Innovation und Wissenschaft:

Für metallene Werkstoffe ist Korrosion eine der wichtigsten Schädigungsarten. Diese umgebungsbedingte Form der nachteiligen Werkstoffveränderung ist wohl seit der ersten Nutzung von Metallen ein bekanntes Phänomen. Trotzdem ist die Analyse solcher Schäden noch keineswegs Routine und die Erforschung der damit verbundenen Vorgänge noch lange nicht abgeschlossen. Immer neue Werkstoffe dringen in immer neue Anwendungsfelder, sodass beständig neuartige Schädigungsmechanismen hinzukommen. Eine der wohl faszinierendsten Korrosionsarten ist die sogenannte mikrobiell beeinflusste Korrosion (MIC), die zwar seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts in Fachkreisen bekannt ist, in der allgemeinen Schadensanalytik aber erst seit wenigen Jahren verstärkt Beachtung findet. 

Korrosion durch Bakterien

MIC entwickelt sich durch Interaktion zwischen Mikroorganismen und dem Werkstoff. Heute geht man davon aus, dass die allgegenwärtigen Organismen, vor allem Bakterien und Pilze, Werkstoffoberflächen besiedeln und sogenannten Biofilm bilden. Bestimmte Organismenarten können nun unter ungünstigen Umständen in diesem Biofilm chemische Veränderungen bewirken, die auf das darunterliegende Material korrosiv wirken. Es entstehen lokale Angriffsformen, die durch die chemische Zusammensetzung des Mediums allein nicht erklärt werden können.

Unterschiedlicher Stoffwechsel

MIC kann auf Grundlage des beteiligten Stoffwechseltypus eingeteilt werden. So gibt es die Organismengruppe der Sulfatreduzierer, deren Stoffwechselprodukt Schwefelwasserstoff aggressiv wirken kann. Andere bilden organische Säuren oder Mineralsäuren (Salpetersäure, Schwefelsäure) als korrosive Medien. Im Folgenden soll näher auf die Gruppe der manganoxidierenden Mikroorganismen (MOMOs) eingegangen werden, die seit rund 15 Jahren an der Technischen Versuchs- und Forschungsanstalt der TU Wien wissenschaftlich bearbeitet werden. Ihre schädigende Wirkung betrifft vor allem nicht-rostende Stähle, an denen die typischen chloridinduzierten Schädigungsbilder entstehen. Sie können aber bereits bei Chloridgehalten im Medium auftreten, die weit unterhalb der üblichen Beständigkeitsgrenzen liegen. Angetroffen wird diese Schädigungsart vor allem in Anwendungen mit natürlichem Süßwasser (Trink-, Brunnen-, oder Flusswasser).

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Paul Linhardt

Edler Charakter durch Passivschicht

Die Klasse der nicht-rostenden Stähle (NIRO) wird umgangssprachlich oft auch als Edelstahl bezeichnet. Allerdings sind die Legierungselemente keineswegs elektrochemisch edel. Der edle Charakter wird vielmehr durch die sogenannte Passivschicht bewirkt, die unsichtbar dünn durch blitzschnelle Reaktion des Metalls mit der Umgebungsluft entsteht und die jedenfalls in neutralen Medien wie Wasser den Werkstoff vor Korrosion schützt. In solcher Umgebung folgt Korrosion allgemein dem elektrochemischen Mechanismus, d.h. ein Oxidationsmittel aus dem Medium (i.A. der gelöste Sauerstoff) versucht an der Werkstoffoberfläche mit Elektronen des Metalls zu reagieren. Elektronen werden durch die Umwandlung von Metallatomen in positiv geladene Ionen freigesetzt, die Ionen treten in das Medium über und bilden dort Korrosionsprodukte. Die Passivschicht an NIRO verhindert nun nahezu völlig das Austreten von Metallionen und unterbindet somit die Gesamtreaktion.

Anordnung zur elektrochemischen Korrosionsprüfung

Schwachstelle der Schutzschicht

Chloridionen haben die ungünstige Eigenschaft, an Schwachstellen der Passivschicht spezifisch anzulagern und sie zu durchbrechen. An solchen Fehlstellen kann dann die Metallauflösung ungehindert ablaufen, es kommt zur Lochkorrosion. Für diesen Durchbruch besteht nun ein Zusammenhang zwischen der Stärke des Oxidationsmittels, die sich im elektrochemischen Potential wiederspiegelt, und dem Chloridgehalt des Mediums. Je stärker das Oxidationsmittel, desto höher das Potential und desto niedriger ist die für den Durchbruch hinreichende Chloridkonzentration. Durch eine elektrochemische Methode kann dieser Zusammenhang untersucht werden. Bei diesem Prüfverfahren wird das Potential variiert und gleichzeitig wird der Korrosionsstrom gemessen. Damit kann die Korrosionsempfindlichkeit eines Werkstoffs in einem Medium abgeschätzt werden. In der Praxis bestehen nun für die verschiedenen NIRO-Legierungsklassen Grenzen für die tolerierbare Chloridkonzentration. So gilt z. B. für den Werkstoff 1.4301 etwa 200 mg/L Chlorid in Wasser als kritisch. Dabei wird aber implizit Sauerstoff als Oxidationsmittel angenommen. Für den Fall stärkerer Oxidationsmittel muss der Grenzwert tiefer angesetzt werden.

Lochkorrosion an einem nicht-rostendem Stahl kurz nach Durchbruch der Passivschicht

Manganoxidierende Mikroorganismen

Diese Mikroorganismen haben nun die Eigenschaft, ein Oxidationsmittel zu bilden, das an der Metalloberfläche stärker als Sauerstoff wirkt. Es handelt sich dabei um den Feststoff Mangandioxid (MnO2, Braunstein), der darüber hinaus auch die Reaktion von Sauerstoff beschleunigt und so eine doppelte Wirkung entfaltet. Besiedeln solche natürlich vorkommenden Organismen Bauteile aus nichtrostendem Stahl, so bewirken bereits deutlich geringere Chloridkonzentrationen als normal das Auftreten von Lochkorrosion.

Schweißnahtkorrosion und Braunsteinbelag im Inneren eines Rohres aus nicht-rostendem Stahl

Schäden an Turbinen und Rohrleitungen

Erstmals wurde dieser Mechanismus an Turbinen eines Laufkraftwerks in den Niederlanden nachgewiesen, mittlerweile sind weltweit mehrere derartige Schäden in Flusskraftwerken identifiziert worden. Aber auch an Rohrleitungen wurde diese Korrosionsart bereits mehrfach gefunden, vornehmlich im Zusammenhang mit baustellengefertigten Schweißnähten. Solche Nähte werden i.A. nicht nachbehandelt und haben daher keine optimal ausgebildete Passivschicht, oft ist durch Anlauffarben sogar überhaupt keine Passivität gegeben. Zu Beginn der Nutzung korrodieren solche Stellen etwas, haben aber normalerweise eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit zu repassivieren. In Gegenwart von MOMOs und etwas Chlorid ist eine Repassivierung hingegen höchst unwahrscheinlich und Korrosion bis zum Durchbruch die Folge. Derzeit sind diese Wechselwirkungen Gegenstand eingehender Untersuchungen. Elektrochemische Messungen im Rahmen solcher Schadensanalysen haben gezeigt, dass der gut passivierte Grundwerkstoff im jeweiligen Wasser völlig korrosionsstabil sein kann, auch bei Belastung weit über jener, wie sie durch MOMOs verursacht wird. Derartige Beobachtungen sind mit ein Grund für die zunehmenden Qualitätsanforderungen für das Schweißen von NIRO. Nur durch richtiges Formieren sowie durch Beizen und Passivieren kann für eine Schweißnaht die Beständigkeit des gut passiven Grundwerkstoffs erreicht werden.

Autor: Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Paul Linhardt

Korrosion und Braunsteinbelag an einer Turbinenschaufel