Korrosion – Abbau durch chemische Reaktion

Einführung und Definition

Korrosion ist der irreversible Abbau eines Materials – meist eines Metalls – durch chemische oder elektrochemische Wechselwirkungen mit seiner Umgebung. Dieser Prozess ist hauptsächlich eine Grenzflächenreaktion, bei der Atome oder Ionen zwischen einem Material (wie Metall, Polymer oder Keramik) und seiner Umgebung transportiert werden, was zu einer Umwandlung oder einem Verbrauch des Materials führt. Obwohl Korrosion oft mit Rost an Eisen in Verbindung gebracht wird, betrifft sie eine Vielzahl von Materialien, einschließlich Nichtmetallen. Die Folgen sind erheblich: strukturelle Ausfälle, Sicherheitsrisiken und wirtschaftliche Verluste, die weltweit auf 2,5–3 Billionen US-Dollar jährlich geschätzt werden. Modernes Korrosionsmanagement umfasst prädiktive Modellierung, Überwachung und Lebenszyklusanalyse, um Risiken zu mindern und Materialauswahl sowie Wartung zu optimieren.

Zentrale Konzepte und Begriffe

• Chemische Korrosion: Abbau durch direkte chemische Reaktion, meist mit Säuren oder Oxidationsmitteln, ohne elektrische Leitfähigkeit. Beispiel: Schwefelsäure reagiert mit Stahl und bildet Eisensulfat und Wasserstoff.
• Elektrochemische Korrosion: Die häufigste Form bei Metallen, beinhaltet Redoxreaktionen in Anwesenheit eines Elektrolyten (wie Wasser mit gelösten Salzen). Es gibt sowohl anodische (Metallverlust) als auch kathodische (Schutz) Bereiche.
• Oxidation: Elektronenverlust von Metallatomen, die zu Ionen werden und sich mit Sauerstoff zu Rost oder anderen Oxiden verbinden können.
• Reduktion: Elektronengewinn, meist an der Kathode. Sauerstoff oder Wasserstoffionen im Elektrolyten werden häufig reduziert.
• Anode: Ort der Oxidation und des Materialverlusts – hier findet immer Korrosion statt.
• Kathode: Ort der Reduktion; in elektrochemischen Zellen vor Korrosion geschützt.
• Passivschicht: Eine dünne, stabile Oxidschicht, die sich auf Metallen wie Edelstahl und Aluminium bildet und vor weiterer Korrosion schützt. Schäden oder chemische Angriffe auf diese Schicht können lokale Korrosion auslösen.

Diese Kernkonzepte sind grundlegend, um zu verstehen, wie Korrosion entsteht und wie sie gesteuert oder verhindert werden kann.

Einteilung der Korrosionsarten

Korrosion kann viele Formen annehmen:

Flächenkorrosion

Betrifft die gesamte freiliegende Oberfläche mit etwa gleicher Geschwindigkeit. Häufig bei ungeschütztem Stahl, der Luft und Feuchtigkeit ausgesetzt ist; sie ist vorhersehbar und wird oft durch eine zusätzliche Materialstärke („Korrosionszuschlag“) kompensiert.

Lochkorrosion

Stark lokalisiert, es entstehen kleine, aber tiefe Löcher an der Oberfläche. Wird oft durch den Abbau der Passivschicht in chloridreichen Umgebungen (z. B. Salzwasser) ausgelöst. Besonders gefährlich, da sie schwer zu erkennen ist und zum Versagen mit geringem Gesamtmaterialverlust führen kann.

Spaltkorrosion

Tritt in engen Zwischenräumen (unter Dichtungen, Unterlegscheiben oder Überlappungen) auf, wo stehende Flüssigkeit aggressive lokale Bedingungen schafft. Kann schnell fortschreiten und ist schwer zu entdecken, was Risiken in Baugruppen und Verbindungen birgt.

Galvanische (Bimetallische) Korrosion

Entsteht, wenn zwei unterschiedliche Metalle elektrisch in einem Elektrolyten verbunden sind. Das weniger edle (anodische) Metall korrodiert bevorzugt. Die Schwere hängt vom Potentialunterschied, der Leitfähigkeit des Elektrolyten und vom Flächenverhältnis ab.

Interkristalline Korrosion

Zielt auf die Korngrenzen in Metallen ab, oft durch Entmischung oder Verarmung an schützenden Elementen (wie Chrom in Edelstahl). Kann katastrophales Versagen verursachen, ohne dass größere Oberflächenschäden sichtbar sind.

Entzinkung (selektive Entmischung)

Entfernt das reaktivere Element aus einer Legierung (z. B. Zink aus Messing) und hinterlässt eine poröse, geschwächte Struktur.

Erosionskorrosion

Wird durch mechanische Einwirkung (Strömung, Partikelaufprall) beschleunigt, die schützende Schichten abträgt und frisches Metall chemischem Angriff aussetzt. Häufig in Pumpen, Rohrleitungen und maritimen Umgebungen.

Spannungsrisskorrosion (SCC)

Rissbildung durch die Kombination aus Zugspannung und einer spezifischen korrosiven Umgebung. Kann zu schnellen, katastrophalen Ausfällen ohne Vorwarnung führen.

Wasserstoffversprödung

Aufnahme und Diffusion von atomarem Wasserstoff in Metalle, insbesondere hochfeste Stähle, was zu plötzlichem, sprödem Versagen führen kann.

Exfoliation und Grenzflächenkorrosion

Exfoliation ist eine schwere Form der interkristallinen Korrosion, bei der sich Materialschichten ablösen – oft bei gewalzten oder extrudierten Produkten wie Flugzeugkomponenten.

Mechanismen und Wissenschaft

Korrosion umfasst Redoxreaktionen an der Grenzfläche zwischen Material und Umgebung:

• Anodische (Oxidations-)Reaktion:
  M → Mⁿ⁺ + ne⁻
  (Metall verliert Elektronen und wird zum Ion.)

• Kathodische (Reduktions-)Reaktion:

  • Sauerstoffreduktion: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
  • Wasserstoffionenreduktion: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂

Die an der Anode freigesetzten Elektronen fließen zur Kathode, wo die Reduktion stattfindet. Elektrolyte (Wasser mit gelösten Ionen) ermöglichen die Ionenleitung und schließen den Stromkreis.

Passivschichten (dünne Oxidschichten) auf Metallen wie Edelstahl und Aluminium können die Korrosionsraten drastisch senken. Werden sie jedoch beschädigt oder aggressiven Ionen (wie Chloriden) ausgesetzt, kann lokale Korrosion beginnen.

Umweltfaktoren wie pH-Wert, Temperatur, Sauerstoff-, Chloridgehalt und Strömung beeinflussen die Korrosionsgeschwindigkeit und -mechanismen.

Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC): Einige Bakterien beschleunigen Korrosion, indem sie die lokale Chemie verändern, besonders in Rohrleitungen und maritimen Umgebungen.

Strategien zur Vorbeugung und Bekämpfung

Wirksamer Korrosionsschutz basiert auf verschiedenen Ansätzen:

• Materialauswahl: Verwendung von korrosionsbeständigen Legierungen (Edelstahl, Titan, Hochnickellegierungen, FVK, Keramiken), die für die Umgebung geeignet sind.
• Legierungsbildung: Zugabe von Elementen wie Chrom und Molybdän zur Verbesserung der Beständigkeit.
• Schutzbeschichtungen: Auftrag organischer (Lack, Epoxid), metallischer (Zink, Nickel) oder Konversionsbeschichtungen (Chromat, Phosphat) als physikalische Barriere.
• Kathodischer Schutz: Das Bauteil zur Kathode eines elektrochemischen Kreises machen.
  • Opferanodensysteme: Ein reaktiveres Metall wird angebracht, das stattdessen korrodiert.
  • Fremdstromsysteme: Eine externe Stromquelle und inerte Anoden werden verwendet.
• Korrosionsinhibitoren: Chemikalien, die dem Medium zugesetzt werden, um Korrosionsraten durch Filmbildung oder Reaktionsänderung zu senken.
• Umweltkontrolle: Entfernung von Feuchtigkeit, pH-Kontrolle, Wasseraufbereitung oder Inertgas-Überlagerung.
• Konstruktive Maßnahmen: Vermeiden von Spalten, scharfen Kanten und Kontakt unterschiedlicher Metalle; sicherstellen von Entwässerung und Zugang für Inspektionen.
• Inspektion und Überwachung: Visuelle, ultraschall-, röntgen- oder elektrochemische Methoden zur frühzeitigen Korrosionserkennung.

Oft wird eine Kombination dieser Strategien eingesetzt, um die Lebensdauer zu maximieren und Kosten zu minimieren.

Praxisbeispiele und Anwendungsfälle

Bau und Infrastruktur

Brücken und Gebäude sind Feuchtigkeit, Schadstoffen und Salzen ausgesetzt, die die Korrosion beschleunigen. Witterungsbeständige Stähle, verzinkte Bewehrungen und robuste Beschichtungen sind gängige Lösungen. Bei Stahlbeton führt Korrosion der Bewehrung (oft durch Chlorideintrag) zu Rissen und Abplatzungen. Lösungen sind epoxidbeschichtete oder Edelstahlbewehrung sowie korrosionshemmende Zusätze.

Industrieanlagen

Rohrleitungen, Lagertanks und Prozessbehälter sind sowohl interner als auch externer Korrosion (z. B. Wasser, Säuren, Mikroorganismen) ausgesetzt. Schutzmaßnahmen umfassen kathodischen Schutz, Beschichtungen und Inhibitoren. Für aggressive Chemikalien werden auch Auskleidungen (Gummi, Glas, Polymere) eingesetzt.

Transport

Flugzeuge, Züge und Autos sind Korrosion durch Feuchtigkeit, Enteisungsmittel und Umweltschadstoffe ausgesetzt. Die Luftfahrtindustrie setzt Aluminium, Titan und Verbundwerkstoffe ein, muss aber galvanische Korrosion an Verbindungen managen. Im Automobilbau werden verzinkte Stähle und fortschrittliche Beschichtungen verwendet, besonders in Regionen mit Streusalz.

Marine Anwendungen

Schiffe, Offshore-Plattformen und Hafenbauwerke sind Seewasser, Sauerstoff und biologischer Aktivität ausgesetzt. Korrosion wird durch Opferanoden, Fremdstromsysteme, hochlegierte Werkstoffe und robuste Farbsysteme bekämpft. Marine-FVK wird für Decks und Aufbauten wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit eingesetzt.

Landwirtschaft und Kühltürme

FVK-Platten sind in Gebäuden und Kühltürmen wegen ihrer chemischen Beständigkeit gegen Ammoniak und Säuren, ihrer langen Lebensdauer und Wartungsfreundlichkeit verbreitet und übertreffen Metallplatten in rauen Umgebungen.

Glossar zu Korrosion und verwandten Begriffen

Anode:
Ort der Oxidation in einer elektrochemischen Zelle – dort tritt Metallverlust (Korrosion) auf.

Kathode:
Ort der Reduktion – in elektrochemischen Prozessen vor Korrosion geschützt.

Korrosionszuschlag:
Zusätzliche Materialstärke, die für den vorhersehbaren gleichmäßigen Korrosionsverlust über die Lebensdauer eines Bauteils eingeplant wird.

Korrosionsschaden:
Physikalischer Abbau, Verlust mechanischer Eigenschaften oder Funktion durch Korrosion (einschließlich Wanddünnung, Lochfraß, Rissbildung).

Korrosionsinhibitor:
Chemischer Zusatzstoff, der die Korrosionsrate durch Filmbildung oder Veränderung der Umgebung verringert.

Korrosionsbeständiges Material:
Material, das aufgrund seiner Zusammensetzung oder einer stabilen Passivschicht deutlich geringere Korrosionsraten aufweist.

Entzinkung:
Selektives Entfernen eines Elements aus einer Legierung (z. B. Zink aus Messing), was eine poröse Struktur hinterlässt.

Elektrochemische Zelle:
System, in dem Korrosion durch gleichzeitige Oxidations- und Reduktionsreaktionen unter Elektronenfluss zwischen Anode und Kathode abläuft.

Galvanische Reihe:
Reihung von Metallen/Legierungen nach ihrem Korrosionspotential in einer bestimmten Umgebung – dient zur Vorhersage galvanischer Korrosion.

Passivierung:
Bildung einer stabilen, schützenden Schicht (meist Oxid) auf einer Metalloberfläche, die die Korrosionsrate senkt.

Lochkorrosion:
Lokalisierte, schwere Korrosion, die kleine, tiefe Löcher im Material erzeugt.

Spannungsrisskorrosion (SCC):
Rissbildung durch Zugspannung in einer spezifischen korrosiven Umgebung, die zu plötzlichem, sprödem Versagen führen kann.

Flächenkorrosion:
Gleichmäßiger Materialverlust über eine Fläche; die am besten vorhersagbare Form der Korrosion.

Fazit

Korrosion ist ein komplexer, vielschichtiger Prozess, der nahezu jede Branche und jedes Infrastruktursystem betrifft. Das Verständnis ihrer Mechanismen, Typen und Präventionsstrategien ist für Ingenieure und Anlagenbetreiber unerlässlich. Durch durchdachte Konstruktion, Materialauswahl, Schutzsysteme und regelmäßige Überwachung lassen sich Risiken und Kosten durch Korrosion deutlich senken – und so Sicherheit und Nachhaltigkeit langfristig verbessern.