Korrosion

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Rost an einem Stahlträger

Korrosion ist eine Reaktion eines Werkstoffes mit der Umgebung, die eine Veränderung desselben zur Folge hat[1][2]. Da sie eine Beeinträchtigung der Funktion mit sich ziehen kann, ist sie meist unerwünscht. Die bekannteste Korrosionsart ist das Rosten, die Oxidation von Eisen.


Definition

Laut DIN EN ISO 8044 ist Korrosion "die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. In den meisten Fällen ist die Reaktion elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie chemischer oder metallphysikalischer Natur sein."

Grundlagen

Korrosion steht synonym für die schädliche Veränderung oder Zerstörung eines metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffs. Bei Korrosionsvorgängen findet in der Regel eine elektrochemische Reaktion statt, d. h. Korrosion entsteht in Verbindung mit Feuchtigkeit. Dafür reichen bereits geringste Mengen von Wasser z. B. in der Luftfeuchtigkeit, aus. An der Oberfläche äußern sich die Veränderungen meist als Masseverlust, was z. B. bei der Lochkorrosion deutlich erkennbar ist.[3] Es laufen die selben Vorgänge wie bei einem galvanischen Element ab.

Das galvanische Element

Ein galvanisches Element aus einer Zink- und einer Kupferelektrode

Ein galvanisches Element besteht aus zwei verschiedenen Metallelektroden, beispielsweise einer Zink- und Kupferelektrode, die in ein Elektrolyt, eine elektrisch leitende Flüssigkeit, getaucht werden. Die beiden Elektroden sind an der Oberseite durch einen Draht ggf. an ein Spannungsmessgerät angeschlossen.

Wird ein Metall in ein Elektrolyt getaucht, so kommt es zur Metallauflösung und die Metallionen (positiv geladen) gehen in Lösung. Die zurückgebliebenen Elektronen üben eine elektrostatische Anziehungskraft auf die in Lösung gegangenen Metallionen aus, welche sich dann an der Metalloberfläche entladen und wieder als Metall an der Elektrode abscheiden. Es herrscht somit ein Gleichgewicht.

Die verschiedenen Metalle gehen unterschiedlich gut in Lösung, dass heißt sie unterscheiden sich in der Anzahl der Metallionen, die in Lösung gegeben werden. Man spricht vom Elektronendruck.

Da bei einem galvanischen Element zwei unterschiedliche Metallelektroden verwendet werden, gehen die beiden Metalle unterschiedlich gut in Lösung. Das Metall mit dem höheren Elektronendruck gibt nach und nach alle Metallionen in Lösung, bis die Elektrode verschwunden ist, d.h alle Metallionen der kompletten Elektrode sind in Lösung gegangen. Es korrodiert. Die Elektronen fließen über den Draht vom Metall mit dem höheren Elektronendruck (Anode) zum Metall mit dem geringeren Elektronendruck (Kathode); es entsteht eine Spannung zwischen den beiden Elektroden. An der Kathode entsteht ein Elektronenüberschuss, sodass positiv geladene Metallionen aus dem Elektrolyt angezogen werden. Negativ geladene Metallionen im Elektrolyt bewegen sich zur Anode.


Für ein galvanisches Element bestehend aus einer Kupfer- und einer Zinkelektrode mit Wasser als Elektrolyt bedeutet das, dass mehr Zinkionen (Zn2+) in Lösung gehen, da Zink einen höheren Elektronendruck hat und sich die Elektronen von der Zinkelektrode (Anode) zur Kupferelektrode (Kathode) bewegen. Die Zinkelektrode löst sich auf, sie korridiert. An der Kupferelektrode wird Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) aufgespalten. Zwischen der Zink- und der Kupferelektrode ist ungefähr eine Spannung von 1,4 V messbar.


Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle

Für alle Metalle wurde in Bezug zu einer Referenzelektrode, einer Norm-Wasserstoffelektrode, das Normalpotenzial unter Standardbedingungen (pH = 7; Lösungskonzentration: 1 mol/l, t = 25° C) ermittelt, um vergleichbare Werte zu erhalten. Das Potenzial zwischen Metallstab und Lösung ist ein quantitatives Maß für den Elektronendruck des Metallstabs. Sortiert man diese Werte von positiv nach negativ, erhält man nachfolgend abgebildete Spannungsreihe. Metalle mit positivem Potenzial, rechts von der Referenzelektrode H stehend, werden als edel bezeichnet. Links von der Norm-Wasserstoff-Elektrode stehen die unedlen Metalle, die ein negatives Potenzial haben.

Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle

Die nachstehende Tabelle gibt einige Normalpotenziale wieder.

Element und ablösendes Ion Normalpotenzial [V]
Gold, Au+++ + 1,42
Silber, Ag+ + 0,80
Kupfer, Cu++ + 0,34
Wasserstoff, H+ 0,000
Blei, Pb++ - 0,13
Zinn, Sn++ - 0,14
Nickel, Ni++ - 0,24
Kadmium, Cd++ - 0,40
Eisen, Fe++ - 0,44
Chrom, Cr+++ - 0,71
Zink, Zn++ - 0,76
Aluminium, Al+++ - 1,66
Titan, Ti++ - 1,75
Magnesium, Mg++ -2,35

[4]

Bei einem galvanischen Element geht immer das unedlere Metall, also das, welches in der Spannungsreihe weiter links und in der Tabelle weiter unten steht, in Lösung. Die Spannung, die an einem galvanischen Element anliegt, kann auch aus dem Unterschied der Normalpotenziale in der Spannungsreihe/Tabelle errechnet werden.


Elektrochemische Sauerstoffkorrosion von Stahloberflächen

Vorgänge bei einer elektrochemischen Sauerstoffkorrosion

Bei Bauteilen aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen, die sich in einer feuchten Umgebung (feuchte Räume, feuchte Witterung) befinden, sind nach kurzer Zeit bereits Korrosionsrückstände an der Oberfläche zu erkennen. Der Korrosionsrückstand der elektrochemischen Korrosion zwischen Stahl, Wasser und Sauerstoff ist besser bekannt als Rost.

Die Vorgänge während dieser Sauerstoffkorrosion werden in der nebenstehenden Abbildung verdeutlicht.

In einer feuchten Umgebung bilden sich Wassertropfen auf der Stahloberfläche, gemeinsam mit dem Luftsauerstoff kommt es zu Korrosion. In der Mitte des Tropfens gehen Fe2+-Ionen in Lösung, dadurch erhält dieser Bereich eine negative Polarisierung und wirkt als örtliche Anode (-). Der Rand des Tropfens wirkt als örtliche Kathode (+). An der Oberfläche des Wassertropfens reagiert zum Teil der Luftsauerstoff (O2) mit dem Wasser (H20) zu OH--Ionen, die im Tropfen in Lösung gehen. Die OH--Ionen reagieren mit den Fe2+-Ionen zu Eisenhydroxid Fe(OH)3. Anschließend bildet sich daraus Rost FeO(OH), der sich am Rand des Tropfens absetzt und auf der Stahloberfläche niederlässt.

Korrosionsarten

Gleichmäßige Flächenkorrosion
Lochkorrosion
Kontaktkorrosion
Spaltkorrosion
Spannungsrisskorrosion
Interkristalline und transkristalline Korrosion

Je nach Werkstoff und Kontaktstelle mit dem Elektrolyt können unterschiedliche Korrosionsarten mit verschiedenen Erscheinungsbildern entstehen.

Gleichmäßige Flächenkorrosion

Bei der Flächenkorrosion korridiert die Oberfläche nahezu gleichmäßig, die Metallauflösung ist aber eher langsam, so dass die Korrosion rechtzeitig erkennbar ist. Durch Sichtprüfung und Messung von Wanddicken, sowie zerstörungsfreie Verfahren wie das Ultraschallverfahren lassen sich Mängel feststellen und korrodierte Teile schnell auswechseln. Sie tritt häufig bei unbeschichteten ungeschützten Bauteilen auf, die aus unlegierten Baustählen gefertigt wurden.

Lochkorrosion

Lochkorrosion tritt meist an Stellen auf, an der die Beschichtung eines Bauteils beschädigt ist. Es kommt nur an dieser Stelle zur Korrosion. Dabei wird regelrecht ein Loch in das Bauteil "gefressen". Dieser "Lochfraß" ist oft schlecht erkennbar, weshalb die Folgeschäden sehr hoch sein können. Die mikroskopische Sichtprüfung als zerstörungsfreies Verfahren sowie zerstörende Verfahren wie der Zugversuch oder der technologische Biegeversuch geben Aufschluss über diese Korrosionsart.[5]

Kontaktkorrosion

Kontaktkorrosion entsteht, wenn zwei aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehende Bauteile direkt aneinander grenzen und Feuchtigkeit vorhanden ist. Das unedlere Bauteil korrodiert, löst sich auf und wird zerstört. Dies gilt, wie oben erwähnt, nur für Standardbedingungen bezüglich des pH-Wertes, der Temperatur und der Konzentration der Lösung. Bei sauren oder salzigen Elektrolyten verändert sich die Standardreihenfolge. Kontaktkorrosion entsteht oft bei Konstruktionsfehlern, z. B. bei Verschraubungen, wenn Schraube und Fügeteil aus unterschiedlichem Werkstoff gefertigt wurden oder bei fehlender Isolierung zwischen den Baustoffen.Neben der zerstörungsfreien Sichtprüfung bietet sich hier besonders die metallografische Untersuchung an.


Spaltkorrosion

Zur Spaltkorrosion kommt es, wenn unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen im Elektrolyt auftreten und so anodische und kathodische Bereiche gebildet werden. Spaltkorrosion tritt zwischen Durchgangsloch und Schraube oder im Passungsspalt zwischen zwei Bauteilen aufgrund unterschiedlicher Belüftung auf. Der Elektrolyt kann nicht trochnen.[6]


Spannungsrisskorrosion (SRK)

Spannungsrisskorrosion ist bei Bauteilen zu finden, die starker Zugbelastung ausgesetzt sind. Sie entsteht durch das Zusammenwirken von elektrochemischen Vorgängen und starker Zugbelastung.

Je nach Werkstoff und Belastung verläuft die Korrosion inter- oder transkristallin.

  • Bei interkristalliner Korrosion verläuft der Korrosionsabtrag entlang der Korngrenzen. Die Korrosion tritt zwischen (= inter) den Körnern auf und wandert daher auch in die tieferen Bereiche. Die Art ist aus besonders gefährlich einzustufen, da die Korrosion auch noch nicht "befallene" Stellen des Bauteils unterwandert, Material herausfällt und Querschnitte tragender Bauteile geschwächt werden.
  • Bei transkristalliner Korrosion verlaufen die Risse durch die Körner. Daher kann es schnell zu großen Korrosionsfortschritten kommen.

Beide Arten sind die gefährlichsten von Korrosion. Die Überwachung von Bauteilen auf diese Korosionsarten hin ist aufwendig.


Selektive Korrosion

Bei der Selektiven Korrosion entsteht die Korrosion entlang bestimmter Gefügebereiche des Werkstoffs, ausgelöst durch Verunreinigungen im Metall. An den an der Oberfläche austretenden unedlen Phasen beginnt die Korrosion, die in den Tiefen des Bauteils noch zunimmt.[7]


Korrosionsschutz

Zur Erhaltung von Bauteilen und der Sicherung einer möglichst langen Gebrauchsdauer müssen geeignete Maßnahmen gegen Korrosion metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe getroffen werden. Da Korrosionsschäden, besonders wenn sie nicht frühzeitig erkannt werden, hohe Folgekosten nach sich ziehen können, ist es entscheidend, die richtigen Gegenmaßnahmen zu treffen. Dafür ist auch notwendig, dass die Grundkenntnisse der elektrochemischen Reaktion bekannt sind (s. o.). Um einen wirksamen Korrosionsschutz zu erreichen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Grundsätzlich kann zwischen aktivem und passivem Schutz unterschieden werden.

Einteilung von Korrosionsschutz






















Aktiver Korrosionsschutz

Aktiv bedeutet korrosionsschutzgerechte Gestaltung, sowie die richtige Werkstoffauswahl. Das kann auch bedeuten, dass die Zusammensetzung des Werkstoffes zugunsten größerer Korrosionsbeständigkeit verändert werden muss.[8] Bestimmte Legierungselemente erhöhen ab einem bestimmten Legierungsgehalt die Korrosionsbeständigkeit. Das wichtigste Legierungselement ist Chrom ab einem Legierungsgehalt von 12 %.

Des weiteren wirkt sich eine bessere Oberflächengüte positiv auf die Korrosionsbeständigkeit aus.

Durch Veränderung der Umgebungsbedingungen kann die Aggressivität der Korrosion verringert werden. Das Senken des Umgebungsdrucks kann Korrosion ebenfalls vermindern. Ist Wasser der Elektrolyt der eletrochemischen Reaktion, so wird die Korrosionsgeschwindigkeit durch eine geringere Wassertemperatur zugunsten der Werkstoffhaltbarkeit beeinflusst.

Beim kathodischen Schutz gibt es zwei Möglichkeiten, um ein Bauteil vor Korrosion zu schützen. In beiden Fällen erhält das Bauteil, welches geschützt werden soll, einen edleren Charakter als seine Umgebung, wird somit zur Kathode und korrodiert nicht.

  1. Eine Möglichkeit ist der Einsatz einer Opferanode. Die Opferanode besteht aus einem unedlen Metall (z.B. Magnesium) und wird leitend mit dem zu schützenden Bauteil verbunden. Entsteht nun z. B. durch Feuchtigkeit ein galvanisches Element, korrodiert zuerst die Opferanode, sie wird also "geopfert" und das andere Bauteil ist geschützt. Üblicher Einsatz von Opferanoden sind Wasserkreisläufe.
  2. Die zweite Möglichkeit ein Bauteil kathodisch zu schützen, ist der Einsatz einer Fremdstromanode. Mit Hilfe einer externen Gleichstromquelle wird das Schutzobjekt als Kathode geschaltet und korrodiert nicht. Als Anode dienen Hilfselektroden. Die angelegte Spannung kann genau reguliert werden.


Ein weiteres Verfahren für den aktiven Korrosionsschutz ist die Verwendung von Inhibitoren. Sie werden dem korrodierenden Medium beigesetzt und setzen die Korrosionsgeschwindigkeit herab. Sie bilden eine Passivschicht mit dem Metall, welche die Korrosion verringert. Ein Beispiel für den Einsatz sind Kühlwasserkreisläufe.


Passiver Korrosionsschutz

Feuerverzinkte Stahlkonstruktion

Passiver Schutz meint die nachträgliche Bearbeitung/ Behandlung des Bauteils gegen Korrosion, z.B. durch Schutzanstriche, Schutzbeschichtungen und Isolierungen. Der Korrosionsschutz von Stahlbauten ist in der EN ISO 12944 genauer geregelt. Durch Feuerverzinken entsteht beispielsweise sowohl ein passiver als auch ein aktiver Schutz. Wie in obenstehendem Diagramm erkennbar, können Beschichtungen aus nichtmetallischen anorganischen, metallischen oder organischen Überzügen bestehen.

Nichtmetallische anorganische Überzüge

Dazu zählen Oxide, Phosphate und Silikate. Da sie als Nichtmetalle nicht elektrisch leitend sind, verhindern sie in Form eines dichten Überzugs, dass sich Korrosionselemente auf dem Metall ablagern können-

Metallische Überzüge

Als metallische Überzüge können praktisch alle Metalle und deren Legierungen verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist die Metalloptik, die durch diese Beschichtungen erhalten bleibt. Dies ist z. B. durch Chrom- und Zinküberzüge besonders gegeben. Das am häufigsten zum Einsatz kommende Verfahren zur Erstellung metallischer Überzüge ist das Schmelztauchverfahren, hier im Besonderen die Verzinkung und die Verzinnung.

Organische Überzüge

Organische Überzüge können auf Metall, aber auch auf nichtmetallische Werkstoffe, wie Kunststoff und Holz aufgebracht werden. Wie immer bei der Auswahl der Beschichtung, muss auch hier die mechanische und thermische Beanspruchung mit einbezogen werden. Als organisches Material eignen sich Epoxidharze, Vinylharze, Polyester etc. [9]

Jedoch wird auch schon während der Fertigung darauf geachtet, das Bauteil so unanfällig wie möglich gegen Korrosion zu machen. Um Kontaktkorrosion zu verhindern, werden gleiche Werkstoffe bei Verschraubungen verwendet oder es werden Isolierzwischenschichten beispielsweise aus Kunststoff eingesetzt. Neben der richtigen Materialauswahl, sollte auch das geeignete Verfahren eingesetzt werden Um Loch- und Kontaktkorrosion zu verhindern, sollte Schweißen oder Kleben dem Schrauben oder Nieten vorgezogen werden. Beim Schweißen sollten die Schweißnähte sorgfältig gearbeitet sein und keine Spalten zurück bleiben.

Die Oberflächen von Bauteilen sollten möglichst glatt sein und gegebenfalls geschliffen oder poliert werden, um Oberflächenkorrosion zu vermeiden.

Literaturangaben

  1. Fachkunde Metall. 55. Aufl. Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel 2007, , S.301
  2. Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze: Werkstoffkunde. 10.Aufl. Berlin/Heidelberg: Springer Verlag, S.55
  3. Herbert von Weingraber; Mohamed Abou-Aly: Handbuch Technische Oberflächen. Typologie, Messung und Gebrauchsverhalten. Braunschweig: Vieweg 1989, S.403.
  4. Jürgen Gobrecht: Werkstofftechnik - Metalle. 2. Aufl. München: Oldenbourg Verlag 2006, S.275.
  5. Jürgen Gobrecht: Werkstofftechnik - Metalle. 2. Aufl. München: Oldenbourg Verlag 2006, S.276.
  6. Jürgen Gobrecht: Werkstofftechnik - Metalle. 2. Aufl. München: Oldenbourg Verlag 2006, S.278.
  7. Jürgen Gobrecht: Werkstofftechnik - Metalle. 2. Aufl. München: Oldenbourg Verlag 2006, S.277.
  8. Jürgen Gobrecht: Werkstofftechnik - Metalle. 2. Aufl. München: Oldenbourg Verlag 2006, S.281.
  9. Herbert von Weingraber; Mohamed Abou-Aly: Handbuch Technische Oberflächen. Typologie, Messung und Gebrauchsverhalten. Braunschweig: Vieweg 1989, S.426 f.