Tipuri de coroziune a oțelului și metalelor - cauze, mecanisme și exemple

Descărcați descrierea în format pdf

Coroziunea metalelor nu este un fenomen singular, clar definit. În funcție de tipul de material, mediu, temperatură, prezența clorurilor, stres, curgerea fluidului sau contactul cu un alt metal, aceasta poate lua multe forme diferite. În unele cazuri, pierderea de material are loc uniform pe întreaga suprafață, în timp ce în altele, o coroziune aproape invizibilă poate duce la perforarea componentei.
Acest lucru este deosebit de important în cazul oțelurilor inoxidabile și al aliajelor de nichel. Termenul „oțel inoxidabil” nu desemnează un material complet rezistent la coroziune. Rezistența oțelurilor inoxidabile provine în principal din prezența unui strat pasiv subțire, bogat în crom, care se formează pe suprafața metalului. Dacă acest strat este deteriorat local sau condițiile de mediu împiedică regenerarea sa, poate începe un proces intens de coroziune.
Prin urmare, alegerea clasei adecvate – de exemplu, 1.4301 (AISI 304), 1.4404 (AISI 316L), 1.4539 (904L), 1.4529 (UNS N08926), 1.4547 (254 SMO), duplex 1.4462 (2205), superduplex 1.4410 (2507) sau aliaje de nichel precum aliajul 625 – ar trebui să ia întotdeauna în considerare nu numai „rezistența la coroziune” generală, ci și mecanismul specific de coroziune care apare într-un anumit mediu.

Cum se clasifică coroziunea metalelor?

Coroziunea poate fi clasificată în mai multe moduri. Poate fi împărțită în coroziune chimică și electrochimică, coroziune uniformă și localizată sau clasificată în funcție de mecanismul prin care se produce.
Tipul de coroziune nu trebuie confundat cu mediul în care apare. Termeni precum coroziune atmosferică, coroziune marină, coroziune a solului sau coroziune în apă descriu în primul rând mediul de funcționare al materialului. Cu toate acestea, în astfel de condiții pot apărea diverse mecanisme: coroziune uniformă, coroziune prin pitting, coroziune în fisuri, coroziune galvanică, coroziune sub stres și altele.
Cele mai importante forme de coroziune a oțelului și a altor metale includ:

Coroziune uniformă – pierdere generală a suprafeței

Coroziunea uniformă, cunoscută și sub denumirea de coroziune generală, afectează o porțiune semnificativă a suprafeței metalice. Materialul își reduce treptat grosimea, iar rata acestui proces poate fi adesea exprimată ca pierdere de grosime în mm/an.
Acest fenomen este tipic oțelurilor carbon neprotejate care funcționează în atmosfere umede, în apă sau în multe medii industriale. Cu toate acestea, poate apărea și în oțelurile inoxidabile dacă mediul este prea agresiv pentru ca materialul să mențină un strat pasiv.
De exemplu, oțelul 1.4301 poate fi perfect adecvat în multe medii blânde, în timp ce în medii mai agresive poate fi necesară utilizarea oțelului cu molibden 1.4404, a oțelului înalt aliat 1.4539 sau a unui material și mai rezistent.

Coroziune prin pitting – Punct mic, daune majore

Coroziunea prin pitting este una dintre cele mai importante forme de coroziune localizată a oțelurilor inoxidabile. Mediile care conțin ioni de clorură reprezintă o amenințare deosebită. Aceasta duce la deteriorarea localizată a stratului pasiv și la formarea de mici cavități care se pot dezvolta în adâncul materialului.
De aceea, coroziunea prin pitting este deosebit de periculoasă – suprafața unei componente poate arăta relativ bine, în timp ce o singură coroziune prin pitting poate duce la perforarea peretelui.
Rezistența oțelurilor inoxidabile la acest tip de coroziune este sporită în principal de crom, molibden și azot. O comparație aproximativă a rezistenței diferitelor clase se face folosind Indicatorul PREN.
Oțelul tipic 1.4301 (304) are o rezistență semnificativ mai mică la coroziunea prin pitting în medii cu clorură decât 1.4404 (316L). O rezistență și mai mare este oferită, printre altele, de 1.4539 (904L), 1.4529 (UNS N08926), 1.4547 (254 SMO), duplex 1.4462 (2205) și superduplex 1.4410 (2507).

Coroziune în fisuri

Coroziunea în fisuri se dezvoltă în zone în care accesul la oxigen și schimbul de fluide sunt limitate. Acestea pot include spații sub garnituri, șaibe, flanșe, depuneri, depuneri de carbon sau alți contaminanți de suprafață.
În interiorul fisurii, compoziția chimică a soluției se modifică, pH-ul scade, iar concentrația locală de clorură poate crește. Condițiile devin semnificativ mai agresive decât pe suprafața expusă a aceleiași componente.
Ca și în cazul coroziunii prin pitting, oțelurile care conțin cantități mai mari de molibden și azot prezintă, în general, o rezistență mai mare. Oțelurile 904L, 1.4529, 254 SMO, duplex și superduplex sunt utilizate în medii solicitante.

Coroziune intergranulară

Coroziunea intergranulară apare de-a lungul limitelor granulare ale materialului. O problemă clasică a oțelurilor inoxidabile austenitice este precipitarea carburilor de crom într-un anumit interval de temperatură. Zonele adiacente limitelor granulare se pot sărăci local în crom, reducându-le capacitatea de pasivare.
Fenomenul poate fi de o importanță deosebită în zonele afectate termic după sudare.
O modalitate de a reduce acest risc este utilizarea claselor de oțel cu conținut scăzut de carbon, cum ar fi 1.4307 (304L) și 1.4404 (316L). O altă opțiune o reprezintă oțelurile stabilizate, cum ar fi oțelul 1.4541 stabilizat cu titan (AISI 321) și oțelul 1.4550 stabilizat cu niobiu (AISI 347).

Fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC)

Fisurarea prin coroziune sub stres este un mecanism deosebit de periculos, deoarece poate provoca fisurarea unei componente cu o pierdere totală de material relativ mică.
Pentru ca SCC să apară, este necesară prezența simultană a unui material susceptibil, a unui mediu suficient de agresiv și a unor solicitări de tracțiune. Aceste solicitări pot proveni din încărcări structurale sau pot rămâne în material după sudare, îndoire sau prelucrare.
Oțelurile austenitice clasice, tip 304 și 316, pot fi susceptibile la fisurarea prin coroziune sub tensiune cu cloruri, în special odată cu creșterea temperaturii. Oțelurile duplex 1.4462, oțelul superduplex 1.4410, oțelurile austenitice înalt aliate 1.4529 și 1.4547, precum și aliajele de nichel selectate corespunzător oferă o rezistență semnificativ mai mare la multe astfel de condiții.

Coroziune galvanică – contactul diferitelor metale

Coroziunea galvanică poate apărea atunci când două metale diferite sunt în contact electric unul cu celălalt și există un electrolit între ele, cum ar fi apa de mare, apa de proces sau sedimentele umede.
Apoi se creează o celulă galvanică. Metalul mai puțin nobil devine anod, iar coroziunea sa poate fi accelerată semnificativ.
Probleme pot apărea, de exemplu, la îmbinarea directă a oțelului inoxidabil cu oțelul carbon sau aluminiul. Nu doar tipul de materiale este important, ci și raportul dintre suprafețele anodic și catod. O suprafață mică a metalului mai puțin nobil lipită de o suprafață mare a materialului mai nobil poate fi deosebit de dezavantajoasă.

Coroziune erozivă

Coroziunea prin eroziune apare atunci când un proces electrochimic este accelerat de acțiunea mecanică a mediului curgător. Viteza mare a fluidului, prezența particulelor solide, turbulența și schimbările bruște ale direcției de curgere pot distruge stratul superficial protector.
Fenomenul apare, printre altele, în conducte, schimbătoare de căldură, pompe, valve și instalații de proces.
În mediile care necesită atât o rezistență ridicată la coroziune, cât și proprietăți mecanice bune, se utilizează oțeluri duplex precum 1.4462 și oțeluri superduplex precum 1.4410. În medii deosebit de agresive, poate fi necesară utilizarea oțelurilor austenitice înalt aliate sau a aliajelor de nichel.

Coroziunea cavitațională

Cavitația apare într-un lichid din cauza schimbărilor bruște de presiune. Bulele de vapori rezultate implodează în apropierea suprafeței metalului, provocând impacturi locale și distrugerea treptată a materialului.
Deteriorarea prin cavitație apare cel mai frecvent la rotoarele pompelor, elicele navelor, valve, turbine și alte componente hidraulice. Coroziunea poate, de asemenea, accelera deteriorarea mecanică a suprafeței.

Oboseala prin coroziune

Oboseala prin coroziune este rezultatul interacțiunii simultane a unui mediu coroziv cu solicitări ciclice variabile. Acest mediu poate accelera inițierea și dezvoltarea fisurilor de oboseală, rezultând o durabilitate a unei componente mai mică decât într-un mediu neutru.
Fenomenul este important în elementele mașinilor, arborilor, structurilor offshore, instalațiilor chimice și pieselor supuse vibrațiilor și sarcinilor care se schimbă periodic.

Coroziune prin frecare

Coroziunea prin frecare apare pe suprafețele care intră în contact cu mișcări repetitive foarte mici. Aceasta distruge mecanic straturile protectoare, iar produsele de uzură rezultate pot accelera și mai mult degradarea suprafeței.
Fenomenul se observă, printre altele, la îmbinările cu șuruburi, lagăre, arbori, ambreiaje și alte elemente ale mașinilor expuse la vibrații.

Coroziune microbiologică MIC

MIC – Coroziune influențată microbiologic – se referă la coroziunea inițiată sau accelerată de activitatea microorganismelor. Bacteriile și alte microorganisme formează biofilme și modifică condițiile chimice locale de la suprafața metalului.
MIC poate apărea atât pe carbon, cât și pe oțel inoxidabil. Este o problemă frecventă în sistemele de apă, schimbătoare de căldură, rezervoare, industria alimentară, hârtiei și chimică, precum și în sistemele de apă de mare.
În acest caz, simpla selectare a unui aliaj superior nu rezolvă întotdeauna problema. Proiectarea instalației, eliminarea zonelor inactive, debitele adecvate, curățarea și monitorizarea microbiologică a mediului sunt, de asemenea, cruciale.

Coroziune la temperaturi ridicate

Coroziunea poate apărea și fără utilizarea unui electrolit lichid. La temperaturi ridicate, metalul poate reacționa direct cu gazele din mediul înconjurător.
Cel mai cunoscut exemplu este oxidarea la temperatură înaltă, dar în funcție de atmosferă, pot apărea și procese de sulfurare, carburare, nitrurare sau interacțiune cu gazele de ardere.
Pentru aceste condiții, se utilizează oțeluri speciale rezistente la căldură și la fluaj. Exemplele includ 1.4828, 1.4845 (AISI 310S), 1.4841 și 1.4835 (253 MA). Pentru condiții de temperatură și chimice și mai exigente, se utilizează aliaje de nichel special selectate.

Mediul înconjurător este la fel de important ca și calitatea oțelului

Nu există o singură calitate de oțel care să fie cea mai bună în toate mediile. Un material rezistent la un anumit mecanism de coroziune poate avea performanțe semnificativ mai slabe într-un alt mediu.
Atunci când alegeți un material, ar trebui să luați în considerare, printre altele:

• compoziția chimică a mediului,
• concentrația de cloruri și alți ioni agresivi,
• pH,
• temperatură,
• presiune,
• prezența oxigenului,
• viteză medie de curgere,
• posibilitatea formării de depozite și fisuri,
• solicitări mecanice și de sudură,
• contactul cu alte metale,
• starea și calitatea suprafeței,
• sudare și condițiile de prelucrare ulterioare.

Exemple de clase de oțel și rezistență la coroziune

Pe măsură ce conținutul de elemente de aliere adecvate crește, este posibil să se obțină oțeluri concepute pentru medii din ce în ce mai agresive. Totuși, aceasta nu înseamnă că se poate stabili o scală universală simplă în care un grad să fie întotdeauna mai bun decât altul.

De ce este atât de importantă identificarea corectă a tipului de coroziune?

Simpla afirmație că o componentă „corodează” nu este suficientă pentru a selecta corect un material. Vor fi necesare acțiuni complet diferite pentru o uzură uniformă a suprafeței, acțiuni diferite pentru coroziunea profundă și acțiuni și mai diferite pentru fisurarea prin coroziune sub tensiune sau coroziunea galvanică.
De exemplu, creșterea grosimii peretelui poate fi eficientă în compensarea coroziunii uniforme previzibile, dar va face puțin pentru a rezolva problema fisurării prin coroziune sub tensiune. Utilizarea unui oțel cu un PREN mai mare poate îmbunătăți semnificativ rezistența la coroziunea prin pitting cu cloruri, dar nu garantează automat rezistența la toate mediile chimice.
Prin urmare, înainte de a selecta gradul de oțel, este necesar să se determine nu numai compoziția mediului și temperatura de funcționare, ci și cel mai probabil mecanism de deteriorare.
Cele mai importante forme de coroziune a metalelor sunt coroziune uniformă, coroziune prin pitting, coroziune prin fisuri, coroziune intergranulară, coroziune prin stres, galvanică, erozivă, coroziune prin cavitație, coroziune prin oboseală, coroziune prin frecare, microbiologică și coroziune la temperaturi înalte.
În practica industrială, fisurile prin coroziune prin pitting, fisuri, coroziunea intergranulară și coroziunea sub tensiune sunt deosebit de semnificative pentru oțelurile inoxidabile. Apariția lor este unul dintre principalele motive pentru utilizarea mai multor materiale aliate, cum ar fi 316L, 904L, 1.4529, 254 SMO, duplex 2205, superduplex 2507 și aliajele de nichel.
Totuși, nu puteți selecta un material doar pe baza denumirii calității sale sau a unui singur parametru. Rezistența la coroziune depinde întotdeauna de combinația specifică de material, mediu, temperatură, designul componentelor și condiții de funcționare.

Coroziunea poate apărea prin diverse mecanisme, în funcție de material, mediu și condiții de funcționare. Aflați despre alte tipuri de coroziune:

Tipuri de coroziune a oțelului și metalelor

Coroziunea uniformă a oțelului și metalelor
Coroziunea prin pitting a oțelurilor inoxidabile
Coroziunea în fisuri a oțelurilor inoxidabile
Coroziunea intergranulară a oțelului inoxidabil
Fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC)
Coroziune galvanică
Coroziune erozivă
Coroziunea cavitațională
Oboseala prin coroziune
Coroziune prin frecare
Coroziune microbiologică MIC
Coroziune la temperaturi ridicate

Împărțirea coroziunii în funcție de mediu

Coroziune marină - coroziunea oțelului și a metalelor în apa de mare
Atmosferă de corozie
Coroziunea solului
Coroziune în apă dulce și industrială
Coroziune în medii cu clorură
Coroziune în medii acide
Coroziune în medii alcaline
Coroziunea gazelor și a gazelor de eșapament
Coroziune în sistemele de canalizare și canalizare
Coroziune în medii chimice și petrochimice

Subiecte conexe

CPT – temperatura critică de coroziune prin pitting a oțelurilor inoxidabile și a aliajelor de nichel
PREN – indice de rezistență la coroziune prin pitting pentru oțel inoxidabil
CCT – Temperatura critică de coroziune în fisuri a oțelurilor inoxidabile și a aliajelor de nichel