Ăn mòn giữa các hạt khi hàn

Ăn mòn giữa các hạt khi hàn

Ăn mòn giữa các hạt (IGC - Intergranular corrosion), cũng được hiểu như thâm nhập giữa các hạt (IGA - Intergranular attack), là dạng ăn mòn ở đây các ranh giới của các hạt tinh thể của vật liệu dễ bị ăn mòn hơn bên trong của chúng.

Hình 1 : Hình ảnh kính hiển vi của một mặt cắt ngang được đánh bóng của một vật liệu bị tấn công bởi sự ăn mòn giữa các hạt.

Tình trạng này có thể xảy ra trong các hợp kim chống ăn mòn khác, khi các ranh giới hạt bị cạn kiệt, hiểu như là làm cạn kiệt biên giới hạt, của các nguyên tố ức chế ăn mòn như chrom bởi một số cơ chế. Trong các hàm lượng nickel và các thép không gỉ austenit, khi chrom được thêm vào để chống ăn mòn, cơ chế liên quan đến kết tủa của chrom carbide tại các ranh giới hạt, dẫn đến sự hình thành các khu vực chrom bị cạn kiệt tiếp giáp với ranh giới hạt (quá trình này được gọi là nhạy cảm hóa). Khoảng 12% chrom là yêu cầu tối thiểu để đảm bảo sự thụ động hóa, một cơ chế mà theo đó một màng mỏng không thể nhìn thấy hình thành trên bề mặt của các thép không gỉ. Lớp màng mỏng thụ động này bảo vệ kim loại khỏi các môi trường ăn mòn. Đặc tính tự phục hồi lớp màng mỏng thụ động làm cho thép không gỉ. Sự thẩm thấu chọn lọc thường liên quan đến các cơ chế cạn kiệt biên hạt.

Các khu vực này cũng hoạt động như cặp điện phân cục bộ, gây ra ăn mòn điện phân cục bộ. Trạng thái này xảy ra khi vật liệu bị nung nóng tới nhiệt độ khoảng 700 °C trong thời gian dài, và thường xảy ra trong khi hàn hoặc xử lý nhiệt không phù hợp. Khi các khu vực như vậy của vật liệu hình thành do hàn, dẫn đến ăn mòn được gọi là “phân rã do hàn (weld decay)”. Các thép không gỉ có thể được ổn định chống lại diễn biến này bằng bổ sung titan, niob, hoặc tantal, khi đó sự hình thành titan carbide, niob carbide và tantal carbide được ưu tiên hơn chrom carbide, bằng hậ thấp hàm lượng của carbon trong thép và trong trường hợp của hàn, kim loại điền đầy cũng có hàm lượng carbon dưới 0.02%, hoặc bằng nung nóng toàn bộ bên trên 1000 °C và tôi nó trong nước, dẫn đến sự phân hủy của chrom carbide trong các hạt và sau đó ngăn chặn sự kết tủa của nó. Một khả năng khác là để giữ cho các bộ phận hàn đủ mỏng như vậy sau khi làm nguội, kim loại tán xạ nhiệt rất nhanh hạn chế sự kết tủa chrom carbide. ASTM A923, ASTM A262, và các kiểm tra tương tự khác thường được sử dụng để xác định khi các thép không gỉ nhạy cảm với ăn mòn giữa các hạt. Các kiểm tra yêu cầu tẩm thực với các hóa chất để nhìn thấy được sự hiện diện của các hạt liên kim loại, đôi khi kết hợp với kiểm tra Charpy V-Notch và các kiểm tra cơ học khác.

Một loại khác có liên quan đến ăn mòn giữa các hạt được gọi là “ăn mòn đường dao - KLA (knifeline attack)”. Những tác động ăn mòn đường dao được ổn định bằng niob, chẳng hạn như thép không gỉ 347. Titan, niob, và các carbide của chúng hòa tan trong thép ở nhiệt độ rất cao. Tại một số chế độ làm nguội (tùy thuộc vào tốc độ làm nguội), niob carbide không kết tủa và sau đó thép diễn biến giống như thép không ổn định, sự hình thành chrom carbide được thay thế. Điều này chỉ ảnh hưởng đến một khu vực mỏng rộng vài millimet trong vùng rất lân cận của mối hàn, làm cho nó khó khăn bị vết đốm và tăng tốc độ ăn mòn. Các kết cấu làm bằng thép như vậy được nung nóng tổng thể tới khoảng 1950 °F (1065 °C), khi chrom carbide phân hủy và niob carbide hình thành. Tốc độ làm nguội sau khi xử lý nhiệt này là không quan trọng, carbon khi đó, mà nếu không sẽ gây ra nguy cơ hình thành chrom carbide, đã được cô lập như niob carbide.

Các hợp kim cơ bản nhôm có thể nhạy cảm với ăn mòn giữa các hạt nếu có các lớp vật liệu hoạt động như anode giữa các tinh thể giàu nhôm. Các hợp kim nhôm độ bền cao, đặc biệt là khi ép đùn hoặc chịu mức độ làm việc cao khác, có thể xảy ra ăn mòn tách lớp, ở đây ăn mòn phát triển trong phạm vi các hạt dát phẳng, kéo dài và tách rời chúng, dẫn tới tách lớp và thường lan truyền từ các cạnh của vật liệu thông qua toàn bộ kết cấu của nó. Ăn mòn giữa các hạt là một mối quan tâm đặc biệt đối với các hợp kim với hàm lượng đồng cao.

Các loại hợp kim khác có thể trải qua tách lớp; sự nhạy cảm của đồng nickel tăng lên cùng với hàm lượng nickel của nó. Một thuật ngữ rộng hơn cho loại ăn mòn này là “ăn mòn dạng phiến (lamellar corrosion)” Các hợp kim của sắt là nhạy cảm với ăn mòn dạng phiến, khi các khối oxide sắt là cao hơn so với khối kim loại ban đầu khoảng bảy lần, dẫn đến hình thành ứng suất kéo bên trong xé vật liệu. Ảnh hưởng tương tự cũng dẫn đến hình thành dạng phiến trong các thép không gỉ, do dự giãm nở nhiệt khác nhau của các oxide và kim loại.

Các hợp kim cơ bản đồng trở nên nhạy cảm khi cạn kiệt hàm lượng đồng ở các ranh giới hạt xảy ra.

Các hợp kim không đẳng hướng, khi ép đùn hoặc làm việc nặng dẫn đến hình thành các hạt kéo dài và dát phẳng, đặc biệt dễ bị ăn mòn giữa các hạt.

Ăn mòn giữa các hạt gây ra bởi các ứng suất môi trường được gọi là “ăn mòn nứt ứng suất  (stress corrosion cracking)”. Ăn mòn giữa các hạt có thể được phát hiện bằng các phương pháp kiểm tra siêu âm và kiểm tra dòng điện xoáy (eddy current).

Ảnh hưởng nhạy cảm

Nhạy cảm đề cập tới sự kết tủa của các carbide tại các ranh giới hạt trong thép không gỉ hoặc hợp kim, là nguyên nhân gây ra thép hoặc hợp kim nhạy cảm với ăn mòn giữa các hạt hoặc ăn mòn nứt ứng suất giữa các hạt.

Hình 2 : Cấu trúc micro không bị nhạy cảm.

Hình 3: Cấu trúc micro bị nhạy cảm nặng.

Các hợp kim nhất định khi tiếp xúc với nhiệt độ được đặc trưng bởi nhiệt độ nhạy cảm trở nên đặc biệt dễ bị ăn mòn giữa các hạt. Trong một bầu không khí ăn mòn, các bề mặt chuyển tiếp hạt của các hợp kim bị nhạy cảm trở nên rất phản ứng và dẫn đến ăn mòn rất giữa các hạt. Điều này được đặc trưng bởi ăn mòn cục bộ tại liền kề các ranh giới hạt với tương đối ít ăn mòn của tự bản thân hạt. hợp kim phân ly (hạt rời ra) và/hoặc làm tổn thất độ bền của nó.

Trong các hình 1 và 2 bên trên cho thấy cấu trúc micro điển hình của thép không gỉ loại 304 thường hóa (không nhạy cảm) và thép bị nhạy cảm nặng. Các mẫu đã được mài bóng và tẩm thực trước khi thực hiện chụp ảnh, và các khu vực bị nhạy cảm thể hiện là các đường rộng màu tối ở đây chất lỏng tẩm thực gây ra ăn mòn. Các đường màu tối bao gồm các carbide và kết quả ăn mòn.

Ăn mòn giữa các hạt thường được xem bị gây ra bởi sự phân tách của các tạp chất tại các ranh giới hạt hoặc bằng làm giàu hoặc cạn kiệt của một trong các nguyên tố hợp kim trong các diện tích ranh giới hạt. Vì vậy, trong các hợp kim nhôm chắc chắn, người ta thấy một lượng nhỏ sắt đã bị phân tách ở các ranh giới hạt và gây ăn mòn giữa các hạt. Ngoài ra, người ta cũng thấy hàm lượng kẽm của đồng thau cao hơn tại các ranh giới hạt và cũng gây ra ăn mòn như vậy. Các hợp kim nhôm độ bền cao chẳng hạn như các hợp kim loại Dura (Al-Cu), phụ thuộc vào các phase kết tủa để tăng bền rất nhạy cảm với ăn mòn giữa các hạt sau nhạy cảm ở nhiệt độ khoảng 120 °C. Các hợp kim giàu nickel chẳng hạn như Inconel 600 và Incoloy 800 thể hiện khả năng nhạy cảm tương tự. Các hợp kim kẽm đúc có chứa nhôm biểu hiện bị ăn mòn giữa các hạt bởi hơi nước và khí hậu biển. Các thép Cr-Mn và Cr-Mn-Ni cũng nhạy cảm với ăn mòn giữa các hạt sau nhạy cảm trong phạm vi nhiệt độ 420°-850 °C. Trong trường hợp các thép không gỉ austenit, các thép này bị nhạy cảm bởi nung nóng trong phạm vi nhiệt độ khoảng 520° tới 800 °C, cạn kiệt chrom tại khu vực ranh giới hạt xảy ra, dẫn đến khả năng nhạy cảm với ăn mòn giữa các hạt. Nhạy cảm của các thép không gỉ austenit có thể dễ dàng xảy ra bởi vì các yêu cầu phục vụ nhiệt độ, như trong máy phát hơi nước, hoặc kết quả của hàn.

Một số phương pháp đã được sử dụng để kiểm soát hay giảm thiểu ăn mòn giữa các hạt của các hợp kim nhạy cảm, đặc biệt là các loại thép không gỉ austenit. Ví dụ, xử lý nhiệt hòa tan nhiệt độ cao, thường được gọi là hòa tan-ram, tôi-ram hoặc hòa tan-tôi, đã được sử dụng. hợp kim được nung nóng tới nhiệt độ khoảng 1,060° tới 1,120 °C và sau đó được tôi bằng nước. Phương pháp này thường là không phù hợp để xử lý tổ hợp lớn, và cũng không hiệu quả khi hàn được sử dụng cho sửa chữa hoặc cho hàn đính ghép các kết cấu khác.

Một kỹ thuật kiểm soát khác để ngăn chặn ăn mòn giữa các hạt liên quan đến việc kết hợp với các tác nhân carbide mạnh hoặc các nguyên tố ổn định như niob hoặc titan trong các thép không gỉ. Các nguyên tố này có ái lực với carbon lớn hơn nhiều với chrom; sự hình thành carbide với các nguyên tố này làm giảm carbon có sẵn trong hợp kim để hình thành chromium carbide. Hoặc các thép không gỉ có thể giảm hàm lượng carbon ban đầu dưới 0.03% do đó không đủ carbon được cung cấp cho sự hình thành carbide. Những kỹ thuật này tốn kém và chỉ có hiệu quả một phần cho sự nhạy cảm có thể xảy ra theo thời gian. Các thép carbon thấp cũng thường xuyên thể hiện độ bền thấp hơn ở nhiệt độ cao.

(Dipl.Eng.IWE/EWE-Nguyễn Duy Ninh)