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Bimetallkorrosion
Voraussetzung ist eine unterschiedliche Position in der elektrochemischen Spannungsreihe, unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe, ihr …
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Grundprinzip und Voraussetzungen
Bimetallkorrosion, auch Kontaktkorrosion oder galvanische Korrosion, ist nach DIN EN ISO 8044 eine Korrosion durch die elektrochemische Reaktion zweier verschiedener metallischer Werkstoffe oder anderer elektronenleitender Festkörper. Sie entsteht, wenn mehrere Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind: Die Werkstoffe haben eine unterschiedliche Position in der elektrochemischen Spannungsreihe beziehungsweise unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit, sie stehen in unmittelbarem elektrischem Kontakt, und beide werden gemeinsam von einem wässrigen Korrosionsmedium benetzt.
Dann bildet sich ein galvanisches Korrosionselement, vergleichbar mit einer kurzgeschlossenen Batterie. Der weniger edle, also weniger korrosionsbeständige Werkstoff, wird durch elektrochemischen Abtrag zerstört. Typische Alltagssituationen sind Schrauben, Muttern, Nägel oder Nieten aus weniger edlen Metallen auf Bauteilen aus rostfreiem Stahl, Messing oder Kupfer, zusammengeklemmte Kupfer- und Aluminiumdrähte, gemischte Werkstoffe in Wasserleitungs- oder Heizungssystemen sowie Befestigungen auf Dächern. Deshalb wird Kupferblech auf Dächern mit Kupfernägeln befestigt.
Elektrochemische Reaktion
Zwei unterschiedliche Metalle in elektrischem Kontakt werden in einem flüssigen Medium, das als Elektrolyt wirken kann, zu Elektroden. Ein Elektrolyt ist hier meist Wasser mit gelösten Salzen, das Ionen leiten kann. Wegen unterschiedlicher Elektrodenpotentiale entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Metallen. Elektronen der Atome des weniger edlen Metalls wandern in das edlere Metall und ermöglichen dort eine Reaktion mit dem Elektrolyten. Gleichzeitig reagieren Ionen des weniger edlen Metalls mit dem Elektrolyten.
Durch den Kurzschluss zwischen den Metallen und den Ionenstrom im Elektrolyten entsteht ein geschlossener Stromkreis. Die Anode wird oxidiert und dadurch allmählich zerstört; die Kathode wird reduziert und dadurch geschützt. Die elektrische Spannung hängt vor allem von der Differenz der Standardpotentiale ab, die aus der elektrochemischen Spannungsreihe ersichtlich ist, außerdem von den Konzentrationen der gelösten Stoffe nach der Nernstschen Gleichung.
Entscheidend für die Stärke der Korrosion ist der tatsächlich fließende Strom, bezogen auf die Fläche also die Stromdichte. Ein Gleichstrom aus einer externen Quelle kann den Strom verstärken, was besonders in der Mikroelektronik wichtig ist. Für Bimetallkorrosion müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein: elektrischer Kontakt, elektrolytische Verbindung und Potentialdifferenz. Die Korrosionswirkung steigt bei größerer Potentialdifferenz, bei einem ungünstigen Flächenverhältnis von edlem zu unedlem Werkstoff, bei höheren Temperaturen und bei aggressiveren Elektrolyten, etwa abhängig vom pH-Wert. Großflächige Anoden sind gegenüber kleinflächigen Kathoden weniger gefährdet als kleinflächige Anoden gegenüber großflächigen Kathoden.
Weitere Formen und Verschleppung
Bimetallkorrosion kann nicht nur zwischen getrennten Bauteilen auftreten, sondern auch innerhalb eines Werkstoffs. In einer Legierung können Bestandteile an der Oberfläche kleine lokale Korrosionselemente bilden, wenn Ausscheidungen an den Korngrenzen der Kristalle liegen. Ein Beispiel ist Gusseisen: Graphit wirkt gegenüber Eisen wie ein edleres Metall und kann zu Spongiose führen.
Auch zurückgebliebene oder eingepresste Partikel können Korrosion auslösen. Wenn Zerspanungswerkzeuge abwechselnd für edle und unedle Werkstoffe verwendet werden, können Partikel wie Schleifstaub auf unedlen Werkstoffen haften bleiben und dort Korrosion fördern.
Eine weitere Form ist das Verschleppen von Material in Rohrleitungen. Wenn unterschiedliche Werkstoffe verbunden sind und genügend Sauerstoff vorhanden ist, wie bei Trinkwasser, können sich gelöste Kupferionen auf verzinktem Stahl ablagern. Dadurch kann Bimetallkorrosion entstehen. Die Fließregel nach DIN 1988-7 soll dies verhindern: In Fließrichtung sollen weniger edle Metalle vor edleren Metallen angeordnet werden.
Schutzmaßnahmen
Zum Schutz vor Bimetallkorrosion gibt es zwei Grundstrategien. Beim passiven Korrosionsschutz wird versucht, die Elektrolyse zu verhindern. Beim aktiven Korrosionsschutz wird die Elektrolyse gezielt gesteuert eingesetzt.
Elektrolyse kann nicht auftreten, wenn entweder die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Werkstoffen durch Isolation unterbrochen wird oder der Kontakt des Metalls mit dem Elektrolyten durch Dichtung verhindert wird. In Rohrleitungen dienen Trenn- oder Isolationsfittings beziehungsweise Trennverschraubungen dazu, verschiedene Metalle galvanisch zu trennen. In der Elektroinstallation gibt es Aluminium-Kupfer-Verbinder, die die Zersetzung des Aluminiums verhindern, weil diese sonst den elektrischen Widerstand erhöhen würde.
Der Kontakt mit leitenden Flüssigkeiten kann durch Beschichtungen verhindert werden. Außerdem lässt sich die Wirksamkeit von Elektrolyten durch Korrosionsinhibitoren verringern. Wenn der Elektrolyt durch Luftfeuchtigkeit entsteht, helfen Entfeuchtung oder Maßnahmen gegen Kondensation. Auch eine passende Werkstoffwahl kann die Potentialdifferenzen von vornherein verkleinern.
Eine Beschichtung mit einem edleren Metall schützt nur, solange sie unbeschädigt bleibt. Schon kleine Schäden können zu verstärkter Korrosion führen, etwa bei Weißblech von Lebensmittelbehältern oder bei Vergoldungen in der Zahntechnik. Anders wirkt eine aktive Beschichtung mit einem weniger edlen Metall, zum Beispiel Zink auf Stahl: Der blanke Stahl bleibt auch bei kleinen Verletzungen der Zinkschicht zunächst geschützt.
Aktiver Korrosionsschutz nutzt gezielt Opferanoden, aktive Beschichtungen oder Fremdstromanoden. Eine Opferanode aus Zink oder Magnesium korrodiert selbst und macht den zu schützenden Werkstoff zur Kathode. Sie wird typischerweise an Schiffsrümpfen sowie an den Innenwänden von Pipelines und Flüssigkeitsbehältern eingesetzt. Fremdstromanoden werden dauerhaft mit elektrischer Spannung versorgt, um Potentialdifferenzen auszugleichen, und werden häufig in größeren Flüssigkeitsbehältern verwendet.
Passivierung und Werkstoffwahl
Passivierung verbindet beide Schutzgedanken: Korrosion wird zugelassen oder gefördert, wenn dadurch eine schützende Oxidschicht auf dem weniger edlen Metall entsteht. Der zu schützende Werkstoff wird zur Anode gemacht und bildet eine Oxidschicht, die korrosionsbeständiger sein kann als viele edlere Metalle. Zur Berechnung dieser Schutzwirkung dient das Pilling-Bedworth-Verhältnis. Chromstahl wird geschützt, weil der Legierungsbestandteil Chrom eine Oxidschicht bildet. Bei Aluminium und seinen Legierungen ist Anodisieren ein gebräuchlicher Korrosionsschutz. Bei hoher Beanspruchung kommt wegen seiner stabileren Oxidschicht Titan zum Einsatz.
Bei Befestigungsmitteln im Bauwesen ist besonders wichtig, ob ein kleines Bauteil unedler ist als ein benachbartes größeres Bauteil. Ist das der Fall, ist es meist korrosionsgefährdet. Die Faustregeln des Artikels gelten für Schrauben, Befestigungsmittel und Beschlagteile mit einer wenigstens 10 bis 40 mal kleineren Oberfläche als das aufnehmende Bauteil, für mäßig aggressive Medien wie Kondenswasser oder Regenwasser und für gemäßigte Temperaturen.
Rostfreier Stahl lässt sich gut mit größeren Bauteilen aus Kupfer, Messing und Stahl sowie sehr gut mit Aluminium kombinieren. Aluminium kann gut mit größeren Bauteilen aus rostfreiem Stahl, Kupfer und Messing kombiniert werden; im Allgemeinen gilt dies auch bei größeren Bauteilen aus blankem Stahl. Kupfer und Messing sind untereinander gut kombinierbar und im Allgemeinen auch mit größeren Bauteilen aus rostfreiem Stahl, Aluminium und Stahl.
Bei verzinktem und passiviertem Stahl hängt die Eignung von der Passivierung ab. Kombinationen mit größeren Bauteilen aus Kupfer, Messing, Aluminium und rostfreiem Stahl sind je nach Fall wenig empfehlenswert oder nicht empfehlenswert. Blanker Stahl mit größeren Bauteilen aus verzinktem Stahl ist nicht empfehlenswert; Kombinationen mit größeren Bauteilen aus Kupfer, Messing, Aluminium und rostfreiem Stahl sollten unbedingt vermieden werden.
Rohrsysteme und historische Beispiele
In Trinkwasserinstallationen ist sauerstoffreiches Wasser ein wichtiger Faktor. Aus Kupferrohren gelöste Kupferionen können vom Wasser transportiert werden und sich später auf verzinktem Stahl ablagern. Dort können sie Lochfraßkorrosion auslösen. Die Fließregel nach DIN 1988-7 besagt, dass in Fließrichtung des Mediums immer edlere Metalle verwendet werden müssen. Deshalb sollen Stahl oder verzinkte Stahlrohre nicht in Fließrichtung hinter Kupferleitungen installiert werden, etwa bei emaillierten Warmwasserspeichern. Kupferleitungen hinter verzinkten Rohren sind im Allgemeinen unproblematisch. Wenn Rückströmungen durch Druckschwankungen möglich sind, sollten beide Werkstoffe nicht direkt verbunden werden, sondern durch ein Zwischenstück aus Rotguss oder Messing oder besser durch eine Trennverschraubung getrennt werden.
In geschlossenen Heizkreisläufen ist die Sauerstoffsättigung im Wasser gering. Wenn geeignete Materialien verwendet werden und der Sauerstoff im Wasser verbraucht ist, tritt kaum noch elektrochemische Korrosion auf. In früheren offenen Heizsystemen sowie bei nicht sauerstoffdichten Kunststoffleitungen konnte dagegen immer wieder Sauerstoff in den Kreislauf gelangen. Innen verzinkte Stahlrohre sollten in Heizkreisläufen vermieden werden, weil Reaktionsprodukte als Schlamm im System ablagern. Die Kombination von blankem Stahl und Kupfer hat sich bewährt; Messing, Rotguss, Edelstahl und Aluminium sind meist problemlos möglich. Bei Aluminium muss jedoch der pH-Wert kontrolliert und gesteuert werden.
Die Wirkung der Bimetallkorrosion ist seit Langem bekannt, auch wenn der Mechanismus erst später verstanden wurde. Römische Holzschiffe waren ab etwa 500 v. Chr. mit einer Bleihaut überzogen, die mit Kupfernägeln befestigt wurde; im Meerwasser führte dies zu Korrosion zwischen Kupfer und Blei. 1763 beauftragte die Royal Navy eine erste Studie, weil Eisennägel an der HMS Alarm ungewöhnlich schnell korrodierten. Alessandro Volta und Alexander von Humboldt legten 1795 mit Elektrizitätslehre und Elektrolyse wichtige Grundlagen. Johann Wilhelm Ritter bemerkte 1798, dass die Spannungsreihe der Metalle der Reihe ihrer Korrosionsbeständigkeit entspricht. Humphry Davy entdeckte 1824 den Schutz von Kupfer durch Zink- und Gusseisenplatten als Opferanoden; Michael Faraday fand 1833 die Berechnungsgrundlage, dass die Masse der korrodierten Materie proportional zur elektrischen Ladung ist.
