Interkristallijne corrosie: oorzaken, detectie en preventiestrategieën

Er zijn veel typen corrosieschade, zoals uniforme corrosie en putvorming, die mensen gemakkelijk met het blote oog kunnen zien. Echter, sommige corrosieschade is niet zichtbaar, maar toch schadelijk voor de integriteit van de structuur of apparatuur. Dit artikel kijkt nader naar een van de minder zichtbare corrosieschadetypen, interkristallijne corrosie (IKC), met focus op een dieper begrip van hoe interkristallijne corrosie ontstaat, welke materialen beïnvloed worden, de typen industrieën waar interkristallijne corrosie typisch voorkomt, en hoe de schade te detecteren en te mitigeren.

Wat is interkristallijne corrosie (IKC)?

Interkristallijne corrosie (IKC), soms aangeduid als interkristallijne aanval (IKA), is een preferentiële of gelokaliseerde corrosie die voortschrijdt langs de korrelgrenzen of onmiddellijk angrenzend aan de korrelgrenzen. In tegenstelling hiermee blijven de meeste korrels grotendeels onbeïnvloed.

Hoewel metaalverlies minimaal is, kan IKC leiden tot catastrofale uitval van apparatuur. IKC is een veelvoorkomende aanvalsvorm op legeringen in aanwezigheid van corrosieve media die resulteert in verlies van sterkte en duktiliteit. Men mag IKC niet verwarren met spanningscorrosiescheuring (SCS). SCS vereist spanningen (rest of toegepast) die continu of cyclisch werken in een corrosieve omgeving, waarbij scheuren een interkristallijn pad volgen.

Figuur 1. Interkristallijne corrosie aanval in austenitisch koudgewalst roestvrij staal. (Bron: Antkyr, Creative Commons ShareAlike 3.0 Unported (CC BY-SA 3.0).)

Hoe interkristallijne corrosie (IKC) ontstaat

De gelokaliseerde IKC-corrosie aan korrelgrenzen wordt veroorzaakt door de anodische oplossing van gebieden die zijn verzwakt door legeringselementen, tweede-fase neerslag of gebieden geïsoleerde legerings- of onzuiverheidselementen. Het overige deel van het blootgestelde oppervlak fungeert typisch als de kathode, en grote kathodische gebieden ondersteunen het anodische oplossingsproces.

De kathode-tot-anode verhouding is doorgaans groter dan één. Het hangt af van factoren zoals het volumefractie en de distributie van electrochemisch actieve fasen, de distributie van schadelijke legerings- en onzuiverheidselementen, en korrelgrootte.

De corrosiesnelheid is afhankelijk van het dominante corrosiemechanisme, en factoren zoals de diffusie van soorten naar of van de anodische front kunnen de dissolutiekinetica bepalen. Een belangrijk kenmerk van IKC is de ontwikkeling van een relatief homogene en uniforme diepte van aanval. De oplossing van korrelgrenzen veroorzaakt het loskomen van korrels, vaak aangeduid als korrelverlies. Korrelverlies is verantwoordelijk voor het grootste deel van het gewichtsverlies dat na IKC-blootstelling wordt waargenomen, en corrosiesnelheden kunnen daarom diverse ordes van grootte hoger zijn dan tijdens algemene corrosie.

Figuur 2. Een roestvrij staal dat gecorrodeerd is nabij de warmtebeïnvloede zone (WBZ) van een las. (Bron: NASA Corrosion Engineering Laboratory.)

Materialen die vaak beïnvloed worden door interkristallijne corrosie

Interkristallijne corrosieaanval komt voornamelijk voor in bepaalde typen roestvrij staal en minder in koolstofstaal. (Gerelateerde lezing: Waarom roestvrij staal corrosiebestendig is.) De volgende materialen zijn echter niet uitgesloten van IKC-aanval.

• Onstabiliseerde austenitische roestvijfstaalkwaliteiten 304 en 316, gebruikt in chemische installaties, zijn vatbaar voor IKC-aanval wanneer ze in de gevoeligheidsfase gebruikt worden. De gevoeligheid wordt veroorzaakt door de neerslag van chroomcarbied aan de korrelgrenzen in een zone angrenzend aan lassen, waar de temperatuur tussen 500-800°C (932-1472°F) lag. (Meer over dit onderwerp: Hoe warmtekortheid en lassen corrosie in metalen beïnvloeden.)
• Nikkel-koperlegeringen (Legering 400, UNS N04400) zijn vatbaar voor IKC-aanval wanneer blootgesteld aan bepaalde typen fluorwaterstofzuur- en chroomzuuroplossingen.
• IKC-aanval kan optreden in nikkel-molybdeenlegeringen (Legering B, UNS N10001) blootgesteld aan hete chloorwaterstofzuur en zwavelzuur door de neerslag van molybdeenrijke constituenten.
• Nikkel-chroomlegeringen zoals Legering 600 zijn vatbaar voor IKC-aanval. Daarom zijn ze niet bedoeld voor gebruik in corrosieve omgevingen.
• Aluminiumkwaliteiten 2024 en 7075 zijn vatbaar voor IKC-aanval omdat CuAl₂ uitvalt aan de korrelgrenzen en als kathoden fungeert, wat de uitgeputte zone angrenzend aan de korrelgrens versnelt. Daarnaast zijn aluminiumkwaliteiten 5083 en 7030 ook gevoelig voor IKC-aanval.
• Zink (Zn) van hoge zuiverheid is niet vatbaar voor IKC. Echter, aluminium als legeringselement of onzuiverheden in het zinklegering kunnen een IKC-aanval veroorzaken.

Interkristallijne aanval van austenitische roestvijfstalen

Bij austenitische roestvijfstalen is interkristallijne aanval meestal het gevolg van chroomcarbiedneerslag (Cr₂₃C₆) aan korrelgrenzen, wat een smalle zone van chroomuitputting aan de korrelgrens produceert. Deze toestand wordt gevoeligheid genoemd (Figuur 3). Gevoelheid omvat de neerslag van chroomcarbiden aan korrelgrenzen, wat resulteert in een smalle zone van chroomuitputting aan de korrelgrens.

Figuur 3.

Omdat chroom het primaire legeringselement is dat roestvrij staal corrosiebestendig maakt, zijn de chroom-uitgeputte gebieden vatbaar voor preferentiële corrosieaanval. Men gelooft dat dit optreedt omdat de chroomgehalte onmiddellijk angrenzend aan het carbied mogelijk onder de vereiste waarde voor het roestvijfstaallegering ligt. Als de carbiden een continu netwerk aan de korrelgrens vormen, kan corrosie een scheuring of gat aan de grens produceren en mogelijk korrelverlies of -verlies.

Methoden om interkristallijne corrosie te detecteren

Doorgaans loopt de IKC langs korrelgrenzen en is moeilijk te detecteren met het blote oog of een andere niet-destructieve inspectietechniek. Het materiaal kan echter getest worden op weerstand tegen IKC vóór fabricage van de apparatuur met specifieke laboratoriummethoden, zoals de Huey-test (die een azijnzuuroplossing gebruikt) of de Strauss-test om de gevoeligheid van roestvrij staal voor interkristallijne corrosie te identificeren. De Streicher-test kan ook worden gebruikt, wat gebaseerd is op een kwantitatieve gewichtsverliesbepaling. Daarnaast kan IKC-scheurvorming worden gezien wanneer een monster van de gefaalde zone metallografisch wordt voorbereid en onder een scanning elektronenmicroscoop (SEM) wordt onderzocht.

Mitigatiemethoden om IKC-aanval van austenitische nikkel-chroom roestvijfstaal te voorkomen

Het uitvoeren van juiste gloven en afschrikbehandelingen in de fabricagewerkplaats of walzwerk zal de gevoeligheid van roestvrij staal en nikkelrijke chroomdragende legeringen voor IKC verminderen. Wanneer deze behandelingen met succes worden uitgevoerd, houden opgeloste chroomcarbiden, nitriden en molybdeencarbiden, en hun pre-neerslagvormen, deze in oplossing tijdens het afschrikken.

In ferritische roestvijfstalen (AISI Type 430, Type 446) is de diffusiesnelheid van koolstof zo groot dat de neerslag van chroomcarbiden niet voorkomen kan worden, zelfs met snelle waterafschrikken van hoge-temperatuur glovingsbehandelingen. De diffusiesnelheid van chroom in deze legeringen is echter ook hoog. Het is mogelijk om de chroom-uitgeputte zones rondom de chroomcarbiedneerslagen te herstellen met warmtebehandelingen bij ongeveer 816°C (1.500°F). Het resultaat is een microstructuur die uitgebreide hoeveelheden carbideresten bevat, die immuun is voor IKC.

Figuur 4. De warmtebehandeling van pijpleidinglassen om interkristallijne corrosie te voorkomen. (Bron: Berkut34 | Dreamstime.com)

Wanneer roestvijfstaallegeringen worden gelast, kan de vorming van chroomcarbiden en nitriden in veel gevallen worden voorkomen door de koolstof- en stikstofinhoud te verlagen. De invoering van het argon-zuur ontkoolstofproces, vacuumsmelten en consumeerbare boogherhitting hebben de voorkoming van chroomcarbied- en nitriedvorming in de legeringen AISI Type 304L, Type 316L, Legeringen C-276 en C-4, en Fe-29%Cr-4%Mo sterk beïnvloed.

De vorming van chroomcarbiden in roestvrij staal kan worden voorkomen door de elementen titanium (Ti) of niobium (Nb) toe te voegen. (Gerelateerde lezing: De rol van chroom in interkristallijne corrosie.) Deze elementen combineren met koolstof en verlagen de concentratie zodanig dat chroomcarbiden niet worden gevormd tijdens blootstelling in het gevoeligheidstemperatuurgebied tijdens lassen en spanningsontlasting, en zelfs onder bedrijfsomstandigheden. Dit heet gestabiliseerde legeringen, en ze zijn AISI Type 321 (Ti), AISI Type 347 (Nb), Legering 20Cb-3 (Nb), Legering 625 (Nb) en Legering 825 (Ti).

Verschillende afmetingen van gelaste delen en andere lastechnieken (zoals lagere warmteinvoer) kunnen de mate van gevoeligheid verminderen. Het is echter niet makkelijk om definitieve controle te behouden om deze aanpak algemeen toepasbaar te maken.

Industrieën die vaak beïnvloed worden door interkristallijne corrosie

IKC kan optreden op elk apparaat gefabriceerd van austenitisch roestvrij staal, nikkel-koperlegering, nikkel-molybdeenlegering, nikkel-chroomlegering, aluminiumlegering en zinklegering in elke industrie waar de juiste omstandigheden bestaan, wat betekent dat als het materiaal niet de juiste warmtebehandeling heeft ondergaan en een hogere koolstofinhoud bevat (C > 0,03%) het vatbaar is.

Interkristallijne corrosie kan leiden tot catastrofale storing in de meeste procesapparatuur als niet het juiste materiaal en de juiste warmtebehandeling tijdens de fabricagefase zijn gebruikt. Het verlies van dwarsdoorsnede-dikte en de introductie van scheuren kunnen ernstige gevolgen hebben voor toepassingen zoals drukhouding.