Korrosionsschutz

Als Korrosionsschutz bezeichnet man Maßnahmen zur Vermeidung von Schäden, die durch Korrosion an metallischen Bauteilen hervorgerufen werden können. Da eine absolute Korrosionsbeständigkeit nicht hergestellt werden kann, zielen die ergriffenen Schutzmaßnahmen im Allgemeinen darauf, die Geschwindigkeit des korrosiven Angriffs so weit zu verringern, dass eine Schädigung des Bauteils während seiner Lebensdauer vermieden werden kann.

Korrosionsschäden

Kommt es durch einen Korrosionsangriff zu einer Beeinträchtigung der Funktionalität eines Bauteils, so spricht man von einem Korrosionsschaden. Der Begriff Korrosion wird heute nicht mehr nur für metallische Werkstoffe, sondern auch für Glas, Kunststoffe, Baustoffe, etc. angewandt. Das angreifende Medium wird als korrosives Mittel bezeichnet. Nach DIN EN ISO 8044 werden unter anderem folgende Korrosionsarten unterschieden:

Flächenkorrosion, bei der die Oberfläche gleichmäßig beschädigt wird
Muldenkorrosion, bei der die Oberfläche ungleichmäßig stark beschädigt wird
Lochkorrosion, die nur kleine Bereiche der Oberfläche zerstört
Spaltkorrosion, bei der die Werkstoffoberfläche in schmalen Spalten, z.B. in Schweißnähten, angegriffen wird

Schemazeichnung zur Bildung von Rost

Um diesen chemischen Prozess zu verhindern, gibt es verschiedene Verfahren und Vorgehensweisen, die man allgemein als Korrosionsschutz bezeichnet. Im Folgenden wird auf den metallischen Korrosionsschutz näher eingegangen.

Man unterscheidet aktiven und passiven Korrosionsschutz. In Anlehnung an den Begriff "konstruktiver Holzschutz" kann man auch bei metallischen Werkstoffen durch geeignete Konstruktion einen gewissen Korrosionsschutz erreichen.

Passiver Korrosionsschutz

Passiver Korrosionsschutz umfasst alle Maßnahmen, welche eine gegen korrosive Medien abschirmende Wirkung erzielen. Dies erreicht man u.a. durch einen geeigneten Überzug oder Beschichtung des Werkstoffes sowie konstruktive Maßnahmen (zum Beispiel Vermeidung von Wasseransammlungen, Überdachungen usw.). Beispiele für gegebenenfalls aktiv pigmentierte (z.B. Zinkstaub, -phosphat, früher auch Zinkchromat oder Bleimennige) Beschichtungsstoffe (d.h. flüssig, pastös oder pulverförmig aufgetragene Stoffe) sind Kunstharze (z.B. Epoxidharz oder Polyurethan), Kunststoffe (z.B. Polyvinylchlorid), Öle, Lacke, Gummi oder Hartparaffine. Beispiele für (anorganische oder metallische) Überzüge sind eine Konversionsschicht durch eine Phosphatierung, eine Eloxalschicht, eine Harteloxalschicht, eine Chromatierung oder andere Umwandlungsschichten mit eher nichtmetallischem Charakter sowie Feuerverzinkungen, die ihrerseits wiederum eine schützende Passivierungsschicht ausbilden und darüber hinaus bei Beschädigung den Untergrund als Opferanode schützen.

Große und lange Pipelines aus Stahl für den Wassertransport werden bevorzugt zum Korrosionsschutz mit einer Innenbeschichtung aus Zementmörtel ausgekleidet. Durch die Zumischung geeigneter Kunststoffe kann die Korrosionsfestigkeit weiter verbessert werden. Die wesentlichen Vorteile dieser Art der Beschichtung sind:

geringe Kosten
weitgehend auch beständig gegen korrosive Wässer bis zu einem pH-Wert von etwa > 4,0; diese Beständigkeit gilt nicht für Deionat.
Selbstheilung von schmalen Rissen, die bis zur Eisenoberfläche gehen

Auch galvanotechnisch oder chemisch erzeugte, metallische Deckschichten aus Zinn, Gold, Nickel, Kupfer, Chromoder Legierungsschichten wie Nickel-Phosphor (chemisch Nickel) bewirken einen Korrosionsschutz. Ebenfalls findet die Feuerverzinkung breite Anwendung. Ihre Schutzwirkung basiert bei Metallschichten auf ihrer Eigenschaft, selbst nicht zu korrodieren (Edelmetalle oder z. B. bei Nickel eine spontane Selbstpassivierung) oder aber auf Passivieren des Grundmetalles durch Bildung einer dichten Oxidschicht auf der Oberfläche, die als Korrosionsschutz dient. Einige Metalle sind in der Lage, "von selbst" eine Deckschicht zu bilden, die den Grundwerkstoff schützt, wie zum Beispiel Patina auf Kupfer oder Zink.

Einen gewissen Korrosionsschutz bietet auch Weißblech - hier wird Zinn als Beschichtungsmaterial verwendet, sodass auch Lebensmittel damit verpackt werden kännen. Allerdings entstehen nach einiger Zeit, wenn die Dose offen steht, Zinnionen, die toxisch auf z.B. Kresse wirken. Deshalb sollte die Dose zusätzlich lackiert sein.

Passiver Korrosionsschutz hat den Nachteil, dass die Schichten absolut dicht sein müssen - ansonsten findet an Poren unter Umständen verstärkte Korrosion statt.

Unedlere Schichten schützen das Werkstück und fungieren dabei als Opfer- oder Schutzanode − die Schicht löst sich bevorzugt auf und erhält somit möglichst lang die Funktion des Bauteils. Ein klassisches Beispiel ist die Verzinkung von Stahl, aber auch der Schutz von Wasserbauwerken wie z.B. Schiffen, Schleusen, Spundwänden, Bootsteilen und Schienen durch Anbringen von Opferanoden aus Zink-, Aluminium- oder Magnesium-Legierungen.

Aktiver kathodischer Korrosionsschutz

Aktiver kathodischer Korrosionsschutz mit Fremdstrom

Eine weitere Möglichkeit für den kathodischen Korrosionsschutz − kurz KKS − kann mittels Fremdstrom und Fremdstrom-Anoden erreicht werden. Bei Erdöl-Pipelines werden dazu z.B. in Abständen von einigen Kilometern in einigen hundert Metern Abstand quer zur Leitung Elektroden im Boden versenkt, die mit einer Gegenspannung gespeist werden. Der andere Pol liegt an der Pipeline, so dass dieses Spannungsgefälle genau das galvanische Element aus Boden und Metallleitung ausgleicht, was sich konkret in der Größenordnung von wenigen Volt bewegt. Da dies von der chemischen Zusammensetzung des Bodens abhängt, muss dieser untersucht werden und die eingespeiste Gegenspannung an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden.

Im Brückenbau, besonders bei Autobahnbrücken, wird der KKS mittels Fremdstromanode durchgeführt. Dazu wird ein Anodengitter aus beschichtetem Titan auf die zu schützende Oberfläche aufgebracht und mit Spritzbeton befestigt. Der Spritzbeton dient dabei als Elektrolyt. Der Strom wird über Gleichrichter in die Bewehrung eingeleitet und so der kathodische Schutz erreicht. Die Maßnahme muss mit einem automatischen Überwachungssystem laufend überprüft werden.

Darüber hinaus werden Elektroden für den kathodischen Korrosionsschutz aus titanummanteltem Kupfer (titanium clad copper) sowie auch Silber-Silberchlorid eingesetzt.

Korrosionsschutz von Stahl durch eine Zinkschicht

Eisen steht in der elektrochemischen Spannungsreihe positiver als Zink, d. h. Zink ist unedler als Eisen und stellt im galvanischen Element die Anode dar, und Eisen ist die Kathode. Eisen als edleres Metall ist daher so lange kathodisch geschützt, bis das Zink wegkorrodiert ist.

Schutz eines Rohrleitungssystems durch Korrosionsinhibitoren, die in den Wasserkreislauf gegeben werden
Zur Feststellung der Korrosionsfestigkeit von Beschichtungen werden genormte Umweltprüfungen durchgeführt. Hierbei werden zum Beispiel Oberflächen mit Ritzprüfgeräten leicht verletzt, und dann einem Salzsprühnebel ausgesetzt.

Aktiver kathodischer Korrosionsschutz ohne Fremdstrom

Deckel eines Boilers mit kathodischem Korrosionsschutz mit einer gebrauchten Anode aus Magnesium für eine Warmwasserbereitung

Gebrauchte Magnesiumanode für kathodische Korrosionsschutzanlage

Mit dem aktiven Korrosionsschutz ohne Fremdstrom verfolgt man das Ziel, ein Metall, das oft in Berührung mit beispielsweise Wasser kommt, vor Rost zu schützen. Hierzu bedient man sich eines unedleren Stoffes, der quasi für das Metall geopfert wird. Dazu wird ein Stromkreis aufgebaut, der aus der Redoxreaktion der Oxidation dieser Opferanode gespeist wird. Der Strom von wenigen Milliampere wird dabei über einen einfachen Stromkreis geführt. Die Reaktion läuft wie folgt ab (am Beispiel Fe/Mg): Sobald Magnesium bzw. Eisen mit dem Wasser in Kontakt kommt, wird es zu Mg²⁺ bzw. Fe²⁺ oxidiert. Dabei entsteht entsprechend der elektrochemischen Spannungsreihe ein Potenzialunterschied zwischen dem Magnesium und dem Eisen von 1,9 V (Standardpotentiale bei 25 °C; 101,3 kPa; pH=0; Ionenaktivitäten= 1). Da das Magnesium mit einem Potenzialunterschied zum Wasserstoff von –2,362 V ein wesentlich höheres Potenzial als Eisen mit –0,41 V aufweist, wird Magnesium an der Anode oxidiert und das Eisen unter Elektronenabgabe reduziert. Diese Reaktion läuft nur sehr langsam ab, kann aber durch veränderte Bedingungen beschleunigt werden. Die auf das Wasser treffenden Elektronen spalten dieses nun in H₂ und 2OH^– auf. Das Eisen verändert sich nicht, da es auch die vom Magnesium abgegebenen Elektronen wieder aufnehmen kann. Das Magnesium hingegen löst sich nach einer bestimmten Zeit auf, und der Rostschutz für das Eisen muss gegebenenfalls erneuert werden. Die Magnesiumanode wird zentrisch, also in der Mitte der üblicherweise kreisrunden zu schützenden Behälter angebracht, damit das Potenzial an allen Oberflächen des Behälters etwa denselben Wert annimmt (siehe Foto). Folglich wird die Anode so angebracht, dass zu den Behälterböden etwa der gleiche Abstand besteht wie zu den kreisrunden Behälterwänden. Folglich ist die Anode kürzer als der Behälter tief ist, damit am Ende etwa derselbe Abstand zum Behälterboden besteht wie zu den Behälterwänden. Deswegen wird die Anode isoliert in den Behälter eingebaut, da sonst ein sehr hoher Schutzstrom an der Einbaustelle fließen würde, der Restbehälter aber wenig geschützt würde. Der Stromkreis wird dann über ein Kabel geschlossen, in das ein Strommessgerät für Gleichstrom eingeschleift werden kann, das im Milliamperebereich misst.

Beispiel für einen Korrosionsprozess

Nachfolgend wird kurz ein einfacher Versuch zum Korrosionsschutz am Beispiel eines Eisennagels beschrieben:

Ein ungeschützter Eisennagel wird in angesäuertes Salzwasser gegeben. Nach einiger Zeit geht das Eisen in Lösung und korrodiert, da keine Opferanode vorhanden ist. Des Weiteren bildet sich Wasserstoff (H₂) am Eisennagel.
Der Eisennagel wird mit dem unedleren Magnesium geschützt. Es kommt zur Bildung eines Lokalelements, indem Magnesium (Mg) als Anode wirkt und sich somit für das Eisen (Fe) opfert. Es bildet sich Wasserstoff, also H₂ an der Fe-Kathode. Der Grund hierfür ist im Elektronenfluss (e^-) vom Mg zum Fe zu suchen, da Mg unedler ist als Eisen und somit ein größeres Reduktionsvermögen besitzt.
Beim Gegenversuch mit dem edleren Kupfer (Cu) wirkt das Eisen als Anode und das Kupfer kann das Eisen nicht vor der Korrosion schützen. Auffallend ist, dass das Eisen dadurch schneller oxidiert wird. Auch hierbei findet ein Elektronenfluss statt, der jedoch vom Fe zum Cu verläuft. Damit wird die Korrosion beschleunigt.

Abb. 1: Eisen in wässriger Lösung
Abb. 2: Eisen mit Magnesiumanode in wässriger Lösung
Abb. 3: Eisen und Kupferanode in wässriger Lösung

Beim Korrosionsschutz mittels Opferanode werden je nach Anwendung Anoden aus unterschiedlichen Werkstoffen verwendet. Die Opferanode muss mit dem zu schützenden Metall leitfähig verbunden sein, um einen Schutz zu erreichen.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de