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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 .
Häufig gestellte Fragen
Was ist Korrosion laut der "Elektrochemischen Interpretation zum Thema Korrosion und Korrosionsschutz"?
Korrosion ist die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung, die messbare Veränderungen des Werkstoffes bewirkt und zu einem Korrosionsschaden führen kann. Es wird unterschieden zwischen chemischer und elektrochemischer Korrosion.
Was sind die Unterschiede zwischen chemischer und elektrochemischer Korrosion?
Bei der chemischen Korrosion reagiert ein Metall direkt mit einem Gas. Bei der elektrochemischen Korrosion finden zwei räumlich getrennte Teilreaktionen (Reduktion und Oxidation) statt und ein Elektrolyt ist erforderlich.
Was ist Sauerstoffkorrosion und wie läuft sie ab?
Sauerstoffkorrosion tritt auf, wenn Metall (z.B. Eisen) mit sauerstoffreichem Wasser in Verbindung kommt. Eisen wird oxidiert (Fe -> Fe2+ + 2e-), Sauerstoff wird reduziert (O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-). Die entstandenen Ionen reagieren weiter zu Rost (FeO(OH)).
Was sind Flächenkorrosion, Lochfraß und Korrosionsrisse?
Dies sind verschiedene Formen der Korrosion. Flächenkorrosion betrifft die gesamte Oberfläche, Lochfraß führt zu kleinen, tiefen Löchern, und Korrosionsrisse entstehen durch Spannungsüberhöhung und können zu Materialbruch führen.
Was ist chemische Korrosion (Chemisorption)?
Chemische Korrosion findet zwischen Metallen und Gasen oder Schmelzen statt. Feuchtigkeit spielt keine Rolle. Ein direkter Elektronenaustausch findet zwischen der Metalloberfläche und dem Luftsauerstoff statt, ohne die Notwendigkeit eines Elektrolyten.
Was ist elektrochemische Korrosion und welche Bedingungen müssen für sie erfüllt sein?
Elektrochemische Korrosion erfordert drei Bedingungen: ein unedles Metall als Anode, ein edles Metall als Kathode und ein Elektrolyt. An der Anode findet Oxidation statt, an der Kathode Reduktion.
Was ist Sauerstoffkorrosion und wie unterscheidet sie sich von Säurekorrosion?
Sauerstoffkorrosion erfolgt in neutralem bis basischem Milieu durch die Reaktion mit Sauerstoff. Säurekorrosion findet in saurem Milieu statt, wobei Säuren das Metall direkt angreifen. Sauerstoff ist für die Säurekorrosion nicht zwingend erforderlich.
Wie läuft Säurekorrosion ab?
Säurekorrosion tritt in saurer Umgebung auf, oft verursacht durch Schadstoffe in der Luft, die mit Wasser Säuren bilden. Die Hydronium-Ionen (H3O+) greifen das Metall an, wodurch es oxidiert wird und Wasserstoff entsteht.
Was ist Flächenkorrosion und wie wird sie unterteilt?
Flächenkorrosion kann in gleichmäßige Flächenkorrosion und Muldenkorrosion unterteilt werden. Gleichmäßige Flächenkorrosion betrifft die gesamte Oberfläche gleichmäßig, während Muldenkorrosion ungleichmäßige Vertiefungen verursacht.
Was ist Lochfraß und wodurch wird er begünstigt?
Lochfraß ist durch kraterförmige Vertiefungen gekennzeichnet und wird besonders durch Chlorid-Ionen begünstigt, die die Schutzschicht von Metallen durchdringen können.
Was sind Korrosionsrisse und welche Arten gibt es?
Korrosionsrisse sind Risse im Material, die durch Spannungsüberhöhung entstehen. Sie werden in interkristalline Risse (entlang der Korngrenzen) und transkristalline Risse (quer durch die Körner) unterteilt.
Welche Faktoren beeinflussen die Korrosionsgeschwindigkeit?
Die Korrosionsgeschwindigkeit wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter Temperatur, Klima, Luftfeuchtigkeit, Salze und die Konzentration des Elektrolyten.
Was sind korrosionsfördernde und korrosionshemmende Faktoren?
Korrosionsfördernde Faktoren sind z.B. hoher Schadstoffgehalt in der Luft, feuchtes Klima und Salze. Korrosionshemmende Faktoren sind trockenes Klima und schadstoffarme Luft.
Welche Arten von Korrosionsschutz gibt es laut der "Elektrochemischen Interpretation zum Thema Korrosion und Korrosionsschutz"?
Es gibt aktiven und passiven Korrosionsschutz. Aktiver Korrosionsschutz beeinflusst die Korrosionsreaktionen direkt, während passiver Korrosionsschutz das Metall durch Schichten oder Überzüge vom angreifenden Medium trennt.
Was sind Beispiele für aktiven Korrosionsschutz?
Beispiele für aktiven Korrosionsschutz sind die Veränderung des Elektrolyten und das Anbringen von Opferanoden. Sowie Kathodischer Schutz durch Anlegen einer Fremdspannung oder das Legieren mit unedleren Metallen.
Was ist der kathodische Schutz und wie funktioniert er?
Kathodischer Schutz wird durch das Anbringen von Opferanoden (unedleren Metallen) oder durch das Anlegen einer Fremdspannung erreicht. Dadurch wird das zu schützende Metall zur Kathode gemacht und somit vor Oxidation geschützt.
Was sind Beispiele für passiven Korrosionsschutz?
Beispiele für passiven Korrosionsschutz sind anorganische Überzüge (Emaillieren, Brünieren, Phosphatieren), organische Überzüge (Beschichten mit Folie, Flammenspritzen, Gummieren, Lackieren, Fetten und Wachsen) metallische und oxydische Überzüge.
Was sind elektropositive und elektronegative Überzüge und welche Vor- und Nachteile haben sie?
Elektropositive Überzüge bestehen aus edleren Metallen, die das darunterliegende Metall schützen, solange die Schicht intakt ist. Elektronegative Überzüge bestehen aus unedleren Metallen, die zuerst korrodieren und das darunterliegende Metall schützen.
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- Vanessa Berger (Author), 2001, Elektrochemische Interpretation zum Thema Korrosion und Korrosionsschutz, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/105801
