Korrosion:  Erscheinungsformen und Vermeidung

Vortrag von Angelika Roith im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", SS 2000

Gliederung:

Einstieg: 

Folie: "La Tour Eiffel est éternelle." (Der Eiffelturm ist ewig).

Korrosion ist der Grund für die enormen Kostenaufwendung zur Erhaltung des Turmes.

1. Definition und Erscheinungsformen der Korrosion

1.1 Chemische Korrosion

Charakteristisch für diese Korrosionsart ist der direkte Elektronenaustausch zwischen den Reaktionspartnern während der ablaufenden Redoxreaktion und die i.d.R. gleichmäßige Flächenabtragung. Ein Beispiel für die chemische Korrosion ist die Reaktion von Metallen mit oxidierenden Gasen, insbesondere bei höheren Temperaturen, wie sie bei der Verzunderung stattfindet.

 Die Verzunderung unterteilt sich in 2 Teilvorgänge:

Abb1.: Verzunderung (gif, 19k)

Anlaufvorgang: 

Hierbei bildet sich eine dünne Anlaufschicht, in dem die auf der Metalloberfläche adsorbierten Sauerstoffmoleküle in Atome gespalten und unter Ionisation angelagert werden. Danach erfolgt die chemische Bindung unter Aufbau des Oxidgitters. Hat sich auf der Metalloberfläche eine geschlossene Oxidschicht gebildet, beginnt die Verzunderung.

Verzunderung:

 Einerseits, und das ist die häufigere Form, kann das Metall in Form von Kationen und Elektronen durch die Deckschicht nach außen wandern und dort ein Dickenwachstum erzeugen. Andererseits kann der Sauerstoff durch die Deckschicht hindurch diffundieren und es kommt zu einem Dickenwachstum zwischen der Deckschicht und dem Metall.

1.2 Elektrochemische Korrosion

Bei dieser Korrosionsart kommt es zur Ausbildung von Korrosionselementen. In Korrosionselementen liegt zwischen dem Anoden- und Kathodenbereich eine Spannung vor. Die ablaufenden Prozesse sind von einander abhängig, können jedoch unterschiedlich weit voneinander entfernt stattfinden. 

Korrosionselemente können aufgrund unterschiedlicher Potentiale, wie es bei der Kontaktkorrosion der Fall ist, auftreten. Bei ihr stehen verschiedene Metalle miteinander in leitendem Kontakt und es ist ein ionenleitendes Medium vorhanden. Ein Beispiel hierfür sind Rohrinstallationen aus verschiedenen Materialien, so wenn beispielsweise die Warmwasser-Kupferleitung mit der Kaltwasser-Stahlleitung in Kontakt kommt.

Abb. 2: Schema eines Fe/Cu-Elementes, mit Reaktionsgleichungen

Versuch 1.2.1:

 Abb. 3: Versuch 1.2.1, Ergebnis

Elektrochemische Korrosion kann auch aufgrund eines unterschiedlicher Sauerstoffgehalt im Elektrolyten auftreten. Ein Beispiel hierfür ist das Rosten von Eisen. 

Befindet sich eine Wassertropfen auf Eisen, so kommt es aufgrund der unterschiedlichen Sauerstoffkonzentration zu einem Stromfluss. 

Abb. 4: Fe/Fe-Element, mit Reaktionsgleichungen.

Versuch 1.2.2:

Abb. 5.: Versuch 1.2.2, Ergebnis

In der Mitte des Tropfens befindet sich die Anode, das Eisen geht in Form von Eisenkationen in Lösung. Die entstandenen Fe²⁺-Ionen werden mit weiterem Sauerstoff zu Fe³⁺-Ionen oxidiert. Dieses Ion bildet das Oxidhydrat FeO(OH), das, wenn das Löslichkeitsprodukt überschritten ist, rotbraun ausfällt. Die Kathodenreaktion, eine Sauerstoffkorrosion, läuft am Rand des Tropfens ab. Hierbei entstehen Hydroxidanionen.

2.Korrosionsschutz

2.1 Korrosionsschutzgerechtes Konstruieren

Bauliche Schwachstellen an denen Korrosion leicht einsetzt kann, sind zum Beispiel Spalten, Kanten und der Kontakt verschiedener Metallteile. Diese können durch geeignetes konstruieren oder isolieren verhindert werden.

2.2 Elektrochemischer Korrosionsschutz

Hierbei unterscheidet man den anodischen und den bedeutenderen kathodischen.

Kathodischer Korrosionsschutz liegt vor, wenn die gesamte metallische Struktur zur Kathode gemacht wird und kann nur in neutralen Medien eingesetzt werden.

 Dies kann auf 2 Wegen geschehen.

Erster Weg: Die korrodierende Struktur (Stahl) wird mit einem unedleren Metall (Magnesium, Zink) verbunden und diese Metall geht als Opferanode in Lösung. Bsp.: erdverlegte Tanks, Schiffe und Ölplattformen.

Abb. 6.: Fe/Zn-Element, mit Reaktionsgleichungen

Versuch 2.2:

Abb. 7.: Versuch 2.2, Ergebnis.

Zweiter Weg: Der korrodierende Gegenstand wird als Kathode einer elektrolytischen Zelle geschaltet, welche mit Gleichstrom aus externen Stromquellen versorgt wird. I.d.R. ist die Hilfsanode (Platin, Blei, Graphit) dieser Zellen unlöslich. Bsp.: erd- oder wasserverlegte Kabel oder Rohre

2.3 Metallische und nichtmetallische Überzüge

2.3.1. Metallische Überzüge

Die metallischen Überzügen unterteilt man in Überzüge die edler und die die unedler als das zu schützende Metall sind.

Bei edlere Schutzüberzüge ist darauf zu achten, dass keine Kratzer oder Poren im Überzug vorhanden sind, denn sonst steht eine kleine Anode (das eigentlich zu schützende Metall) einer großen Kathode gegenüber und es kommt zum Lochfraß.

Bei den unedlere Schutzüberzüge ist Zink ist der Spitzenreiter. 150.000 Tonnen Zink werden jährlich der Feuerverzinkung zugeführt. Hierfür werden die zu verzinkenden Werkstücke zu nächst vorgereinigt, entfettet, gespült, abgebeizt und in Flussmittel getaucht. Erst dann werden sie für einige Minuten in flüssiges Zink getaucht und anschließend mit Wasser abgeschreckt.

2.3.2. Nichtmetallische Überzüge

anorganische

Ein Beispiel dafür ist das Phosphatieren von Stahl, wie es zum Beispiel bei der Herstellung von Autokarosserien stattfindet. Nach verschiedenen Reinigungs- und Spülvorgängen findet das Aktivieren statt, hierbei bilden sich Kristallisationskeime. Das eigentliche Phosphatieren geschieht mit einer Lösung aus Dihydrogenphosphaten und anderen Zusätzen in verdünnter Phosphorsäure in die das Werkstück getaucht wird. Dabei bildet sich eine schwerlösliche Metallphosphatschicht. Die schichtbildenden Ionen liegen in der Lösung in einer Konzentration vor, so dass sie sich gerade noch lösen. Während des Phosphatierens findet aufgrund der Beizreaktion (Fe + 2H⁺--> Fe²⁺ + H₂) eine lokale pH-Verschiebung und damit eine Veränderung der Konzentration an H₂PO₄^-, HPO₄^2-, PO₄^3- statt. Dadurch wird in den oberflächennahen Bereichen das Löslichkeitsprodukt überschritten und die Phosphatierschicht gebildet. Die Phosphatschicht haftet im Gegensatz zur Oxidschicht gut auf dem Eisen und bildet somit einen guten Schutz vor Korrosion. Ein noch größeren Schutz kann durch vorheriges Verzinken und anschließendes Auftragen einer Keramik-, Polymer- und Lackschicht erreicht werden.

organische 

Hierbei handelt es sich vor allem um Anstriche mit Lacken.

2.4 Inhibitoren

Inhibitoren sind organische oder anorganische Anionen, Kationen oder neutrale Moleküle, die bei Korrosion in feuchter Umgebung dem Korrosionsmedium zugefügt werden. Sie erniedrigen die Korrosionsrate. Orthophosphate, wie Dinatriumhydrogenphosphat, fördern die Bildung von Schutzfilmen. Sie finden ihren Einsatz bei Trinkwasserrohren. Haben Rohrleitungen aus feuerverzinken Stahl ohne Inhibitoren eine Lebensdauer von 3 bis 6 Jahren, so kann diese mit Phosphatinhibitor 25 Jahre betragen. Polyphosphathaltige Substanzen (Handelsnamen: Calgon) bilden besonders in kalkhaltigem Wasser große kolloidale Kationen (Na₅CaP₆O₁₈)_nⁿ⁺ aus, die zur Kathode wandern, an der sie entladen werden und dicke Überzüge bilden.

 I.d.R. werden Inhibitorengemische eingesetzt.

Versuch 2.4:

Schluß:

Die einzelnen Korrosionsschutzmethoden werden auf ihre Bedeutung für den Eiffelturm angedacht und es wird festgehalten, dass die Franzosen weiterhin streichen müssen, um den Vorsatz "la Tour est éternelle" verwirklichen zu können.

3. Literatur