Korrosionsschutz

Grundidee und Korrosionsarten

Korrosionsschutz bezeichnet Maßnahmen, die Schäden durch Korrosion an metallischen Bauteilen vermeiden sollen. Eine absolute Korrosionsbeständigkeit ist nicht erreichbar. Deshalb wird der korrosive Angriff so weit verlangsamt, dass das Bauteil während seiner vorgesehenen Lebensdauer nicht geschädigt wird.

Als Korrosion bezeichnet man den Angriff auf einen Werkstoff durch ein korrosives Mittel. Der Begriff wird außer für Metalle auch für Glas, Kunststoffe und Baustoffe verwendet. Beeinträchtigt der Angriff die Funktion eines Bauteils, liegt ein Korrosionsschaden vor.

Wichtige Korrosionsarten sind:

• Flächenkorrosion: Die Oberfläche wird gleichmäßig beschädigt.
• Muldenkorrosion: Die Oberfläche wird ungleichmäßig stark angegriffen.
• Lochkorrosion: Nur kleine Bereiche der Oberfläche werden zerstört.
• Spaltkorrosion: Der Angriff erfolgt in schmalen Spalten, beispielsweise in Schweißnähten.

Beim metallischen Korrosionsschutz unterscheidet man hauptsächlich zwischen passivem und aktivem Schutz. Zusätzlich kann eine korrosionsgerechte Konstruktion den Kontakt mit angreifenden Stoffen verringern.

Konstruktion und abschirmende Überzüge

Passiver Korrosionsschutz umfasst Maßnahmen, die den Werkstoff gegen korrosive Medien abschirmen. Zum konstruktiven Schutz gehören Überdachungen, Spritzschutz und Gefälle, über die Flüssigkeiten ablaufen können. Dadurch bleibt beispielsweise Wasser weniger lange am Bauteil.

Beschichtungen können einen Werkstoff gegenüber korrosiven Gasen und Flüssigkeiten nahezu isolieren. Verwendet werden unter anderem Kunstharze wie EP oder PU, PVC, Kunststofffolien, Öle, Lacke, Gummi und Hartparaffine. Die Stoffe können flüssig, pastös oder pulverförmig aufgetragen werden. Bindemittel wie Kunstharze werden häufig mit Eisenglimmer-Pigmenten versetzt, welche die Abschirmung und Beständigkeit verbessern. Zinkstaub, Zinkphosphat, Zinkchromat und Bleimennige heißen aktive Pigmente, weil sie zusätzlich chemisch oder galvanisch vor Rost schützen.

Auch anorganische und metallische Überzüge dienen als Barriere. Dazu gehören Passivierungen, Umwandlungs- oder Konversionsschichten sowie Verfahren wie Phosphatierung, Chromatierung, Eloxierung, Harteloxierung und Feuerverzinkung. Eine Passivschicht ist eine dichte Oberflächenschicht, die weitere Korrosion hemmt. Manche Metalle bilden sie selbst; Beispiele sind die Patina auf Kupfer oder Zink.

Stahlpipelines für den Wassertransport werden häufig innen mit Zementmörtel ausgekleidet. Vorteile sind geringe Kosten, eine weitgehende Beständigkeit gegen korrosive Wässer bei einem pH-Wert größer 4,0 sowie die Selbstheilung schmaler, bis zur Eisenoberfläche reichender Risse. Für Deionat gilt diese Beständigkeit nicht. Geeignete Kunststoffe können die Korrosionsfestigkeit weiter verbessern.

Metallschichten und Rostumwandler

Metallische Deckschichten können galvanotechnisch oder chemisch aus Zinn, Gold, Nickel, Kupfer, Chrom oder Zink hergestellt werden. Verwendet werden außerdem Legierungsschichten wie Nickel-Phosphor, auch chemisch Nickel genannt, und Zink-Nickel. Bei der Feuerverzinkung wird das Werkstück durch ein Schmelztauchverfahren mit Zink überzogen.

Metallschichten schützen entweder, weil sie selbst nicht korrodieren, wie Edelmetalle, oder weil sich auf ihnen eine dichte Oxid- beziehungsweise Passivschicht bildet. Bei einer Verletzung der Beschichtung ist entscheidend, ob die Schicht edler oder unedler als der Grundwerkstoff ist:

• Eine unedlere Schicht wird bevorzugt oxidiert und wirkt als Opferanode. Dadurch bleibt das Werkstück kathodisch geschützt. Kleine Fehlstellen haben zunächst keine gravierenden Folgen; diese Wirkung heißt Fernwirkung. Ein typisches Beispiel ist verzinkter Stahl. Opferanoden aus Zink-, Aluminium- oder Magnesium-Legierungen schützen außerdem Schiffe, Schleusen, Spundwände, Bootsteile und Schienen.
• Eine edlere Schicht schützt den Grundwerkstoff durch ihre Barrierewirkung. Wird sie beschädigt, kann sich der darunterliegende unedlere Werkstoff wegen Kontaktkorrosion jedoch beschleunigt auflösen.

Weißblech ist mit Zinn beschichtetes Blech und kann deshalb für Lebensmittelverpackungen verwendet werden. Aus einer geöffneten Dose entstehen nach einiger Zeit allerdings Zinnionen, die beispielsweise auf Kresse toxisch wirken. Dosen werden daher zusätzlich lackiert.

Rostumwandler entfernen die ursprünglichen porösen Eisenoxide und oxidieren die oberste Eisenschicht zu einem Eisenoxid mit glatter Oberfläche. Diese nimmt weniger Wasser auf und verhindert so weiteres Rosten. Eingesetzt werden Phosphorsäure bei der Phosphatierung oder Tannin mit Zusatzstoffen. Anschließend ist meist eine Versiegelung mit Polymer-Lacken erforderlich; manche Produkte verbinden beide Funktionen.

Kathodischer Schutz mit Fremdstrom

Beim aktiven kathodischen Korrosionsschutz, kurz KKS, wird das zu schützende Metall zur Kathode gemacht. Beim Fremdstromverfahren legt man eine Spannung an eine Fremdstrom-Anode an.

Bei Erdöl-, Gas-, Fernwärme- und Wasser-Pipelines werden Elektroden in bestimmten Abständen einige hundert Meter von der Leitung entfernt im Boden versenkt. Elektroden, Pipeline und Boden bilden einen Stromkreis. Eine Gegenspannung gleicht die Spannung des galvanischen Elements aus Boden und Rohrleitung aus; sie liegt in der Größenordnung weniger Volt und hängt unter anderem vom Wassergehalt und von der Zusammensetzung des Bodens ab. Isoliertrennstellen unterbrechen die elektrische Leitfähigkeit zwischen einzelnen KKS-Bereichen. So lässt sich der Schutzstrom gezielter steuern und ein Fehler leichter eingrenzen.

Bei Autobahnbrücken wird ein Anodengitter aus beschichtetem Titan auf die zu schützende Oberfläche gelegt und mit etwa 2 cm bis 3 cm Spritzbeton bedeckt. Der Spritzbeton dient als Elektrolyt, also als elektrisch leitendes Medium. Gleichrichter leiten den Strom in die Bewehrung ein. Ein automatisches Überwachungssystem kontrolliert die Anlage fortlaufend. Als Elektroden werden außerdem titanummanteltes Kupfer und Silber-Silberchlorid genannt; diese Angabe ist im Artikel als nicht hinreichend belegt gekennzeichnet.

Opferanoden, Reaktionen und Versuch

Beim aktiven Schutz ohne Fremdstrom wird ein unedlerer Stoff als Opferanode leitfähig mit dem zu schützenden, edleren Metall verbunden. Im entstehenden Stromkreis fließt ein Strom von wenigen Milliampere. Seine Energie stammt aus der Redoxreaktion, bei der die Opferanode oxidiert und allmählich verbraucht wird.

Bei Eisen und Magnesium werden beim Kontakt mit Wasser Mg beziehungsweise Fe zu Mg²⁺ beziehungsweise Fe²⁺ oxidiert. Nach der elektrochemischen Spannungsreihe besteht zwischen Magnesium und Eisen ein Potenzialunterschied von 1,9 V; angegeben sind Standardpotentiale bei 25 °C, 101,3 kPa, pH = 0 und Ionenaktivitäten = 1. Magnesium besitzt gegenüber Wasserstoff ein Potenzial von −2,362 V und damit ein deutlich negativeres Potenzial als Eisen mit −0,41 V. Deshalb wird Magnesium an der Anode oxidiert. Die abgegebenen Elektronen fließen zum Eisen und reduzieren dort Wasser zu H₂ und 2 OH⁻. Das Eisen kann die Elektronen aufnehmen und bleibt erhalten, während sich die Magnesiumanode nach und nach auflöst und schließlich ersetzt werden muss.

In kugelförmigen Behältern sitzt die Magnesiumanode mittig, damit an allen Oberflächen möglichst das gleiche Potenzial herrscht. In zylindrischen Behältern soll ihr Abstand zum Boden ungefähr dem Abstand zu den Wänden entsprechen. Häufig wird sie gegenüber der Behälterwand isoliert montiert und der Stromkreis über ein äußeres Kabel geschlossen. Ein eingeschleiftes Gleichstrommessgerät kann den Strom im Milliamperebereich messen und damit die Funktion der Anode anzeigen. Stahlrumpfschiffe werden durch regelmäßig außen angebrachte Magnesiumanoden gegen Meerwasser geschützt.

Auch Zink ist unedler als Eisen: Im galvanischen Element bildet Zink die Anode und Eisen die Kathode. Das Eisen bleibt geschützt, bis das Zink wegkorrodiert ist. Die Korrosionsfestigkeit von Beschichtungen wird mit genormten Umweltprüfungen untersucht, beispielsweise indem man die Oberfläche mit einem Ritzprüfgerät verletzt und anschließend Salzsprühnebel aussetzt.

Ein einfacher Versuch verdeutlicht das Prinzip:

• Ein ungeschützter Eisennagel korrodiert in angesäuertem Salzwasser; Eisen geht in Lösung und am Nagel entsteht Wasserstoff H₂.
• Wird der Nagel mit Magnesium verbunden, wirkt Mg als Opferanode. Elektronen fließen vom unedleren Mg zum Fe; Wasserstoff entsteht an der Fe-Kathode, während das Eisen geschützt wird.
• Wird statt Magnesium das edlere Kupfer verwendet, ist Eisen die Anode. Die Elektronen fließen vom Fe zum Cu, und das Eisen oxidiert sogar schneller als ohne Kupfer.