Corrosione intergranulare e sensibilizzazione degli inox

Un acciaio inossidabile può uscire da una saldatura apparentemente perfetto e poi sgretolarsi lungo righe quasi invisibili a pochi millimetri dal cordone. È la corrosione intergranulare: un attacco che non aggredisce la superficie in modo uniforme, ma scava esattamente lungo i bordi dei grani metallici, dove la lega ha perso la propria protezione. La causa è quasi sempre la sensibilizzazione, un fenomeno metallurgico che si innesca con il calore.

Vediamo perché i bordi di grano diventano vulnerabili, che cos’è la sensibilizzazione degli inox, perché la saldatura è il punto critico e come si previene il problema in fase di progetto e di esecuzione.

Che cos’è la corrosione intergranulare

Un metallo solido non è un blocco continuo: è formato da tanti piccoli cristalli, i grani, separati da superfici di confine dette bordi di grano. Lungo questi bordi gli atomi sono disposti in modo più disordinato e l’energia è più alta, quindi i bordi sono naturalmente un po’ più reattivi del cuore del grano. Nella maggior parte dei casi questa differenza è trascurabile; in alcune leghe, però, una specifica alterazione chimica rende i bordi enormemente più attivi del resto, e la corrosione li attacca in modo selettivo. Il metallo si disgrega allora lungo una rete di microfratture intergranulari, perdendo coesione e resistenza meccanica anche quando la superficie sembra intatta.

La sensibilizzazione degli acciai inox

Il caso industriale per eccellenza è quello degli acciai inossidabili austenitici, i classici 18-8 (circa 18% cromo, 8% nichel). La loro resistenza si deve a un sottilissimo film passivo di ossido di cromo: finché il cromo è disciolto uniformemente nel metallo, ogni punto della superficie è protetto. Quando però l’acciaio resta a lungo in un intervallo di temperatura critico, indicativamente tra circa 425 e 815°C, il carbonio presente nella lega reagisce con il cromo e precipita ai bordi di grano sotto forma di carburi di cromo (tipo Cr₂₃C₆).

Il punto cruciale è chimico: i carburi che si formano sono ricchissimi di cromo, e per costruirsi sequestrano il cromo dalla fascia di metallo che li circonda. Quella fascia, immediatamente a ridosso del bordo di grano, si impoverisce di cromo e scende sotto il valore minimo necessario per mantenere il film passivo, circa l’11-12% in massa. Si crea così una sottile zona attiva e non più protetta, incastonata tra grani che restano passivi: una geometria perfetta per un attacco localizzato e profondo.

La pila in miniatura ai bordi di grano

La corrosione, in fondo, è sempre un fenomeno elettrochimico: una pila in cortocircuito in cui una zona si ossida (anodo) e un’altra ospita la reazione di riduzione (catodo). Nella sensibilizzazione questa pila è disegnata su scala microscopica: la fascia impoverita di cromo fa da anodo attivo, mentre i grani ancora passivi e ricchi di cromo fanno da catodo esteso.

anodo:  Fe → Fe²⁺ + 2e⁻  ·  catodo:  O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

Il rapporto sfavorevole tra una piccola area anodica e una grande area catodica concentra la dissoluzione su una superficie minuscola, accelerandola in modo drammatico. Per questo l’attacco intergranulare è così insidioso: avanza in profondità lungo i bordi senza apparente perdita di materiale in superficie.

Il weld decay: la zona termicamente alterata

La situazione tipica in cui la sensibilizzazione si manifesta è la saldatura. Il cordone fonde e poi si raffredda rapidamente, ma a una certa distanza dal giunto esiste una fascia di metallo, la zona termicamente alterata, che durante il ciclo termico ha attraversato proprio l’intervallo critico dei carburi senza fondere. È lì, in due bande parallele al cordone, che l’acciaio si sensibilizza e successivamente si corrode: è il fenomeno noto come weld decay, il «decadimento da saldatura». A occhio nudo si vedono spesso due righe scure ai lati della saldatura, dove il metallo si è disgregato.

Come si previene

La metallurgia offre tre strade collaudate per evitare la sensibilizzazione, tutte mirate a impedire la formazione dei carburi ricchi di cromo ai bordi di grano.

Perché conta nella pratica

Per chi progetta o costruisce apparecchiature in acciaio inox, prevenire la sensibilizzazione è una scelta che si fa a tavolino: specificare un grado a basso carbonio o stabilizzato per i componenti saldati che lavoreranno in ambiente aggressivo costa poco e azzera un rischio altrimenti subdolo. Nei collaudi, prove di laboratorio dedicate possono rivelare un acciaio sensibilizzato prima che vada in servizio. Riconoscere il weld decay, capire l’intervallo di temperatura critico e conoscere le contromisure metallurgiche è competenza di base in qualsiasi impianto chimico, alimentare o farmaceutico che impieghi inox. Le forme localizzate come pitting e corrosione interstiziale, che obbediscono ad altri meccanismi, sono trattate nel pilastro e negli articoli dedicati.

Domande frequenti

Che cos’è la corrosione intergranulare?

È una forma di corrosione localizzata che attacca selettivamente i bordi dei grani di un metallo, lasciando spesso la superficie quasi intatta. Il metallo si disgrega lungo una rete di microfratture intergranulari e perde resistenza meccanica. Negli acciai inox la causa più comune è la sensibilizzazione, cioè la precipitazione di carburi di cromo ai bordi di grano in seguito a un riscaldamento nell’intervallo critico.

Che cos’è la sensibilizzazione di un acciaio inox?

È l’alterazione che si verifica quando un inox austenitico resta nell’intervallo di temperatura tra circa 425 e 815°C: il carbonio reagisce con il cromo e precipita come carburi ai bordi di grano. Questi carburi sottraggono cromo alla zona adiacente, che scende sotto la soglia di passivazione (circa 11-12%) e diventa vulnerabile all’attacco corrosivo. È la premessa della corrosione intergranulare.

Che cos’è il weld decay?

È la corrosione intergranulare che si manifesta vicino a una saldatura. Durante il ciclo termico, due bande di metallo ai lati del cordone attraversano l’intervallo critico dei carburi senza fondere e si sensibilizzano. In ambiente aggressivo queste bande si corrodono e compaiono come righe scure parallele alla saldatura: per questo si parla di «decadimento da saldatura».

Come si previene la corrosione intergranulare?

Con tre strategie metallurgiche: usare acciai a basso carbonio (gradi L come 304L o 316L, con carbonio non oltre lo 0,03%); usare acciai stabilizzati con titanio (321) o niobio (347), che legano il carbonio al posto del cromo; oppure eseguire un trattamento di solubilizzazione attorno a 1050°C seguito da tempra, che riscioglie i carburi. La scelta si fa già in fase di specifica del materiale.

Perché l’attacco si concentra proprio ai bordi di grano?

Perché la fascia di metallo impoverita di cromo lungo i bordi diventa anodica rispetto ai grani ancora passivi e ricchi di cromo, che fanno da catodo. Si forma una pila microscopica con una piccola area anodica e una grande area catodica: questo rapporto sfavorevole concentra la dissoluzione su una superficie minuscola e la accelera, scavando in profondità lungo i bordi.