Korrosion von Metallen und Methoden zu ihrer Verhinderung

Was ist Korrosion?

Haushaltsgegenstände oder architektonische Elemente aus Metallen und Metalllegierungen sind täglich einer Vielzahl von Umweltfaktoren ausgesetzt. Dies führt zu einer Zerstörung der Materialien durch eine chemische oder elektrochemische Reaktion, die als Korrosion (chemisch oder elektrochemisch) bezeichnet wird.

Korrosion wird oft als Rosten bezeichnet – ein Begriff, der auf metallische Materialien zutrifft. Dies ist der Fall, wenn sich auf ihrer Oberfläche eine charakteristische rötliche Färbung oder auch Rost bildet. Rost ist keine einzelne chemische Verbindung, sondern eine Schicht aus Oxiden, Hydroxiden und Eisensalzen (Oxidationsprodukte von Eisen und seinen Legierungen, z. B. Stahl).

Umweltfaktoren, unter deren Einfluss Korrosion auftritt:

• Niederschlag,
• Feuchtigkeit,
• Umweltschadstoffe (z. B. Schwefeloxide, Stickoxide, Staub),
• nicht richtiger pH-Wert,
• Beanspruchung der Materialien,
• Vorhandensein von Bio-Organismen,
• Kontakt mit dem Erdreich.

Chemische und elektrochemische Korrosion

Chemische Korrosion

Chemische Korrosion tritt in Umgebungen auf, in denen es an ionischer Leitfähigkeit mangelt, d.h. meist in Gegenwart von Abgasen, Erdöl, ausgewählten organischen Substanzen oder Gasen wie Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid (II) und Chlor. Chemische Korrosion wird manchmal auch als trockene Korrosion bezeichnet. Das korrodierende Material steht in der Regel in vollem Oberflächenkontakt mit dem korrosiven Mittel. Aber im Allgemeinen stellt sie keine große Gefahr für die Konstruktion dar.

Elektrochemische Korrosion

Sie erfolgt in einer elektrisch leitenden Umgebung (in Elektrolyten). Eine solche Umgebung kann z.B. Wasser mit gelösten Gasen und Salzen sein. Auf der Oberfläche des Materials (z. B. an der Kontaktstelle mit Feuchtigkeit) bilden sich dann lokale galvanische Zellen. Durch das Vorhandensein des Elektrolyt wird der Stromkreis geschlossen. Das Ergebnis der elektrochemischen Korrosion ist die Oxidation der Metalloberfläche und die Bildung einer braunen Ablagerung, d.h. Rost.

Korrosion von Metallen und deren Passivierung

Die Oberfläche eines Metalls, das mit einem korrosiven Mittel in Berührung kommt, wird unter dessen Einfluss oxidiert – es bildet sich eine Metalloxidschicht auf der Oberfläche. Dies ist nicht immer ein unerwünschtes Phänomen. Die Passivierung ist ein Phänomen, bei dem sich eine Oxidschicht bildet, die ausreichend dicht ist und fest mit der Metalloberfläche verbunden ist. Es soll vor einem weiteren Abbau des Materials (weitere Oxidation) schützen.

Das Phänomen der Passivierung kann zum Beispiel bei Aluminium beobachtet werden. Obwohl es ein hochreaktives Metall ist, weist es gerade durch Passivierung eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Es ist üblich, dass Metalle Passivierungsprozessen unterzogen werden – dies ist eine der Techniken des Korrosionsschutzes. Es gibt auch eine natürliche Passivierung. Dies ist bei Kupfer zu beobachten, wo sich auf der Oberfläche ein grüner Schimmer, die so genannte Patina, bildet.

Unterliegen nur Metalle der Korrosion?

Bei Komponenten aus Metall und Metalllegierungen wird am häufigsten eine Zersetzung durch chemische oder elektrochemische Korrosion beobachtet. Die elektrochemische Korrosion von Eisen, Stahl, Kupfer oder Aluminium ist weit verbreitet, aber dieses Phänomen betrifft auch andere Materialien, nicht nur metallische, z.B. gibt es die chemische Korrosion von Beton.

Korrodierende Materialien (andere als Metalle):

• Beton und Stahlbeton
• Kunststoffe
• Holz,
• Keramik.

Der Korrosionsmechanismus ist für die einzelnen Materialien unterschiedlich. Er hängt weitgehend von der Art der elektrischen Leitfähigkeit an der Phasengrenze zwischen Material und Umgebung ab. Darüber hinaus ist die Art der Umgebung, in der sich das Material befindet, ein wichtiger Aspekt. Bei Körpern mit hoher Leitfähigkeit kommt es in der Regel zu elektrochemischer Korrosion. Im Gegensatz dazu ist die Art der Korrosion bei niedriger (oder gar keiner) Leitfähigkeit meistens chemischer (oder physikalisch-chemischer) Natur.

Korrosionsschutztechniken

Das Phänomen der Korrosion lässt sich nicht vollständig vermeiden. Alle Korrosionsschutztechniken zielen darauf ab, diesen Prozess zu verlangsamen. Edelmetalle, die in der Natur in ungebundener Form vorkommen, benötigen keinen Korrosionsschutz. Dazu gehören zum Beispiel Gold oder Platin.

Methoden zum Schutz vor Korrosion:

• Beseitigung der für Korrosionsprozesse verantwortlichen Faktoren aus der Umgebung, z.B. Beseitigung von Feuchtigkeit, Einsatz von Ionenaustauschern zur Beseitigung von den im Wasser gelösten Salzen, Neutralisierung von säurehaltigen Substanzen;
• Verwendung von Stoffen, die die Korrosionsgeschwindigkeit verringern (Inhibitoren);
• Änderung des Elektrodenpotentials des Metalls;
• Verwendung von Schutzbeschichtungen. Das Metall kann mit einem anderen, edleren Metall als das geschützte Metall – einer isolierenden Beschichtung – oder mit einem weniger edlen Metall – einer abschirmenden Beschichtung – überzogen werden;
• Verwendung von anorganischen Beschichtungen, z. B. Glasemaille, Chromatbeschichtungen;
• Verwendung von organischen Beschichtungen, z.B. Polymere, Oberflächenfarben.

Eine beliebte Korrosionsschutzmethode ist die Verwendung von Beschichtungen. Diese werden durch Eintauchen der Komponente in geschmolzenes Metall (Flammbeschichtung) oder aus einer wässrigen Elektrolytlösung durch Elektrolyse (Elektrolytbeschichtung) aufgebracht. Eine weniger verbreitete Methode der Beschichtung ist die Sprühmetallisierung, d.h. die Ausführung der Beschichtung mit einer Sprühpistole.

Das am häufigsten verwendete Schutzmetall ist Zink. Es wird insbesondere als Beschichtung auf Stahl oder Gusseisen verwendet. Die Zinkbeschichtung zeigt gute Schutzeigenschaften, obwohl sie im Vergleich zu Eisen eine geringere thermodynamische Stabilität aufweist. Sie schützt zwar das Metallteil selbst vor Zersetzung, kann aber bei Kontakt mit Feuchtigkeit korrosiven Prozessen ausgesetzt sein. Die Haltbarkeit der Zinkbeschichtung hängt nicht nur von ihrer Stärke ab, sondern auch von den Umgebungsbedingungen, unter denen die Komponente verwendet wird. Man unterscheidet je nach Art der Auftragung zwischen galvanischer Verzinkung und Feuerverzinkung.

Die wirtschaftlichen Folgen der Korrosion auf globaler Ebene

Korrosion ist ein weltweites Problem. Nach wie vor wird von Todesfällen, wirtschaftlichen Verlusten und Umweltschäden durch korrodierende Materialien berichtet. Korrosion kann zu schwerwiegenden Ausfällen von Druckbehältern, Flugzeugteilen oder Fahrstromanlagen führen.

Wie Mohmmad A Jafar Mazumder in seinem Artikel „Global Impact of Corrosion: Occurrence, Cost and Mitigation (2020)“ schreibt, liegen die mit Korrosionsproblemen verbundenen Betriebskosten für ein bestimmtes Land in der Regel zwischen 1 und 5 % seines Bruttoinlandsprodukts. Im Jahr 2013 führte NACE International eine weltweite Studie über die wirtschaftlichen Folgen von Korrosion durch. Sie sollte unter anderem zeigen, wie wichtig es ist, Korrosionstechnologie in Managementsysteme zu integrieren. Der veröffentlichte Bericht beziffert die Kosten der Korrosion auf 2,5 Billionen Dollar oder 3,4 Prozent des BIP, was bedeutet, dass Länder auf der ganzen Welt jedes Jahr beträchtliche Summen für die Korrosionsbekämpfung in ihre Haushalte einplanen müssen.

Quellen:

https://irispublishers.com/gjes/fulltext/global-impact-of-corrosion-occurrence-cost-and-mitigation.ID.000618.php

https://psk.org.pl/aktualnosci/ekonomiczne-skutki-korozji