Corrosión intergranular en acero inoxidable: Causas & Correcciones

Acero inoxidable Se elige por su resistencia a la corrosión.. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, puede sufrir una forma oculta y peligrosa de ataque localizado: corrosión intergranular (IGC).

Es posible que la superficie aún luzca brillante y limpia.. Los propios granos pueden estar en gran parte intactos.. Pero los límites de los granos (las zonas estrechas entre los granos) se han disuelto selectivamente..

La resistencia y la ductilidad caen bruscamente., y el componente puede fallar repentinamente de manera frágil.

He visto esto en tuberías soldadas que pasaron la inspección visual y luego se agrietaron en servicio.. Lo he visto en intercambiadores de calor que se veían bien hasta que una prueba de presión abrió una ruta de fuga a lo largo de una red límite de grano..

El IGC es un problema de ingeniería de materiales porque no es un problema cosmético de la superficie, sino una pérdida de integridad estructural a escala microscópica..

1. ¿Qué es la corrosión intergranular en acero inoxidable??

Corrosión intergranular (IGC) Es un fenómeno de corrosión localizado en el que la corrosión ataca preferentemente los límites de los granos o las regiones estrechas inmediatamente adyacentes a ellos., mientras que el interior de los granos permanece relativamente intacto.

Para entender este fenómeno, es importante reconocer que el acero inoxidable está compuesto por numerosos cristales microscópicos llamados granos.

Cada grano tiene su propia orientación cristalográfica., y las interfaces entre granos adyacentes se conocen como límites de grano.

En condiciones normales, Los límites y el interior de los granos tienen una resistencia a la corrosión suficientemente similar para permitir que el acero inoxidable mantenga su comportamiento protector pasivo..

Sin embargo, Ciertos tratamientos térmicos o condiciones de servicio pueden causar que se desarrollen diferencias químicas o microestructurales a lo largo de estos límites..

Cuando los límites de los granos se vuelven electroquímicamente menos resistentes que la matriz circundante., La corrosión progresa preferentemente a lo largo de estas regiones estrechas..

Características clave de la corrosión intergranular

La corrosión intergranular tiene varias características que la distinguen de otras formas de corrosión del acero inoxidable.:

• Ataque selectivo de los límites del grano: La corrosión progresa principalmente a lo largo de los límites de los granos en lugar de uniformemente a través de la superficie del metal..
• Daño superficial visible limitado: Es posible que la corrosión en sus primeras etapas no produzca óxido evidente, descoloramiento, o aspereza de la superficie.
• Pérdida de integridad mecánica.: A medida que los límites de los granos se deterioran, Los granos adyacentes pierden su fuerza de unión., reducir la ductilidad, tenacidad, y capacidad de carga.
• Potencial de rápida propagación: Una vez que se desarrolla una red continua de límites de granos susceptibles, La corrosión puede penetrar más profundamente en el material..
• Difícil detección temprana: La inspección visual convencional puede no revelar el daño., especialmente durante las etapas iniciales.

Uno de los aspectos más preocupantes del IGC es que un componente de acero inoxidable puede conservar una apariencia externa aparentemente aceptable mientras que su microestructura interna ya ha sufrido daños importantes..

Esta es la razón por la que la corrosión intergranular a menudo se considera un mecanismo oculto de falla del material..

2. El mecanismo principal: Teoría del agotamiento del cromo

La resistencia a la corrosión del acero inoxidable depende principalmente del cromo.. Cuando se expone a ambientes que contienen oxígeno., El cromo reacciona con el oxígeno para formar una sustancia extremadamente delgada., estable, y película pasiva adherente rica en cromo sobre la superficie del metal.

Para acero inoxidable convencional, un contenido de cromo de aproximadamente 12 Generalmente se requiere un % en peso o superior para establecer y mantener el comportamiento inoxidable en condiciones adecuadas..

La corrosión intergranular puede ocurrir cuando la concentración de cromo cerca de los límites de los granos cae por debajo del nivel necesario para mantener una película pasiva estable..

Sensibilización: Los carburos de cromo precipitan en los límites de los granos

El acero inoxidable austenítico generalmente exhibe una buena resistencia a la corrosión cuando se ha sometido a un recocido por solución adecuado..

Un tratamiento de solución típico implica calentar el material a aproximadamente 1050-1100 °C., seguido de un enfriamiento rápido, generalmente enfriamiento con agua u otro método de enfriamiento calificado.

Durante este proceso:

• Los carburos de cromo se disuelven en la matriz austenítica..
• El carbono se retiene en una solución sólida sobresaturada..
• El cromo se distribuye más uniformemente por todo el material..
• El acero mantiene su capacidad de formar una película protectora pasiva..

Sin embargo, cuando el material se expone posteriormente a temperaturas entre aproximadamente 450 y 850 °C, Puede ocurrir un fenómeno conocido como sensibilización..

Este rango de temperatura se conoce comúnmente como rango de temperatura de sensibilización..

El proceso metalúrgico se desarrolla de la siguiente manera.:

Paso 1: Difusión de carbono hacia los límites de los granos.

Los átomos de carbono tienen una difusividad relativamente alta en el acero inoxidable austenítico.

Cuando el material entra en el rango de temperatura de sensibilización, Los átomos de carbono migran hacia los límites de los granos., donde las precipitaciones son energéticamente favorables.

Paso 2: Precipitación de carburo de cromo

El carbono reacciona con el cromo para formar carburos ricos en cromo., más comúnmente Cr₂₃C₆.

Estos carburos precipitan preferentemente a lo largo de los límites de los granos porque proporcionan sitios de nucleación favorables..

Paso 3: Consumo local de cromo

La formación de carburos de cromo consume cromo de la matriz metálica circundante..

Dado que el cromo se difunde mucho más lentamente que el carbono en el acero sólido, La concentración de cromo cerca de los límites de los granos no se puede reponer lo suficientemente rápido como para compensar la precipitación de carburo..

Como consecuencia, Se desarrollan regiones estrechas empobrecidas en cromo adyacentes a los límites de los granos..

Formación de zonas empobrecidas en cromo

La zona empobrecida en cromo es la característica microestructural crítica responsable de la corrosión intergranular convencional relacionada con la sensibilización..

A medida que los carburos de cromo precipitan a lo largo de los límites de los granos., la matriz adyacente pierde cromo.

Cuando la concentración de cromo en la región empobrecida cae por debajo de aproximadamente 12 WT.%, su capacidad para mantener una película pasiva estable se ve significativamente afectada.

Los interiores de grano., que retienen suficiente cromo, continuar exhibiendo una resistencia a la corrosión relativamente buena.

Esto crea una microestructura heterogénea que consta de:

• Interiores de grano ricos en cromo con pasividad relativamente fuerte.
• El carburo de cromo precipita a lo largo de los límites de los granos..
• Regiones estrechas empobrecidas en cromo adyacentes a los precipitados.

La diferencia en la resistencia a la corrosión entre estas regiones crea las condiciones para el ataque selectivo de los límites de grano..

Vale la pena señalar que 12 El % en peso es una referencia metalúrgica práctica en lugar de un umbral absoluto aplicable a todos los entornos..

La pasivación real depende de la composición completa de la aleación., química de la solución, temperatura, y condiciones electroquímicas.

Mecanismo electroquímico: Formación de una celda microgalvánica

En un medio corrosivo, la zona empobrecida en cromo y la matriz del grano tienen diferentes potenciales electroquímicos:

• Zona empobrecida en cromo: anódico, bajo potencial, fácil de disolver.
• matriz de grano: catódico, rico en cromo, permanece pasivo.

El factor crítico es el relación de área. La zona agotada es muy pequeña.; la matriz de grano es muy grande. Esto crea un cátodo grande – ánodo pequeño condición.

La densidad de corriente anódica en la zona agotada se vuelve muy alta., y la corrosión penetra rápidamente a lo largo de los límites de los granos.

Una vez que la red fronteriza es atacada, El daño no puede ser reparado por la película pasiva.. La película de óxido no puede salvar un límite de grano disuelto..

3. Otros mecanismos de corrosión intergranular

Aunque la teoría del agotamiento del cromo explica la mayoría de los casos de corrosión intergranular en acero inoxidable austenítico, no tiene en cuenta todas las situaciones.

Bajo ciertas composiciones de materiales y condiciones de servicio., Dos mecanismos adicionales pueden contribuir al ataque de los límites de los granos..

Teoría de la fase anódica

Ciertos compuestos intermetálicos., particularmente sigma (a) y chi (incógnita) fases, puede precipitar a lo largo de los límites de los granos durante la exposición térmica.

Estas fases pueden exhibir un comportamiento electroquímico diferente al de la matriz metálica circundante y pueden actuar como sitios anódicos preferenciales., resultando en una disolución localizada.

A diferencia del agotamiento de cromo convencional, Este mecanismo no requiere necesariamente la formación de una zona empobrecida en cromo..

En cambio, las propias fases intermetálicas pueden sufrir un ataque electroquímico preferencial.

Este mecanismo se asocia más comúnmente con:

• Alto cromo, Aceros inoxidables ferríticos con alto contenido de molibdeno..
• Aceros inoxidables austeníticos sometidos a servicio prolongado a alta temperatura.

Teoría de la segregación de límites de granos

La segregación de los límites del grano ocurre cuando hay trazas de impurezas., como el azufre (S), fósforo (P), y silicio (Si), se acumulan en los límites de los granos durante el procesamiento térmico o la exposición prolongada a temperaturas elevadas.

El enriquecimiento de estos elementos puede alterar la composición química local y las propiedades electroquímicas de los límites de grano., reduciendo su capacidad de pasivación y aumentando su susceptibilidad a la corrosión selectiva.

Este mecanismo ayuda a explicar por qué ciertos aceros inoxidables con bajo y ultra bajo contenido de carbono aún pueden experimentar corrosión intergranular en condiciones específicas..

Por lo tanto, La reducción del contenido de carbono por sí sola no elimina todos los riesgos de corrosión intergranular.. También se debe considerar el control de impurezas y la química de los límites de los granos al evaluar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable..

4. Causas comunes de corrosión intergranular en aplicaciones industriales

En el servicio industrial y de fabricación actual., La corrosión intergranular rara vez resulta de un solo factor..

Composición de materiales, historia termal, Procesos de fabricación, y los entornos operativos pueden interactuar para aumentar la susceptibilidad.

Los siguientes escenarios se encuentran entre las causas más importantes a considerar..

Zona afectada por el calor de soldadura (ZAT)

La soldadura es una de las fuentes más comunes de sensibilización en el acero inoxidable austenítico..

Durante la soldadura, El metal base adyacente a la soldadura experimenta un ciclo térmico.. Dependiendo de la distancia desde la línea de fusión., diferentes regiones alcanzan diferentes temperaturas máximas y velocidades de enfriamiento.

Algunas partes de la zona afectada por el calor pueden entrar en el rango de sensibilización de 450 a 850 °C..

Si el material permanece dentro de este rango el tiempo suficiente, Los carburos de cromo pueden precipitar a lo largo de los límites de los granos..

Esto puede crear una región estrecha con resistencia a la corrosión reducida en ambos lados de la soldadura..

En ciertos aceros inoxidables estabilizados, Un fenómeno más localizado conocido como ataque con línea de cuchillo puede ocurrir cerca del límite de fusión..

Esto está particularmente asociado con grados estabilizados como 321 y 347 bajo historias térmicas específicas.

El riesgo está influenciado por:

• Contenido de carbono del material base..
• Entrada de calor de soldadura.
• Temperatura entre pasadas.
• Tasa de enfriamiento.
• Número de pasadas de soldadura.
• Composición del metal de aportación..
• Exposición térmica posterior.

Prevención:

• Utilice grados con bajo contenido de carbono, como 304L o 316L, para componentes soldados sensibles a la corrosión..
• Optimice el aporte de calor de soldadura para evitar una exposición térmica innecesaria.
• Utilice procedimientos de soldadura de múltiples pasadas adecuados.
• Controlar la temperatura entre pasadas.
• Seleccione consumibles de soldadura compatibles.
• Considere el recocido con solución posterior a la soldadura cuando la geometría del componente y los requisitos de servicio lo justifiquen..

En tono rimbombante, La simple reducción del aporte de calor de soldadura no garantiza la eliminación de la sensibilización.. El ciclo térmico completo, incluido el recalentamiento mediante pasadas posteriores, debe ser evaluado.

Tratamiento térmico inadecuado

El recocido por solución se utiliza ampliamente para restaurar la resistencia a la corrosión de acero inoxidable austenítico.

Sin embargo, un proceso de tratamiento térmico mal controlado puede producir el resultado contrario.

Por ejemplo, si el acero inoxidable austenítico se calienta a aproximadamente 1050-1100 °C pero se enfría demasiado lentamente, puede pasar suficiente tiempo dentro del rango de temperatura de sensibilización para que se produzca la precipitación de carburo de cromo.

Similarmente, Mantener el material entre 450 y 850 °C durante un período prolongado puede promover la sensibilización..

Los problemas comunes del tratamiento térmico incluyen:

• Temperatura de recocido de solución insuficiente.
• Tiempo de espera inadecuado.
• Enfriamiento lento o incontrolado.
• Distribución desigual de la temperatura del horno..
• Disposiciones de carga incorrectas.
• Ciclos térmicos repetidos no calificados..

Prevención:

Utilice un procedimiento de recocido en solución calificado según el grado de aleación., espesor de sección, y geometría de los componentes.

Garantizar una calefacción adecuada, uniformidad de temperatura, y enfriamiento suficientemente rápido a través del rango de sensibilización.

Exposición prolongada a temperaturas elevadas

Componentes de acero inoxidable utilizados en intercambiadores de calor., calderas, hornos, reactores químicos, y los equipos de generación de energía pueden experimentar una exposición térmica prolongada.

Incluso cuando la temperatura de funcionamiento está por debajo del rango máximo de sensibilización, la exposición a largo plazo aún puede promover reacciones de precipitación, Dependiendo de la composición de la aleación y del historial térmico..

Por ejemplo, El funcionamiento prolongado a aproximadamente 400-600 °C puede contribuir a cambios microestructurales graduales..

La respuesta exacta depende de la temperatura., duración de la exposición, contenido de carbono, elementos de aleación, e historial de procesamiento previo.

Esto es particularmente importante para componentes que se someten a ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento..

Prevención:

• Seleccione grados de acero inoxidable con estabilidad térmica adecuada.
• Evaluar el historial completo de temperatura de servicio..
• Evite la exposición térmica innecesaria durante la fabricación y el funcionamiento..
• Considere grados estabilizados o bajos en carbono cuando sea apropiado.
• Realizar inspecciones periódicas y evaluaciones metalúrgicas de componentes críticos..

Ambientes de servicio corrosivos

La sensibilización hace que el acero inoxidable sea más vulnerable al ataque intergranular, pero el entorno circundante determina si se desarrolla una corrosión significativa..

Ciertos entornos químicos pueden acelerar la disolución de regiones empobrecidas en cromo..

Los ejemplos incluyen:

• Soluciones fuertes de ácido sulfúrico..
• Ambientes de ácido nítrico en condiciones específicas..
• Corrientes de proceso que contienen cloruro.
• Soluciones químicas ácidas.
• Ambientes acuosos de alta temperatura.

Sin embargo, El efecto de cada medio depende en gran medida de la concentración., temperatura, aireación, y potencial electroquímico.

Iones de cloruro, Por ejemplo, están particularmente asociados con picaduras y corrosión por grietas.. Su presencia no indica automáticamente corrosión intergranular..

En la práctica, La sensibilización y otros mecanismos de corrosión localizada pueden ocurrir simultáneamente., haciendo el análisis de fallas más complejo.

Prevención:

Evalúe la composición química real y las condiciones operativas del medio de servicio antes de seleccionar el grado de acero inoxidable..

Para aplicaciones críticas, La calificación del material debe incluir pruebas de corrosión representativas del entorno de servicio previsto..

5. Cómo reparar y prevenir la corrosión intergranular

El término "arreglar" requiere aclaración. Una vez corrosión intergranular (IGC) ha causado una importante disolución de los límites del grano, el daño no se puede revertir.

Por lo tanto, el control eficaz se centra en prevenir la sensibilización y restaurar la condición metalúrgica del material antes de que se produzca la corrosión..

Utilice aceros inoxidables con bajo contenido de carbono

Seleccione grados bajos en carbono como 304L y 316L, con un contenido de carbono de 0.03 % en peso o menos.

Un menor contenido de carbono reduce la precipitación de carburo de cromo en los límites de los granos, Minimizar el riesgo de agotamiento del cromo..

Estos grados se utilizan ampliamente para componentes soldados y aplicaciones que involucran temperaturas elevadas..

Utilice grados de acero inoxidable estabilizados

Titanio (De) y niobio (Nótese bien) Se combinan preferentemente con carbono para formar carburos estables., reduciendo la formación de carburos de cromo y ayudando a mantener el cromo en la matriz circundante.

Los grados estabilizados comunes incluyen:

• 321: Acero inoxidable estabilizado con titanio.
• 347: Acero inoxidable estabilizado con niobio.

Estos grados son adecuados para aplicaciones de temperatura elevada y componentes soldados donde el recocido con solución posterior a la soldadura no es práctico..

Aplicar recocido de solución

El recocido por solución normalmente implica calentar el acero inoxidable a aproximadamente 1050-1100 °C., seguido de un enfriamiento rápido.

Este tratamiento disuelve los carburos de cromo y devuelve el cromo a una solución sólida., ayudando a restaurar la resistencia a la corrosión.

Puede revertir la sensibilización si no se ha producido una corrosión significativa en los límites de los granos.. Sin embargo, No puede reparar daños por corrosión existentes y puede resultar poco práctico para grandes estructuras soldadas..

Optimice los procedimientos de soldadura

Los parámetros de soldadura deben controlarse para minimizar la exposición al rango de sensibilización de 450 a 850 °C.. Las prácticas recomendadas incluyen:

• Uso controlado, aporte de calor relativamente bajo.
• Aplique soldadura de varias pasadas con un control de temperatura adecuado entre pasadas..
• Seleccione metales base estabilizados o con bajo contenido de carbono y metales de aportación compatibles.
• Evite el precalentamiento excesivo y el enfriamiento innecesariamente lento..
• Aplicar recocido con solución posterior a la soldadura cuando sea práctico.

Diseño de control y condiciones de servicio.

Para aceros inoxidables sensibles a la sensibilización, Evite la exposición prolongada a temperaturas en el rango de 400 a 600 °C siempre que sea posible..

Seleccione grados estabilizados o con bajo contenido de carbono según la temperatura de funcionamiento y el entorno corrosivo.

También se deben considerar las condiciones de servicio.. Cloruros, ácido sulfúrico, y el ácido nítrico puede contribuir a la corrosión en condiciones específicas.

Un drenaje adecuado y evitar zonas estancadas ayudan a reducir la acumulación y concentración de medios corrosivos..

Inspeccionar y probar la corrosión intergranular

Para componentes críticos, verificar la resistencia a IGC mediante pruebas y exámenes metalúrgicos adecuados. Los métodos comunes incluyen:

• ASTM A262: Prácticas estándar para evaluar la susceptibilidad al ataque intergranular en aceros inoxidables austeníticos.
• Prueba de Strauss y prueba de Huey: Ensayos de corrosión específicos utilizados para evaluar la resistencia a la corrosión intergranular..
• DL-EPR: Prueba de reactivación potenciocinética electroquímica de doble bucle para evaluar la sensibilización.
• Examen metalográfico: Se utiliza para identificar la precipitación de carburo en el límite del grano y los cambios microestructurales asociados..

Un punto importante es que la pasivación por sí sola no puede eliminar la sensibilización.. Puede restaurar la película pasiva en una superficie adecuadamente preparada., pero no puede reponer el cromo en las regiones agotadas en los límites de los cereales..

6. Cómo seleccionar el grado de acero inoxidable adecuado para minimizar la corrosión intergranular

Elegir el grado correcto de acero inoxidable requiere evaluar la composición química del material., ruta de fabricación, proceso de fabricación, y entorno de servicio.

Las siguientes recomendaciones proporcionan un punto de partida práctico para aplicaciones industriales comunes..

Varias consideraciones importantes deben guiar la selección final.:

• Temperatura de funcionamiento: Evalúe tanto las temperaturas de funcionamiento normales como la exposición térmica transitoria.
• Requisitos de soldadura: Considere si el componente se someterá a una soldadura o reparación exhaustiva..
• Medio de corrosión: Identificar la concentración de cloruro, acidez, temperatura, y condiciones oxidantes.
• Geometría del componente: Considere el espesor de la sección y la accesibilidad al tratamiento térmico..
• Requisitos de inspección: Establecer si se requiere un examen metalográfico o una prueba de corrosión estandarizada..
• Vida útil: Evaluar los efectos a largo plazo del envejecimiento térmico y la exposición a la corrosión..

Para componentes críticos para la seguridad y que contienen presión, La selección de materiales debe basarse en los códigos de diseño aplicables., especificaciones de materiales, y evaluaciones de corrosión específicas del servicio..

7. Conclusión

La corrosión intergranular es un mecanismo de falla metalúrgica que puede comprometer seriamente la confiabilidad de los componentes de acero inoxidable..

En aceros inoxidables austeníticos convencionales, la causa más común es la sensibilización: La exposición térmica hace que los carburos de cromo precipiten a lo largo de los límites de los granos., consumir cromo de regiones adyacentes y crear zonas empobrecidas en cromo.

Cuando estas zonas pierden su capacidad de mantener una película pasiva estable., La corrosión progresa preferentemente a lo largo de los límites de los granos..

Sin embargo, El agotamiento del cromo no es el único mecanismo posible.. Precipitación de fase intermetálica, segregación de límites de grano, y los efectos de entornos de servicio específicos también deben considerarse al evaluar las fallas por corrosión..

Para fabricantes de piezas de fundición a la cera perdida de acero inoxidable, La resistencia a la corrosión debe diseñarse desde el inicio de la producción..

composición química, fusión, solidificación, tratamiento térmico, y la soldadura de reparación contribuyen a la condición metalúrgica final..

Y Langhe, Nuestro enfoque hacia la fundición a la cera perdida de acero inoxidable enfatiza la selección de materiales., procesos de fundición controlados, tratamiento térmico adecuado, e inspección para respaldar la producción de componentes confiables para entornos industriales exigentes.

Ya sea fabricando cuerpos de válvulas de acero inoxidable personalizados, componentes de la bomba, impulsores, u otras piezas fundidas de precisión, Comprender y controlar la corrosión intergranular es esencial para lograr el rendimiento del material y la confiabilidad del producto a largo plazo..

 

Preguntas frecuentes

¿Qué es la descomposición de la soldadura??

La descomposición de la soldadura es corrosión intergranular en la zona de una soldadura afectada por el calor., causado por la sensibilización durante los ciclos térmicos de soldadura.

¿El acero inoxidable 304L y 316L previene el IGC??

Reducen significativamente el riesgo porque el carbono se mantiene en 0.03% o debajo, pero no son absolutamente inmunes en todas las condiciones.

Cuáles son 321 y 347 acero inoxidable utilizado para?

Son grados estabilizados. Titanio en 321 y niobio en 347 combinar con carbono preferentemente, reducir el agotamiento del cromo.

¿Puede el recocido en solución reparar la sensibilización??

Puede restaurar la condición metalúrgica si el daño por corrosión no está demasiado avanzado.. No puede reparar los límites de grano que ya se han disuelto..

¿La pasivación repara la corrosión intergranular??

No. La pasivación restaura la película pasiva superficial pero no puede restaurar el cromo a una zona de límite de grano empobrecida..