Corrosión intergranular (ataque intergranular): causas, pruebas y prevención

La corrosión intergranular, también llamada ataque intergranular, es la corrosión que avanza a lo largo de los límites de grano de un metal. Los granos mismos casi no se ven afectados. Es más común en aceros inoxidables austeníticos que la soldadura o un tratamiento térmico sensibilizaron. La sensibilización deja al metal junto a los límites de grano con déficit de cromo. El ataque avanza entre los granos en lugar de extenderse por la superficie. Por eso, un tubo, un tanque o un recipiente puede perder gran parte de su resistencia, o empezar a presentar fugas, aunque a simple vista siga pareciendo en buen estado.

A continuación explicamos la sensibilización, el deterioro de la soldadura (weld decay) y el ataque en línea de cuchillo (knife-line attack), y otras aleaciones afectadas. También explicamos las pruebas, la prevención y cómo reconocer la corrosión intergranular cuando falla un componente.

¿Qué es la corrosión intergranular?#

Los metales están formados por pequeños cristales, llamados granos, que se unen en los límites de grano. Las impurezas se acumulan en esos límites y, cuando el metal se calienta, allí se forman nuevas fases. Cuando esto hace que una franja estrecha en los límites sea mucho más reactiva que los granos, esa franja se convierte en ánodo, las superficies de los granos actúan como cátodo y la corrosión sigue la red de límites hacia el interior del metal.

Los términos corrosión intergranular y ataque intergranular (IGC e IGA, por sus siglas en inglés) se usan indistintamente. Al igual que las picaduras y la corrosión por hendiduras, es una forma de corrosión localizada, y una de las más difíciles de detectar. En casos graves, granos completos se desprenden de la superficie. Con más frecuencia, el ataque deja una red de fisuras finas que elimina poco metal. Las mediciones de espesor se mantienen cerca del valor nominal mientras la pared pierde resistencia.

Sensibilización: por qué el acero inoxidable se vuelve susceptible#

El acero inoxidable resiste la corrosión porque su cromo forma una delgada película pasiva. Esa película requiere suficiente cromo en solución, generalmente alrededor de 12 por ciento. Cuando un acero inoxidable austenítico como el 304 o el 316 se mantiene en el rango de sensibilización, que suele citarse como de aproximadamente 800 a 1,500 °F (425 a 815 °C), el carbono se combina con el cromo y precipita como carburos de cromo a lo largo de los límites de grano. El carbono se difunde rápidamente y el cromo lentamente. Por eso, los carburos toman su cromo de una delgada franja de metal justo al lado de cada límite. Esa franja queda con muy poco cromo para mantenerse pasiva, aunque la aleación siga cumpliendo con la composición química de su grado. Esto es la sensibilización.

La severidad de la sensibilización de un acero depende del tiempo, la temperatura y el contenido de carbono. Un paso rápido por ese rango puede tener poco efecto. Varias horas en él durante un enfriamiento lento, un tratamiento térmico o en servicio pueden tener mucho. Cuanto mayor es el contenido de carbono, más rápido se forman los carburos, y por eso los grados estándar (0.08 por ciento de carbono como máximo en 304 y 316) son mucho más vulnerables que los grados L de bajo carbono (0.03 por ciento como máximo).

Aun así, el acero sensibilizado necesita un entorno que ataque las zonas empobrecidas en cromo, como el ácido nítrico y muchas otras corrientes de proceso. También las atacan los ácidos politiónicos que se forman en los equipos de refinería cuando las incrustaciones de sulfuros entran en contacto con el aire y la humedad durante los paros. Pueden agrietar el inoxidable sensibilizado a lo largo de sus límites de grano. Una pieza sensibilizada puede durar años en un entorno poco agresivo y luego fallar rápidamente cuando cambia la química.

Elija un estado abajo para ver lo que pasa en los límites entre granos.

Deterioro de la soldadura y ataque en línea de cuchillo#

Deterioro de la soldadura (weld decay) es corrosión intergranular en la zona afectada por el calor de una soldadura en un grado estándar no estabilizado, como el 304. El metal en la línea de fusión se calienta lo suficiente para mantener el carbono en solución y se enfría rápidamente. Pero una franja un poco más alejada permanece el tiempo suficiente en el rango de sensibilización para que se formen carburos. Esa franja se corroe y deja una línea de ataque paralela a la soldadura a cada lado, a poca distancia de ella. Un aporte de calor elevado, muchas pasadas y las reparaciones repetidas de la soldadura lo agravan.

Ataque en línea de cuchillo (knife-line attack) afecta a los grados estabilizados 321 y 347. La soldadura calienta el metal inmediatamente adyacente a la línea de fusión lo suficiente para disolver los carburos de titanio o niobio que normalmente retienen el carbono. Si después la unión soldada se recalienta dentro del rango de sensibilización, por pasadas de soldadura adicionales, un ciclo de alivio de esfuerzos o el servicio a temperatura, se forman en su lugar carburos de cromo, y una franja muy estrecha junto a la soldadura se corroe como si se hubiera cortado con un cuchillo. Donde existe este riesgo, el remedio habitual es un tratamiento térmico de estabilización después de soldar.

Otras aleaciones afectadas#

El acero inoxidable es el caso más conocido, pero no el único:

• Los aceros inoxidables ferríticos también pueden sensibilizarse, en condiciones térmicas distintas de las de los grados austeníticos.
• Aleaciones de níquel que se usan en servicio químico pueden sufrir ataque intergranular cuando precipitan carburos u otras fases en los límites de grano durante la soldadura o el tratamiento térmico. Las versiones de bajo carbono y las estabilizadas lo limitan.
• Las aleaciones de aluminio-magnesio (5xxx) con más de alrededor de 3 por ciento de magnesio pueden sensibilizarse tras una exposición prolongada a temperaturas moderadamente elevadas, que suelen citarse como de aproximadamente 150 a 400 °F (65 a 200 °C), cuando se forma una fase anódica rica en magnesio a lo largo de los límites de grano.
• Las aleaciones de aluminio 2xxx y 7xxx pueden sufrir ataque intergranular por precipitados formados durante el tratamiento térmico. En productos laminados o extruidos con granos aplanados, a menudo adopta la forma de exfoliación, en la que el producto de corrosión levanta la superficie en capas.

Detección y pruebas#

En servicio, la corrosión intergranular puede manifestarse como una franja de ataque junto a una soldadura, una superficie rugosa de aspecto azucarado donde los granos se han aflojado, o fugas y grietas desproporcionadas respecto al daño visible. Las mediciones de espesor de rutina a menudo no la detectan. Las réplicas metalográficas in situ permiten revisar si una superficie tiene una estructura sensibilizada, pero la confirmación normalmente requiere un laboratorio.

La norma ASTM A262 establece prácticas estándar para detectar la susceptibilidad al ataque intergranular en aceros inoxidables austeníticos, que se usan para calificar el material antes de ponerlo en servicio y para revisarlo después de una falla. Las prácticas que se citan con más frecuencia son:

• Práctica A, un ataque electrolítico con ácido oxálico que se examina al microscopio. Es una prueba de selección: puede aceptar el material, pero el material que no la aprueba pasa a una de las pruebas de corrosión en lugar de rechazarse de inmediato.
• Práctica B, una prueba en ebullición con sulfato férrico y ácido sulfúrico, evaluada por pérdida de peso.
• Práctica C, la prueba en ácido nítrico en ebullición (Huey), también evaluada por pérdida de peso.
• Práctica E, la prueba con cobre, sulfato de cobre y ácido sulfúrico (Strauss), en la que la probeta se dobla después de la exposición y se revisa en busca de fisuras.

Cada una es adecuada para determinados grados y servicios, por lo que conviene indicar la práctica y los criterios de aceptación al pedir material o solicitar pruebas. Otras aleaciones tienen sus propias pruebas: ASTM G28 para aleaciones forjadas ricas en níquel y con contenido de cromo, ASTM G67 para aleaciones de aluminio de la serie 5xxx y ASTM G110 para aleaciones de aluminio tratables térmicamente.

Prevención: selección del grado, tratamiento térmico y soldadura#

La corrosión intergranular es un problema metalúrgico, así que las soluciones confiables también son metalúrgicas:

• Use grados L de bajo carbono. Los aceros 304L y 316L forman carburos tan lentamente que la soldadura ordinaria no los sensibiliza, aunque una exposición prolongada en el rango de sensibilización todavía puede hacerlo. Use metal de aporte compatible de bajo carbono.
• Use grados estabilizados. Los grados 321 (titanio) y 347 (niobio) fijan el carbono en forma de carburos de titanio o niobio, lo que deja el cromo en solución. A menudo se eligen para servicio dentro del rango de sensibilización, teniendo en cuenta el ataque en línea de cuchillo en las soldaduras.
• Aplique recocido de solubilización al material sensibilizado. Calentar muy por encima del rango de sensibilización disuelve los carburos de cromo, y un enfriamiento rápido evita que vuelvan a formarse. Es adecuado para piezas y fabricaciones en taller, pero a menudo no es práctico en equipos grandes o ya instalados.
• Controle el aporte de calor de la soldadura. Mantenga bajos el aporte de calor y la temperatura entre pasadas, y evite pasadas innecesarias y reparaciones repetidas.
• Revise el tratamiento térmico posterior a la soldadura. Los ciclos de alivio de esfuerzos pensados para acero al carbono pueden quedar dentro del rango de sensibilización, así que verifique qué efecto tendrá un ciclo en cualquier acero inoxidable del conjunto.
• Verifique el grado. Revise los certificados de material de la acería (mill test reports) para conocer el contenido de carbono. Los analizadores XRF portátiles no pueden medir el carbono, así que no distinguen el 304 del 304L.

Los recubrimientos y la pasivación no corrigen un acero sensibilizado. Un recubrimiento solo lo cubre, y la pasivación no puede devolver el cromo a las zonas empobrecidas.

El ataque intergranular en el análisis de fallas#

El ataque intergranular suele salir a la luz como una fuga en una soldadura de acero inoxidable, un recipiente agrietado o un tubo de intercambiador de calor que falló mucho antes de cumplir su vida de diseño. Las preguntas para propietarios, aseguradoras y abogados son qué mecanismo lo causó y qué hizo susceptible al metal. Una investigación forense de corrosión normalmente sigue estos pasos:

1. Preserve la evidencia. Documente el componente tal como se encontró, y no limpie, esmerile ni repare la zona de la falla antes de examinarla.
2. Revise los registros. Certificados de material, procedimientos de soldadura e historial de reparaciones, gráficas de tratamiento térmico, e historial de operación, limpieza y paros.
3. Examine el daño. Las secciones metalográficas muestran si el ataque sigue los límites de grano y delinea granos intactos. Con aumento, una superficie de fractura intergranular se ve facetada, como azúcar cristalizada (rock candy).
4. Someta el material a pruebas. El análisis químico confirma el grado y el contenido de carbono. Las pruebas A262 lejos de la falla muestran si el acero ya venía sensibilizado de origen o solo cerca de las soldaduras, lo que distingue un problema de material de un problema de fabricación o de servicio.
5. Identifique la causa raíz. Los hallazgos típicos son un grado equivocado, un aporte de calor excesivo o reparaciones repetidas, un ciclo de tratamiento térmico en el rango de sensibilización, excursiones de temperatura o un cambio en la química del proceso.

No toda grieta intergranular es corrosión intergranular. El agrietamiento intergranular por corrosión bajo esfuerzo requiere además esfuerzos de tensión, y la fragilización por hidrógeno, la termofluencia (creep) y la fragilización por metal líquido (por ejemplo, el zinc de piezas galvanizadas sobre acero inoxidable que se suelda o queda expuesto a un incendio) también producen fracturas intergranulares. En cambio, el agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo inducido por cloruros en el acero inoxidable suele atravesar los granos. Cada mecanismo apunta a una causa distinta y, a menudo, a una parte responsable distinta.

Cómo puede ayudar Dreiym Engineering#

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