Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine meßbare, schädliche Veränderung des Werkstoffes bewirkt.

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1 8.1.1 Grundlagen der Korrosion Seite 1 von 17 Der Begriff Korrosion: Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine meßbare, schädliche Veränderung des Werkstoffes bewirkt. Treibende Kraft: Anstreben des thermodynamischen Gleichgewichtes Grundsätzlich werden zwei Korrosionstypen unterschieden: - Chemische Korrosion - Elektrochemische Korrosion Chemische Korrosion Unmittelbare Reaktion zwischen der Metalloberfläche und dem umgebenden Medium, ohne weitere Zusatzstoffe wie Wasser oder andere leitfähige Medien. Typische Reaktion: Verzunderung an Luft Me + ½O 2 Me 2+ + O 2- MeO Typische Eigenschaften: Die Reaktionsgeschwindigkeit ist stark abhängig: - von der Zeit - von der Temperatur

2 8.1.1 Grundlagen der Korrosion Seite 2 von 17 Elektrochemische Reaktion Bedingungen: - Elektrisch leitender Kontakt (elektronenleitend) zwischen Metallen mit unterschiedlichem elektrochemischem Potential - Elektrolyt (ionenleitend) in Kontakt mit beiden Metallen Grundvorgang: Ein metallischer Körper (Elektrode) in einem Elektrolyten ist nicht passiv; vielmehr tritt Stofffluss und Stromfluss auf. Es liegt ein Lösungsdruck vor. Bild 8.1 Reaktionen an einer metallischen Grenzfläche in einem Elektrolyten Metall Teilströme: i A i K Elektrolyt Im Gleichgewicht sind die beiden entstehenden Teilströme (anodisch und kathodisch) gleich und heben sich auf.

3 8.1.1 Grundlagen der Korrosion Seite 3 von 17 Verhalten unterschiedlicher Metalle: Edles Metall: Unedles Metall: Bild 8.2 Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle

4 8.1.1 Grundlagen der Korrosion Seite 4 von 17 Bild 8.3 Zwei leitend verbundene Metalle in einem Elektrolyten ze Beispiel: System Zn Fe Me z+ Anode Kathode Geschlossener Stromkreis aus Elektronenleitung und Ionenleitung. Vorgang an der Anode: Anodische Teilreaktion, Oxidation, Elektronenabgabe Bedingung für den Vorgang: Vorgänge an der Kathode: Reaktion der Elektronen mit Ionen des Elektrolyten, Reduktion, Elektronenaufnahme Die Art der Reaktion ist abhängig vom Charakter und dem ph-wert des Elektrolyten. Bild 8.4: Beispiel: Wasserstoffkorrosion

5 8.1.1 Grundlagen der Korrosion Seite 5 von 17 Das System aus zwei leitend miteinander verbundenen Metallen in Kontakt mit einem Elektrolyten wird als Korrosionselement bezeichnet. Der Vorgang selbst heißt Kontaktkorrosion. Wichtige Merkmale: - Die Teilreaktionen Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme erfolgen räumlich getrennt - Der Ort der Oxidation heißt: - Der Ort der Reduktion heißt:

6 8.1.1 Grundlagen der Korrosion Seite 6 von 17 Reale Ausführungen von Korrosionselementen: Elektroden: Bereiche mit unterschiedlichem chemischen oder strukturellen Aufbau oder Gleiches Material in Kontakt mit unterschiedlich zusammengesetzten Elektrolytlösungen Beispiele: Bild 8.5: Fügestelle Bild 8.6: Unterschiedliche Gefügebestandteile

7 8.1.1 Grundlagen der Korrosion Seite 7 von 17 Passivschichten Bilden die Reaktionsprodukte auf der Oberfläche des Metalls haftende Schichten, welche den weiteren Korrosionsfortschritt behindern, so spricht man von Passivierung. Die Schicht selbst wird als Passivschicht bezeichnet. Unterschiedliche Formen sind bei verschiedenen Metallen möglich: - Beispiel Chrom: - Beispiel Al: - Beispiel Zn:

8 8.1.2 Korrosionsformen Seite 8 von 17 Gleichmäßiger Abtrag - Flächenkorrosion Über große Flächen gleicher Abtrag Berechenbarer Abtrag relativ ungefährlich Beispiele für realistische Abtragsraten: Kann auftreten bei: Lokal begrenzte Korrosion Anodische und kathodische Bereiche sind nicht gleichmäßig verteilt. Daher tritt der Korrosionsangriff lokalisiert auf. Er kann gefährlicher als Flächenkorrosion sein, da nicht berechenbar. Eine Korrosionsrate läßt sich kaum angeben. Der Materialverlust ist i.a. unbedeutend. Lokal begrenzte Korrosion tritt in verschiedenen Formen auf Formen der lokal begrenzten Korrosion - Kontaktkorrosion Wichtige Merkmale: - Der Abtrag steigt mit dem Unterschied in der elektrochemischen Spannungsreihe - Der Abtrag steigt mit der Leitfähigkeit des Elektrolyten - Der Abtrag steigt mit dem Flächenverhältnis Kathode/Anode, d.h. günstig ist ein hohes Verhältnis der Fläche Anode/ Fläche der Kathode Bild 8.7: Kontaktkorrosion Beispiele für Kontaktkorrosion: - Verzinkte Stahlteile unter Feuchtigkeitseinwirkung - Vernickelte Stahlteile unter Feuchtigkeitseinwirkung

9 8.1.2 Korrosionsformen Seite 9 von 17 - Interkristalline Korrosion - Korrosionsangriff entlang der Korngrenzen, somit ein Spezialfall der Selektiven Korrosion - Kann zum Kornzerfall führen Beispiel: Aufgrund falscher Wärmebehandlung in Cr-Ni-Stählen infolge Cr-Verarmung an den Korngrenzen durch M 23 C 6 -Ausscheidungen. Bild 8.8: Beispiele für Interkristalline Korrosion

10 8.1.2 Korrosionsformen Seite 10 von 17 - Spaltkorrosion Korrosion in Spalten zwischen zwischen gleichartigen oder ungleichartigen Metallen. Der Elektrolyt wird durch Kapillarwirkung im Spalt gehalten, aber nicht aufgefrischt O 2 -Verarmung Absinken des ph-wertes in den stark sauren Bereich Beschleunigung der Korrosion Beispiele: - Enge Spalte - Schraubenköpfe - Ablagerungen - Überlappungen Bild 8.9: Spaltkorrosion auf der Fläche eines Flansches aus nichtrostendem Edelstahl

11 8.1.2 Korrosionsformen Seite 11 von 17 - Lochfraßkorrosion Korrosionsangriff an einzelnen, voneinander isolierten Stellen der Metalloberfläche Bildung von Grübchen oder tiefen Löchern Äußerst gefährlich, da kaum erkennbar, aber tief reichend Vorkommen: Tritt an Metalloberflächen mit Schutz- oder Passivschichten auf. Ausgangspunkte sind vorhandene Poren oder durch den Elektrolyten erzeugte Angriffpunkte (z.b Cl - -induziert). Besonders gefährdet sind Cr-Ni-Stähle Bild 8.10: Lochfraß; links schematisch, rechts im Schliffbild einer Aluminiumlegierung

12 8.1.2 Korrosionsformen Seite 12 von 17 Bild 8.11: Lochfraß; links an einem Trinkwasserrohr, rechts an einem Warmwasserrohr, jeweils verzinkter Stahl

13 8.1.2 Korrosionsformen Seite 13 von 17 - Spannungsrisskorrosion Rißbildung und Rißausbreitung unter Einfluß statischer Zugspannung und gleichzeitiger Wirkung eines Korrosionsmediums. Die mechanische Spannung alleine führt nicht zur Rissbildung. Voraussetzungen: - Zugspannungen - Spezifischer Elektrolyt - Bildung eines Anrisses Form: - Stark verästelte Risse senkrecht zur Spannungsrichtung - Verläuft interkristallin oder transkristallin - Keine makroskopische Verformung Kaum vorhersehbar - Absolut spröder Bruch Auftreten: - Praktisch alle Werkstoffgruppen - Nur bei bestimmten Kombinationen Werkstoff/Medium Bild 8.12: Spannungsrisskorrosion; links schematisch, mitte transkristallin, rechts interkristallin

14 8.1.2 Korrosionsformen Seite 14 von 17 - Schwingungsrisskorrosion Verringerung der ertragbaren Spannung bei schwingender Beanspruchung unter gleichzeitigem Korrosionsangriff. Voraussetzungen: - Schwingende Beanspruchung des Bauteiles - Kein spezifischer Elektrolyt Ursachen: - Aufrauhung der Oberfläche durch den Korrosionsangriff Kerbwirkung - Permanente Freilegung von frischer Metalloberfläche Form: - Überwiegend transkristalline Rissausbreitung - Abnahme der Zeitfestigkeit; keine Dauerfestigkeit - Auch bei Vorliegen von Passivschichten Auftreten: - Alle Werkstoffgruppen - Keine speziellen Medien - Befällt aktive und passivierbare Werkstoffe

15 8.1.3 Korrosionsschutz Ziel des Korrosionsschutzes: Seite 15 von 17 Korrosion verhindern oder stark verringern Bild 8.13 Korrosionselement A e - K Me z+ Methode: Unterbrechung oder Schwächung des Stromkreises Unterbrechung: Schwächung: Die Verfahren lassen sich unterteilen in: - Aktiver Korrosionsschutz - Passiver Korrosionsschutz

16 8.1.3 Korrosionsschutz Seite 16 von 17 Aktiver Korrosionsschutz Werkstoffauswahl Kathodischer Schutz durch Opferanode Eine zusätzliche Elektrode aus unedlerem Material wird mit dem zu schützenden Teil elektronenleitend und ionenleitend verbunden. Beispiele: Kathodischer Schutz durch Fremdstrom Das zu schützende Teil wird an den negativen Pol einer externen Gleichstromquelle geschaltet. Dies erfordert eine weitere Elektrode, die Fremdstromanode. Beispiele: Modifizierung des Elektrolyten Zugabe von Inhibitoren, welche die Korrosionsfähigkeit des Elektrolyten verringern Konstruktive Maßnahmen z.b. Vermeidung von Spalten; Ablaufmöglichkeit für den Elektrolyt; möglichst glatte Flächen; Isolierung unterschiedlicher Werkstoffe

17 8.1.3 Korrosionsschutz Seite 17 von 17 Passiver Korrosionsschutz Beschichtung von Halbzeug und von Bauteilen Metallische Beschichtungen - Schmelztauchschichten - Galvanische Schichten - Spritzschichten - Plattierungen überzüge Organische Überzüge - Anstriche, Lacke - Kunststoffüberzüge - Gummiüberzüge