Korrosionsarten und Ihre Auswirkungen

Definition von Korrosion

Korrosion ist der allmähliche Verfall oder die Schädigung von Werkstoffen, durch chemische Reaktionen, elektrochemische Reaktionen und physikalische Reaktionen mit ihrer Umgebung. Dieser Prozess kann zu einer Schwächung und schließlich zum Versagen des Werkstoffs führen. Das häufigste Beispiel ist die Reaktion von Eisen, bei der das Eisen mit Sauerstoff und Wasser reagiert und Eisenoxid bildet, wodurch die strukturelle Integrität des Metalls beeinträchtigt wird. Auch bei anderen Metallen wie Aluminium, Kupfer und Edelstahl kommt es zu ähnlichen Reaktionen, wobei die gebildeten Verbindungen variieren können. Die verbreiteste Korrosionart ist die Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasser auf Eisen oder Stahl und ist allgemein als Rost bekannt.

Einflussfaktoren auf die Korrosionsbildung

Mehrere Faktoren können die Geschwindigkeit und den Schweregrad der Korrosion beeinflussen. Das Verständnis dieser Einflussfaktoren kann bei der Entwicklung effektiver Strategien zur Verhinderung und Bekämpfung von Materialversagen helfen.

Verschiedene Metalle und Legierungen sind unterschiedlich widerstandsfähig. Rostfreier Stahl zum Beispiel enthält Chrom, welches eine passive Oxidschicht zum Schutz vor Zersetzung bildet. Im Gegensatz dazu verfügt Kohlenstoffstahl nicht über diese beständige Passivschicht (Patina) und korrodiert leichter. Die spezifischen Legierungselemente und ihre Anteile können die Korrosionsbeständigkeit erheblich beeinflussen und das Risiko von Korrosion verringern.

Umweltbedingungen: Temperatur, Feuchtigkeit und das Vorkommen von salzhaltigen oder verunreinigenden Stoffen können die Korrosionsprozesse beschleunigen. Hohe Temperaturen erhöhen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, während hohe Luftfeuchtigkeit die für viele Arten von Materialversagen notwendige Feuchtigkeit liefert. Salze, insbesondere Natriumchlorid aus Meerwasser oder Enteisungsmitteln, sind äußerst aggressiv, da sie die Bildung von Elektrolyten begünstigen, die elektrochemische Korrosion fördern.

Zustand der Oberfläche: Der Zustand der Oberfläche eines Materials spielt eine entscheidende Rolle bei der Auslösung. Raue Oberflächen und Unebenheiten, wie Kratzer oder Löcher, können Feuchtigkeit und korrosive Stoffe einschließen und lokale Bereiche schaffen, in denen der Prozess einsetzen kann. Bei glatten, gut gepflegten Oberflächen ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass ernsthafte Probleme auftreten.

Elektrochemisches Potenzial: Durch Unterschiede im elektrochemischen Potenzial zwischen Metallen können galvanische Zellen entstehen, die den Materialabbau beschleunigen. Wenn zwei verschiedene Metalle in Anwesenheit eines Elektrolyts in elektrischem Kontakt stehen, wird das anodischere Metall schneller zersetzt, während das kathodischere Metall geschützt wird. Dieses Phänomen wird als galvanische Korrosion bezeichnet und ist ein häufiges Problem bei Mischmetallkonstruktionen und -komponenten.

Korrosionsarten

Korrosion tritt in verschiedenen Formen auf, die jeweils unterschiedliche Merkmale und Mechanismen aufweisen. Im Folgenden werden einige der häufigsten Korrosionsarten beschrieben, die sich jeweils auf einzigartige Weise auf die Werkstoffe auswirken.

Gleichmäßige Korrosion

Gleichmäßige Korrosion, auch bekannt als allgemeine Korrosion, ist die häufigste Form von Korrosion. Sie tritt gleichmäßig über die gesamte Metalloberfläche auf und führt im Laufe der Zeit zu einem kontinuierlichen und einheitlichen Materialverlust.

Diese Korrosionsart ist typischerweise durch eine gleichmäßige Materialausdünnung gekennzeichnet, die sich durch regelmäßige Wartung und Inspektion leicht vorhersehen und steuern lässt. Gleichmäßige Korrosion wird durch eine chemische oder elektrochemische Reaktion zwischen dem Metall und seiner Umgebung verursacht, z. B. durch Luft, Feuchtigkeit oder chemische Stoffe. Obwohl sie weniger gefährlich sein kann als lokale Korrosion wie Lochfraß oder Spaltkorrosion, erfordert gleichmäßige Korrosion dennoch eine sorgfältige Überwachung und Vorbeugungsstrategien, um im Laufe der Zeit einen erheblichen Materialverlust und ein Versagen der Struktur zu vermeiden.

Lochfraßkorrosion

Lochfraß ist eine örtlich begrenzte Form der Korrosion, die zur Bildung kleiner Gruben oder Löcher auf der Metalloberfläche führt. Diese Art von Korrosion ist besonders heimtückisch, da sie selbst dann erhebliche Korrosionsschäden verursachen kann, wenn nur ein kleiner Bereich betroffen ist.

Lochfraß tritt typischerweise bei Werkstoffen auf, die ansonsten widerstandsfähig sind, wie z. B. rostfreier Stahl. Sie wird häufig durch eine örtlich begrenzte Zerstörung der schützenden Oxidschicht auf der Materialoberfläche verursacht, die durch elektrolythaltige Lösungen ausgelöst werden kann, die in Umgebungen wie Meerwasser oder Tausalzen vorkommen. Sobald die Oxidschicht beschädigt ist, wird das freiliegende Metall anfällig für einen schnellen, lokalen Angriff.

Die Auswirkungen können schwerwiegend sein, da die Grübchen tief in das Material eindringen können, was zu strukturellen Schwächen und potenziellem Versagen führt. Da Lochfraß oft schwer zu erkennen und zu messen ist, stellt er bei Anwendungen, bei denen die Materialintegrität entscheidend ist, ein erhebliches Risiko dar.

Spaltkorrosion

Spaltkorrosion tritt in engen Räumen auf, in denen sich die lokale Umgebung erheblich von der freiliegenden Oberfläche unterscheidet. Diese engen Räume oder Spalten können sich in Fugen, Überlappungen, unter Dichtungen, Unterlegscheiben oder Ablagerungen von Schmutz und Biofilmen befinden.

Das Hauptmerkmal ist der Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Inneren des Spaltes und der äußeren Umgebung. Der eingeschränkte Sauerstofffluss im Inneren des Spalts führt zu einer lokalen Verarmung an Sauerstoff, wodurch ein elektrochemisches Gefälle entsteht. Dieser sauerstoffarme Bereich wird anodisch und beginnt sich zu zersetzen, während die sauerstoffreichere Außenfläche kathodisch bleibt.

Diese Art von Korrosion kann besonders aggressiv sein, da der enge Raum korrosive Stoffe wie Chloridionen einschließt, die den Zersetzungsprozess weiter beschleunigen können. Spaltkorrosion kann zu erheblichen Materialverlusten und strukturellem Versagen führen, wenn sie nicht erkannt und richtig behandelt wird.

Interkristalline Korrosion

Interkristalline Korrosion tritt entlang der Korngrenzen eines Werkstoffs auf. Interkristalline Korrosion kann dazu führen, dass das Material seine strukturelle Integrität verliert, ohne dass es zu einem signifikanten Materialverlust kommt, was zu einem kritischen Materialversagen führen kann.

Diese Art von Korrosion wird häufig durch bestimmte Herstellungsverfahren oder das Auftreten von Verunreinigungen verursacht und tritt selbst bei rostfreien Stählen auf, wenn die Bedingungen gegeben sind. So können beispielsweise beim Schweißen oder bei der Wärmebehandlung bestimmte Elemente, wie Chrom in nichtrostendem Stahl, aufgrund der Temperatur diffundieren und Chromkarbide an den Korngrenzen bilden. Dieser Prozess entzieht den umgebenden Bereichen Chrom. Diese lokale Chromverarmung sorgt dafür, dass der Chromgehalt an diesen Stellen unter 12% liegt, der ausschlaggebend für die Korrosionsbeständigkeit ist. Außerdem können sich Verunreinigungen wie Schwefel, Phosphor oder Blei an den Korngrenzen ablagern und die Zersetzung fördern.

Interkristalline Korrosion kann bei hoch belasteten Werkstoffen besonders problematisch sein, da sie zu unerwarteten und plötzlichen Ausfällen führen kann, weil das Material entlang der Korngrenzen geschwächt wird.

Spannungsrisskorrosion (SRK)

Spannungsrisskorrosion ist ein Prozess, bei dem die kombinierte Wirkung von Zugspannung und einer korrosiven Umgebung zur Bildung von Rissen in einem Material führt. Diese Art von Korrosion ist besonders gefährlich, weil sie bei Spannungen auftreten kann, die weit unter der typischen Zugfestigkeit des Materials liegen, sodass sie schwer vorherzusagen und zu verhindern ist.

SRK beginnt in der Regel mit kleinen Rissen, die sich an der Oberfläche des Materials bilden und sich dann, angetrieben durch die Zugspannung, nach innen ausbreiten. Diese Risse können schnell wachsen und zu einem plötzlichen und kritischen Versagen des Materials führen. Die elektrochemische Reaktion in der korrosiven Umgebung beschleunigt die Rissausbreitung weiter. SRK wird häufig bei Metallen wie rostfreiem Stahl, Aluminium und bestimmten hochfesten Legierungen verzeichnet, wenn sie bestimmten korrosiven Umgebungen wie Chloriden oder Laugen ausgesetzt sind.

Zu den wichtigsten Faktoren, die zu SRK beitragen, gehören die Anfälligkeit des Materials, das Vorhandensein von Zugspannungen (entweder Eigenspannungen oder angewandte Spannungen) und eine korrosive Umgebung, die die Rissentstehung und -ausbreitung fördert.

Galvanische Korrosion