¿Qué es la sensibilización en el acero inoxidable austenítico y cómo ocurre?

¿Qué es la sensibilización?

En este artículo, discutimos qué es la sensibilización , su consecuencia en la soldadura de acero inoxidable austenítico y acero inoxidable austenítico, y cómo podemos prevenir la sensibilización.

Como sabemos, el carbono (C) es una impureza no deseada en los aceros inoxidables austeníticos debido a su excesiva afinidad termodinámica por el cromo (Cr), es decir, el carbono se combina fácilmente con el cromo a una temperatura más alta. Cuando el acero inoxidable austenítico se expone a un rango de temperatura de 370 ° C a 815 ° C (700 ° F a 1500 ° F, referencia API 571) durante la fabricación, soldadura o aplicaciones de alta temperatura, los carburos ricos en cromo precipitan a lo largo de la austenita. los límites de grano. Durante la precipitación de carburo, el carbono intersticial (C) se difunde rápidamente al cromo disponible en el material a lo largo de los límites del grano y forma carburos de cromo. Como la difusión del cromo (Cr) es lenta, no puede difundirse desde el cuerpo de los granos para reemplazar el Cr que ha entrado en los carburos. Una alta concentración de cromo en las partículas de carburo reduce el contenido de cromo inmediatamente adyacente a los límites de los granos.

Como resultado, el límite del grano tiene una menor resistencia a la corrosión y puede ser atacado en un entorno al que normalmente resistiría el acero inoxidable. Se dice que el acero está sensibilizado y es susceptible a la corrosión intergranular, IGC (también llamado ataque del límite de grano). Una sección de acero completa puede verse afectada después del servicio o el tratamiento térmico en el rango de temperatura crítica, o parte de la zona afectada por el calor de una soldadura puede sufrir el problema de sensibilización.

En estas áreas, la concentración de cromo cae por debajo del 12% en peso (el nivel al que los aceros inoxidables adquieren su característica ‘inoxidable’) y, por lo tanto, las áreas empobrecidas se vuelven anódicas en presencia de un electrolito y son susceptibles a la corrosión.

La precipitación de carburo de cromo puede ocurrir durante la exposición a altas temperaturas de funcionamiento. Esto no se considera un problema si las temperaturas de funcionamiento se mantienen por encima de la temperatura del punto de rocío. Sin embargo, en presencia de humedad y aire, puede ocurrir un ataque intergranular debido al agotamiento localizado de cromo adyacente a los límites de los granos. Para materiales con una incrustación de sulfuro metálico debido a la exposición a especies que contienen azufre (S) durante la operación, la incrustación puede reaccionar con el aire y la humedad para formar ácido politiónico. Esto, en combinación con una tensión, residual o aplicada, puede conducir a un fenómeno conocido como agrietamiento por corrosión bajo tensión politiónica según API 571 .

La precipitación de carburo de cromo también puede ocurrir por enfriamiento lento a temperatura elevada, como el recocido en solución durante la fabricación o la soldadura. El fenómeno asociado con la soldadura se denomina comúnmente decaimiento de la soldadura cuando la zona afectada por el calor se sensibiliza localmente y, por lo tanto, es susceptible al ataque intergranular.

Prevención de la sensibilización en acero inoxidable austenítico

1. La susceptibilidad a la sensibilización se puede minimizar utilizando una variante baja en carbono (es decir, 304L, 316L). Estos grados son de fabricación con un contenido de carbono muy bajo, por lo tanto, los átomos de carbono naturalmente limitados para formar los carburos de cromo. Los grados regulares y con alto contenido de carbono de los aceros inoxidables, como los tipos 304 / 304H y 316 / 316H, son particularmente susceptibles a la sensibilización en la ZAC de soldadura. Los grados “L” con bajo contenido de carbono (<0.03% C) son menos susceptibles y por lo general se pueden soldar sin sensibilizar. Los grados L no sensibilizarán siempre que las temperaturas de funcionamiento a largo plazo no superen los 750 ° F (400 ° C).
2. Se puede lograr una resistencia mejorada a la sensibilización con versiones estabilizadas químicamente de estas aleaciones que contienen pequeñas cantidades de titanio (Ti) o niobio (Nb) y tantalio (Ta), como los tipos 321 y 347. [Tenga en cuenta que el niobio también se llamaba Columbio (Cb) , pero Niobio es ahora el nombre generalmente aceptado.] La aleación 20Cb-3, así como las aleaciones 825 y 625, también están estabilizadas químicamente. Estas adiciones son formadores de carburo más fuertes que el cromo (formarán sus carburos para que no quede carbono para reaccionar con el cromo) y atan el carbono para que no se formen carburos de cromo. Las adiciones de titanio o niobio también reducen la solubilidad del carbono en austenita dando como resultado carburos de tipo MC, donde M representa titanio o niobio.Aunque estos materiales alternativos reducen la susceptibilidad a la sensibilización en tiempos de exposición cortos a temperaturas elevadas, los carburos ricos en cromo aún se precipitan después del envejecimiento a largo plazo.
3. Los requisitos suplementarios en las especificaciones de ASTM establecen que los productos del molino se entreguen en una condición estabilizada térmicamente en lugar de simplemente recocidos en solución. Este tratamiento térmico minimizará los posibles problemas de sensibilización a temperaturas más altas.
4. Se puede aplicar un tratamiento térmico de estabilización térmica a 900 ° C (1650 ° F) a las soldaduras de acero inoxidable austenítico estabilizado químicamente después de que se haya completado toda la soldadura para reducir la sensibilización en las soldaduras. Este tratamiento térmico también se aplica después de soldar el material que fue estabilizado térmicamente en el molino con el fin de restaurar la estabilización térmica destruida por el calor de la soldadura.
5. El tratamiento térmico en solución, comúnmente llamado recocido en solución, se usa para el material que se sensibilizó. El material se calienta a una temperatura de aproximadamente 1950 ° a 2050 ° F para disolver los carburos y luego se enfría con agua, no permitiendo así que los carburos precipiten. Esto es útil en el caso de componentes soldados que recibieron precipitación de carburos.