Corrosión Intergranularen Aceros inoxidables

Con alguna frecuencia llegan al IEI consultas acerca de la posibilidad deque se presente este problema en ciertas instalaciones industriales. El si-guiente es un estudio sobre dicho fenómeno.

ING. ALVARO FORERO MORAIngeniero Metalúrgico UIS.Master of Science en MetalurgiaFísica de Lehigh University Bethle-hem U.S.A.Actualmente jefe de Metalografíade la Sección de Metalurgia,IEI.

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Algunos aleantes se adicionan alacero con el fin de conferir ciertaspropiedades como resistencia mecá-nica, penetración del temple, etc.,mientras que otros, tienen el propó-sito de formar carburos que resistanla abrasión, o aumenten la resisten-cia a la corrosión u oxidación. Es-tos elementos pueden estar en solu-ción en la ferrita austenita, oformar carburos como se indica enla Tabla 1; algunos de los aleantespueden ser encontrados también co-mo inclusiones, ciertos compuestosintermetálicos o inclusive en esta-do elemental.

A principios del siglo los cient íficosal tratar de desarrollar un acero conalta resistencia a la corrosión, en-contraron que el elemento ideal pa-ra este fin es el cromo. Investigacio-nes posteriores condujeron al usode este elemento en cantidades has-ta del 300/0. Los efectos adicionalesdel cromo en los aceros tales como,endurecimiento de la ferrita, forma-ción de carburos, etc. son benefi-ciosos.

Aceros inoxidables

TABLA 1

La propiedad más importante con- t>

TENDENCIAS GENERALES DE LOSELEMENTOS ALEANTES EN EL ACERO

(Grossman)

Elemento Disuelto enFerrita

Combinado encarburos

NiSiAlMnCrWMoVTiCb

NiSiAlMn ~CrW ~Mo ~VTi 4Cb

4----------------.~Mn4----------------.Cr-4--------.~W.---------------~~Mo.--------.~ V.-------------~~ Ti+-------------.Cb

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La propiedad más importante con-ferida por el cromo a los aceros, esla resistencia a la corrosión. La fi-gura 1 muestra laspérdidas en pesodel acero en función del contenidode cromo. Este comportamientocondujo al desarrollo de los acerosinoxidables, los cuales además delcromo contienen otros elementoscomo níquel y carbono. Se tomael 12% como el mínimo contenidode cromo, para formar aceros ino-xidables.

De acuerdo con diferentes composi-ciones, estructuras y propiedades,los aceros inoxidables se dividen entres clases: austen íticos, ferr íticos vmartensíticos. El problema de la co-rrosión intergranular es fuerte en laprimer clase y se han encontradocasos con mecanismo igual para losferríticos. En la Tabla 11se indica lacomposición de algunos aceros ino-xidables.

..,Inosidables

14 % Cr

Fig. 1: Comportamiento de los aceros ante medios corrosivosen función del contenido de cromo.

TABLA 11- COMPOSICION DEALGUNOS ACEROS INOXIDABLES

TipoAISI C S OtrosCr Ni Si Mn p

AUSTEN ITICOS202 0.15 18 5 8 0.06 0.03 0.25 N302 0.15 18 8 2 0.045 0.03304 0.08 18 8 2 0.045 0.03309 0.2 23 14 2 0.045 0.03316 0.08 17 12 2 0.045 0.03 2-3 Mo

Bajo Carbono

304L 0.03 18 8 2 0.045 0.03316L 0.03 17 12 2 0.045 0.03 2-3 Mo317L 0.03 19 13 2 0.045 0.03 3-4 Mo

Estabilizados

321 0.08 18 10 2 0.045 0.03 5 x % Tp347 0.08 18 12 2 0.045 0.03 10 xO/oCb348 0.08 18 12 2 0.045 0.03 1O x % C Cb + Ta

FERRITICOS

405 0.08 13 0.04 0.03 0.2 Al430 0.12 17 0.04 0.03409 0.08 11 0.04 0.04 6 x % C Ti436 0.12 17 0.04 0.03 5 x % C Nb e-

Ingeniería e Investigación -21

<l Pasividad

La resistencia de los aceros inoxida-bles a la corrosión resulta de la pre-sencia de una fin ísima capa de óxi-do o hidrato en la superficie del me-tal, que es formada y estabilizadapor el cromo y que protege el metalde posterior ataque. Esta pel ículaes considerada insoluble, impermea-ble y autosellante; si se rompe porun rayón, por ejemplo, la pel ículase formará nuevamente al exponer-se a un medio oxidante.

Los investigadores afirman que lapasivasión no es un estado constan-te, y que existe solamente en ciertascondiciones. En algunos casos, lascondiciones con las cuales se produ-ce la pasividad pueden ser amplias,pero en otros son cr íticas y peque-ños cambios pueden destruirla. Bajocircunstancias favorables para la pa-sividad, los aceros inoxidables pre-sentan un potencial de solución cer-cano al de la plata, mientras quecuando la pasividad esdestruida, di-cho potencial es igual al del hierro.

Sensibilización

Bain y otros(1) en 1933 fueron losprimeros que ofrecieron una expli-cación para la corrosión intergranu-lar en estos materiales: cuando ace-ros austen íticos comunes son some-tidos a ciertas temperaturas y tiem-pos, se producirá una precipitaciónde carburos de cromo en los límitesde grano, empobreciendo en cromosus alrededores, y dejándolos por lotanto susceptibles a la corrosión. Sedeterminarán a continuación lascondiciones de temperatura, tiempoy composición, bajo las cuales ocu-rre la sensibilización.

1- Temperatura

Cuando los aceros austen íticos secalientan a temperaturas entre 650y 800°C se precipita el Cr'13C6de-iendo el área vecina con contenidosde cromo con porcentajes del ordendel 2 6 3 por ciento (figs. 2 y 3). Sedebe recordar que se han defin idoaceros inoxidables como contenien-do un m ínimo de 12%de cromo. Atemperaturas más bajas de las indi-cadas, la energía no essuficiente pa-22- Ingeniería e Investigación

hacia los límites de grano, mientrasque a temperaturas mayores, la di-fusión es tan alta que homogenizay tampoco se produce la precipi-tación.

Fig. 2: Esquema de la precipitación intergranular

muy corto tiempo. A cierta distan-cia de las soldaduras la precipita-ción ocurre en fracciones de minu-to, cuando el acero es expuesto ala temperatura cr ítica.

Carburos

Zonas de bajocromo

3- Composiciónra producir la difusión del cromoLo anterior esválido para los acerosferr íticos pero su rango de tempe-raturas esde 800°C a 1.000°C.

2- Tiempo

Este es otro factor importante yaque el cromo tiene más tendencia apermanecer en solución que a for-mar carburos (tabla 1) y además elmecanismo incluye difusión. Sedijoantes que la precipitación ocurre enun amplio rango de temperaturas,pero éste se angosta al calentar yenfriar rápidamente y esmuy acele-rado a 680°C. El resultado esque lasensibilización puede ocurrir en

Grano(Zona Catódica)

Carburo

Contenido deCromo

Fig. 3: Variación del contenido de Cromo através de un límite de grano.

En aceros austen íticos es necesa-rio tener 16%de cromo y 0.1%decarbono m ínimo para que ocurrala sensibilización. Los aceros másutilizados de este grupo, tienen sucomposición por encima de dichosvalores y por lo tanto son suscep-

Límite deGrano

120/0 Cr

Zona de bajoCromo

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tibies a este problema. Debido a es-te efecto se desarrollaron nuevasclases de aceros, los "estabilizados"y los de "bajo carbono". Los efec-tos de estos cambios se explicaránmás adelante.

Los aceros austen íticos tienen co-mo segundo aleante, el níquel, elcual va del 4 al 22%. Este elementoaumenta la sensibilidad a la precipi-tación intergranular y a medidaque aumenta, el carbono debe dis-m inu irse para tratar de anu lar suefecto.

Los carburos precipitados dependende la distribución local de los ele-mentos: con bajo cromo se formaCr 7 C3 mientras que con altas con-centraciones, se forman carburos dealto cromo como son Cr 3 C y Cr 23 C6.

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Acero inoxidable austenítico normal-1oo x.Laboratorio de metalografía LEJ.

Causas

Las principales causas de la precipi-tación son el tratamiento térmico yla soldadura ya que estos procesosllevan al material o a parte de él alas temperaturas cr íticas.

Un tratamiento térmico incorrectoen aceros inoxidables austen íticospuede ser perjudicial; normalmentelos aceros en cuestión son recocidosdespués de haber sido deformadosen frío para conferir máxima resis-tencia a la corrosión y restaurar m í-

nima dureza y alta ductilidad. Latemperatura para este tratamientose debe seleccionar muy cuidadosa-mente, normalmente entre 900 '/10500C y luego enfriar rápidarnen-te para que al paso por las tempe-raturas críticas no tenga el tiempopara precipitar. Los aceros estabi-lizados no necesitan el enfriamien-to rápido y los de bajo carbonopueden ser recocidos a cualquiertemperatura.

La soldadura de los aceros inoxidables austen íticos normales, llevauna zona cercana del material, ine-vitablemente a las temperaturas crí-ticas para la precipitación. La posi-bilidad de que se produzca la sensi-bilización de estas áreas depende dela temperatura que se alcanza, quecomo se dijo es inevitable, y deltiempo que el metal está expuestoa estas temperaturas el cual a su vezes función del proceso de soldaduray del espesor de las partes soldadas.Cuando las soldaduras con estos pro-blemas son expuestas a medios co-rrosivos se presentan dos comporta-mientos muy conocidos y se llamandecaimiento de la soldadura -welddecay y ataque en el corte de navajaKnife line attack- por el aspectoque presentan.

El ataque intergranular

Para condiciones fuertemente oxi-dantes, el comportamiento de losaceros inoxidables es superior acualquier otro metal o aleación. Elhecho de que dichos aceros sufranla corrosión intergranular cuandoestán "sensibilizados" no significaque dichas áreas sean específica-mente débiles, ya que estos mate-riales general mente son usados bajofuertes condiciones corrosivas. Apesar de que adiciones de 1 a 12%decromo al acero, aumentan progresi-vamente la resistencia a la oxida-ción, ésta es insuficiente para unservicio qu ímico exitoso mientrasel contenido de cromo no alcanceel 12%.

Las áreas cercanas a los límites degrano que son pobres en cromo,pierden su capacidad para la pasiva-ción y se vuelven anódicas con res-pecto al resto del grano. Estas áreas

anódicas resultan pequeñas conrelación al área catódica, y por lotanto la densidad de corriente en lasáreas anódicas es alta lo cual signi-fica corrosión intensiva. Adicional alo anterior se debe considerar quela disposición especial de estas áreashacen la reacción en extremo ener-gética ya que el ox ígeno presentesirve como depolarizante al reaccio-nar con el hidrógeno.

Como evitar la corrosiónintergranular

Existen tres bien conocidas manerasde evitar la corrosión intergranular:estabilizando, bajando el carbono ytratanto térmicamente.

Acero inoxidable austenítico "sensibilizado".400 x. Ataque electrol ítico. Laboratorio deMetalografía LE.L

1- Estabilización

Este método es el más común yconsiste en fomentar la formacióndecarburos diferentes al cromo, me-diante la adición de aleantes ávidosde carbono, como son el titanio yel columbia según la tabla l.

Cuando el acero se calienta a tempe-raturas de sensibilización, el carbo-no se combina muy rápidamentecon los elementos "estabilizadores",haciendo que el cromo abandone sutendencia a formar carburos. Losgrados 321, 347 y 348 (tabla 11)son los estabilizados y se usan don-j,

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<l de es necesario soldar las piezas yno es posible tratar térmicamente.Los electrodos para soldar tambiéndeben ser de composición "estabi-Iizada" ya que en soldadura de va-rios cordones, ser ía llevada a tem-peraturas críticas.

2- Bajo carbono

El contenido de carbono normal enestos aceros es de 0,090/0 hacia arri-ba pero con técnicas modernas, co-mo fusión al vacío, es posible bajarmás dicho porcentaje. Están dispo-nibles tipos de aceros con 0,030/0 decarbono máximo que son 304L,316L Y 317L (tabla 111).

La presencia del carbono dominatodo el problema como se explicó

BIBLlOGRAFIA

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en el mecanismo del fenómeno, yciertamente con porcentajes tan ba-jos como 0.03 la posibilidad de laprecipitación de carburos es nula.

En caso de necesitarse soldar estosaceros, se deben utilizar electrodosde la misma composición.

3- Tratamiento térmico

Específicamente se trata de "solu-ción de carburos". Es posible des-truir la precipitación mediante eltratamiento de toda la pieza. Elproceso de "desensibilización" enaceros austen íticos consiste en ca-lentar la pieza a temperaturas entre10000e y 11000e y enfriar .rápi-damente.

- Lancaster J.F. "The Metall urgv of wel-ding Brazing and soldering". AmericanElsevier Publishing Co. 1965.

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Hodges R.J. "Intergranular Corrosion

Este proceso devuelve el cromo ala solución en la austenita y no datiempo para la precipitación ya queel temple final hace que el paso porlas temperaturas críticas sea rápido.

Este tratamiento produciría precipi-tación en aceros ferríticos; la tem-peratura correcta para estos aceroses por encima de 11000e y comoen el caso anterior, el enfriamientodebe ser rápido.

El problema principal de este mé-todo consiste en que es necesariotratar toda la pieza; de otra maneraalgunas zonas serán inevitablementeexpuestas al calentamiento dañinodentro de las temperaturas críticasde nuevo .•

of High Puritv Ferritic stainless Steels".Corrosión Vol. 27. March and April1971.

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