Was ist Korrosion?

Was ist Korrosion?
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18.07.2016 | VON DOUG JONES, BOSSARD EXPERT TEAM Manchmal kann Korrosion ein erwünschter Effekt sein. So ist beispielsweise eine leichte Patina auf einer Kupfer-Giesskanne sehr dekorativ, in den meisten Fällen möchten wir jedoch vermeiden, dass Produkte vor dem Ablauf ihrer erwarteten Lebensdauer von Korrosion angegriffen werden.

Denn  Korrosion  kann  zu  unzufriedenen  Kunden führen,  wenn diese  auf  ihrem  funkelnagelneuen Gartentraktor  Rostflecken  entdecken.  

Im  schlimmsten Fall kann eine Korrosion Verletzungen und tödliche Unfälle  verursachen, wenn beispielsweise die Überdachung  über  einem  Schwimmbad zusammenbricht,  dessen  Dach  nicht korrekt konstruiert wurde. Jeder Ingenieur sollte die verschiedenen Korrosionstypen kennen und angemessene Konstruktionsverfahren zur Korrosionsvermeidung anwenden. 

GRUNDSÄTZLICHES ZUR KORROSION 

Die  Hauptgründe  für  Korrosion  bei Verbindungselementen  sind  Feuchtigkeit  und  elektro-chemische Reaktionen, die zwischen den Verbindungselementen und deren Gegenstücken 
auftreten.  

Die Abbildung rechts  zeigt  einen  Wassertropfen  auf einer  glatten  Eisenoberfläche.  Die Oberfläche des Wassertröpfchens ist der Luft ausgesetzt und dadurch reich an Sauerstoff. Das Innere des Tropfens verfügt über zu wenig Sauerstoff. Dadurch entsteht eine elektro-
chemische Potenzialdifferenz, die elektrischen Strom fliessen lässt. Der Strom fliesst durch das  Wasser,  das als  Elektrolyt  agiert,  von  der  anodischen Eisenoberfläche  zur  kathodischen Wasseroberfläche und führt zur Zersetzung der Eisenionen. 

Gleichzeitig werden im Wasser Hydroxidionen gebildet, die mit den Eisenionen reagieren und die Abscheidung des Eisenhydroxids Fe(OH2) hervorrufen. Der aufgelöste Sauerstoff oxidiert  diese  Verbindung  schnell  und bildet Eisenoxidhydrat  (FeO(OH)nH2),  gewöhnlich als Rost bezeichnet. 
 
Rost kann sich schon bei geringen Mengen an Feuchtigkeit bilden. Korrosion beginnt bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60%. Die Wahrscheinlichkeit zur Entstehung von Korrosion ist erhöht, wenn in der Luft Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Stickstoffoxid, Salz, 
Asche, Russ und andere Verunreinigungen vorhanden sind. 

KORROSIONSTYPEN

GLEICHMÄSSIGE KORROSION 

Eine gleichmässige Stahlkorrosion ist die häufigste Korrosionsart und ist an ihrer rötlichen Farbe  zu erkennen,  die  gleichmässig  über  die  ausgesetzte Fläche  des  Verbindungselements verteilt ist. Wird keine Abhilfe geschaffen, können die betroffenen Teile dünner und brüchiger werden, bis die Verbindung möglicherweise versagt oder nicht mehr demontiert werden kann.  

PRÄVENTION 
  • Teile vor Feuchtigkeit schützen
  • Konstruktionen verwenden, an denen das Wasser abtropfen kann
  • Für eine gute Lüftung sorgen, um ein besseres Trocknen zu ermöglichen
  • Oberflächen sauber halten und Verschmutzungen vermeiden
  • Fortlaufende Kondensation vermeiden
  • Verbindungselemente mit Überzügen oder Beschichtungen schützen 

SPALTKORROSION 

Kleine  Öffnungen  und  Einschnitte  neigen  dazu, Feuchtigkeit  anzuziehen  und  trocknen langsamer.  Die Feuchtigkeit  in  einem  Spalt  verliert  schnell  an Sauerstoff  und  löst  eine anodische Korrosion aus, wie im Wassertropfen-Modell beschrieben.

Bei Verbindungselementen  vermehrt sich  das  Risiko einer  Spaltkorrosion  mit  der  Anzahl  an Verbindungsflächen.  
 
Austenitische  Edelstahl-Verbindungen  sind  ebenfalls anfällig für  Spaltkorrosion,  vor  allem bei Einsatz in Umgebungen, in denen sich Chlorionen im Wasser befinden.  

PRÄVENTION 
  • Verwendung von Unterlegscheiben auf ein Minimum reduzieren und geflanschte Produkte verwenden
  • Verbindungsschnittstellen so glatt wie möglich machen 

GALVANISCHE KORROSION 

Die Verbindung zweier unähnlicher Metalle in einer feuchten Umgebung erzeugt ein elektrochemisches Potenzial,  das  zu  Korrosion  führt.  Bei  dieser galvanischen  Reaktion  fliesst Strom  vom  weniger edlen,  anodischen  Metall  zum  edleren, kathodischen Metall,  was  die Auflösung des weniger edlen Metalls zur Folge hat.   

Die  Dichte  des  Korrosionsstroms  ist  direkt proportional zur  Metallauflösung.  Im  unten  gezeigten Fall wird eine weniger edle, verzinkte Schraube für die Befestigung einer Kupferplatte  verwendet.  Die  kleine  Oberfläche des  Zinks  im  Vergleich  zur  sehr  viel  grösseren 
Kupferfläche  erzeugt  eine  hohe  Stromdichte.  Wenn nun  Feuchtigkeit  hinzukommt,  verursacht dies eine besonders schnelle Auflösung des Zinks. 

Wenn wir die Elemente umkehren und ein grosses, verzinktes Stahlstück mit einem Verbindungselement aus Kupfer befestigen, ist die Stromdichte sehr gering und der Korrosionsprozess zwischen beiden sehr viel ausgeglichener. 

PRÄVENTION 
  • Das Material bzw. der Oberflächenschutz der Verbindungselemente sollte genauso edel oder edler als die Verbindungselemente selbst sein.
  • Für Verbindungen, bei denen die Klemmlast nicht von entscheidender Bedeutung ist, können isolierende Unterlegscheiben aus Kunststoff verwendet werden.
  • Edelstahl- oder Kupferteile sollten niemals mit verzinkten Verbindungselementen verbunden werden. 

LOCHFRASSKORROSION 

Bei Metallen, deren Oberflächen mit einem sehr edlen Metall wie z. B. Nickel oder Chrom überzogen sind, kann es zur Lochfrasskorrosion kommen. Im unten angeführten Beispiel waren auf dem vernickelten Stahl unsichtbare Poren vorhanden, wodurch Wasser bis zum Grundmetall durchdringen  konnte.  Dies  führte  zu  Spaltkorrosion unter  der  Oberfläche, wodurch kleine Punkte oder Löcher durch die Poren sichtbar wurden. 

Auch Edelstahl und Aluminiumlegierungen können von Lochfrasskorrosion betroffen sein. Metalle dieser Art verfügen über eine passive Chromoxidschicht auf der Oberfläche, welche sie bei normalen Umgebungsbedingungen vor Korrosion schützt. Wenn diese Passivschicht beschädigt  wird,  sei  es  auf mechanische  Weise  oder  durch  ein chloridionenhaltiges Lösungsmittel, kann es zu Lochfrasskorrosion kommen. 

Die  freiliegende  Fläche  wird  weniger  edel  als  die  viel grössere  passive  Fläche  und  es kommt  zu  einer Stromdichte,  die  auf  der  lokalisierten  Fläche  bzw. den Vertiefungen  zu galvanischer Korrosion führt. Wenn Sauerstoff auf die aktive Fläche trifft, kann dies zu einer Repassivierung  führen,  jedoch  können  Schmutz, Salzablagerungen  und  Chlorrückstände den Sauerstoffzugang behindern, wodurch die Rückbildung der passiven Schicht erschwert wird. 

PRÄVENTION 
  • Sprechen Sie mit Ihrem Verzinker über Folgebehandlungen, z. B. mit Castrol Entwässerungsflüssigkeit (DW924) zur Füllung der Poren.
  • Oberflächen sauber und glatt halten.
  • Vermeiden Sie feste oder flüssige Rückstände, vor allem Chlor – waschen bzw. spülen Sie ausgesetzte Teile ab.
  • Verwenden Sie in Umgebungen, die Chlor ausgesetzt sind, molybdänhaltigen A4 oder 316er Edelstahl. 

INTERKRISTALLINE KORROSION 

Auf austenitischem Edelstahl (Cr Ni) kann interkristalline Korrosion entstehen, wenn dieser zur  Warmformung oder zum Schweissen  auf  hohe  Temperaturen  erhitzt  wird. Nach  der Erhitzung (600–900°C) und anschliessenden langsamen Abkühlung kann sich der Kohlenstoff mit Chrom zu Chromcarbid verbinden. Die Carbidbildung vermindert den für die Korrosionsbeständigkeit  des Stahls  notwendigen  Chromgehalt.  Wenn  der Chromgehalt  unter 12% fällt, kann es vor allem an den Korngrenzen zu Korrosion kommen. 

Höherer Kohlenstoffgehalt im Edelstahl und langsamere Abkühlraten führen zur vermehrten Entstehung  von Carbiden.  Der  folgende  Graph  zeigt  die  Abkühlzeit ab verschiedenen Temperaturniveaus in Minuten. Insofern die Stahltemperatur und die Dauer der Wärmeeinwirkung auf der linken Seite der Kurve bleiben, kommt es nicht zur interkristallinen Korrosion. 

PRÄVENTION 
  • Verwenden Sie bei der Warmformung bzw. beim Schweissen Edelstahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,05%.
  • Schrecken Sie die Teile nach dem Erhitzen sofort in Wasser ab.
  • Edelstahl mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,05%, der hohen Temperaturen ausgesetzt werden soll, kann durch das Hinzufügen von Titan, Niob oder Tantal (A3- und A5- Stahl) stabilisiert werden. 
 
SPANNUNGSRISSKORROSION 

Spannungsrisskorrosion  kann  entstehen,  wenn Verbindungselemente  Zugspannungen ausgesetzt werden. Üblicherweise beginnen Defekte dieser Art mit Lochfrasskorrosion. 
 
Im  Falle  von  austenitischem  Edelstahl,  auf  dem  es  in salzwasserhaltiger  Umgebung  zu Lochfrasskorrosion gekommen ist, beschleunigt sich die Korrosion perpendikulär zur Spannungsrichtung und es kommt zur Rissbildung. Durch die stattfindenden Reaktionen werden 
an der Basis des Risses kontinuierlich roter Rost und Chlorwasserstoffsäure gebildet. Der Säureangriff verhindert die Repassivierung, wodurch der Korrosionsprozess andauert und der Riss tiefer und tiefer wird, bis das Metall zu Bruch geht. 

Zu  Spannungsrisskorrosion  kann  es  auch  bei unlegiertem  bzw.  niedriglegiertem  Stahl kommen. Der entstandene Riss ist von interkristalliner Natur, während Risse in austenitischem Edelstahl transkristallin sind. 

PRÄVENTION 
  • Halten Sie die Präventionsrichtlinien für Lochfrasskorrosion ein, vor allem bei Verbindungselementen, die hohen Spannungen ausgesetzt sind.
  • Untersuchen Sie sicherheitskritische Elemente regelmässig auf Anzeichen von Korrosion.
  • Ziehen Sie das Feuerverzinken sicherheitskritischer Elemente in Betracht, wodurch Korrosionen erkennbar werden.
  • Versichern Sie sich, dass sicherheitskritische Verbindungselemente für Wartungsarbeiten und Austauschzwecke leicht zugänglich sind. 
 
WASSERSTOFFVERSPRÖDUNG  

Durch Säurereinigung oder Galvanisierung kann Wasserstoff in Stahl eindringen. Während der Verarbeitung entweicht der grösste Teil des Wasserstoffs in der Form von Gas, aber einige  Teile  diffundieren  in atomischer  Form  in  das  Metall.  Wasserstoffatome bleiben  im Korngefüge  des  Metalls  höchst  beweglich und  tendieren  dazu,  zu  Bereichen  von hoher Spannung zu migrieren.  
 
Wenn  Verbindungselemente  von  hoher  Festigkeit (Härte  >  320  HV)  Spannungen  ausgesetzt werden, können kleine Oberflächendefekte wie Kratzer oder Einschlüsse entstehen, die sich zu sehr kleinen Rissen ausweiten. Wenn nun Wasserstoff im Stahl enthalten ist, 
werden die Atome durch die Zugspannung an der Spitze des Risses angezogen und bilden dort  eine „Wasserstoffatomhülle“.  Der Wasserstoff  schwächt  die Feinstruktur  des  Metalls und der Riss kann wachsen und schliesslich zum Versagen des Elements führen.

Wasserstoffversprödung  ist  immer  ein  verzögert auftretendes  Versagen,  das  nicht  zum Zeitpunkt  der Montage  entsteht,  sondern  erst  Stunden  oder  gar Wochen  später.  In  der Regel treten die Fehler innerhalb von 24 bis 48 Stunden nach Montage auf. Am anfälligsten sind hierfür Gewindeverbindungen von metrischer Festigkeitsklasse 10,9 oder höher bzw. Imperialgrad  8  oder  höher.  Ausserdem  anfällig sind  einsatzgehärtete  Gewindestücke wie Gewindefurchschrauben oder Kerbschrauben und alle Elemente aus Federstahl, wie Sicherungsscheiben und -ringe.  
 
Galvanisierte Elemente von hoher Festigkeit können innerhalb von vier Stunden nach ihrer Galvanisierung  bei 200–230°C  mindestens  vier  Stunden  gebrannt werden, um  den  Wasserstoff  auszutreiben.  Obwohl  dieses Verfahren  höchst  empfehlenswert  ist  und  auch häufig angewandt  wird,  stellt  es  keine  Garantie  dafür  dar, dass  das  Risiko  völlig ausgeschaltet werden konnte. Das beste Verfahren ist natürlich, dafür zu sorgen, dass erst gar  kein  Wasserstoff  eindringt.  Bei Verbindungselementen  von  hoher  Festigkeit  sollten 
Beschichtungen in Betracht gezogen werden, bei denen kein Wasserstoff gebildet wird. 
  
Die Wasserstoffversprödung wird von drei Ursachen bestimmt: 
  1. Anfälliges Material – Stahl von einer Härte über 320 HV oder einem Zugwiderstand von über 1000N/mm².
  2. Ein Verfahren, durch das Wasserstoff in das Metall eingeführt wird.
  3. Anhaltende Zugspannung. 
Wenn eine dieser drei Bedingungen aus der Gleichung entfernt wird, kommt es nicht nur Wasserstoffversprödung. Das bedeutet, dass Bolzen von Festigkeitsklassen 8,8 bzw. Grad 5, genauso wie Verbindungselemente, die nicht mit Beschichtungen ausgestattet sind, die Wasserstoff einführen, keinem Risiko ausgesetzt sind. Es ist ausserdem erwähnenswert, dass auch durch Korrosion Wasserstoff produziert wird, 
daher sollten Verbindungselemente von hoher Festigkeit ebenfalls vor Korrosion geschützt werden. Verzögertes Versagen, das Wochen oder Monate nach der Montage auftritt, wird üblicherweise  durch  korrosionsbedingte Wasserstoffinduktion  verursacht,  und  nicht  durch 
Wasserstoffzufuhr während der Verarbeitung. 

 PRÄVENTION 
  • Verbindungselemente von hoher Festigkeit mit einer Härte über 320 HV oder einemZugwiderstand von über 1000N/mm² nicht galvanisieren oder säurereinigen.
  • Wenn eine Galvanisierung unabdingbar ist, versichern Sie sich, dass die Elemente so sauber wie möglich sind, um die für die Säurereinigung nötige Zeit zu minimieren und führen Sie die oben beschriebene Wärmebehandlung durch. 
 
ZUSAMMENFASSUNG 

Denken  Sie  bei  der  Entwicklung  und  Konstruktion daran,  dass  Verbindungselemente  ein integraler Bestandteil der gesamten Montage sind und  diese nicht als separate Elemente behandelt werden dürfen. Verbindungselemente müssen immer genauso gut oder besser sein, als die von ihnen zusammengehaltenen Gegenstücke. Indem Sie die verschiedenen Korrosionstypen  und Präventionsmassnahmen  verstehen  und  die  folgenden
Regeln  einhalten, sind Ihnen langlebige Verbindungen gewiss. 
  
Halten Sie die drei folgenden Regeln ein, um einen guten Verbindungsaufbau zu gewährleisten: 
  1. Verbindungselemente sollten immer so gut oder noch besser sein, als die zu verbindenden Teile.
  2. Verbindungselemente sollten niemals zu Schwachstellen werden.
  3. Versichern Sie sich stets, dass alle Verbindungen, vor allem kritische, gut zugänglich für Wartungsarbeiten und einen eventuellen Austausch sind. 

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