Elektrochemische Interpretation zum Thema Korrosion und Korrosionsschutz
1.0 Korrosion
1.1 Einleitung und Problemstellung :
Plötzlich bricht ein Wasserrohr , eine Gasleitung explodiert , Öl läuft aus alten Tanks und verunreinigt die Umwelt ... Solche Schlagzeilen sind fast täglich in den Nachrichten ... Wie kann es aber passieren , daß ein Stahltanker , der Jahrzehnte lang dicht war , plötzlich ausläuft ???
Warum fängt eine Konservendose , die lange im Schrank stand und evtl. Wasser und Feuchtigkeitseinflüssen getrotzt hat und auch hätte plötzlich wie „wild“ an zu rosten , nach der Beschädigung an nur einer kleinen Stelle ? Wie kommt es , daß Schiffe , die ständig im salzigen Wasser sind , nicht sofort rosten ? Und warum rostet eigentlich ein Eisennagel ? All dies sind Fragen um das Thema Korrosion , die sich einem u.U. stellen , wenn man dieses Wort hört oder man sich damit beschäftigt .
Korrosion kommt ursprünglich aus dem lateinischen von „corrodere“ , was etwa so etwas wie „zernagen“ bedeutet . Aber ist das eine ausreichende Erklärung , das Metall wird von „Etwas“ zernagt ???
1.2 Definition : Korrosion was ist das eigentlich ?
Korrosion wird der Vorgang des Rostens bei Gegenständen genannt und ist eine Bezeichnung „für die Reaktion eines metallischen Werkstoffe mit seiner Umgebung , die meßbare Veränderungen des Werkstoffes bewirkt und zu einem Korrosionsschaden führen kann“. Man sagt ein metallischer Stoff reagiert mit seiner Umgebung . Durch Korrosion entstehen jährlich Schäden von 45 Milliarden DM , zu diesen gehören z.B. durchgerostete Tanks oder Wasserleitungen ; 1/3 der Erzeugnisse der deutschen Stahlproduktion muß für die Ersetzung von korrodiertem Material verwendet werden und 2,5% des BSP gingen auf Grund von Verlusten durch Korrosion 1975 verloren. Man unterteilt die Korrosion in zwei Teile , erstens chemische und zweitens elektrochemische Korrosion . Bei der chemische Korrosion reagiert ein Metall mit einem Gas und rostet so . Die elektrochemische Korrosion findet in zwei Teilreaktionen statt , die räumlich voneinander getrennt ablaufen (Reduktion und Oxidation) .
Beispiel Sauerstoffkorrosion : Das Metall Eisen geht mit Sauerstoff angereichertem Wasser in Verbindung . Der Reduktionsvorgang lautet folgendermaßen :
Fe (s) -> Fe 2+ + 2e-
Oxidation :
O2 (g) + 2H2O (aq) + 4e- -> 4OH-
Gesamtreaktion :
2Fe (s) + O2 (g) + 2H2O (aq) -> 2Fe 2+ (aq) + 4OH-
Diese Stoffe reagieren aber noch zu FeO(OH) (s) + H2O weiter .
Weitere Formen der Korrosion sind Flächenkorrosion , Lochfraß oder Korrosionsrisse (siehe auch Abb. 5 - 7).
Man kann Korrosion aber auch in einem anderen Sinne definieren , und zwar als Veränderung eines Stoffes durch unbeabsichtigten chemischen oder elektrochemischen Angriff der Oberfläche .
Korrosionsvorgänge , welche Rost bei korrodierendem Eisen entstehen lassen , zerstören das Metall und tragen die Metall-Ionen davon ab . Dadurch werden weitere solide Metallatome frei und die Korrosionsvorgänge gehen weiter .
Durch die Verluste die durch Korrosion entstehen kommt es zu Ausfällen der Produktinsanlagen , was wiederum die Verluste nur noch weiter in die Höhe treibt . Es ist also nicht verwunderlich , daß der Korrosion mittlerweile hohe wissenschaftlich Bedeutung beigemessen wird . Überraschend ist auch , daß der Korrosionsvorgang nicht in allen Teilen der Welt gleich verläuft . Dieses beweisen mehrere Beispiele , die über die Jahre hinweg gesammelt worden sind .
Eine 7m große und 7t schwere Eisensäule , die vor 1500 Jahren in Delhi aufgestellt wurde , ist über die Jahre kaum gerostet . Als man dann jedoch Proben der Säule über den Seeweg nach England brachte , fingen diese schon auf der Hinfahrt an zu rosten . Ein anderes Beispiel wäre altes Werkzeug , welches in alten Pyramiden entdeckt wurde . Dieses Werkzeug war an die 4000 Jahre alt und zeigte kaum Rostansätze . Als es aber nach Europa in ein Museum gebracht wurde , fing es schnell an zu rosten . Daraus läßt sich schließen , daß Klima und der Schadstoffgehalt der Luft eine relativ große Rolle bei der Korrosionsgeschwindigkeit haben . In trockenem Klima und bei geringem Schadstoffgehalt der Luft rostet Eisen nur langsam und wesentlich geringer als bei feuchter Luft und einem hohen Schadstoffgehalt . Dieses kann zum Beispiel durch Industrieabgase (SO2 , CO2 , NO2 ) herbeigeführt werden . Dadurch bildet sich nämlich schnell ein Feuchtigkeitsfilm , der , wie die sauren Lösungen , die Korrosion beschleunigt . Korrosion muß jedoch nicht immer auf elektrochemischen Prinzipien basieren , sondern kann auch von chemischer Natur sein .
1.3 Die Chemische Korrosion :
Die Chemische Korrosion , die auch unter dem Begriff Chemisorption bekannt ist , findet stets zwischen Metallen und Gasen oder Schmelzen statt .
Feuchtigkeit spielt hier (im Gegensatz zur Elektrochemischen Korrosion) keine Rolle , da hier bei der Reaktion eines Metalles mit seiner Umgebung ein direkter Elektronenaustausch satt findet . Das heißt , daß kein Elektrolyt vorhanden sein muß , damit der Elektronentransfer gewährleistet ist . Der Elektronenaustausch findet zwischen der Oberfläche des Metalls und dem Luftsauerstoff statt . Die Sauerstoffmoleküle werden an der Oberfläche gespalten und verbinden sich mit den Metall-Ionen , die unter Abgabe von Elektronen aus dem Metallgitter austreten . Die Elektronenaufnahme und die Ionisierung finden also am gleichen Ort statt .
Beispiel Oxidation von Magnesium :
2Mg (s) + O2 (g) -> 2MgO (s)
Durch die Verbindung von Magnesium und Sauerstoff wird eine schützende Oxidschicht aufgebaut , welche die Aufgabe hat , das Metall vor weiterem Einfluß des Sauerstoffs zu schützen . Einigen Elementen gelingt es , eine relativ undurchlässige Oxidschicht zu bilden , welche auch Passivschicht genannt wird . Diese Schichten halten die Korrosion für einen gewissen Zeitraum auf , oder verringern die Korrosionsrate relativ effektiv , aber ein solcher Schutz ist nicht dauerhaft „haltbar“ . Diese Schichten weisen jedoch normalerweise Störungen oder Abweichungen bei ihrem Aufbau (des Oxidgitters) auf , so daß durch solche Stellen dann Metall-Ionen oder aber auch Sauerstoffmoleküle diffundieren können . Hierbei ergeben sich zwei Möglichkeiten :
1) Metalldiffusion : Das Metallion dringt durch die schon vorhandene Oxidschicht an die Oberfläche und wird dort durch die Präsenz von Sauerstoff oxidiert (Die Oxidschicht wächst nach außen) ; (siehe auch Abb.1 , Anhang) .
2) Sauerstoffdiffusion : Der Sauerstoff dringt durch die Oxidschicht an die Metalloberfläche und reagiert dort mit den Metall-Ionen (die Oxidschicht wächst von außen nach innen) ; (siehe auch Abb.2 , Anhang) .
Im allgemeinen kann man sagen , daß die meisten Metalle durch die Sauerstoffdiffusion korrodiert werden . Das „normale“ Wachstum von Oxidschichten geht nach innen , aber Ausnahmen bestätigen ja wie bekanntlich die Regel .
1.4 Elektrochemische Korrosion :
Anders als bei der chemischen Korrosion finden bei der elektrochemischen Korrosion zwei örtlich von einander getrennte Teilreaktionen statt . Drei Bedingungen müssen erfüllt sein , damit es zu einem elektrochemischen Korrosionsvorgang kommen kann :
- ein unedles Metall , welches zur Anode wird , indem es Elektronen abgibt und als Ion in Lösung geht
- ein edles Metall , welches zur inerten Kathode wird , an der Wasserstoff reduziert wird oder sich Hydroxid - Ionen bilden
- ein Elektrolyt : Eine wässrige Lösung , die entweder Ionen enthält , oder sie aufnimmt und deren Wanderung ermöglicht
Die entstehende „Zelle“ wird auch als Korrosionselement bezeichnet . Der Ausdruck „Zelle“ kann hier verwendet werden , da sich durch das Elektrolyt ein geschlossener Stromkreis bildet und der Elektronenfluss nicht unterbrochen wird . In einem Korrosionselement finden zwei Teilreaktionen statt , welche aber örtlich von einander getrennt liegen . Es kommt zum Austausch von elektrischen Ladungen , und so können Reduktion und Oxidation stattfinden . Das Korrosionsverhalten von Metallen wird im allgemeinen durch die Stellung des Stoffes in der Spannungsreihe bestimmt . Eisen ist auf Grund seines negativen Standartpotentiales (-0,41 V) unedel und sollte eigentlich , rein thermodynamisch betrachtet , sich unter Berührung von Sauerstoff oder Säuren auflösen . Dies ist jedoch nicht so einfach wie es klingen mag , da die Reaktionsgleichungen relativ komplex und kompliziert sind . Dies passiert auf Grund der verschiedenen Wertigkeit von Eisen .
In der Natur kommt Eisen nämlich nur in chemischen Verbindungen vor und nicht als Reinstoff . Das Eisenerz muß durch großen technischen Aufwand in Hochöfen reduziert werden und wird somit auf eine höhere Energiestufe geschoben , in der es aber nicht sehr beständig ist . Deshalb ist die Tendenz zur Elektronenabgabe (und der damit verbundenen Oxidation) sehr hoch . Als Oxidationsmittel können entweder Säuren oder Basen dienen , aber auch die alleinige Präsenz von Wasser und Luftsauerstoff läßt zum Beispiel Eisen sehr leicht korrodieren . Dieser Vorgang ist im allgemeinen auch als „Rosten“ bekannt . Man kann diese zwei Arten von Korrosion auch als „Sauerstoff-„ und „Säurekorrosion“ bezeichnen .
1.4.1 Sauerstoffkorrosion :
Die Sauerstoffkorrosion erfolgt durch die Berührung zweier Metalle im sauerstoffreichen Wasser und findet deshalb stets im neutralen Bereich statt . (Anmerkung : Die folgenden Erleuterungen basieren auf dem Vorgang des Rostens von Eisen) Die Auflösung des Metalls findet an der Anode statt . Dieser Vorgang wird Oxidation genannt An der Anode tritt das Metall unter Abgabe von Elektronen als Ionen aus dem Metallgitter heraus und geht in das Elektrolyt über :
Fe (s) -> Fe 2+ (aq) -> 2e-
Die Reaktion an der Kathode wird Reduktion genannt . Die Kathode kann entweder durch ein edleres Metall (z.B. Niet- oder Lötverbindungen) gestellt werden , oder durch nicht - metallische Stoffe , wie Graphit . Die Kathode dient allerdings nur als inerte Kathode , da an ihr Wasserstoff und Sauerstoff durch die Aufnahme von Elektronen zu Hydroxid - Ionen reduziert werden :
O2 (g) + 2H2O (aq) + 4e- -> 4Oh- (aq)
Wenn man die Reduktion und die Oxidation zu einer Gesammtreaktion zusammenfasst , bekommt man die Redoxreaktion , oder auch die Gesammtreaktion heraus :
2Fe (s) + O2 (g) + 2H2O (aq) -> 2Fe 2+ (aq) + 4Oh- (aq)
Die beiden entstandenen Produkte reagieren nach einem Aufeinandertreffen durch Diffusion (Migration der Teilchen) weiter zu Eisen(II) - hydroxid , einem schwerlöslichen Feststoff :
Fe 2+ (aq) + 2Oh- (aq) -> Fe(OH)2 (s)
Dieser Stoff reagiert dann zu Eisen(III) - hydroxid weiter :
Fe(OH)2 (s) + OH- (aq) -> Fe(OH)3 (s) + e-
Durch die Abspaltung von Wasser entsteht das Entprodukt , nämlich Rost :
Fe(OH)3 (s) -> FeO(OH) (s) + H2O (aq)
Eine andere Möglichkeit ist nätürlich auch , die Reaktion im Hinblick auf den vorhandenen Sauerstoff zu betrachten . Sauerstoff wirkt hier als Depolarisierer und erleichtert somit die Abspaltung von Wasser :
4Fe(OH)2 (s) + O2 (aq) -> 2Fe2O3 x H2O (aq) + 2H2o (aq)
Das Endprodukt wäre wieder Rost , jedoch in einer anderen Schreibweise geschrieben .
Im allgemeinen wird Rost durch die Formel Fe2O3 x X-H2O dargestellt , wobei „X“ die verschiedenen Rostarten und Farben beschreibt . Dem Naturrost gehören außerdem noch mehrere reaktive Rostphasen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Da Rost inhomogen ist , d.h. viele Poren und Spalten hat , kann die Korrosion weiter fortschreiten , weil die Reaktionspartner immer wieder aufeinander treffen können . Eine weitere Rolle spielt hier aber noch die Tatsache , daß die Rostbildung nicht dort stattfindet , wo die Eisen - Ionen aus dem Metallgitter treten , sondern an den Phasengrenzen von Metall , Atmosphäre und Wasser/Elektrolyt . Die Eisen - Ionen diffundieren nach dem Herauslösen von dem Metall weg , und es werden weitere Eisenatome freigelegt . (siehe Abb. 3 ; Anhang)
Weiterführend könnte man natürlich die vorgestellten Reaktionsgleichungen ergänzen und zu sehr komplexen Reaktionen werden lassen . Beispiele hierfür wurden von Karl Ernst („Untersuchungen über Phasenumwandlungen an reinem Eisenoxid im Hinblick auf atmosphärische Korrosion“ , Karl Ernst , Dissertation , 1984) in seiner Dissertation angeführt . (Auf diese Beispiele soll nur kurz eingegangen werden , um die anfangs angeführte Wortwahl „ komplexe und komplizierte Reaktionen“ zu rechtfertigen . Eine nähere Auseinandersetzung würde zu tief in das Thema hineingehen .)
Die eigentlichen Korrosionsvorgänge verlaufen normalerweise nie nach dem gleichen Schema , d.h. die Reaktionen sind im Grunde nie ganz abgeschlossen . Es gibt viele Arten von intermediären Phasen , die jedoch nie erfasst werden können , da sie zu schnell reagieren . Folgende weiterführende Reaktionen kann man jedoch nachweisen . Die verschiedenen Rostformen werden in zirkulären Reaktionen gebildet . Zum Beispiel nach der Bildung von Lepidokrokit ( - FeOOH) folgt dessen Reduktion und es entsteht Magnetit , welches magnetische Eigenschaften hat .
8FeOOH (s) + Fe 2+ (aq) + 2e- -> 3Fe3O4 (s) + 4H2O (aq)
Durch die Zufuhr von weiteren Sauerstoffmolekülen verliert das Magnetit seine magnetischen Eigenschaften und wird wieder zu - FeOOH :
3Fe3O4 (s) + 9/2 H2O (aq) + ¾ O2 (g) -> 9FeOOH (s)
Diese Reaktionen könne noch endlos so weitergeführt werden , da Rost an sich nur ein „heilloses Durcheinander“ von reagierenden Sauerstoff- , Wasserstoff- und Eisenteilchen ist .
1.4.2 Säurekorrosion :
Wie der Name schon sagt , findet die Säurekorrosion im ph - sauren Bereich statt und der Einfluss von Sauerstoff ist hier nicht notwendig . Die Säurekorrosion kommt vor allem bei schadstoffreicher Luft im feuchten Klima vor , da sich so schnell ein Feuchtigkeitsfilm auf der Oberfläche des Metalls bilden kann . Die Säure , deren Hydronium -Ionen das eigentlich Metall angreifen , kommt z.B. durch Industrieabgase in das Wasser . In Industrieabgasen sind SO2 , CO2 und NO2 - Gase enthalten , die unter Berührung mit Wasser und Sauerstoff zu zu starken Säuren werden .
(Beispiel Schwefelsäure in Wasser) :
So2 (g) + H2O (aq) -> H2SO4 (aq)
Durch atmosphärischen Einfluss (Sauerstoff) reagiert die entstandene schwefelige Säure zu Schwefelsäure :
H2SO3 (aq) + ½ O2 (aq) -> H2SO4 (aq)
In Verbindung mit Wasser reagiert Schwefelsäure unter Abgabe von Wasserstoff - Ionen :
H2SO4 (aq) <-> HSO4- (aq) + H+ (aq) <-> SO4 2- (aq) + 2H+ (aq)
Die Schreibweise „H“ ist im Grunde eine vereinfachte Form der Hydronium - Ionen ; bedeutet aber im Grunde dasselbe . Das liegt daran , das Wasserstoff - Ionen in wässrigen Lösungen sofort Hydronium - Ionen bilden :
H+ (aq) + H2O (aq) -> H3O+ (aq)
Das Metall wird von den Hydronium - Ionen oxidiert . Dadurch wird Wasserstoff an der Kathode reduziert . Die folgenden Reaktionen werden anhand der Korrosion von Kupfer mit Schwefelgasen (Schwefelsäuren) , erläutert :
Wasser kann , auf Grund der Stellung in der Spannungsreihe , reines Kupfer nicht zum oxidieren bewegen . Dies geht nur , wenn eine oxidierende Säure vorliegt . die Teilreaktion , die an der Anode stattfindet , ist hier die anodische Auflösung von Kupfer in seine ionisierte Form unter Abgabe von zwei Elektronen :
Cu (s) -> Cu 2+ (aq) + 2e-
An der Kathode werden Hydronium - Ionen zu elementarem Wasserstoff durch die Aufnahme von zwei Elektronen reduziert :
2H3O+ (aq) + 2e- -> H2 (g) + 2H2O (aq)
Die Redoxreaktion wäre somit :
Cu (s) + 2H3O+ (aq) -> Cu 2+ (aq) + H2 (g) + 2H2O (aq)
Die Ionen , die an der Reaktion nicht teilnehmen , können auch noch in die Gesammtreaktion eingebaut werden :
Cu (s) + 2H2SO4 (aq) -> CuSO4 (aq) + 2H2O (aq) + SO2 (g)
Anders als bei der Sauerstoffkorrosion entsteht bei der Säurekorrosion kein Endprodukt , das sich in fester Form auf dem Kupfer ablagert .
1.5 Korrosionsformen an freier Oberfläche :
Es gibt mehrere verschiedene Formen der Korrosion , egal ob durch Sauerstoff- oder Säurekorrosion hervorgerufen :Flächenkorrosion , Muldenkorrosion , Spaltkorrosion , Ablagerungskorrosion , Schwingungsrisskorrosion , Reibkorrosion , Lochfraß , ... und dieses sind nur einige ausgewählte Arten . Ihre folgen sind schwer abschätzbar und von Fall zu Fall verschieden . Die Unterscheidung der verschiedenen Korrosionsarten ist in der Praxis nicht immer leicht . Meistens kommen viele verschiedene Arten zusammen und zerstören an einem Objekt die Oberfläche . In dem folgenden Text soll auf drei soll auf drei spezifische Arten der Korrosion eingegangen werden : Gleichmäßige Flächenkorrosion , Lochfraß und Spaltkorrosion ( Korrosionsrisse) .
1.5.1 : Die Flächenkorrosion kann in zwei Bereiche unterteilt werden :
1) gleichmäßige Flächek.
2) Muldenkorrosion
Die gleichmäßige Flächenkorrosion findet beim Zusammentreffen von Feuchtigkeit (saures Elektrolyt) und Luftsauerstoff statt . Die Abtragung erfolgt gleichmäßig und parallel zu Oberfläche . Die Korrosionsgeschwindigkeit ist relativ langsam , da insbesondere große Flächen betroffen sind und so die Stromdichte nur gering ist . Der entstehende Schaden ist hier nicht so hoch , da diese Korrosionsart schnell erkennbar ist und generell nur zu einem nachteiligen Aussehen des Werkstoffs führt . Bei der Muldenkorrosion entstehen ungleichmäßige muldenförmige Vertiefungen , daher der Name , die zum einen durch unterschiedliche Korrosionsgeschwindigkeiten , aber auch durch die Heterogenität von Werkstoffen zustande kommen . Hierbei spielen die unterschiedlichen Konzentrationen von Temperatur und Strahlung eine Rolle . Wie bei der gleichmäßigen Flächenkorrosion ist die Folge der Muldenkorrosion ein nachteiliges Aussehen . (siehe Abb.4 , Anhang)
1.5.2 : Lochfraß : Charakteristisch für den Lochfraß sind kraterförmige und nadelstichähnliche , örtliche Vertiefungen , welche die Oberfläche unterhöhlen . Die Folgeschäden sind relativ hoch , da diese Korrosionsart erst erkannt werden kann , wenn z.B. ein Rohr undicht wird .
Wenn Chlorid - Ionen im Wasser enthalten sind dann ist besonders rostfreier Stahl vom Lochfraß betroffen , weil die natürlich gebildete Schutzschicht von Alluminiumoxid/Chromoxid Von den Chlorid - Ionen durch ihren geringen Radius durchdrungen werden kann und somit das darunterliegende Metall oxidiert wird . (siehe Abb.5 , Anhang)
1.5.3 : Korrosionsrisse sind genau wie der Lochfraß schwer zu erkennen . Sie entstehen meistens durch Spannungsüberhöhung , die den Bruch des Materials zur Folge haben . Die Korrosionsrisse könne in zwei Gruppen unterteilt werden :
Interkristalliene Risse und transkristalline Risse . Die interkristallinen Risse laufen auf der Korngrenze entlang , die transkristallinen Risse quer durch die Körner . Spannungsrisskorrosion kann nur an nichtrostenden , nicht ferritischen Metallen beobachtet werden .
Die von der Spannungsrisskorrosion ausgehende Gefahr ist sehr groß , da die Risse meißt nur unter dem Mikroskop erkennbar und so mikroskopisch klein sind , dass sie kaum chemischen Umsatz produzieren und somit keine Korrosionsprodukte sichtbar werden . Die Folgen sind schwer abschätzbar . (siehe Abb. 6 und 7 , Anhang)
1.6 Korrosionsgeschwindigkeit und korrosionshemmende und -fördernde Faktoren :
Die Korrsionsgeschwindigkeit hängt von mehreren Faktoren ab . Einige dieser Faktoren wären : Temperatur , Klima , Luftfeuchtigkeit , Salze ,die Konzentration des Elektrolyts , usw All diese Faktoren spielen bei der letzt endlichen Korrosiongeschwindigkeit eine Rolle . Einige dieser Faktoren könne korrosionsfördernt sein , andere dagegen korrosionshemmend .
1.6.1 : Korrosionsfördernde Faktoren sind z.B. ein hoher Schadstoffgehalt in der Luft , sowie ein feuchtes Klima . Bei diesen Bedingungen kann sich nämlich leicht ein Flüssigkeitsfilm auf dem Metall bilden , der entweder die Sauerstoff- oder die Säurekorrosion einleitet . Auch Salze fördern die Korrosionsgeschwingigkeit . Dies wird besonders an Autos deutlich , die im Winter mit salzhaltigem Spritzwasser in Berührung kommen . Das Salz , das im Wasser als ein gelöstes Ion vorkommt , erhöht die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten ( hier Wasser) und erleichtert somit den Elektronenladungstransport . Die Elektronen können somit schneller von dem Ort der Oxidation (Korrosion des Metalls) zum Ort der Reduktion (Bildung von - Ionen) gelangen .
1.6.2 : Korrosionsfördernde Faktoren dagegen sind zumal eines trockenen Klimas , sowie schadstoffarme Luft . Eine hohe Temperatur des Elektrolyts kann auch eine hemmende Wirkung haben , da bei großen Temperaturen nur wenige gelöste Sauerstoffteilchen vorhanden sind , und deshalb die Reduktion nur langsam erfolgt . (Dieses gilt nur , wenn keine Luftsauerstoff vorhanden ist .) Einige Metalle haben auch die Tendenz eigene Schutzschichten zu bilden , die aber wiederum nicht für eine lange Zeit halten . (Auf dieses Phänomen soll im 2. Teil Korrosionsschutz näher eingegangen werden) .
1.6.3 : Allgemeine Faktoren :
Tabelle : Korrosionsgeschwindigkeit in m pro Jahr
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Anhand der Tabelle läßt sich erkennen , dass unterschiedliche Faktoren nicht auf alle Metalle den gleichen Effekt haben . Stahl rostet z.B. bei salzhaltiger Luft sehr viel schneller , als bei der Präsenz von Gasen , die in Wasser eine Säure bilden (vgl. Säurekorrosion) . Zink dagegen ist sehr viel anfälliger bei Industrieluft als bei Meeresluft . Im allgemeinen kann man sagen , dass die Korrosion durch viele Faktoren begünstigt , aber auch verhindert werden kann . Wissenschaftler erforschen noch heute die Wirkung verschiedenster Faktoren auf die Metalle . Dieses ist nur mit Hilfe von technisch komplizierten Gerätschaften im Dauerbelastungstest möglich .
Korrosionsschutz :
2.1 Einleitung :
Wie vorhin schon erwähnt sind die Schäden durch Korrosion in der Welt enorm . Vor ein paar Jahrzehnten war die Summe der Schäden noch sehr viel höher als sie heute ist . Man hat errechnet , dass zwischen 1890 und 1923 von den rund 1800 Millionen Tonnen erzeugten Stahl 800 fast die Hälfte wieder zerstört worden ist ! Auf Profitsuche war die Produktion etwas ungenau gehalten worden und die Stoffe verunreinigt und somit porös und anfällig . Heute , bei Überproduktion und besserer Qualität liegen die Ursachen eher bei Umweltbeeinflussungen . Ich will in diesem zweiten Teil der Arbeit nur knapp die Arbeit , der Chemiker , Ingenieure und Physiker zur Sprache bringen und auf die verschiedenen Arten des Korrosionsschutzes nicht näher eingehen , da dies eine verdreifachung der Arbeit bedeuten würde . Vielmehr will ich die einzelnen Arten kurz vorstellen . Generell unterscheidet man zwischen Aktiven und Passiven Arten von Korrosionsschutz , wobei wiederum mehrere Untergruppen anfallen :
1. Oxydische und nicht - metallische Überzüge
2. Metallische Überzüge
3. Farben und Anstriche
4. Elektrolytische Schutzmaßnahmen
Elektrolytische Schutzmaßnahmen fallen unter den aktiven Korrosionsschutz , Überzüge jeglicher Art und Anstriche fallen dagegen unter den passiven Korrosionsschutz .
2.2 Die verschiedenen Arten von Korrosionsschutz :
Beim aktiven Korrosionsschutz werden die Korrosionsreaktionen unmittelbar beeinflusst und verändert . Man kann den aktiven Korrosionsschutz auf mehrere Arten durchführen :
- Veränderung des Elektrolyten
- Anbringen von Opferanoden
1. Das anbringen von Opferanoden findet man häufig im Schiffsbau , aber auch in Heizwasserkesseln . Das Prinzip ist relativ einfach und basiert auf elektrochemischen Gesetzen . Das Eisen wird durch die Berührung von einem unedleren Metall als Kathode geschaltet . Somit kann das Eisen nicht oxidiert werden . Beim Schiffsbau werden meistens Magnesium- oder Zinkplatten an den Schiffsbug angebracht , die das salzhaltige Wasser davon abhalten den Bug oxidieren zu lassen . Das unedlere Zink gibt Elektronen an die Akzeptoren im Meerwasser ab (z.B. gelösten Sauerstoff) und reduziert diesen am Eisen , welches in diesem Fall die Kathode darstellt . Der anodische Vorgang findet aus diesem Grunde am Zink statt , welches sich auf Grund der Potentialdifferenzen langsam auflöst . Somit wird das Eisen vor Oxidation geschützt . Diese Überlegungmögen zwar , rein elektrochemisch betrachtet , richtig sein , jedoch ist die Sache in der Praxis , besonders in Bezug auf die Schutzplattenin Kesseln , nicht immer so einfach , wie sie sich theoretisch annehmen lässt . Die Zinkplatten werden im Verlauf der Zeit z.B. mit einem Überzug versehen , der aus den Zersetzungsprodukten des Zinks , aber auch aus Kesselsteinsubstanzen bestehen kann . Diese Ablagerungsprodukte haben meistens ein edleres Potential als Eisen , und somit wird die Wirkung der Zinkplatten umgekehrt - die Korrosionsgeschwindigkeit erhöht sich deutlich .
- Kathodischer Schutz durch das Anlegen einer Fremdspannung
- Legierung mit unedleren Metallen
1. Elektropositive Überzüge :
Sie bieten eine guten Schutz , solange sie gleichmäßig und vollständig flächendeckend auf das Metall aufgetragen werden . Da edlere Metalle eine niedrigere Lösungstension als unedlere Metalle haben , können sie nicht so leicht von Wasser angegriffen und zum oxidieren gebracht werden . Wenn nun das unedle Eisen durch edlere Schicht geschützt wird , dann können Wasser und Sauerstoff nicht mehr an die eigentliche Metallschicht (hier : Eisen) gelangen , da das Wsser die edleren Metalle nicht zum oxidieren bringen kann .
2. Elektronegative Überzüge :
Wenn ein Metall mit einem unedleren Metall überzogen wird , dann spricht man auch vom aktiven Korrosionsschutz , da der Werkstoff auf Kosten des unedleren Metalls geschützt wird . Das unedlere Metall wird von dem Wasser (Elektrolyt) aufgelöst , der Werkstoff bleibt dadurch unbeschädigt , da er die Kathode stellt , an der Wasser reduziert wird .
3. Schlussfolgerung zu diesen Überzügen :
Man kann nicht mit Gewissheit sagen , welcher der beiden Überzüge der effektivere ist . Beide haben ihre Vor- und Nachteile . Oft wird behauptet , dass die positiven Überzüge leichter Korrosion hervorriefen als die Elektronegativen , weil das darunterliegende Metall an einer Unterbrechungsstellen aufgelöst werden würde . Umgekehrt kann man aber genauso argumentieren . Das unedlere Metall eines elektronegativen Überzuges würde an einer Unterbrechungsstelle ebenfalls vollständig aufgelöst werden , und somit würde das Eisen an die Oberfläche kommen und ebenfalls oxidiert werden . Man muss jedoch in Betracht ziehen , dass einige Metalle aus resultierenden Korrosionsprodukten oxydische Schutzschichten bilden können , die wiederum den Korrosionsprozeß verlangsamen können . Als Regel gilt (egal , ob elektronegativer- oder positiver Überzug) : Je reiner und dicker der Überzug , desto länger hält er .
Passiver Korrosionsschutz bedeutet allgemein , dass ein Werkstoff (ein Metall) durch Schichten oder Überzüge von dem angreifenden Mittel getrennt ist . Diese Schichten können entweder von ganz alleine auf dem Metall entstanden , aber auch durch komplizierte technische Verfahren auf das Metall aufgebracht worden sein .
Das Thema kann in folgende Bereiche gefliedert werden :
- anorganische „nicht - metallische“ Überzüge
1. Für anorganische nicht metallische Überzüge gibt es mehrere Beispiele und Verfahren , die diese Gruppe erklären . Einige davon wären :
- Emaillieren
- Brünieren
- Phosphatieren
- organische Überzüge
1. unter anderem : Beschichten mit Folie , Flammenspritzen , Gummieren , Lackieren , Fetten und Wachsen
- metallische Überzüge
- oxydische Überzüge
Hierbei muss man die Unterscheidung zwischen Legierungen mit einem höheren oder mit einem niedrigerem Potential als der zu behandelnde Werkstoff beachten . Dieses ist besonders wichtig , da sonst die Umkehr der gewünschten Reaktion erfolgt .
2.3 Praktische Versuche :
Als praktischer Teil für diese Hausarbeit wurden mehrere Versuche durchgeführt .
Es soll auf ihre Ergebnisse nurkurz eingegangen werden . Thema der Versuche insgesamt war der Test in welchen Umgebungen ein Eisennagel rostet . Hierbei wurden mehrere Versuchsreihen durchgeführt , welche die Rostbildung an Nägeln in unterschiedlichen Elektrolyten (mal unter Zufuhr von Sauerstoff , mal im Sauerstoff armen Bereich) dokumentierten . Das Ergebnis war , das vorher entfettete Eisennägel besonders gut in „normalem“ Leitungswasser unter der Zufuhr von Sauerstoff rosten . Eisennägel , die in Salzwasser lagen , rosten ebenfalls sehr gut , solange Sauerstoff vorhanden ist . In geschlossenen Reagenzgläsern war zwar am Anfang auch eine Rostbildung zu erkennen , die auf Grund des gelösten Sauerstoffs im Wasser auftrat , jedoch stellten sich die Korrosionsvorgänge bald ein .
3.0 Schlussdiskusion :
Korrosion ist ein sehr komplexes Thema , welches sowohl für Chemiker , Physiker und Ingenieure als auch für den Rest der Bevölkerung interessant sein sollte . Schon unsere Vorfahren aus „alter Zeit“ haben sich mit dem „Phänomen Korrosion“ auseinander setzen müssen . Da Thema gewann besonders während des Industriellen Umbruchs an großer Bedeutung , da zu jener Zeit in Deutschland die Stahlproduktion begann . Seitdem stellen Wissenschaftler sich Jahr für Jahr die Aufgabe , mehr über dieses Thema zu erfahren .und es zu erforschen . In den letzten Jahren ist ihnen einiges auf diesem Gebiet gelungen . Neuere Maschinen werden getestet und es gibt immer mehr Verfahren , gerade auf dem Gebiet des Korrosionsschutzes , die versuchen das „Übel“ Korrosion zu besiegen oder zumindest einzudämmen . Nun stellt sich aber die Frage , ob es in der heutigen Zeit noch sinnvoll ist an diesem Thema zu forschen oder daran zu arbeiten . Die Frage , ob man sich nicht eher der Erforschung von Materialien zuwenden sollte , die weniger wasser- und luftempfindlich sind , kommt immer häufiger vor . Besonders in Hinblick auf die steigende Umweltverschmutzung , sowie die jährlich steigende Konzentration von Abgasen in der Luft , die sich besonders an eisernen Bauwerken zeigt , lässt solche Vermutungen auf sicherem Boden wachsen .
Fakt ist , dass die Produktion von Eisen und Stahl in Deutschland schon seit vielen Jahren rückläufig ist . Man könnte deshalb annehmen , dass die Verarbeitung von Eisen und Stahl nicht mehr der Einstellung von morgen entspricht . Diese täuscht jedoch . Die rückläufigen Zahlen kommen durch mehrere aufeinander treffende Faktoren zustande , zumal ein Überangebot auf dem Weltmarkt besteht . Gerade Länder , die damals die Ostblockstaaten belieferten haben , drängen jetzt auf den westlichen Markt . Außerdem spielt bei der Eisenverarbeitung Deutschland die Tatsache eine Rolle , dass eine Tonne erzeugtes Eisen sehr viel mehr bei der Produktion bei der Produktion kostet als in anderen Ländern . Dieses kommt aufgrund von höheren Lohnnebenkosten und ungünstig gelegenen Kohleflötzen zustande . Der Staat muss hohe Subventionen zahlen , damit deutscher Stahl überhaupt wettbewerbsfähig ist .
Kunststoff oder auch umweltfreundlichere Verpackungen dominieren zwar mittlerweile schon auf dem Verbrauchermarkt , denn Konserven- oder Getränkedosen sind „out“ . Warum sich also mit dem Thema Korrosion auseinandersetzen , wenn es bald wahrscheinlich sowieso den ersten „Baukunststoff“ geben wird , der nicht so empfindlich ist . Eine ähnliche Frage haben sich sicherlich schon viele , auch teils kluge Köpfe gestellt , aber noch ist kein Material mit niedrigerer Lösungstension und genauso billig ist .Aus diesem Grund ist das Thema Korrosion und der Schutz dagegen immer noch „up to date“ . Man sollte nämlich auch nicht die positiven Aspekte der Korrosion vergessen , denn welcher andere Baustoff verschwindet den schon wieder von alleine ? Wenn wir auf der Erde alle die Milliarden Tonnen Eisen hätten , die im Verlaufe unseres geschichtlichen Werdegangs produziert worden sind , dann hätten wir heutzutage ein Problem mehr auf dieser Welt . Diese Problematik deutet sich schon bei der Plastikbeseitigung an . Plastik muss meistens in aufwendiger Arbeit verbrannt werden , da bis jetzt kaum andere Methoden gefunden worden sind , die es auf eine umweltschonendere Art wieder vernichten . Zur Zeit bewegt man sich auf §enzymatischen Ebenen“ voran (Enzyme , die Kunststoff wieder zersetzen) . Eisen ist bis heute auf jeden Fall das Metall des 19. Und 20. Jahrhunderts und wird es aller Vorraussicht nach auch noch eine Weile im 21. Jahrhundert bleiben .
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