori che vogliono evitare l’uso di acidi minerali o soluzioni contenenti bicromato di sodio.

L’utilizzo di C₆H₈O₇ è meno pericoloso (generalmente è considerato sicuro) e offre vantaggi ambientali in termini di emissione di fumi (ossidi – NOx) e smaltimento dell’acido. Per passivare l’acciaio inox i trattamenti in acido citrico prevedono soluzioni al 4-10% (vedi normativa ASTM A967).

Anche se la passivazione in C₆H₈O₇ offre vantaggi ambientali interessanti, le aziende che hanno buoni risultati con la passivazione in acido minerale, non avendo problemi di sicurezza, difficilmente cambiano.

Potrebbe non essere necessario cambiare acido se i produttori hanno un ambiente di lavoro pulito, ben tenuto, attrezzatura pulita, liquido di raffreddamento privo di ferro contenente sporcizia, e un processo che produce buoni risultati.

Tuttavia, il trattamento di passivazione in bagni diC₆H₈O₇ è utile per un gran numero di famiglie di acciai inossidabili.

Per evitare “l’attacco flash” descritto in precedenza, è fondamentale considerare:

• un attento equilibrio del tempo di immersione
• la temperatura del bagno
• la concentrazione

Il trattamento di passivazione varia a seconda del contenuto di cromo e delle caratteristiche di lavorabilità.

I due metodi e relative procedure per la passivazione in acido citrico

Tabella 2

Il metodo A viene effettuato in cinque passaggi; il metodo B in sette passaggi.

Tabella 3

Prove di laboratorio hanno dimostrato che le procedure di passivazione in C₆H₈O₇ sono più inclini all’attacco flash rispetto al trattamento in acido nitrico.

I fattori che causano questo tipo di attacco includono la temperatura troppo alta del bagno, il tempo d’immersione eccessivo e la contaminazione del bagno.

Sono disponibili in commercio prodotti inibitori dell’acido citrico contenenti additivi (ad esempio agenti imbibenti) che riducono sensibilmente l’attacco flash.

PROVINI SUI PEZZI PASSIVATI

I test vengono eseguiti per valutare la superficie dei pezzi passivati. La domanda a cui rispondere è:

La passivazione ha rimosso le particelle contaminanti e ottimizzato la resistenza alla corrosione del metallo?

È importante che il metodo di prova corrisponda al grado dell’acciaio da esaminare. Il test non deve essere né troppo rigido, né troppo tollerante.

Gli acciai inossidabili indurenti per precipitazione e quelli automatici vengono esaminati meglio in un mobile chiuso, in grado di mantenere i campioni umidi al 100% a 35 °C per 24 ore.

La sezione trasversale è generalmente la superficie più critica, in particolare per gli acciai automatici, perché i solfuri, distribuiti nella direzione di lavorazione, intersecano questa superficie.

Le superfici critiche devono essere posizionate verso l’alto, inclinate a 15-20° per permettere all’umidità di fluire verso il basso.

Il materiale correttamente passivato sarà sostanzialmente privo di ruggine, anche se potrà mostrare qualche colorazione/riflesso.

Anche gli acciai automatici austenitici possono essere valutati mediante una prova di umidità; quando vengono testati, dovrebbero essere presenti goccioline d’acqua sulla superficie dei campioni, rivelando particelle ferrose.

PROVINI RAPIDI

È disponibile un metodo più rapido applicando la soluzione prevista dalla norma ASTM A380 (Pratiche standard raccomandate per pulire e disincrostare pezzi in acciaio inossidabile, attrezzature ed impianti). Questa prova consiste nel tamponare il pezzo con una soluzione di solfato di rame e acido solforico, mantenendo l’umidità per sei minuti e osservando se c’è qualche ramatura.

In alternativa, il pezzo può essere immerso nella soluzione per sei minuti. La ramatura si presenta se il ferro si scioglie.

Questo provino non deve essere applicato ai componenti destinati all’industria alimentare. Inoltre, non deve essere utilizzato per gli acciai inossidabili martensitici o ferritici con basso contenuto di cromo (serie 400), in quanto è probabile ottenere dei risultati falsi positivi.

Storicamente, la prova in nebbia salina è stata utilizzata anche per verificare campioni passivati. Questo test, troppo rigido per alcuni tipi di acciaio, in genere non è necessario per confermare che la passivazione sia efficace.

Di seguito alcune raccomandazioni per ottenere un buon trattamento di passivazione.

6 COSE DA FARE

1. Pulizia, rimuovendo tutte le particelle di ossido o le bruciature di saldatura presenti prima della passivazione.
2. Evitare cloruri che, in eccesso, possono causare attacchi nocivi. Quando possibile, utilizzare solo una buona acqua contenente meno di 50 ppm (parti per milione) di cloruri. L’acqua del rubinetto di solito è idonea; in alcuni casi possono essere tollerati cloruri fino a diverse centinaia di ppm.
3. Sostituire la soluzione dei bagni a intervalli regolari per evitare una perdita di potenziale nella passivazione, che può causare l’attacco flash e rovinare i pezzi. Il bagno deve essere mantenuto a temperatura adeguata perché se fuori controllo può verificarsi un attacco localizzato.
   Nel caso di ripetuti cicli produttivi rispettare una programmazione specifica per la sostituzione della soluzione, onde evitare la possibilità di contaminazione. Utilizzare un campione di controllo per testare l’efficacia del bagno. Se il campione viene attaccato, è il momento di cambiare la soluzione.
4. I macchinari per la fabbricazione dell’acciaio inossidabile devono essere dedicate; mantenere lo stesso refrigerante per il taglio.
5. Trattare individualmente alcune tipologie di manufatti per evitare il contatto metallo-metallo. Ciò è particolarmente importante per i pezzi ottenuti da acciai inossidabili automatici, in cui è richiesto un flusso libero di passivante ed è necessario risciacquare i pezzi, per eliminare le particelle corrosive.

5 COSE DA EVITARE

1. Non passivare pezzi di acciaio inossidabile che sono stati cementati o nitrurati. I manufatti così trattati possono avere ridotto la loro resistenza alla corrosione ed essere soggetti all’attacco nella vasca di passivazione
2. Non utilizzare utensili contenenti ferro nell’ambiente di lavoro (pavimento, attrezzature, raffreddamento, etc.) che non è ben pulito. La polvere di acciaio può essere evitata utilizzando carburo o utensili in ceramica.
3. Non dimenticare che l’attacco può verificarsi in un bagno di passivazione, se i pezzi sono trattati termicamente in maniera impropria. Gli acciai martensitici con elevato contenuto di cromo e ad alto tenore di carbonio devono essere temprati per diventare resistenti alla corrosione. La passivazione spesso viene eseguita dopo la tempra, che mantiene la resistenza alla corrosione.
4. Non trascurare la concentrazione di acido nitrico nel bagno di passivazione. Si deve controllare periodicamente utilizzando una semplice titolazione (analisi volumetrica per la verifica della concentrazione di HNO₃ nella vasca di passivazione)
5. Non passivare più di un acciaio inossidabile alla volta. Questa regola può prevenire costosi disguidi ed evitare reazioni galvaniche.