Korrosion und Korrosionsschutz

Als Korrosion bezeichnet man die von der Oberfläche ausgehende Beschädigung eines Werkstoffs durch das ihn umgebende Medium. Der Begriff bezieht sich entweder auf den Vorgang selbst oder auf den daraus resultierenden Schaden. Entsprechend dieser allgemeinen Definition können auch andere Werkstoffe als Metalle, wie z.B. Keramik, Kunststoffe oder Beton, korrodieren. Werden keine besonderen Angaben über den Werkstoff gemacht, so handelt es sich gewöhnlich um ein Metall. In diesem Sinn ist der Begriff Korrosion auch im folgenden ausschließlich zu verstehen.

Der elektrische Widerstand wird mit R bezeichnet und in Ω (Ohm) gemessen, der spezifische elektrische Widerstand ρ wird in Ωm angegeben. Der Kehrwert des Widerstandes ist die elektrische Leitfähigkeit (Ω^-1), die spezifische elektrische Leitfähigkeit σ= 1/ρ hat die Einheit (Ωm)^-1 = S/m. Der Widerstand eines elektrischen Leiters der Länge 1 und der Fläche A berechnet sich nach der Formel R = ρ1/A. Gebräuchliche Einheiten für den spezifischen Widerstand sind auch: 1 μΩcm = 10^-8 Ωm sowie 1 Ωmm²/m = 1 μΩm = 100 μΩm und vor allem 1 Ωcm = 10^-2 Ωm Hieraus folgt für die spezifische elektrische Leitfähigkeit σ = 1Ω^-1cm⁻¹ = 100Ω⁻¹m⁻¹ usw.

Da die Struktur von Metallen und Legierungen für ihre Korrosionseigenschaften entscheidend ist, können diese nicht ohne die Anwendung metallkundlicher Begriffe diskutiert werden. Im folgenden werden einige Grundlagen der Metallkunde eingeführt, die sich jedoch hauptsächlich auf Eisen und Stahl beschränken. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei den rostfreien Stählen.

Die Einteilung der Korrosion erfolgt üblicherweise nach folgenden Kriterien:

Die meisten Metalle sind deshalb korrosionsanfällig, weil sie zusammen mit den umgebenden Medien wie Wasser und Luft ein thermodynamisch instabiles System darstellen, welches bestrebt ist, Energie (bzw. freie Enthalpie) durch Bildung einer chemischen Verbindung des Metalls (Oxid oder wasserhaltiges Oxid) freizusetzen. Das Metall als solches wird unter Aufwand von Energie aus seinen natürlich vorkommenden Verbindungen, den Erzen, gewonnen. Der Korrosionsvorgang kann also als das Bestreben des Metalls angesehen werden, wieder in den ursprünglichen oxidierten Zustand zurückzukehren. Deshalb ist es wichtig, die Thermodynamik dieser Korrosionsvorgänge zu betrachten, da sie Aufschluß über die Bedingungen gibt, unter denen ein Metall korrodieren kann.

Die Bestimmung des Elektrodenpotentials, das sich auf einer Metalloberfläche in einer korrosiven Flüssigkeit entwickelt, ist ebenso wichtig wie schwierig. In der Regel enthält diese Flüssigkeit anfänglich noch keine Ionen des Metalls der Elektrode. Das sich in diesem Fall einstellende irreversible Elektrodenpotential weicht deshalb merklich von dem reversiblen Gleichgewichtspotential einer Metallelektrode ab, die sich in der Lösung ihrer eigenen Ionen befindet.

Für das Auftreten von Korrosion ist das Zusammenwirken von anodischer Metallauflösung und kathodischer Reduktion eines Oxidationsmittels erforderlich. Für kathodische Reaktionen kommen folgende kathodischen Vorgänge infrage, von denen die beiden ersten besonders häufig sind:

Korrosion findet statt, wenn eine Potentialdifferenz zwischen anodischen und kathodischen Oberflächen vorhanden ist und wenn ein Medium vorliegt, welches den kathodischen Prozeß aufrechterhält. Letzteres wurde im vorausgehenden Kapitel behandelt. Entsprechend ihrer Größe lassen sich die Korrosionszellen unterteilen in:

In diesem Abschnitt werden Korrosionsarten behandelt, die durch ein Zusammenwirken chemischer und mechanischer Faktoren verursacht werden. In Abhängigkeit von der Art des mechanischen Kraftangriffs lassen sich folgende Fälle unterscheiden:

Die atmosphärische Korrosion ist sowohl von geographischen als auch von lokalen Bedingungen stark abhängig (Bild 10.1). Klimatisch läßt sich die Erde in gemäßigte, tropische und arktische Regionen unterteilen, wobei die tropischen Gebiete wiederum in trockene und feuchte Gebiete gegliedert werden. Für die atmosphärischen Bedingungen gilt die Einteilung in maritimes, industrielles, städtisches und ländliches Klima. Die Korrosionsgeschwindigkeit in Industriegebieten kann um den Faktor 100 höher liegen als in der Wüste oder in einem arktischen Gebiet.

Mineralische Böden werden nach Bodenarten gegliedert, welche durch eine vorherrschende Korngrößenklasse gemäß Tabelle 11.1 charakterisiert sind. Ausgenommen sind hierbei Lehmböden, bei denen ein Gehalt an Ton von > 15% ausschlaggebend ist. Die Bodenarten tragen dieselben Bezeichnungen wie die entsprechenden Größenklassen der Tabelle 11.1.

Der Korrosionswiderstand metallischer Werkstoffe läßt sich häufig durch Änderung der Zusammensetzung (entweder Hinzufügung von Legierungszusätzen oder Reinheitssteigerung durch Raffination), durch Gefügeänderungen (mit Hilfe von Wärmebehandlungen) oder durch Änderung der Spannungszustände (mittels Wärmebehandlung oder Kaltverformung) und schließlich durch Änderung des Oberflächenzustandes (d.h. durch Polieren oder Beizen) erheblich verbessern.

Beispiele hierfür sind:

Da die Korrosion von Metallen in feuchten Medien elektrochemischer Natur ist, liegt es nahe zu versuchen, sie auch mit elektrochemischen Methoden zu unterbinden. Verfahren dieser Art beinhalten eine Änderung des Elektrodenpotentials des Metalls, um dessen Auflösung zu verhindern oder zumindest zu verringern. Elektrochemischer Korrosionsschutz läßt sich in kathodischen und anodischen Schutz entsprechend der Verschiebung des Elektrodenpotentials in negativer oder positiver Richtung gliedern. Der kathodische Schutz ist das bei weitem wichtigere der beiden Verfahren.

Vor dem Aufbringen von Schutzüberzügen auf Metalloberflächen ist es im allgemeinen notwendig, die Oberfläche sehr sorgfältig zu reinigen. Zusätzlich muß eine Oberflächenbehandlung erfolgen, um eine geeignete Basis für den beabsichtigten Überzug zu schaffen. Diese Vorbehandlung ist besonders vor dem Elektroplattieren und Emaillieren wichtig. Die höchsten Anforderungen werden beim Elektroplattieren aus Säurebädern gestellt, doch ist auch die Reinigung und Vorbehandlung der Metalloberfläche für gewöhnliche Rostschutzanstriche meist der wichtigste Schritt des ganzen Vorgangs.

Korrosionsprüfverfahren werden entweder als Laborprüfungen oder als Betriebsprüfungen durchgeführt.

Die in Kap. 5 beschriebenen theoretischen Potential-pH-Diagramme sind ein praktisches Hilfsmittel zur Darstellung von Gleichgewichtsdaten verschiedener Metalle und ihrer Verbindungen in der Gegenwart von Wasser. Die theoretischen Potential-pH-Diagramme veranschaulichen sowohl die Korrosionseigenschaften des Metalls als auch die Ausdehnung des Passivbereiches meist recht gut. Für bestimmte stark passivierende Metalle dagegen geben die theoretischen Diagramme ein irreführendes Bild der Korrosionseigenschaften, indem sie einen wesentlich kleineren Passivbereich zeigen, als es der Praxis entspricht. Die Änderung der theoretischen Diagramme aufgrund praktischer Erfahrungen der Korrosion und der Passivität von Metallen in sauren, alkalischen und oxidierenden Medien und ihr Verhalten bei anodischer Polarisation führt zu empirischen Potential-pH-Diagrammen, die ein besseres Bild der Korrosionseigenschaften der Metalle vermitteln und damit von größerem praktischen Nutzen sind. Im folgenden sind diese Diagramme für eine Anzahl technisch wichtiger Metalle aufgeführt. Der pH-Wert einer korrosiven Lösung läßt sich im allgemeinen leicht messen oder abschätzen. Das Redoxpotential in der Lösung kann mit Hilfe einer glänzenden Platinelektrode bestimmt werden. Das Korrosionspotential (gemischtes Potential), das sich auf einem bestimmten Metall ausbildet, kann ebenfalls leicht, z.B. relativ zu einer Kalomelelektrode, gemessen werden. Anhand des sich ergebenden Potential-pH-Diagramms läßt sich dann ableiten, ob Korrosion stattfindet.