Korrosionselement

Ein Korrosionselement ist eine Gefügeanordung in einem Werkstoff, die sich wie eine kurzgeschlossene galvanische Zelle verhält und zur Korrosion des Werkstoffs führt.

Varianten

Korrosionselemente unterscheiden sich im Aufbau der Komponenten, die als Anode, Kathode und Elektrolyt fungieren. Ihnen gemeinsam ist die elektrische Anordnung: Anode und Kathode sind sowohl über den Elektrolyten, als auch durch direkten Kontakt elektrisch leitend miteinander verbunden. Eine externe Spannungsquelle ist dabei nur im letzten Fall im Spiel:

Selektive Korrosion

Kristallite in einem Legierungsgefüge, die aus Verbindungen mit unterschiedlichem elektrochemischen Potential bestehen. Beispiel: Kupfer- und Zink-Kristallite in Messing, die an der Oberfläche über einen Wasserfilm miteinander reagieren. Bei der selektiven Korrosion verläuft der Korrosionsangriff bevorzugt (selektiv) entlang bestimmter Gefügebereiche des Werkstoffs. Nach dem Bereich des zerstörten Gefüges unterscheidet man:

Interkristalline Korrosion, wenn die Zerstörung entlang der Korngrenzen verläuft,
Transkristalline Korrosion, wenn sie durch die Körner läuft oder in Verbindung damit kommt

Da die selektive Korrosion im Korngrößenbereich auftritt, ist sie mit bloßem Auge nicht erkennbar und deshalb besonders gefährlich. Anzeichen: Absätze auf der Korrosionsschicht (bläulich unter Lupe erkennbar).

Korrosionselement (Lokalelement) aus Eisen und Kupfer

Kontaktkorrosion

Kontaktkorrosion entsteht, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichem Lösungspotenzial durch einen Elektrolyt (Wasser, feuchte Luft,...) leitend verbunden sind. Dabei wird das unedlere Metall zur Anode und das edlere zur Kathode. Diese zusätzliche Polarisierung führt zu einer beschleunigten Auflösung der Anode.

Beispiel: Schraube aus Kupfer in einem Aluminiumblech in feuchter Umgebung; Edelstahlblech mit Stahlblech verschraubt.

Das Ausmaß der Kontaktkorrosion wird minimiert, wenn:

die Potenzialdifferenz ein Minimum annimmt,
die beteiligten Metalle korrosionshemmende Deckschichten ausbilden,
die Leitfähigkeit des Elektrolyten minimal ist.

Die Flächenverhältnisse der Elektroden beeinflussen die Stromdichten und somit auch die Korrosionsgeschwindigkeit. Bei der weit verbreiteten Sauerstoffkorrosion ist der kathodische Umsatz (und somit auch die Kathodenstromdichte) durch Diffusions- und Konvektionsvorgänge begrenzt. Minimale anodische Auflösungsstromdichten können daher über folgendes Flächenverhältnis realisiert werden:

{\frac {A_{Anode}}{A_{Kathode}}}>>1

Da Kontaktkorrosion in der Regel nur geringe Reichweiten (<5 mm) hat, sind die Flächenverhältnisse von untergeordneter Bedeutung.

Modellversuch zur Korrosion aufgrund unterschiedlicher Konzentration

Konzentrationselement

Dieses besteht aus einer Metalloberfläche, benetzt von einem Elektrolyten mit lokal unterschiedlicher Konzentration, und ist in diesem Fall ein kurzgeschlossenes Konzentrationselement. Die Oxidation des Metalls findet dabei in dem Bereich mit der geringeren Konzentration des Elektrolyten statt, die dazugehörige Reduktion dagegen im Bereich mit der höheren Konzentration.

Belüftungselement

Ein Konzentrationselement, bei dem der Sauerstoffgehalt im Elektrolyten variiert. Beispiel: Rosten von Eisen.

Mechanische Spannungen

Homogenes Gefüge, das lokal verformt wurde bzw. lokal unter Spannung steht. Beispiele: Spannungsrisskorrosion, Schwingungsrisskorrosion.

Fremdspannungskorrosion

Potentialdifferenz im Material, hervorgerufen durch äußere Spannungsquellen. Beispiel: Metallrohre, verlegt in der Nähe von elektrischen Gleichspannungsleitungen (siehe auch Opferanode).

Chemische Reaktionen

Im Allgemeinen oxidiert die Anode und löst sich auf. Die Reaktionen an der Kathode hängen u.a. ab vom pH-Wert und der Sauerstoffkonzentration. e^- bezeichnet Elektronen, H⁺ Protonen, Me-Metallatome oder Ionen:

Anodenreaktion:

Me_unedel → Me_unedel⁺ + e^-

Kathodenreaktion:

(1) Falls Metallionen vorliegen, die edler sind als die der Anodenreaktion, scheiden sie sich auf der Kathode ab:

Me_edel⁺ + e^- → Me_edel

(2) In saurem Milieu (pH-Wert < 5) bildet sich Wasserstoff:

2H⁺ + 2e^- → H₂

(3) In saurem Milieu entsteht Wasser, wenn Sauerstoff vorhanden ist:

O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O

(4) In basischem Milieu (pH-Wert > 7) reagiert Wasser zu Hydroxid:

2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-

(5) Wie (4), in Anwesenheit von Sauerstoff:

O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-

Literatur

Fonds der Chemischen Industrie: Korrosion / Korrosionsschutz, Folienserie und Textheft Nr. 8, Frankfurt am Main 1994,