A.6.3. Spannungsreihe · PDF file• Korrosion im engeren Sinn ist nicht rein mechanische Zerstörung durch Erosion, Kavitation und Verschlei

A.6.3. Spannungsreihe

Beispiel:Die Reaktion: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cubesteht aus 2 Teilreaktionen:• Oxidation: Zn → Zn2+ + 2e-

• Reduktion:Cu2+ + 2e- → CuDiese Teilreaktionen können räumlich aber nicht zeitlich getrennt durchgeführt werden:Bei einer räumlichen Trennung werden die e- durch einen elektrischen Leiter (Draht) transportiert (sie können dort sogar noch Arbeit leisten).Daniell-Element (Batterie)

Normal-Wasserstoff-Elektrode

E0 =0 bei Normbedingungen cH+ = 1 mol/L, p(H2)=105 Pa, T = 25°C

Welches Metall rostet zuerst?• Kontakt-Korrosion:

Geschwindigkeit der Korrosion durchDifferenz zweier Normalpotentiale (elektrische Kraft für Korrosion)

• Kupfersulfat/Kupfer und Zinksulfat/Zink:Kupfer rostet nicht! +0,34 –(–0,76) = +1,10 V

• Silbernitrat/ Silber - Kupfersulfat/Kupfer:Kupfer rostet! +0,34 –(0,78) = -0,44 V (ca. halb so schnell!)

• Kupferrohr und Stahlheizkörper:Eisen rostet! +0,34 –(–0,44) = +0,78 V

• Verzinntes Stahlblech mit Kratzer:Eisenblech rostet! -0,14 –(–0,44) = +0,30 V

• Verzinktes Stahlblech mit Kratzer:Zinkschicht rostet! -0,44 –(–0,76) = +0,32 V

• Stahlschrauben im Alublech:Aluminium rostet! -1,66 –(–0,44) = -1,22 V

• Verzinkter Schrauben im Alublech:Aluminium rostet! -1,66 –(–0,76) = -0,90 V

A.6.4.1 Korrosion / corrosion• Reaktion eines (metallischen) Werkstoffs mit seiner Umgebung,

die eine meßbare Veränderung des Werkstoffs bewirktund zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils führtDIN 50 900-1, 04/1982, -2, 01/1984, -3, 09/1985

• von der Oberfläche ausgehende, durch unbeabsichtigten (elektro)chemischen Angriff hervorgerufene, nachteilige und qualitätsmindernde Veränderung eines Werkstoffs

• Korrosion im engeren Sinn ist nicht rein mechanische Zerstörungdurch Erosion, Kavitation und Verschleiß

• Korrodieren = „Korrosion verursachen“• korrodiert werden = „Korrosion erleiden“• korrosiv = Eigenschaft von festen, flüssigen, gasförmigen Stoffen, in

ihrer Umgebung Korrosion zu verursachen

• ursprünglich nur Metalle - heute alle Werkstoffe, Bau- u. Kunststoffe

A.6.4.1 Korrosion / corrosion• (Elektro)chemische, physikalische und biologische Angriffe:

– Wärme, Temperaturwechsel, Frost, Regen, Erdstaub, Wind,…– Lösungsmittel, Luftsauerstoff, UV-Oxidation, Rauchgase,… – Mikroorganismen, Pilze, Algen, Flechten u. Moose, Insekten, ….

Schimmelpilze zerstören Anstriche (Kunststoffschichten)• Chemische Korrosion:

– Auslaugen– Auskristallisieren– Basenaustausch– bei Kunststoffen: Quellung, Erweichung, Versprödung, Verfärbung,

Spannungsrißbildung,…• Anlaufen:

– DIN 55 945 (12/1988): unerwünschte Veränderung des Aussehens der Oberfläche einer Beschichtung infolge äußerer Einflüsseengl. blooming

– DIN 50 900, Tl. 1 (04/1982): Reaktion von Metallen mit Gasen unter Bildung dünner (farbiger) Schichten engl. tarnishingz.B. Silber, Kupfer, Messing, Stahl

A.6.4.1 Korrosion / corrosion• Metallkorrosion:

– Metalle suchen energetisch begünstigte Ionenzustände– Metalle relativ beständig, da die Korrosion gehemmt ist (Aktivierung!)– Korrosions-Schutz teilweise erforderlich!

• Angriffsmedium:– Gas-Korrosion: Landluft, Stadtluft, Seeluft, Industrie-Luft– Erdboden-Korrosion: Rohrleitungen, Behälter,… im Erdboden– Korrosion in wässrigen Elektrolyten: Säure-, Laugen-, Salz-,

Seewasser-, Flusswasser-Korrosion• Art des Angriffes:

– Korrosion durch vollständiges/ teilweises, wiederholtes Eintauchen– Schwitzwasser-Korrosion:

Taupunktsunterschreitungen auf Metalloberflächen– Tropf-Korrosion– Korrosion in strömenden Flüssigkeiten

A.6.4.1 Korrosion / corrosionAuswirkungen der Korrosion / DIN 50 900-1:• gleichmäßige Flächen-Korrosion:

gleichförmiger Abtrag!

• Mulden-Korrosion:mit örtlich ungleichmäßigem Abtrag!

• Loch-Korrosion:nur an kleinen Stellen → Lochfraß (kraterförmig)

• Spalt-Korrosion oder Riss-Korrosion:örtlich verstärkte Korrosion (Konzentration)

• Kontakt-Korrosion:Berührung unterschiedlicher Metalle

• Korrosion durch unterschiedliche Belüftung:als örtliche Korrosion

Korrosion von Eisen

Anode: Fe → Fe2+ + 2e-

Kathode: H2O + ½ O2 + 2 e- → 2 OH-

A.6.4.2 Werkstoffseitiger Korrosionsschutz

Rostschutz = Sammelbegriff für alle Verfahren des Korrosionsschutzes• Werkstoffseitig:

Schutz von Werkstoffen gegen aggresive MedienMaßnahmen am Werkstück

• Mediumsseitig:Verringerung der Aggressivität des MediumsMaßnahmen am Medium (Kaltwasser-, Warmwasserkreislauf)

• Konstruktiver Korrosionsschutz:Maßnahmen bei der Konstruktion

• temporärer Korrosionsschutz: für Transports, Lagerung, Verarbeitung,.• Korrosionsschäden:

– ca. 4% des Bruttosozialprodukts– ca. 4% des Umsatzes einzelner Industrien


1. Beschichtung mit Nichtmetallschichten:• Ölschichten (Verhindern Sauerstoffzutritt), z.B. bei Blankstahl:

• Einölen, Einfetten, Einwachsen• Anlassen

• anorganische Beschichtungen:• Emailieren (Glasart)• Keramik-Beschichtungen

• organische Beschichtungen:• Gummiauskleidungen, z.B. Rauchgaswäschen• Kunststoffbeschichtungen, z.B. Teflonbeschichtungen in Tanks/Rohrleitungen• Lacke, Anstrichsysteme: durch Rollen, Streichen, Spritzen, Tauchen

aufgebrachte, physikalisch trocknende / chemisch härtende undurchlässige, festhaftende, chemisch widerstandsfähige Schutzfilme

• Coil Coating: ein-/doppelseitige Beschichtung von Stahl-Band (0,35–1,6 mm) mit Kunststoffbahnen von max. 300 mm Dicke im DurchlaufverfahrenBeschichteten Stahl-Bänder können stark verformt werdenhochwertige Blechteile dauerhaft (opt. ansprechend) vor Korrosion geschützt


2. Beschichtung mit edleren Metallen:• Schichtmetall „edler“ als Werkstück:

• Stahlbauteilen –Cr• Vergolden• Versilbern• Verkupfern• Verzinnen (Weißblech)• Verbleien

3. Beschichtung mit unedleren Metallen:• Schichtmetall „unedler“ als Werkstück:• Opferschicht in aggressiver Umgebung

• Stahlbauteilen z. B. Zn, Mg


4. Passiver (anodischer) Korrosionsschutz:• Passivschicht: durch Oxidation bzw. natürliche Korrosion

entstandene, das darunter befindliche Material jedoch gegen weitere Angriffe schützende Schicht.

• geringfügiger elektrolytischer Metallabtrag im passiven Zustandder Werkstoffoberfläche bei Wirkung einer besonderen Reaktionshemmung durch schützende Passivschichten (DIN 50900-2: 1984-01)

• bei gewissen Metallen: Al, Sn, Fe, Cr, Pb, Co, Ni (wie Edelmetalle)• Wirkung:

• monomolekulare, dichte Oxid-Schicht verhindert weiteren Angriff des Sauerstoffs

• Chemisorption des Sauerstoffs bewirkt Veränderung des Norm-potentials (oberflächenchemische Erklärung)E0Cr(pass.)=+1,3V E0Cr = -0,5V


4. Passiver (anodischer) Korrosionsschutz - Verfahren:• Anodische Oxidation:

• Verwendung des Werkstückes als Pluspol• Eloxal-Verfahren (Al), Magnesium

• Behandlung mit oxidierend wirkenden Stoffen:• Eisen in reine, rauchende Salpetersäure• Chrom oder Aluminium in Salpetersäure• Chrom und Aluminium durch Luft passiviert• lückenlos zusammenhängenden, mind. monomolekularen Schicht aus

Oxiden auf dem Metall• Nickel, Chrom und nichtrostende Stählen


4. Passiver (anodischer) Korrosionsschutz - Verfahren:• Passivatoren:

• Chromatieren: heute weniger üblich, CrO3 ist starkes Umweltgift!• Phosphatieren: DIN 50 942 1987-05

Behandeln von Metallen mit sauren, phosphat-haltigen LösungenPhosphat-Schicht an der Oberfläche

• Beizen mit Phosphorsäure• Reaktions- od. Shop-Primern, Rostumwandlern• Einbrenn-Phosphatieren• Heiß-Phosphatieren (>80 °C)• Warm-Phosphatieren (50–80 °C)• Kalt-Phosphatieren (20–50 °C)• Tauch-Phosphatieren• Bonder® / Parker® / Granodine® / Atrament® / Granodraw® / Kephos®• Phosphatierungsmittel:

• Zink-, Mangan- od. Schwermetallphosphaten• Phosphorsäure• Beschleunigungsmittel (Nitrate, Nitrite, Chlorate, Wasserstoffperoxid)• Spezialzusätzen (Schichtverfeinerungskomponenten)


5. Aktiver (kathodischer) Korrosionsschutz:• DIN 50 900-2 (01/1984)• zu schützende Werkstoff wird zur Kathode gemacht

durch galvanische Anoden, Fremdstromanlagen• im Erdreich befindliche Lagertanks, Rohrleitungen• Eisen-Fundamenten• Kabeln• Innenschutz von Behältern und

Rohrleitungen in Chemieanlagen• von Wasser umgebene Bauteile:

Schiffswänden, Bojen, Turbinen, Pumpen, Eisen unter Meer- und Süßwassereinfluß, …


5. Aktiver (kathodischer) Korrosionsschutz:• Aktivanode: Zn-Mg-Legierung (91% Mg, 6% Al, 3% Zn)

Pluspol einer natürlichen elektrolytischen ZelleAnode verzehrt sich unter Abgabe des Schutzstroms, Ersatz

• Kathode: zu schützender Eisen- oder Stahlgegenstand• Gleichgewicht der Reaktion: Fe↔Fe2++2e- nach links verschoben• Alternative:

Fremd(gleichstrom)zugeführt:Minuspol derGleichstromquelleschützt die Eisen-bzw. StahlkonstruktionPluspol aus Graphitod. Gußeisen mit 15% Si

A.6.4.3 Mediumsseitiger Korrosionsschutz

1. Sauerstoffgehalt:< 0,2 mg/l• seltener Wasserwechsel• dichter Kreislauf• O2-Gehalt sinkt von 12% auf 0,2 mg/l durch Flächenkorrosion

2. Leitfähigkeit:< 200 mS/cm• demineralisiertes (destilliertes) Wasser

3. Wasserhärte (Kalkgehalt):• < 4°dH• Kalk-Plättchen bewirken eine Abriebkorrosion• möglichst geringer Ca-Gehalt!• Im demineralisierten Wasser kein Kalk enthalten!


4. Störende, oxidierende Anionen:• Nitrat NO3

- + 2 e- → NO2-

• Sulfat SO42- + 2 e- → SO3

2-

• Chlorid Cl-• oxidierende Säureanionen fördern Korrosion• sollen daher nicht enthalten sein!• sind im demineralisierten Wasser nicht enthalten!

5. pH-Wert:• 8,5-10,5 (Kaltwasser)• 8,5-11,0 (Warmwasser)• Säurekorrosion im alkalischen nicht möglich!• laufende Zudosierung von Natronlauge zum demineralisierten

Wasser: pH-Kontrollen bzw. Messsonde und Dosierpumpe!• Eintrag von störenden Anionen bzw. Ca-Ionen möglich!


6. Korrosionsschutzinhibitoren:– wirken auf das korrosive Mittel:

Entfernung von aggressiven Bestandteilen (z.B. O2, oxid. Ionen)– Autoxidations- oder Polymerisationenhemmer: Antioxidantien– Physikalische Inhibitoren:

elektr. an Metalloberfläche adsorbiert– Chemische Inhibitoren:

Reaktion mit dem zu schützenden Metall oderReaktion mit Korrosionsmedium

– Inhaltsstoffe:• Sulfite• Hydrazin• Polyamine• Vielzahl von möglichen Inhaltsstoffen (Reduktionsmittel):

Abstimmung auf Werkstoff und Medium

KühlwasseraufbereitungTrinkwasser:• Entkeimung (Chlorierung / Ozonisierung) – Keime• EnthärtungKessel- u. Kesselspeisewasser:• Entgasung / Entsalzung für DampferzeugungKühlwässer:• Entfernung ungelöster Substanzen• feststoffarmes Wasser:

Uferfiltrat, Oberflächenwasser über KiesfilterKühlwasser-Kreisläufe:• Korrosion: Zugabe von Korrosionsinhibitoren

Abbaubarkeit der Korrosionhemmstoffe im Gewässer???• Carbonat-Ausscheidung (Enthärtung / Kalk)• Schmutzablagerung• mikrobieller Bewuchs (Entkeimung: UV-Strahler)

A.6.4.4 Konstruktiver Korrosionsschutz

1. Werkstoffauswahl (wird bei der KU-Zeichnung festgelegt):• notwendige mechanische Eigenschaften?• notwendige Verarbeitbarkeit?• Kosten?• Korrosionsverhalten?

2. Kontakt-Korrosion:• DIN 50 900-1 (04/1982):• Korrosion eines Metalls durch Kontakt mit weiterem Metall oder

elektronenleitendem Festkörper• Bei nichtleitenden Berührungskörpern: Spaltkorrosion, Korrosion

durch unterschiedliche Belüftung


3. Erosionskorrosion:• Strömungsgeschwindigkeit:• Laminare (schichtweise) Strömung:

• bis ca. 7 m/s in Wasser• gut für Wärmelängstransport (nur Außenschicht abgekühlt)• gut für schnellen Transport durch Rohr

• Turbulente Strömung:• durch Einbauten, Ventile, Hähne, Schieber, Messfühler, Abzweigung,

Rohrknie, Veränderungen im Querschnitt• gut für Wärmequertransport: Wärmetauscher, Kühlmantel• schlecht für Erosions-Korrosion (Kavation!)


4. Verarbeitungsqualität (temporärer Korrosionsschutz):• Lagerung von Werkstoffen• Verarbeitung von Werkstoffen (Schutzgas?)• Endfertigung von Werkstücken (Kaltverzinken v. Schweißnähten?)• Qualität der Grundierung, Endlackierung

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