Corrosión intergranular: causas, detección y estrategias de prevención

Existen muchos tipos de daño por corrosión, como la corrosión uniforme y la picadura, que se pueden ver fácilmente a simple vista. Sin embargo, algunos daños por corrosión no son visibles pero siguen siendo perjudiciales para la integridad de la estructura o el equipo. Este artículo examina más de cerca uno de los tipos de daño por corrosión menos visibles, llamado corrosión intergranular (CIG), centrándose en desarrollar una comprensión más profunda de cómo se produce, qué materiales se ven afectados, los tipos de industrias donde ocurre típicamente y cómo detectar y mitigar el daño.

¿Qué es la corrosión intergranular (CIG)?

La corrosión intergranular (CIG), a veces denominada ataque intergranular (AIG), es una corrosión localizada o preferencial que avanza a lo largo de los bordes de grano (cristal) o inmediatamente adyacentes a ellos. En contraste, la mayoría de los granos permanecen prácticamente sin afectar.

Aunque la pérdida de metal es mínima, la CIG puede causar la falla catastrófica del equipo. Es una forma común de ataque en aleaciones en presencia de medios corrosivos que resulta en la pérdida de resistencia y ductilidad. No se debe confundir la CIG con el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC). El SCC requiere tensiones (residuales o aplicadas) que actúan continua o cíclicamente en un entorno corrosivo produciendo grietas que siguen un camino intergranular.

Figura 1. Ataque de corrosión intergranular en lámina de acero inoxidable austenítico laminado en frío. (Fuente: Antkyr, Creative Commons ShareAlike 3.0 Unported (CC BY-SA 3.0).)

Cómo se forma la corrosión intergranular (CIG)

La corrosión localizada en los bordes de grano es causada por la disolución anódica de áreas debilitadas por elementos de aleación, precipitación de segunda fase o regiones con elementos de aleación o impurezas aislados. La parte restante de la superficie expuesta funciona típicamente como cátodo, y las grandes áreas catódicas soportan el proceso de disolución anódica.

La relación cátodo/ánodo es generalmente mayor que uno. Depende de factores como la fracción volumétrica y distribución de fases electroquímicamente activas, la distribución de elementos de aleación e impurezas perjudiciales, y el tamaño de grano.

La velocidad de corrosión depende del mecanismo de corrosión dominante, y factores como la difusión de especies hacia o desde el frente anódico pueden gobernar la cinética de disolución. Una característica significativa de la CIG es el desarrollo de una profundidad de ataque relativamente homogénea y uniforme. La disolución de los bordes de grano causa el desprendimiento de granos, a menudo denominado "caída de granos". La caída de granos es responsable de la mayor parte de la pérdida de peso observada tras la exposición a CIG, y las tasas de corrosión pueden ser varios órdenes de magnitud superiores a las de la corrosión general.

Figura 2. Un acero inoxidable que se corroyó cerca de la zona afectada por el calor (ZAC) de una soldadura. (Fuente: Laboratorio de Ingeniería de Corrosión de la NASA.)

Materiales comúnmente afectados por la corrosión intergranular

El ataque de corrosión intergranular es principalmente prevalente en ciertos tipos de acero inoxidable más que en acero al carbono. (Lectura relacionada: Por qué el acero inoxidable es resistente a la corrosión.) Sin embargo, los siguientes materiales no están exentos de ataque CIG.

• Aceros inoxidables austeníticos no estabilizados grados 304 y 316 usados en plantas químicas son propensos al ataque CIG cuando se usan en estado sensibilizado. La sensibilización es causada por la precipitación de carburo de cromo en los bordes de grano en una zona adyacente a soldaduras, donde la temperatura ha estado entre 500–800 °C (932–1472 °F). (Para más información, lea Cómo la fragilidad en caliente y la soldadura afectan la corrosión en metales.)
• Aleaciones níquel-cobre (Aleación 400, UNS N04400) son propensas al ataque CIG cuando se exponen a ciertos tipos de soluciones de ácido fluorhídrico y ácido crómico.
• El ataque CIG puede ocurrir en aleaciones níquel-molibdeno (Aleación B, UNS N10001) expuestas a ácido clorhídrico y sulfúrico caliente debido a la precipitación de constituyentes ricos en molibdeno.
• Aleaciones níquel-cromo como la Aleación 600 son propensas al ataque CIG. Por tanto, no están destinadas para uso en servicio en entornos corrosivos.
• Grados de aluminio 2024 y 7075 son propensos al ataque CIG porque el CuAl₂ precipita en los bordes de grano que actúan como cátodos, acelerando la zona empobrecida adyacente al borde de grano. Además, los grados de aluminio 5083 y 7030 también son susceptibles al ataque CIG.
• El zinc (Zn) de alta pureza no es propenso a CIG. Sin embargo, el aluminio como elemento de aleación o impurezas en la aleación de zinc podría causar un ataque CIG.

Ataque intergranular de aceros inoxidables austeníticos

En los aceros inoxidables austeníticos, el ataque intergranular suele ser el resultado de la precipitación de carburo de cromo (Cr₂₃C₆) en los bordes de grano, lo que produce una zona estrecha de empobrecimiento de cromo en el borde de grano. Esta condición se denomina sensibilización (Figura 3). La sensibilización implica la precipitación de carburos de cromo en los bordes de grano, resultando en una zona estrecha de empobrecimiento de cromo en el borde de grano.

Figura 3.

Dado que el cromo es el principal elemento de aleación que hace al acero inoxidable resistente a la corrosión, las regiones empobrecidas en cromo son susceptibles a ataque corrosivo preferencial. Se cree que esto ocurre porque el contenido de cromo inmediatamente adyacente al carburo puede estar por debajo del requerido para la aleación de acero inoxidable. Si los carburos forman una red continua en el borde de grano, la corrosión puede producir una separación o hueco en el borde y posible caída o pérdida de granos.

Métodos para detectar la corrosión intergranular

Generalmente, la CIG avanza a lo largo de los bordes de grano y es difícil de detectar a simple vista o con cualquier otra técnica de inspección no destructiva. Sin embargo, el material puede probarse para resistencia a CIG antes de la fabricación del equipo con métodos de laboratorio específicos, como la prueba de Huey (que usa una solución nítrica) o la prueba de Strauss para identificar la susceptibilidad del acero inoxidable a la corrosión intergranular. También puede usarse la prueba de Streicher, basada en una determinación cuantitativa de pérdida de peso. Además, el agrietamiento intergranular puede observarse cuando una muestra del área fallada se prepara metalográficamente y se examina bajo un microscopio electrónico de barrido (SEM).

Métodos de mitigación para prevenir el ataque CIG de acero inoxidable austenítico níquel-cromo

Realizar tratamientos adecuados de recocido y temple en el taller de fabricación o en la acería reducirá la susceptibilidad del acero inoxidable y aleaciones ricas en níquel y cromo a la CIG. Cuando estos tratamientos se realizan con éxito, los carburos de cromo, nitruros y carburos de molibdeno disueltos, y sus formas de pre-precipitación, se mantienen en solución durante el temple.

En aceros inoxidables ferríticos (AISI Tipo 430, Tipo 446), la tasa de difusión del carbono es tan grande que la precipitación de carburos de cromo no puede prevenirse, incluso con temple rápido en agua desde tratamientos de recocido a alta temperatura. Sin embargo, la tasa de difusión de cromo en estas aleaciones también es alta. Es posible restaurar las zonas empobrecidas en cromo alrededor de los precipitados de carburo de cromo con tratamientos térmicos cerca de 816 °C (1500 °F). El resultado es una microestructura que contiene cantidades extensas de residuo de carburo, que es inmune a la CIG.

Figura 4. Tratamiento térmico de soldaduras de tuberías para prevenir la corrosión intergranular. (Fuente: Berkut34 | Dreamstime.com)

Cuando las aleaciones de acero inoxidable se sueldan, la formación de carburos y nitruros de cromo puede prevenirse en muchos casos reduciendo el contenido de carbono y nitrógeno. La introducción del proceso de descarbonización argón-oxígeno, fusión al vacío y refundición por arco consumible han influido enormemente en la prevención de la formación de carburos y nitruros de cromo en las aleaciones AISI Tipo 304L, Tipo 316L, Aleaciones C-276 y C-4, y Fe-29%Cr-4%Mo.

La formación de carburos de cromo en el acero inoxidable puede prevenirse añadiendo los elementos titanio (Ti) o niobio (Nb). (Lectura relacionada: El papel del cromo en la corrosión intergranular.) Estos elementos se combinan con el carbono y reducen su concentración de modo que no se forman carburos de cromo durante la exposición en el rango de temperaturas de sensibilización durante la soldadura y el alivio de tensiones, e incluso bajo condiciones de operación. Estas se llaman aleaciones estabilizadas, y son AISI Tipo 321 (Ti), AISI Tipo 347 (Nb), Aleación 20Cb-3 (Nb), Aleación 625 (Nb) y Aleación 825 (Ti).

Diferentes tamaños de uniones soldadas y otras técnicas de soldadura (como menores aportes de calor) pueden reducir el grado de sensibilización. Sin embargo, no es fácil mantener un control definitivo para hacer este enfoque generalmente aplicable.

Industrias que a menudo se ven afectadas por la corrosión intergranular

La CIG puede ocurrir en cualquier equipo fabricado con acero inoxidable austenítico, aleación níquel-cobre, aleación níquel-molibdeno, aleación níquel-cromo, aleación de aluminio y aleación de zinc en cualquier industria donde existan las condiciones adecuadas, lo que significa que si el material no ha sufrido el tratamiento térmico adecuado y contiene un mayor contenido de carbono (C > 0,03 %) entonces es susceptible.

La corrosión intergranular puede llevar a falla catastrófica en la mayoría de los equipos de proceso si no se han usado el material correcto y el tratamiento térmico adecuado durante la etapa de fabricación. La pérdida de espesor de sección transversal y la introducción de grietas pueden tener consecuencias graves para aplicaciones como contención a presión.