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Warum entstehen trotz Titan Korrosionslöcher in Edelstahl?
Chloridhaltiges Wasser kann selbst rostfreien Stahl stellenweise zerfressen. Titan macht Edelstahl zwar widerstandsfähiger gegen solchen Lochfraß, verhindert ihn aber nicht vollständig. Neue Laboranalysen zeigen nun, dass winzige Einschlüsse aus Mangan, Titan und Schwefel weiterhin angreifbar bleiben und die Korrosion auslösen können.
Sendai (Japan). Edelstahl besitzt eine wenige Nanometer dünne Oxidschicht, die das Metall vor Korrosion schützt. Gelangen Chloridionen aus Salzwasser an Schwachstellen dieser Passivschicht, können sich winzige Löcher ins Material fressen. Weil der Angriff lokal begrenzt beginnt, bleibt er anfangs leicht unbemerkt und kann dennoch Bauteile stark schädigen.
Eine solche Schwachstelle sind Mangansulfid-Einschlüsse, die bei der Herstellung im Stahl zurückbleiben. Sie lösen sich in wässriger Umgebung leicht auf, wobei ihre Reaktionsprodukte die Schutzschicht angreifen. Als Gegenmaßnahme wird Titan zugesetzt, weil dadurch beständigere Sulfidverbindungen entstehen. Warum dennoch Lochfraß auftritt, war bisher offen.
Forscher der Tohoku University um Jiaqi Gao haben nun untersucht, welche mikroskopischen Einschlüsse das Problem verursachen. Sie testeten ferritischen Edelstahl vom Typ 430 mit ungefähr 16 Prozent Chrom und verglichen gezielt hergestellte Modellproben mit Stahl ohne und mit Titanzusatz.
Die Einschlüsse in handelsüblichem Edelstahl sind meist nur wenige Mikrometer groß und deshalb einzeln nur schwer elektrochemisch zu untersuchen. Das Team mischte Mangansulfid- oder Titandisulfidpulver in Edelstahlpulver und verdichtete die Mischungen durch sogenanntes Funkenplasmasintern unter Druck und Hitze. Auf diese Weise entstanden größere künstliche Einschlüsse, deren Auflösung sich gezielt messen ließ.
Dabei verglichen die Forscher vier unterschiedliche Verbindungen. Am leichtesten löste sich Mangansulfid (MnS), danach das gemischte Mangan-Titan-Sulfid (Mn,Ti)S und Titandisulfid (TiS₂). Titannitrid (TiN) blieb im Sulfat-Elektrolyten bis zum höchsten untersuchten elektrischen Potenzial von 1,8 Volt ungelöst. Die titanhaltigen Sulfide waren somit beständiger als reines Mangansulfid, unterschieden sich untereinander aber deutlich.
„Die Korrosionslöcher in handelsüblichem Edelstahl sind äußerst winzig und schwer zu analysieren. Deshalb begannen wir mit einer Modellprobe, die wir besser kontrollieren konnten“, erklärt Masashi Nishimoto von der Tohoku University.
Anschließend legten die Forscher die Proben in eine chloridhaltige Lösung, um den Beginn des Lochfraßes zu messen. Bei den Mangansulfid-Modellproben entstanden die ersten Löcher bei einem elektrischen Potenzial von rund 0,37 Volt. In Proben mit zugesetztem Titandisulfid begann der Angriff erst bei etwa 0,61 Volt, obwohl sich dort auch die weniger beständigen Mangan-Titan-Sulfide gebildet hatten.
Ein ähnlicher Unterschied zeigte sich beim Vergleich zweier zusätzlich untersuchter Eisen-Chrom-Legierungen. Ohne Titanzusatz begann der Lochfraß im Mittel bei 0,38 Volt, bei einem Stahl mit 0,17 Prozent Titan erst bei 0,51 Volt. Ein höheres Potenzial bedeutet in diesem Test, dass ein stärkerer elektrochemischer Antrieb für den Angriff nötig war. Titan erhöhte unter diesen Versuchsbedingungen also die Widerstandsfähigkeit, bot aber keinen vollständigen Schutz.
„Wir waren sehr erfreut festzustellen, dass die Ergebnisse am tatsächlichen titanlegierten Edelstahl mit denen unserer Modellproben übereinstimmten“, erklärt Masashi Nishimoto.