Korrosionselement

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Korrosionselement ist eine Gefügeanordnung in einem Bauteil, die wie eine kurzgeschlossene galvanische Zelle wirkt und dadurch den Werkstoff korrodieren lässt. Es besteht aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, also einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit oder Feuchtigkeitsschicht.

Anode und Kathode sind auf zwei Wegen elektrisch leitend miteinander verbunden: über den Elektrolyten und durch direkten Kontakt. An der Anode wird Metall oxidiert und aufgelöst. An der Kathode läuft eine Reduktion ab, bei der die von der Anode abgegebenen Elektronen aufgenommen werden. Die verschiedenen Arten von Korrosionselementen unterscheiden sich vor allem darin, wodurch die Unterschiede zwischen Anode und Kathode entstehen. Nur bei der Fremdspannungskorrosion ist eine äußere Spannungsquelle beteiligt.

Elektrochemische Reaktionen

An der Anode oxidiert das unedlere Metall und geht als Metallion in Lösung:

Me_unedel → Me_unedel⁺ + e⁻

Dabei steht e⁻ für Elektronen, H⁺ für Protonen und Me für Metallatome oder Metallionen. Die Reaktion an der Kathode hängt unter anderem vom pH-Wert und von der Sauerstoffkonzentration ab.

• Sind Metallionen vorhanden, die edler als die Ionen der Anodenreaktion sind, scheidet sich das edlere Metall an der Kathode ab: Me_edel⁺ + e⁻ → Me_edel

• In saurem Milieu mit pH-Wert < 5 kann Wasserstoff entstehen: 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂

• Ist in saurem Milieu Sauerstoff vorhanden, entsteht Wasser: O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O

• In basischem Milieu mit pH-Wert > 7 reagiert Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Hydroxidionen: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻

• In basischem Milieu und bei Anwesenheit von Sauerstoff entstehen Hydroxidionen: O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻

Selektive Korrosion

Selektive Korrosion tritt in einem Legierungsgefüge an Kristalliten auf, die aus Verbindungen mit unterschiedlichen elektrochemischen Potenzialen bestehen. Ein Beispiel sind Kupfer- und Zink-Kristallite in Messing, die an der Oberfläche über einen Wasserfilm miteinander reagieren. Der Angriff erfolgt bevorzugt entlang bestimmter Bereiche des Werkstoffgefüges.

Nach dem zerstörten Gefügebereich werden zwei Formen unterschieden:

• Interkristalline Korrosion verläuft entlang der Korngrenzen.

• Transkristalline Korrosion läuft durch die Körner oder kommt mit ihnen in Verbindung.

Da diese Korrosion im Größenbereich der Körner auftritt, ist sie mit bloßem Auge nicht erkennbar und deshalb besonders gefährlich. Ein mögliches Anzeichen sind Absätze auf der Korrosionsschicht, die unter einer Lupe bläulich erscheinen können.

Kontakt- und Konzentrationselemente

Kontaktkorrosion entsteht, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichem Lösungspotenzial durch einen Elektrolyten wie Wasser oder feuchte Luft leitend verbunden sind. Das unedlere Metall wird zur Anode, das edlere zur Kathode. Durch die zusätzliche Polarisierung löst sich die Anode beschleunigt auf. Typische Beispiele sind eine Kupferschraube in einem Aluminiumblech sowie ein mit einem Stahlblech verschraubtes Edelstahlblech.

Das Ausmaß der Kontaktkorrosion wird kleiner, wenn die Potenzialdifferenz möglichst gering ist, die beteiligten Metalle korrosionshemmende Deckschichten bilden oder der Elektrolyt eine möglichst geringe Leitfähigkeit besitzt. Auch die Flächen der Elektroden beeinflussen die Stromdichten und damit die Korrosionsgeschwindigkeit. Bei der weit verbreiteten Sauerstoffkorrosion wird der kathodische Umsatz und damit die Kathodenstromdichte durch Diffusion und Konvektion begrenzt. Eine möglichst geringe anodische Auflösungsstromdichte lässt sich daher mit folgendem Verhältnis erreichen:

A_Anode/A_Kathode ≫ 1

Da Kontaktkorrosion meist nur eine geringe Reichweite von weniger als 5 mm besitzt, sind die Flächenverhältnisse jedoch von untergeordneter Bedeutung.

Ein Konzentrationselement entsteht, wenn eine Metalloberfläche von einem Elektrolyten benetzt wird, dessen Konzentration örtlich verschieden ist, beispielsweise in einem Spalt. Das Metall wird im Bereich mit der geringeren Elektrolytkonzentration oxidiert; die Reduktion findet im Bereich mit der höheren Konzentration statt. Ein Belüftungselement ist eine besondere Form des Konzentrationselements, bei der sich der Sauerstoffgehalt im Elektrolyten örtlich unterscheidet.

Mechanische Spannung und äußere Spannung

Auch ein an sich homogenes Gefüge kann ein Korrosionselement bilden, wenn es örtlich verformt wurde oder unter lokaler mechanischer Spannung steht. Dadurch wird Korrosion begünstigt. Beispiele dafür sind Spannungsrisskorrosion und Schwingungsrisskorrosion.

Fremdspannungskorrosion beruht dagegen auf einer Potenzialdifferenz im Material, die von einer äußeren Spannungsquelle verursacht wird. Sie kann beispielsweise an Metallrohren auftreten, die in der Nähe elektrischer Gleichspannungsleitungen verlegt sind. Im Unterschied zu den anderen beschriebenen Varianten ist hier eine externe Spannungsquelle beteiligt.