Межкристаллитная коррозия
Межкристалли́тная корро́зия (интеркристаллитная коррозия; интергранулярная коррозия, англ. intergranular corrosion), один из видов электрохимической локальной коррозии, при котором разрушение металла происходит по границам зёрен кристаллитов, не подвергая при этом существенной коррозии сами зёрна металлической матрицы. Межкристаллитной коррозии чаще всего подвергаются металлы и сплавы, которые легко становятся пассивными. К ним относятся хромоникелевые и хромистые сплавы на основе железа (нержавеющие стали), сплавы алюминия, никеля и др. Особая опасность межкристаллитной коррозии на практике связана с тем, что металл, подвергающийся её воздействию, теряет свою пластичность и прочность, хотя визуально это обычно трудно заметить.
Пояснить механизм межкристаллитной коррозии можно следующим образом. Если поверхность металла отполировать, а затем протравить не очень агрессивной кислотой (т. е. обработать в течение короткого времени пористым материалом типа фильтровальной бумаги или ваты, смоченной раствором, например, уксусной или муравьиной кислоты, и затем промыть водой), то спустя некоторое время можно увидеть границы зёрен кристаллитов. Обычно если на такой поверхности идёт коррозионный процесс, то его скорость примерно одинакова и по границам зёрен, и на плоскости, выходящей на поверхность. Бывают случаи, когда именно по границам зёрен процесс коррозии идёт с очень большой скоростью, вплоть до распада металла на отдельные зёрна (выкрашивания). Такое протекание процесса, приводящее к разрушению структуры металла на большую глубину, носит название межкристаллитной коррозии. Это отражает специфику данного вида коррозии и указывает на различие между понятиями общей коррозионной стойкости и стойкости в отношении межкристаллитной коррозии. По сравнению с общей коррозией стойкость в отношении межкристаллитной коррозии указывает на стойкость лишь против межкристаллитного пути распространения коррозии и на сохранение изделиями своей прочности в коррозионной среде. Практика показывает, что склонными к межкристаллитной коррозии могут быть металлы как обладающие, так и не обладающие высокой коррозионной стойкостью. Существуют специальные тесты (стандарты), которые включают измерения глубины проникновения межкристаллитной коррозии в металл и изменений механических свойств образцов. На основании результатов этих тестов оценивается стойкость конкретных металлических сплавов против данного вида коррозии.
Межкристаллитная коррозия характерна для аустенитных нержавеющих сталей, содержащих в качестве основных добавок хром и никель. С появлением современных методов исследования, прежде всего радиографии и рентгеновского микроанализа, удалось установить причину склонности сталей, содержащих значительные концентрации хрома (элемента, способствующего пассивации и повышению коррозионной стойкости), к межкристаллитной коррозии. Известно, что в доменных и мартеновских процессах выплавки сталей всегда участвует углерод, который активно взаимодействует с хромом (свободные энергии Гиббса образования карбидов хрома имеют большие отрицательные значения). Согласно фазовой диаграмме, существуют 3 фазы карбидов хрома: Cr3C2, Cr7C3 и Cr23C6. Все эти карбиды хрома характеризуются очень высокой коррозионной стойкостью. При небольших содержаниях углерода в сталях (до 2 %) в них формируется наиболее бедный по углероду карбид Cr23C6 или смешанное соединение (Fe, Cr)23C6. Формирование карбидов происходит при переходе стали из расплавленного состояния в твёрдое и последующем медленном охлаждении. Одновременно с формированием карбидных фаз реализуется их выход на границы между зёрнами кристаллитов основного металла. При этом у зёрен основного металла в приграничной области контакта с частицами карбидов образуются зоны, обеднённые хромом. Для таких зон пассивность будет наступать при более положительных потенциалах, чем на поверхности зёрен кристаллитов основного металла. Другими словами, при контакте с раствором отмеченные приграничные зоны, обеднённые хромом, будут играть роль анодов, а поверхности зёрен кристаллитов основного металла – катодов, причём площадь поверхности катодов () будет во много раз превышать площадь поверхности анодов (). По своему механизму межкристаллитная коррозия во многом похожа на контактную коррозию, и условие, при котором >> , является наиболее благоприятным для интенсивного протекания межкристаллитной коррозии.
Существует несколько подходов, позволяющих снизить вероятность протекания интенсивной межкристаллитной коррозии нержавеющих сталей. Во-первых, избежать межкристаллитной коррозии таких сталей (в состав которых входит значительное количество хрома) можно, предельно снизив в них содержание углерода, т. е. используя низкоуглеродистые стали (содержание C < 0,06 %). В отсутствие углерода роль карбидных фаз в формировании анодных зон в местах контакта зёрен кристаллитов основного металла будет существенно снижена. Вторым известным методом защиты от межкристаллитной коррозии является легирование хромистых сталей добавками металлов, которые более интенсивно связывают углерод, чем хром (титан, ниобий, тантал, ванадий, вольфрам, молибден и др.). Свободные энергии Гиббса образования карбидов указанных металлов имеют более отрицательные значения, чем аналогичные значения для карбидов хрома. Это позволяет избежать формирования избыточных фаз карбидов хрома и, соответственно, обеднённых хромом анодных зон вблизи мест контакта зёрен кристаллитов. При этом добавки Si, Co, Ni, напротив, увеличивают активность атомов углерода, усиливая склонность сталей к межкристаллитной коррозии. Особое внимание уделяется процессам, которые могут инициироваться при термической обработке нержавеющих сталей. Например, разогрев в ходе сварочных работ может активизировать в сталях процессы формирования карбидов хрома и создания обеднённых хромом приграничных областей кристаллитов основного металла.
Наряду с нержавеющими хромсодержащими сталями весьма подверженными межкристаллитной коррозии являются стали, в состав которых входят марганец и остаточные количества серы. При переходе таких сталей из расплава в твёрдое состояние за счёт низкой растворимости на границу между зёрнами кристаллитов выходят частицы коррозионнонестойкого сульфида марганца MnS. При контакте с растворами уже сами эти граничные (межзёренные) области становятся анодными зонами, подверженными интенсивной коррозии. В таком случае для защиты от межкристаллитной коррозии используют определённую термическую обработку образцов (например, плавление и быструю закалку), которая позволяет зафиксировать в них исходное (соответствующее существующему в расплавленном состоянии) равномерное распределение компонентов.
Близкий по сути механизм межкристаллитной коррозии реализуется для алюминиевых сплавов, в частности для дюралюминия [сплав алюминия (около 93 %) с медью (3,5–5,5 %), марганцем (0,6 %), магнием (0,5–0,8 %) и иными примесями]. При переходе металла из расплава в твёрдое состояние на границу зёрен кристаллитов в виде цепочек выходит интерметаллическое соединение CuAl2, которое не является коррозионностойким и при контакте с электролитами, не содержащими сильных окислителей, способных формировать на нём защитные оксидные плёнки, растворяется с выделением водорода. Другими словами, анодом в процессе межкристаллитной коррозии выступает химическое соединение, выходящее в межзёренное пространство.
Важным отличием механизма межкристаллитной коррозии гомогенных сплавов (например, Cu–Au, Ni–Pd, Ag–Pd и др.) от рассмотренных выше гетерогенных систем является то, что в гомогенных сплавах в исходном состоянии на границах зёрен кристаллитов отсутствуют обеднённые более благородным металлом зоны или зоны, в которых концентрируются коррозиннонестойкие соединения. Согласно современным представлениям, основную роль в коррозионных процессах, протекающих на границах зёрен кристаллитов, здесь играет селективное растворение, т. е. преимущественное растворение менее благородного компонента сплава.