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Korrosion - Ursachen & Folgen; Korrosionsschutz
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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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KORROSION corrodere, lat.: zerfressen
Rost an Tragekonstruktionen
rostendes Auto
Erosion an PE-Rohr Korrosion als Vorgang, der zur Schädigung
von WS führt, mitunter zu Versagen eines
technischen Produkts
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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KORROSION corrodere, lat.: zerfressen
Schätzung: Korrosion verursacht in Deutschland Schäden in Höhe von etwa
4% der Bruttosozialproduktes (2010: 2532 Mrd. €) jährlich
Korrosion als Schadensursache gleichrangig mit Verschleiß
„negatives Image“ des Vorgangs schon im Altertum bekannt: PLATON be-
schreibt Rost „als das Erdige, das sich aus Metall ausscheidet“
Korrosion gilt nicht nur für metallische, sondern auch für
nichtmetallische und organische Werkstoffe
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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13. KORROSION UND KORROSIONSSCHUTZ
13.1. EINFÜHRUNG
13.2. KORROSION
13.3. KORROSIONSSCHUTZ
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Einführung
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Korrosion Korrosion ist die physikochemische Wechsel-
wirkung zwischen einem Metall und seiner
Umgebung, die zu einer Veränderung des
Metalls führt und zu erheblichen Beeinträch-
tigungen der Funktion des Metalls, der Um-
gebung oder des technischen Systems, von
dem diese einen Teil bilden, führen kann.
Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemi-
scher Natur.
Normung EN ISO 8044: Grundbegriffe und Definitionen
50900: elektrochemische Begriffe
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Korrosions-system
Ein Korrosionssystem ist ein System, das aus
einem oder mehreren Metallen und jenen
Teilen der Umgebung besteht, die die Korro-
sion beeinflussen.
Bemerkung: Teile der Umgebung können z.B. Beschichtun-
gen, Oberflächenschichten oder zusätzliche Elektroden
sein.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Korrosions-erscheinung
Eine Korrosionserscheinung ist eine durch
Korrosion verursachte Veränderung in einem
beliebigen Teil des Korrosionssystems.
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Korrosionserscheinungen sind qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen:
Risse, Löcher, Mulden oder flächige Wanddickenminderungen am WS:
Rißkorrosion Lochkorrosion Muldenkorrosion Flächenkorrosion
grundlegende Korrosionsreaktion:
Korrosionserscheinungen
Werkstoff Medium
(Angriffsmittel) KORROSIONS-
PRODUKTE +
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Korrosions-schaden
Ein Korrosionsschaden ist eine Korrosions-
erscheinung, die eine Beeinträchtigung der
Funktion des Metalls, der Umgebung oder
des technischen Systems, von dem diese ei-
nen Teil bilden, verursacht.
Bemerkung: Bei dekorativen Flächen kann dies bereits eine
Verfärbung sein, während z.B. bei einem Kanaldeckel eine
Rostschicht noch keinen Schaden darstellt.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Schwächung der Querschnitte:
Folge: höhere Spannung mit größerer Dehnung unter Last (zunächst ela-
stisch, dann plastisch) evtl. Brüche oder Durchrosten von Rohren mit
Leckagen
Werkstoffabtrag betrifft die Randschichten starke Verminderung der
Flächenmomente (maximale Spannungen)
Verletzung der Oberfläche:
Kerbwirkung mit Abfall der Dauerfestigkeit dynamisch beanspruchter Bau-
teile, evtl. Minderung der dekorativen Wirkung
Auswirkungen
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Dauerversuche in Salzlösung führen nicht zu Dauerfestigkeit ( Schwin-
gungsrißkorrosion)
Volumenvergrößerung durch das Korrosionsprodukt:
Blockierung beweglicher Teile oder Sprengwirkung in engen Spalten
„Festrosten“ von Schrauben oder Nabe/Welle-Verbindungen, Aufwölben von
Lackschichten oder Punktschweißnähten durch Rost
Auswirkungen
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Korrosions-versagen
Ein Korrosionsversagen ist ein Korrosions-
schaden, der durch den vollständigen Verlust
der Funktionsfähigkeit des technischen Sy-
sytems gekennzeichnet ist.
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Korrosions-produkt
Ein Korrosionsprodukt ist ein Stoff, der als
Ergebnis von Korrosion gebildet wird.
Bemerkung: Korrosion muß nicht zwangsläufig Zerstörung bedeuten.
Bsp.: Eisenbahnschienen, die über Jahre mit einer bestimmten Korro-
sionsgeschwindigkeit rosten, ohne daß sie in ihrer Funktionsfähigkeit
innerhalb der zu erwartenden Lebensdauer beeinträchtigt werden.
Werkstoff
metallisch anorganisch
organisch
Angriffsmittel (Flüssigkeiten, Gase, Feststoffe)
Korrosionsprodukte (löslich, locker, festhaftend)
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Zunder: örtlich verstärkt als Zunderausblühung
auftretend oder mit höherem S-Gehalt auch als
Schwefelpocken bezeichnet
Zunder besteht vorwiegend aus Oxiden, die bei
höheren Temperaturen an der Oberfläche entste-
hen, z.B. bei Ofenbauteilen oder Wärmekraftan-
lagen
bei Wärmebehandlungen wird Zunder durch
Schutzgas verhindert
Korrosionsprodukte
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Rost:
Flugrost bei beginnender Rostbildung auf Eisen
Fremdrost sind Ablagerungen auf fremden Me-
talloberflächen
Rost entsteht bei der Korrosion von Stahl und
Eisen und ist schichtartig aus den Oxiden und
Hydroxiden des Eisens zusammengesetzt
Korrosionsprodukte
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Deckschichten:
Verlangsamung bzw. Hemmung der Korrosion,
wenn das Korrosionsprodukt dichte und festhaf-
tende Schichten bildet, die die Oberfläche
gleichmäßig bedecken
Bsp.: Bleisulfatschicht auf Blei in Schwefel-
säure oder Patina (ital. „dünne Schicht“) auf
Kupferdächern (u.a. basische Kupferhydroxid-
carbonate)
Korrosionsprodukte
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Passivschichten:
sehr dünne (ca. 10 nm) vom Werkstoff und Korro-
sionsmedium gebildete Schichten mit geringen
Ionenleitfähigkeiten; geben dem WS ein höheres
Potential
Bsp.: Oxidschichten auf Cr- und CrNi-Stählen,
Aluminiumoxid auf Al (evtl. durch anodische
Oxidation verstärkt Eloxal-Verfahren)
Korrosionsprodukte
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Korrosions-schutz
Unter Korrosionsschutz versteht man eine
Veränderung eines Korrosionssystems, daß
Korrosionsschäden verringert werden kön-
nen.
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Korrosionsursachen
chemische Reaktionen:
unmittelbare Reaktion von Metallen mit der Umgebung (direkter Elektronen-
transfer): Metall + Sauerstoff → Metalloxid
bei hohen Temperaturen: Hochtemperatur-/Heißgaskorrosion Korrosions-
produkt („Zunder“ als Abbrand) wächst schichtweise auf dem Grundmetall
meist durchlässig, weiteres Wachstum durch Diffusion möglich
Anlaßfarben bei Stahl und „Anlaufen“ von Me-
tallen beruht auf der Bildung von Oxid- bzw.
Sulfidschichten
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Korrosionsursachen
metallphysikalische Prozesse:
oberflächliche Auflösung bei Kontakt mit Metallschmelzen
Bsp.: Druckgußformen für Al-Legierungen haben kleinere Standmengen,
da bei den hohen Gießtemperaturen Fe aus der Oberfläche des Werk-
stückes herausgelöst wird
Gitterumwandlung bei tiefen Temperaturen
„Zinnpest“: Umwandlung von tetragona-
lem –Sn in rhomboedrisches –Sn mit grö-
ßerem Volumen bei ϑ < 13 °C
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Korrosionsursachen
Eindiffundieren von Wasserstoff in Zwischengitterplätze
„Beizsprödigkeit“: Abfall der Zähigkeit nach dem Beizen in Säuren bei
abgeschreckten oder kaltverfestigten Stählen
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Korrosionsursachen
elektrochemische Reaktionen:
zwei Teilreaktionen (Oxidation/Reduktion), die überwiegend räumlich ge-
trennt sind Ladungstransfer über elektrische Ströme
Anwesenheit leitender Medien zum Elektronentransport notwendig
Elektrolytlösungen
Salzschmelzen (Schmelzflußelektrolyse)
durch elektrische Felder ionisierte Luft (z.B. Blitze, Lichtbögen oder
auch Gase mit hohem Unterdruck und hohen Temperaturen [PVD-Verfah-
ren])
spezielle Polymere und Oxidkeramiken in Brennstoffzellen (Feststoffel-
ektrolyte)
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Korrosionsursachen
Entstehung von sogenannten „galvanischen Elementen“ (siehe dort)
Wegen der Häufigkeit von Kontakten von Werkstücken und Bauteilen mit
Wasser (Regenwasser, Brauchwasser usw.) wichtigste Korrosionsursache!
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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alle WS bzw. die daraus hergestellten Erzeugnisse, Anlagen, Konstruktionen
und Gebäude unterliegen bei ihrer Anwendung der materiellen Abnutzung
Abnutzung kann durch mechanische, thermische, chemische, elektroche-
mische, mikrobiologische, elektrische und strahlungsbedingte Einflüsse her-
vorgerufen werden
Abnutzungsarten
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Übersicht über Abnutzungsarten:
Abnutzungsarten
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Korrosion vs. Verschleiß
Korrosion Verschleiß
Veränderungen an der WS-
Oberfläche ausschließlich durch mechanische Einwirkung
Veränderungen durch chemische,
elektrochemische & metallphysi-
kalische Reaktionen
geänderte chemische Zusammensetzung
unveränderte chemische Zusammensetzung
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KOMPLEXBELASTUNG
mechanisch chemisch
KORROSION VERSCHLEISS
50320 EN ISO 8044 Gleitverschleiß
Rollverschleiß
Wälzverschleiß
Schwingungsverschleiß
Strömungsverschleiß
Strahlverschleiß
Reibverschleiß
Kavitationsverschleiß
Erosionsverschleiß
Korrosion vs. Verschleiß
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Korrosionsbelastungen
12944: „Korrosionsbelastungen sind alle Umgebungsfaktoren, welche
die Korrosion fördern“
atmosphärische Korrosion:
Korrosionsgeschwindigkeit in der Atmosphäre ist unbedeutend, sofern die
Luftfeuchtigkeit an der Stahloberfläche <60%
Korrosionsgeschwindigkeit steigt (insbesondere bei mangelnder Belüftung)
mit steigender Luftfeuchtigkeit
bei Bildung/Anwesenheit von Kondens-/Niederschlagswasser
mit zunehmender Verunreinigung der Atmosphäre durch Schadstoffe, die
die WS-Oberfläche beeinflussen und/oder sich darauf ablagern können
(Schadstoffe: Gase SO2, Salze Chloride und Sulfate)
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Korrosionsbelastungen
Belastung der Atmosphäre mit SO2:
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Korrosionsbelastungen
Einteilung der Umgebungsbedingungen:
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Korrosion
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elektrochemische Grundlagen
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elektrochemische Grundlagen
Elektrolyt Medium, in dem der elektrische Strom trans-
portiert wird.
EN ISO 8044: Grundbegriffe und Definitionen
50900: elektrochemische Begriffe
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elektrochemische Grundlagen
Elektrode
Elektronenleiter im Kontakt mit einem Elektro-
lyten.
Bemerkung: Im elektrochemischen Sinne ist die Elektrode
tatsächlich begrenzt auf die enge Region zu beiden Seiten der
Phasengrenze dieses Systems.
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elektrochemische Grundlagen
Anode
Elektrode, an der die anodische Reaktion über-
wiegt.
Bemerkung: An der Anode finden Oxidationsreaktionen
(„anodische Oxidationen“) statt.
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elektrochemische Grundlagen
Kathode
Elektrode, an der die kathodische Reaktion
überwiegt.
Bemerkung: An der Kathode finden Reduktionsreaktionen
(„kathodische Reduktionen“) statt.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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elektrochemische Grundlagen
Elektroden-reaktion
Phasengrenzreaktion, die dem Ladungs-
austausch zwischen einem Elektronenleiter
und einem Elektrolyten äquivalent ist.
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Vorgänge bei der Korrosion finden an der Phasengrenze zwischen dem
Werkstoff Metall (als Elektrode) und dem Medium (als Elektrolyt) statt:
Lösungsdruck (anodische Teilreaktion/Oxidation): Metall-
atome gehen als Metall-Kationen in Lösung und lassen El-
ektronen im Metall zurück:
Me → Men+ + n e-
anodischer Teilstrom iA
Elektrodenreaktionen
elektrochemische Grundlagen
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Abscheidungsdruck (kathodische Teilreaktion/Red.): ge-
löste Metall-Kationen nehmen an der Phasengrenze Elek-
tronen auf und scheiden sich an der Oberfläche als Metall-
atome ab:
Men+ + n e- → Me
kathodischer Teilstrom iK
Gleichgewichtsprozeß: Me ⇄ Men+ + n e-
Elektrodenreaktionen
elektrochemische Grundlagen
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Metalle, bei denen der Lösungsdruck überwiegt, nennt man unedle Metalle:
Me ⥂ Men+ + n e-
unedle Metalle haben also ein starkes Bestreben, sich
in einem Elektrolyten aufzulösen iA > iK
Elektronen bleiben an der Elektrodenoberfläche
zurück negative Aufladung der Elektrode
Elektrodenreaktionen
elektrochemische Grundlagen
Zn/Zn2+-Halbzelle
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nahe der Phasengrenze bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht,
vergleichbar mit einem Kondensator Spannungsdifferenz/Elektrodenpo-
tential
mittlere Ausdehnung senk-
recht zur Oberfläche: in Me-
tallen etwa 0,1 nm, im Elek-
trolyten 0,1 - 10 nm
Elektrodenreaktionen
elektrochemische Grundlagen
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Metalle, bei denen der Abscheidungsdruck überwiegt, sind edle Metalle:
Men+ + n e- ⥂ Me
edle Metalle haben ein starkes Bestre-
ben, sich an der Metalloberfläche ab-
zuscheiden iK > iA
Elektronenmangel an der Elektroden-
oberfläche „positive“ Aufladung der
Elektrode
Elektrodenpotential: positiv gegenüber Potentialen von unedlen Metallen
Elektrodenreaktionen
elektrochemische Grundlagen
Cu/Cu2+-Halbzelle
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½ H2 ⇄ H+ + 1 e- E0 = 0 V
Au ⇄ Au+ + 1 e- E0 = 1,68 V
Fe ⇄ Fe2+ + 2 e- E0 = -0,44 V
Al ⇄ Al3+ + 3 e- E0 = -1,66 V
Mg ⇄ Mg2+ + 2 e- E0 = -2,36 V
Cu ⇄ Cu2+ + 2 e- E0 = 0,35 V
Pb ⇄ Pb2+ + 2 e- E0 = -0,13 V
Ag ⇄ Ag+ + 1 e- E0 = 0,80 V
Pt ⇄ Pt2+ + 2 e- E0 = 1,20 V
Spannungsreihe
elektrochemische Grundlagen
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elektrochemische Grundlagen
Elektrodenpotentiale einzelner Halbzellen sind nicht meßbar, es kann nur
die Spannungsdifferenz zwischen zwei Halbzellen (galvanisches Element)
gemessen werden
Nullpotential: Standardwasserstoffelektrode (SHE) mit
definierten Bedingungen
Messungen von Halbzellen gegen die SHE führen zur
elektrochemischen Spannungsreihe
galvanische Elemente
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elektrochemische Grundlagen
Aufbau eines galvanischen Elementes:
Elektronenstrom von Anode (Donator) zur Kathode (Akzeptor)
Funktionsweise von Batterien
beruht auf dem Prinzip eines
galvanischen Elementes, z.B.
DANIELL-Element
galvanische Elemente
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elektrochemische Grundlagen
Zusammenfassung:
galvanische Elemente
Bauteil Reaktionen
Anode: unedel, wird verbraucht
anodische Reaktionen: Anodenmetall wird zum Kation oxidiert
und löst sich im Elektrolyten , Elektronen fließen über den me-
tallischen Leiter zur Kathode
Elektrolyt enthält Ionen in wäßriger Lösung und ermöglicht ihre Wande-
rung durch H2O-Dipole
Kathode: edel, ist geschützt
kathodische Reaktionen: Elektronen ziehen die positiven H+-
Ionen an und reduzieren sie zu H2 oder reduzieren den gelösten
Sauerstoff zu OH--Ionen
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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elektrochemische Grundlagen
DANIELL-Element (1836):
historisches galvanisches Element aus einer Zink-
und einer Kupfer-Halbzelle
Zellendiagramm: Zn/Zn2+⫽Cu2+/Cu
theoretische Spannung bei Standardbedingungen:
E = E0(Cu/Cu2+) - E0(Zn/Zn2+) = 0,35 V – (-0,76 V)
E = 1,11 V
galvanische Elemente
historische Bauform
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Elektroden-reaktionen
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Elektrodenreaktionen
anodische Reaktion (Metallauflösung)
Die Korrosionsreaktion (Oxidation des Metalls) findet an der
Metalloberfläche, also an der Phasengrenze zum wäßrigen
Medium, dem Elektrolyten, statt:
Me (s) → Men+ (aq) + n e-
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Elektrodenreaktionen
kathodische Reaktion
Gleichzeitig mit der Metallauflösung findet die Reduktion
eines Oxidationsmittels an der Phasengrenze im Elektrolyten
statt.
Als Oxidationsmittel wirken Protonen, H+ (Säurekorrosion),
oder der im Wasser gelöste Sauerstoff, O2 (Sauerstoffkorro-
sion).
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elektrochemische Grundlagen
Korrosionselement: zwei Metalle, die lei-
tend miteinander verbunden sind, oder
Bereiche desselben WS mit unterschied-
lichen Potentialen bei Benetzung mit ei-
nem Elektrolyten (ugs. kurzgeschlossene
galvanische Zelle)
wegen Ladungsaustausch über leitende Verbindungen keine Gleichgewichts-
einstellung möglich stärkere Anodenreaktion führt zu allmählicher Auflö-
sung der Anode
Korrosionselement
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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elektrochemische Grundlagen
Auflösung erfolgt um so schneller, je größer der anodische Teilstrom iA ist
(iA für U )
anodische Teilstromkurve verschiebt sich bei edleren Metallen zu höheren
Potentialen
Korrosionselement
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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elektrochemische Grundlagen
Lokalelement:
kleinflächige (< 1 mm2) Korrosionselemente (Kon-
taktelemente)
Lokalelemente können an Berührungsstellen von
unterschiedlichen Metallen durch Einwirkung von
Feuchtigkeit entstehen
Berührungsstellen: Lötstellen, Schweißnähte,
Vernietungen, Verschraubungen, beschädigte
Beschichtungen, angekratztes Weißblech
Korrosionselement
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elektrochemische Grundlagen
Konzentrationselement:
Metalloberfläche, benetzt von einem Elektrolyten mit lokal unterschiedli-
cher Konzentration oder Temperatur
Belüftungselement:
Korrosionselement, bei dem der Sauerstoffgehalt im Elektrolyten variiert
Korrosionselement
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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elektrochemische Grundlagen
Vorgänge an der Kathode:
keine Metall-Metallionen-Reaktion möglich (keine edleren Ionen im Elektro-
lyt)
kathodische Teilreaktion: elektrolytische Redoxreaktion, bei der Elektronen
aus der Kathode in den Elektrolyten übertreten
zwei unterschiedliche Kathodenreaktionen – vom pH-Wert und vom Sauer-
stoffgehalt des Elektrolyten abhängig:
Wasserstoff- oder Säurekorrosion: 2 H+ + 2 e- → 2 H → H2
Sauerstoffkorrosion: O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-
Korrosionselement
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elektrochemische Grundlagen
Übersicht Korrosionselemente:
Korrosionselement
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Säurekorrosion
kathodische Reduktion der Wasserstoff-Io-
nen bei Sauerstoffmangel:
2 H+ + 2 e- → 2 H → H2 ↑
kathodische Teilstromkurve im sauren Me-
dium (pH < 7) zu höherem Potential ver-
schoben
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Elektroden-reaktionen
Säurekorrosion
Summenstrom I aus anodischem Teilstrom
iA und kathodischem Teilstrom iK ist durch
Anlegen einer Fremdspannung meßbar (im
Gegensatz zu den Teilströmen!)
Summenstrom „verschwindet“ (I = 0)
bei Ruhepotential UR GG-Zustand
Korrosionselement: Gleichgewicht zwischen anodischem und kathodischem
Teilstrom UR ist das freie Korrosionspotential, das sich in einem Korro-
sionselement einstellt
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Säurekorrosion
unterschiedliche Auswirkung der Korrosion:
unedle Metalle (Kurve 1) besitzen ein
freies Korrosionspotential UR1 mit ho-
hen Teilströmen schnelle Auflösung
des Metalls
edlere Metalle werden weniger ange-
griffen, weil die Teilströme bei UR2
geringer sind (Kurve 2) oder sind be-
ständig, weil kein Gleichgewichtszu-
stand erreicht werden kann (Kurve 3)
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Sauerstoffkorrosion
kathodische Reduktion des im Elektroly-
ten gelösten Sauerstoffs:
O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-
kathodische Teilstromkurve: in einem gro-
ßen Po tentialbereich ist iK praktisch kon-
stant mit vielen WS können sich freie
Korrosionspotentiale ausbilden
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Sauerstoffkorrosion
Kathodenpotential UK ist hier so hoch, daß auch edle Metalle anodisch auf-
gelöst werden können
iK für [O2] höhere Korrosionsgeschwindigkeit bei hoher Sauerstoff-
Konzentration
bekanntester Vorgang der Sauerstoffkorrosion ist Rosten von Eisen und Stahl
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Korrosion des Eisens
Gesamtübersicht:
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Korrosion des Eisens
Elektrodenreaktionen:
anodische oder Primäroxidation: 2 Fe → 2 Fe2+ + 4 e-
kathodische Reduktion: O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-
Gesamtreaktion: 2 Fe(s) + O2(aq) + 2 H2O(l) → 2 Fe2+(aq) + 4 OH-(aq)
Hydroxid-Ionen bilden sich bevorzugt in der sauerstoffreichen Randzone
von Wassertropfen, während die Fe2+-Ionen in der Tropfenmitte entstehen
Diffusion bewirkt, daß sich beide Ionen zwischen Tropfenmitte und –rand
treffen Bildung eines porösen Niederschlags von Fe(OH)2 (Fällung):
2 Fe2+(aq) + 4 OH-(aq) → Fe(OH)2(s) ↓
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Korrosion des Eisens
Sekundäroxidation: Fe(OH)2 wird durch Luftsauerstoff zu Eisenoxidhydroxid
oxidiert:
2 Fe(OH)2(s) + 0,5 O2(g) → FeO(OH)(s) + H2O(l)
Rostbildung:
2 FeO(OH)(s) → Fe2O3 H2O(s)
Bildung weiterer (gemischter) Eisenoxide (bei O2-Mangel):
6 Fe(OH)2(s) + O2(aq) → FeO Fe2O3 H2O(s) + 4 H2O(l)
2 FeO Fe2O3 H2O(s) → FeO Fe2O3 (s)
Fe(OH)2 (s) → FeO(s) + H2O(l)
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Korrosion des Eisens
korrodierte Gegenstände:
innerste Schicht schwarzer Rost (FeO, Fe3O4)
äußere Schichten grüner Rost (Fe3O4H2O) bzw. roter Rost (Fe2O3H2O)
primär gebildete Rostschicht hemmt die Nachlieferung von O2 durch Diffu-
sion in tiefere Zonen Auftreten von „unvollständiger“ Oxidation des
Fe(OH)2
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Korrosion des Eisens
Oberflächenschichten von korrodiertem Eisen:
36,0%
32,1%
29,7%
22,3%
0,0%
Angabe des prozentualen Sauerstoff-Gehaltes der Schichten
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Elektroden-reaktionen
Korrosion des Eisens
Rostschicht kann das Eisen nicht vor weiterer Korrosion schützen, weil die
Stellen der Eisenauflösung und der Rostentstehung nicht identisch sind
Schicht ist außerdem spröde und porös und nimmt weiter Wasser auf
Korrosionsvorgang wird bei Anwesenheit von Salzen stark beschleunigt
Erhöhung der Leitfähigkeit des Wassers Ladungstransport über größere
Entfernungen möglich
Abwesenheit von Sauerstoff verringert Rostvorgang stark
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
69
Korrosions-arten
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
70
Korrosions-arten
Erscheinungsformen der Korrosion sind vom Werkstoff und auch von der
Korrosionsart (eigentliche Korrosionsursache) abhängig
Korrosionsart und Korrosionsform lassen sich aber nicht immer eindeutig
einander zuordnen
keine einheitliche Terminologie für Korro-
sionsarten und/oder Korrosionserschei-
nungen
EN ISO 8044 nennt 37 (39?) ver-
schiedene Arten von Korrosion!
Einführung
Flächenkorrosion
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
71
Korrosions-arten
übliche Unterteilung der Korrosionsarten:
Einführung
Korrosion ohne mechanische
Beanspruchung Korrosion mit mechanischer
Beanspruchung
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
72
Korrosions-arten
Flächenkorrosion
gleichmäßige Flächenkorrosion führt zu gleichförmiger Abtragung von WS an
der Oberfläche
Entstehung durch Witterungseinflüsse in Verbin-
dung mit Staub und Gasen ( saurer Regen)
Voraussetzung: ständiger Wechsel der anodischen
und kathodischen Teilbe-reiche (sonst Muldenkor-
rosion)
Klimaeinfluß auf die Abtragungsge-
schwindigkeit in µm/Jahr
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Korrosions-arten
Flächenkorrosion
wegen Vorhersehbarkeit eher unproblematisch
relativ langsam, da die Stromdichten wegen der großen Flächen gering blei-
ben
meist „nur“ nachteiliges Oberflächenaussehen als Folge
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
74
Korrosions-arten
Flächenkorrosion
Beispiel Hochspannungsmast
Stahlkonstruktionen wie Hochspannungsmasten aus wetter-
festem Stahl sind häufig gleichmäßiger Flächenkorrosion
ausgesetzt.
Wenn der Korrosionsabtrag bei der Planung
und Konstruktion berücksichtigt wurde, ist die
Standsicherheit während der vorgegebenen
Nutzungsdauer nicht gefährdet.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
75
Korrosions-arten
Flächenkorrosion
metallographisches Schliffbild
Im metallographischen Schliff eines Bauteils mit gleichmä-
ßiger Flächenkorrosion ist zu erkennen, daß die Oberfläche
gleichmäßig abgetragen ist und sich eine gleichmäßige
Schicht aus Korrosionsproduk-
ten gebildet hat.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
76
Korrosions-arten
Muldenkorrosion
Beispiel Wasserrohr
Muldenkorrosion ist eine Form der lokalen Korrosion. Dabei
werden bei ungleichmäßigem Flächenabtrag Mulden gebil-
det, deren Durchmesser größer
als ihre Tiefe ist.
Muldenkorrosion an einem Wasserrohr
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Korrosions-arten
Muldenkorrosion
metallographisches Schliffbild
Metallographischer Schliff einer Korrosionsmulde
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Korrosions-arten
Lochkorrosion
örtlich begrenzte Korrosion mit unterschiedlichen Erscheinungsformen
Lochfraßstelle: meist tiefer als breit, steile Ränder,
die z.T. unterhöhlt sind
außerhalb des örtlichen Korrosionsangriffes praktisch
kein Flächenabtrag
Einleitung:
Störstellen in der Bauteiloberfläche durch inhomogenen Werkstoffe
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
79
Korrosions-arten
Lochkorrosion
örtliche Verletzung einer schützenden
Schicht
Verdrängung eines O2--Ions aus einer
Oxidschicht durch ein Chloridion
Anlagerung weiterer Cl--Ionen
Angriffspunkt für Korrosion
Repassivierung möglich
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
80
Korrosions-arten
Lochkorrosion
fortschreitende Lochkorrosion:
geringer Lochdurchmesser geringe O2-Diffusion in das Loch Behin-
derung der Repassivierung
Sauerstoffgehalt außerhalb des Lochs wesentlich größer als im Loch
Bildung eines Konzentrationselements
Anode: winziges Loch, Kathode: restliche Oberfläche Korrosion schrei-
tet mit großer Geschwindigkeit (vKorr ~ AKathode/AAnode) voran
gelöstes Metall im Loch bildet z. B. mit Chloridionen Salze Hydrolyse:
Ansäuerung des Elektrolyten durch Oxoniumionen (pH-Wert ) Korro-
sionspotential , Korrosionsgeschwindigkeit
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Korrosions-arten
Lochkorrosion
kritische Bedingungen für das Auftreten von Lochkorrosion:
hoher Cl-–Gehalt des Elektrolyten
hohe Temperaturen
niedriges WS-Potential
saurer Elektrolyt
geringe O2-Konzentration im Elektrolyten
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82
Korrosions-arten
Lochkorrosion
Beispiel Trinkwasserrohr Der Rohrbruch ist an dem horizontal verlegten
Warmwasserrohr an der Unterseite entstan-
den. Es hat sich ein Hof von Korrosionsproduk-
ten und auskristal-
lisierten Wasserin-
haltsstoffen um die
Leckage gebildet.
Trinkwasserrohr aus verzinktem Stahl mit Lochkorrosion
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
83
Korrosions-arten
Lochkorrosion
Beispiel Heißdampfrohr
Lochkorrosion an einem Heißdampfrohr aus unlegiertem Stahl
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84
Korrosions-arten
Lochkorrosion
Beispiel Warmwasserrohr
Elektrode,
Lochkorrosion in einem Warmwasserohr aus verzinktem Stahl; der Korrosionsvorgang wurde durch Cu2+-Ionen im Wasser ausgelöst.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
85
Korrosions-arten
Lochkorrosion
metallographisches Schliffbild 1
Im metallographischen Querschliff sind die
lochförmigen Korrosionsangriffe auf das
Grundmaterial zu erkennen.
Diese Erscheinungsform dieser Lochkorrosion
ähnelt einer Korro-
sionsmulde.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
86
Korrosions-arten
Lochkorrosion
metallographisches Schliffbild 2
Zuweilen wird die Metalloberfläche durch
Lochkorrosion stark unterhöhlt. Diese Erschei-
nungsform ist von außen nur durch winzige,
nadelstichartige Löcher zu erkennen und wird
häufig bei Lochfraß an nichtrostenden Edel-
stählen beobachtet.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Korrosions-arten
Lochkorrosion
metallographisches Schliffbild 3
metallographischer Schliff eines Kupferrohrs mit Lochkorrosion
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88
Korrosions-arten
Spaltkorrosion
EN ISO 8044: „Spaltkorrosion ist eine örtliche Korrosion in Zusammen-
hang mit Spalten, die in bzw. unmittelbar neben einem Spaltbereich ab-
läuft, der sich zwischen der Metalloberfläche und einer anderen Oberfläche
(metallisch oder nichtmetallisch) ausgebildet hat.“
Spaltkorrosion tritt bei Vorhandensein eines korrosiven Mediums in nicht
abgeschlossenen Auflagespalten wie Überlappungen, aufgesetzten Stegen
und bei nicht durchgeschweißten Schweißnähten auf
treibende Kraft: Konzentrationsunterschied zwischen Spalt und Außen-
spaltbereich des korrosiven Mediums
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
89
Korrosions-arten
Spaltkorrosion
Konzentrationsunterschied Potentialdifferenz elektrochemische Korro-
sion des Spaltes („Wasserstofftyp“ oder der direkten Umgebung („Sauer-
stofftyp“)
Vermeidung von Spaltkorrosion:
konstruktionsseitiger Verzicht auf Spalten oder ausreichend große Dimensio-
nierung (> 0,5 mm), daß Spaltkorrosion vermieden wird
konstruktiv unvermeidliche Spalten (z.B. bei korrosionsge-
fährdeten Schrauben und Muttern) können mit Kunststoffen
versiegelt werden ( Loctite®)
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
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Korrosions-arten
Spaltkorrosion
Beispiel Rohrflansch
Spaltkorrosion auf dem Flansch eines Rohres aus nichtrostendem Stahl
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Korrosions-arten
Spaltkorrosion
Stahlradiator (sog. Flachradiator) mit Spalt-
korrosion in den Verbindungsbereichen der
tiefgezogenen und punktgeschweißten
Stahlbleche.
Beispiel Stahlradiator
Stahlradiator mit Spaltkorrosion
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Korrosions-arten
Spaltkorrosion
Stahlradiator Detail 1
Markierter Bildbereich aus „Beispiel Stahl-
radiator“ im Querschnitt: Korrosionspro-
dukte wachsen aus dem Spalt.
Vergrößerung
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93
Korrosions-arten
Spaltkorrosion
Spaltbereich aus „Detail 1“ nach Auftrennen
der Schweißverbindung und Entfernen der
Korrosionsprodukte.
Stahlradiator Detail 2
Vergrößerung
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
94
Korrosions-arten
Beispiel Warmwasserrohr
Ursache für die Korrosionsart ist die Bildung eines Belüf-tungselements. Häufig handelt es sich bei den Ablagerungen um eingeschleppte oder in der Nachbarschaft entstandene Korrosionsprodukte ( Muldenkorrosion).
Korrosion unter Ablagerungen
Korrosion unter Ablagerungen im Inneren eines Warmwasser-
rohres aus verzinktem Stahl (Korrosionsprodukte wurden entfernt)
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Korrosions-arten
Korrosion unter Ablagerungen
Beispiel Heizkörper
Ablagerungen von Korrosionsprodukten in einem Heizkör-
per, die häufig mit dem Heizwasser
antransportiert werden und sich im
Heizkörper absetzen.
Ablagerungen von Korrosionsprodukten in einem Heizkörper
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96
Korrosions-arten
Galvanische Korrosion
EN ISO 8044: „Bimetallkorrosion oder Kontaktkorrosion ist die galva-
nische Korrosion, bei der die Elektroden von unterschiedlichen Metallen
gebildet werden.“
Kontaktkorrosion entsteht bei einem Korrosions-
element, das aus unterschiedlichen Metallen be-
steht (Kontaktelement)
kurzgeschlossene Elektroden geringer elek-
trischer Widerstand
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
97
Korrosions-arten
Galvanische Korrosion
Makroelement: beide Elektroden sind verschiedene Bauteile
Makroelemente entstehen z.B., wenn Verbindungsschrauben aus einem an-
deren WS bestehen als die verbundenen Teile Korrosionsgeschwindigkeit
hängt von Größenverhältnis von Anoden- und Kathodenfläche ab
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
98
Korrosions-arten
Galvanische Korrosion
Kombination A: Verbindung von Stahlteilen mit
Kupfernieten
kleine Kathodenfläche der edleren Kupfernie-
ten begrenzt den fließenden Gesamtstrom
Gesamtstrom verteilt sich auf die große Ano-
denfläche der Stahlteile geringe Stromdich-
te vernachlässigbare Korrosionseffekte
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
99
Korrosions-arten
Galvanische Korrosion
Kombination B: Verbindung von Kupferblechen
mit Stahlnieten oder –schrauben
umgekehrte Verhältnisse wie in Kombination A
Elektrolyte geringer Aggressivität führen zu
einer starken Korrosion der Verbindungsele-
mente
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
100
Korrosions-arten
Galvanische Korrosion
Beispiel Heizölleitung
Der Schaden der im feuchten Erdboden verlegten Verteilungsleitung
für Heizöl (bestehend aus Al-Rohr, Cu-
Rohr und T-Stück aus Messing mit Über-
wurfmuttern aus unlegiertem Stahl)
wurde durch Kontaktkorrosion von au-
ßen ausgelöst und entstand am Al-Rohr,
dem elektrochemisch unedelsten WS in
dieser Kombination.
Kontaktkorrosion an einer Verteilungsleitung aus verschiedenen Metallen
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
101
Korrosions-arten
Galvanische Korrosion
Das Gewinde des Stahlrohrs wird durch galvanische Korro-
sion abgetragen.
Beispiel Wasserleitung
Kontaktkorrosion an Installationsbauteilen aus verzinktem Stahl und Messing
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
102
Korrosions-arten
Galvanische Korrosion
Beispiel Stahlbeton
Nicht unterschiedliche Metalle, sondern un-
terschiedliche Korrosionszustände auf der
Oberfläche sind Ursache für Betonschäden,
die durch die Korrosion der Stähle ausgelöst
wird, die dicht unter der Betonoberfläche
liegen.
Betonschäden infolge Korrosion des Armierungsstahls
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
103
Korrosions-arten
Galvanische Korrosion
Bewehrungsstähle mit ausreichender Betonüberdeckung werden vor Korrosion geschützt. Liegen Teile hiervon zu dicht unter der Betonoberfläche, so geht der Schutz verloren: Diese Bereiche wer- den elektrochemisch unedler als die übri- gen, geschützten Bereiche derselben Be- wehrungsstähle und es findet galvanische Korrosion statt.
Stahlbeton Detail
korrodierte Bewehrungsstähle
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
104
Korrosions-arten
selektive Korrosion
selektive Korrosion bedeutet Angriff des Korrosionsmittels auf Gefügebe-
standteile, korngrenzennahe Bereiche oder Legierungselemente, die uned-
ler als die Umgebung sind
Bsp.: Korrosionsart Erläuterung
Entzinkung von zweiphasi-
gen CuZn-Legierungen
Die zinkreichere -Phase ist Anode, der Cu-Anteil schei-
det sich als lockere Schicht ab.
CuAl-Legierungen mit Aus-
scheidungen von CuAl2
CuAl2 ist Kathode, während das Al anodisch angegriffen
wird.
Spongiose bei perlitischem
Gußeisen in Wasser oder
Dampf
Umwandlung von Ferrit in Eisenoxidhydrat. Es verbleibt
ein Gerüst aus Graphit und Phosphid-Eutektikum, so daß
die Bauteilform erhalten bleibt.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
105
Korrosions-arten
selektive Korrosion interkristalline Korrosion
interkristalline Korrosion (auch Kornzerfall genannt) führt zu Auslösung von
Gefügebestandteilen aus dem metallischen Verband
Entstehung u.a. durch Veränderung der Korngren-
zen, indem sich Chromcarbide bilden Auflö-
sung der Korngrenzen: Metall kann mit der Hand
zu Pulver zerrieben werden
transkristalline Korrosionsrisse verlaufen bevorzugt entlang derjenigen
Gleitebenen, auf denen sich infolge plastischer Verformungen eine erhöhte
Versetzungsdichte und damit ein höherer Energiezustand eingestellt hat
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
106
Korrosions-arten
selektive Korrosion interkristalline Korrosion
besonders gefährlich: Korrosion im Korngrößenbereich ist für das mensch-
liche Auge nicht sichtbar
Bsp.: austenitische CrNi-Stähle scheiden beim Schweißen an den Korngren-
zen Chromcarbide aus Kornrand (an Cr verarmt) wird anodisch und geht
in Lösung Kornriß zwischen den Körnern
Verhinderung:
Absenkung des C-Gehaltes auf < 0,03% keine Carbid-Ausscheidung
mehr möglich (X2CrNi18-9)
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
107
Korrosions-arten
selektive Korrosion interkristalline Korrosion
Zusatz von Carbidbildnern (Ti, Ta, Nb…) keine Chrom-Verarmung
(X10CrNiTi18-9)
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
108
Korrosions-arten
Beispiel Abgasrohr
selektive Korrosion interkristalline Korrosion
Korrodiertes Wellrohr (Abgasrohr aus einem Schornstein) aus Chromstahl
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
109
Korrosions-arten
selektive Korrosion
metallographisches Schliffbild
Im metallographischen Schliff ist zu erkennen, daß sich die
Gefügebestandteile aus dem metallischen Verbund heraus-
gelöst haben.
interkristalline Korrosion
metallographisches Schliffbild von interkristalliner Korrosion
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
110
Korrosions-arten
Beispiel Ventilkörper
Entzinkung tritt ein, wenn der Elektrolyt den Legierungsbe-
stanteil Zink stärker angreift als den Legierungsbestandteil
Kupfer.
Cave: Cu und Zn gehen gemeinsam in Lösung! Das edlere
Cu wird wieder reduziert und bildet einen porösen Nieder-
schlag. Entzinkung ist nach Entfernung der Korrosionspro-
dukte meist schon mit bloßem Auge zu erkennen: rötliche
Oberfläche (statt einer gelbgoldenen).
selektive Korrosion Entzinkung von Messing
Entzinkung an einem Ventilkörper aus Messing
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
111
Korrosions-arten
selektive Korrosion
metallographisches Schliffbild
Schliffbild zeigt Form der Entzinkung, die sich nicht über die
gesamte angegriffenen Oberfläche ausdehnt (pfropfenförmi-
ge Entzinkung).
Entzinkung von Messing
metallographisches Schliffbild von Entzinkung
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
112
Korrosions-arten
selektive Korrosion Spongiose
lokale Korrosion von Gußeisen, bei der der WS seine Festigkeit und mecha-
nische Belastbarkeit verliert
elektrochemisch unedlere Bereiche des Gußeisens (eisenreiche Phasen: Fer-
rit, Perlit) korrodieren, die edleren Graphitanteile bleiben stabil Korro-
sionsprodukt FeOOH (Eisenschwamm)
FeOOH füllt Zwischenräume im porösen Graphitnetzwerk WS bleibt form-
stabil, läßt sich aber im fortgeschrittenen Stadium mit dem Messer schnei-
den
spongus, lat.: Schwamm
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
113
Korrosions-arten
selektive Korrosion Spongiose
Langzeitschädigung bei u.a. erdverlegten gußeisernen Rohren, die durch ge-
ringe Gehalte an Säuren oder Chlor im Erdreich, wie es in feuchten Gegen-
den, in Meeresnähe oder in der Nähe zu chemischen Betrieben vorkommt,
unterstützt wird
Gefüge des spongiosebefallenen Gußeisens (GJL/
GJS) besteht aus einer dunkelgrauen Grundmasse
(vorwiegend FeOOH) mit eingelagertem Phosphideu-
tektikum und schwarzbraunem Graphit
spongus, lat.: Schwamm
Vergrößerung 100:1
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
114
Korrosions-arten
selektive Korrosion Spongiose
bei GJL kann sich die Korrosion entlang der Graphitlamellen schnell im WS
ausbreiten, bei GJS ist die wegen der Kugelform des Graphits nicht möglich
Korrosionsschutz: Beschichtung (z.B. mit Teer oder Lack), natürlicher Schutz
durch festhaftende Rostschicht, die durch viel Feuchtigkeit entsteht
spongus, lat.: Schwamm
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
115
Korrosions-arten
Beispiel Abwasserdruckrohr
Das Rohr hielt dem Innendruck nicht mehr stand und brach.
selektive Korrosion Spongiose
Bruchschale eines Abwasserdruckrohrs aus grauem Gußeisen
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
116
Korrosions-arten
Bruchstück Detail
selektive Korrosion Spongiose
Querschnitt durch das Bruchstück aus grauem Gußeisen mit deutlicher Spongiose auf der Rohrinnenseite (oben) und geringeren Spongiosangriffen außen.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
117
Korrosions-arten
selektive Korrosion Spongiose
metallographisches Schliffbild
Vergrößerung der Spongiose im metallographischen Schliff
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
118
Korrosions-arten
selektive Korrosion Schichtkorrosion
schichtförmige Korrosion (bevorzugte Korrosion von inneren Schichten eines
WS) kann stattfinden, wenn einzelne Gefügebestandteile (Körner/Kornzei-
len) bei der Bearbeitung plastisch verformt wurden
auch eingewalzte Schlackenzeilen oder Seigerungen können Schichtkorro-
sion hervorrufen schichtförmiger Angriff, die dem der WS zeilig aufgeris-
sen wird
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
119
Korrosions-arten
selektive Korrosion Schichtkorrosion
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
120
Korrosions-arten
selektive Korrosion Schweißnahtkorrosion
selektiver Angriff in oder an der Schweißnaht eines geschweißten WS
mögliche Ursache: Ausscheidungen oder Seigerungen, die sich beim Schweiß-
vorgang in der Hochtemperatur- oder Wärmeeinflußzone in oder neben der
Schweißnaht gebildet haben
Messerschnittkorrosion: schmale rißförmige Korrosionsangriffe neben der
Schweißnaht in der Wärmeeinflußzone
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
121
Korrosions-arten
Beispiel Trinkwasserrohr
selektive Korrosion Schweißnahtkorrosion
Längsgeschweißtes verzinktes Stahlrohr (Trinkwasserrohr) mit Schweißnahtkorro-sion (und Pusteln von Korrosionsprodukten entlang der Schweißnaht) .
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
122
Korrosions-arten
Stahlrohr Detail
selektive Korrosion Schweißnahtkorrosion
Längsgeschweißtes verzinktes Stahlrohr mit Schweißnahtkorrosion (Korrosions-produkte entfernt).
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
123
Korrosions-arten
metallographisches Schliffbild 1
selektive Korrosion Schweißnahtkorrosion
Korrosionsangriff und Perforation unmittelbar neben einer Schweißnaht
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
124
Korrosions-arten
metallographisches Schliffbild 2
selektive Korrosion Schweißnahtkorrosion
Messerschnittkorrosion in der Wärmeeinflußzone einer Schweißnaht
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125
Korrosions-arten
Erosionskorrosion
EN ISO 8044: „Erosionskorrosion ist ein Vorgang, bei dem Erosion und
Korrosion gemeinsam beteiligt sind. Anmerkung: Erosionskorrosion kann
auftreten z.B. in Rohrleitungen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und
Pumpen und Rohrleitungen, die Flüssigkeiten mit suspendierten, abrasiven
Teilchen transportieren.“
Erosion (lat. erodere, abtragen) ist die mechanische Abtragung der Oberfläche durch strömende Flüssigkeit oder Gase. Mitgeführte Fest-stoffteilchen verstärken die Verschleißrate durch Abrasion (lat. abrasio, Abkratzung). Hinter Feststoffablagerungen in Leitungen bilden sich Wir-bel. Dort kann Muldenkorrosion auftreten.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
126
Korrosions-arten
Erosionskorrosion
wesentliche Einflußgröße: Strömungs-
geschwindigkeit u des korrosiven Me-
diums
WS Cu CuFe CuAl Ni-Leg.
umax in m/s 1,8 4,0 3,0 bis 30
ruhende Flüssigkeiten Stillstands-
korrosion (Loch- und Spaltkorrosion),
steigende Strömungsgeschwindigkeiten
fördern Erosion
„Opfer“: Deckschicht, die besonders bei Wirbelbildung durch Scherkräfte
verletzt wird steigende Abtragungsgeschwindigkeit
aufgetrenntes Kupferrohr mit Erosionskorrosion durch Wasser mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
127
Korrosions-arten
Kavitationskorrosion
Kavitation (lat. cavitare, aushöhlen) ist der Verschleiß durch zusammen-fallende Dampfblasen an der Oberfläche. Sie entstehen dort, wo der statische Druck in einer Flüssigkeit infolge hoher Geschwindigkeit sinkt. Wenn die Strömung sich verlangsamt, steigt der statische Druck wieder an und die Dampfblasen fallen zusammen. Dabei wirken hohe Kräfte auf die Oberfläche!
EN ISO 8044: „Kavitationskorrosion ist ein Vorgang, bei dem Kavitation
und Korrosion gemeinsam beteiligt sind. Anmerkung: Kavitationskorrosion
kann auftreten z.B. in Rotationspumpen und an Schiffspropellern.“
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
128
Korrosions-arten
Kavitationskorrosion
Unterscheidung in Strömungskavitation (z.B. bei Wasserturbinen) und
Schwingungskavitation (z.B. im Kühlkreislauf in Dieselmotoren)
Schläge der zusammenbrechenden Gasblasen
zerstören örtlich die Deckschicht,
verformen und verspröden den Werkstoff und
erhöhen die chemische Reaktionsfähigkeit
Folge: Geschwindigkeit der Abtragung steigt,
Abtragung geht lochfraßartig in die Tiefe
Kavitationskorrosion auf der Saugseite einer Kreiselpumpe
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
129
Korrosions-arten
Spannungsrißkorrosion
Spannungsrißkorrosion ist Korrosion unter statischer Festigkeitsbeanspru-
chung
Kombination trifft vor allem Bauteile in chemischen Industrieanlagen bei
der Behandlung von korrodierenden Stoffen, aber auch solche in ständigem
Kontakt mit Meerwasser
plötzliches Versagen, ohne daß größere Korrosionserscheinungen an der
Oberfläche Vorwarnung geben
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
130
Korrosions-arten
Spannungsrißkorrosion
vorhandene Mikrokerben haben erhöhte Spannungen im Kerbgrund, werden
dort plastische verformt und sind unedler als die Umgebung anodische
Abtragung Spannungen Bruch
SpRK entsteht bei statischer Belastung z.B. bei Druckleitungen und –behäl-
tern
anfällige Werkstoffe:
austenitische Stähle (durch Cl-- und OH--Ionen)
unlegierte und niedriglegierte Stähle in basischen Medien
hochfeste Al-Legierungen in feuchter Umgebung
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
131
Korrosions-arten
Spannungsrißkorrosion
Entstehungsbedingungen:
Zugspannungen (auch Eigenspannungen) unter der Streckgrenze
bestimmte Paarungen von Metall/Medium (sog. kritische Systeme)
kritische Systeme: keine Neubildung der Passivschicht an den Störstellen
interkristalline SpRK: Rißverlauf entlang der Korngrenzen im Gefüge
transkristalline SpRK: Rißverlauf quer durch die Körner des Gefüges
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
132
Korrosions-arten
Spannungsrißkorrosion
SpRK erfolgt nach drei Mechanismen:
anodische SpRK
Induktion durch Anionen (Cl-, O2-
), welche die passivierende Oberflächenschicht angreifen. In Verbindung mit Zugspan-nungen vertiefen sich die Ris-se bis zum Bruch.
kathodische SpRK
Induktion durch H-Atome, die an kathodischen Stellen redu-ziert werden und aufgrund ih-rer Größe in das Gitter auf Zwischengitterplätze eindif-fundieren. Sie führen zu Was-serstoffversprödung (wasser-stoffinduzierte SpRK).
flüssigmetallinduzierte SpRK
Auftreten bei geschweißten Stahlkonstrunktionen mit Schmelztauchüberzügen aus neueren Zn-Legierungen. Ursache: Schweißeigenspan-nungen in Verbindung mit ho-hen Temp. und best. Gehalten an der Zn-Leg. an Sn, Pb, Bi.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
133
Korrosions-arten
Beispiel Lochblech
Spannungsrißkorrosion interkristallin
Spannungsrißkorrosion an einem Lochblech zur Deckenbefestigung aus nichtrostendem Stahl
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
134
Korrosions-arten
Beispiel Messinggewinde
Spannungsrißkorrosion interkristallin
Spannungsrißkorrosion an einer Hahnverlängerung aus Messing
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135
Korrosions-arten
Beispiel Heizwendel
Spannungsrißkorrosion interkristallin
Spannungsrißkorrosion an einer Heizwendel aus nichtrostendem Stahl aus einem Wasserheizer
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136
Korrosions-arten
metallographisches Schliffbild 2
Spannungsrißkorrosion interkristallin
interkristalline Spannungsrißkorrosion an einem Cu-Werkstück
transkristalliner Verlauf der Spannungsrißkorrosion
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137
Korrosions-arten
Schwingungsrißkorrosion
Schwingungsrißkorrosion ist Korrosion unter dynamischer Festigkeitsbean-
spruchung (Wellen in Rührwerken, Pumpen, Schiffswellen)
SwRK beruht hauptsächlich auf gleichen Mechanismen wie SpRK
Schwingbeanspruchung Bildung von Extrusionen und Intrusionen Ent-
stehung von tiefen Anrissen mit einer hohen Versetzungsdichte an der Riß-
spitze
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138
Korrosions-arten
Schwingungsrißkorrosion
Gleitbänder auf der Ober- fläche einer Schwingprobe
Entstehung von Extrusionen und Intrusionen (1-4: aktive Gleitebenen)
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139
Korrosions-arten
Schwingungsrißkorrosion
fortgesetzte anodische Auflösung der aktiven
Gleitebenen bewirkt in jedem Fall einen Bruch,
weil die eventuelle Bildung von Deckschichten
länger dauert als die Reaktivierung der Gleitebe-
nen keine Angabe von Dauerfestigkeiten mög-
lich Zeitfestigkeit: WÖHLER-Kurve verläuft auch
für hohe Lastspielzahlen fallend
SwRK kann bei allen metallischen WS in allen Elektrolyten stattfinden!
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140
Korrosions-arten
Blasenbildung
EN ISO 8044: „Blasenbildung ist ein Vorgang, der als Folge von örtlicher
Materialtrennung unterhalb der Oberfläche zu blasenförmigen Aufwölbun-
gen der Oberfläche eines Objekts führt.
Blasenbildung in der organischen Beschichtung eines
metallischen Bauteils durch Bildung von Korrosions-
produkten zwischen Beschichtung und Metallober-
fläche
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141
Korrosions-arten
Blasenbildung
Anmerkung: Blasenbildung kann z.B. an beschichtetem Metall als Folge des
Verlusts des Haftvermögens zwischen der Beschichtung und dem Substrat
auftreten, der durch Anreicherung von Produkten als Folge örtlicher Korro-
sion auftritt. Bei unbeschichtetem Metall können Blasen als Folge eines er-
höhten inneren Wasserstoffdrucks auftreten.
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142
Korrosions-arten
HT-Korrosion
Hochtemperaturkorrosion: WS reagiert mit Bestandteilen der Brennstoffe
bzw. dem Umgebungsmedium (heiße Gase) Bildung von Oxid- und Sulfid-
schichten
Verzunderung: Bildung von dickeren porösen oder sich ablösenden Schichten
Fortschreiten des Korrosionsangriffs
auf unlegiertem Stahl bilden sich nacheinander FeO, Fe3O4 und Fe2O3
nicht festhaftend
Volumenänderung bei der γ--Umwandlung trägt ebenfalls zur Ablösung
der Zunderschichten bei
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143
Korrosions-arten
HT-Korrosion
größere Volumenunterschiede zwischen WS und entstandener Schicht erge-
ben Risse (bei Zugspannungen) oder Aufwölbungen (bei Druckspannungen)
hitzebeständige Stähle sind deshalb meist umwandlungsfrei, d.h.
ferritisch oder austenitisch
neben der äußeren Schichtbildung gibt es eine nach innen gehende Oxida-
tion, Nitrid-, Sulfid- und Carbidbildung mit weiteren Schädigungen
HT-Werkstoffe enthalten deshalb bis zu 10% Legierungselemente, die die
Verzunderung herabsetzen: Cr, Al, Si
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144
Korrosions-arten
HT-Korrosion
Bsp.: Bauteile von Dampfkessel- und Ofenanlagen, Wärmetauscher, Apparate
der Erdölverarbeitung und Gasturbinen sind hochtemperaturkorrosionsge-
fährdet
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145
Korrosions-arten
Heißgaskorrosion
Reaktion von warmfesten Legierungen mit Anteilen der Verbrennungsgase
(O, C, S, N, V) und Stoffen der Ansaug- oder Umgebungsluft (Stäube, Salze)
Oxidschichten bilden niedrigschmelzende (eutektische), korrosive Misch-
ungen
Wirkung der Heißgaskorrosion:
Herauslösen von Legierungselementen durch die Schmelzen
Bildung dicker, poröser Schichten mit Ablösungen an Bauteilen von Rauch-
gasreinigungsanlagen, bei Gasturbinenschaufeln ( Veränderung der Schau-
felform senkt den Wirkungsgrad)
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146
Korrosions-schutz
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147
Einführung
Bedeutung von Korrosionsschutz:
Korrosion: entscheidender Hauptfaktor, der die Lebens- bzw. Gebrauchs-
dauer von technischen Produkten limitiert und so jährlich volkswirtschaft-
liche Schäden in Milliardenhöhe verursacht (in D etwa 100 Mrd €!)
Aussage der World Corrosion Organization:
Korrosionsschutz besitzt auch große Bedeutung im Bereich der Nachhaltig-
keit
25 to 30% of annual corrosion costs could be saved if
optimum corrosion management practices were employed!
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148
Einführung
Korrosionsschutz umfaßt alle Bereiche der Technik:
Entwicklung & Konstruktion: Verringerung von Korrosionsrisiken durch Wahl
geeigneter WS und WS-Kombinationen und die passende Gestaltung von
Bauteilen
Produktion: Vermeidung von Verfahrensbedingungen, die zu WS-Zuständen
führen, die die Korrosionsanfälligkeit begünstigen können
Praxis: Wahl von geeigneten Betriebsstoffen sowie regelmäßige Wartung/
Pflege
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149
Einführung
Maßnahmen des Korrosionsschutzes sollen Korrosionen verhindern oder ei-
nen Korrosionsangriff zumindest stark verzögern
Normung: u.a. EN 12696: kath. Korrosionsschutz von Stahl in Beton
50929: Korrosionswahrscheinlichkeit metallischer WS
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150
Einführung
metallische WS werden als korrosionsbeständig bezeichnet, wenn bei flä-
chenmäßigem Angriff der Abtrag weniger als 0,3 mm pro Jahr beträgt
Verlauf der Teilstromkurve für die anodische Metall-
auflö sung: aktiver Zustand einer Metalloberfläche
(elektrolytischer Metallabtrag erfolgt ohne Reak-
tionshemmung) „Idealfall“ eines aktiven Metalls
Metalle, die bei jedem denkbaren Korrosionssystem beständig sind, gibt es nicht!
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aktiver Korrosionsschutz passiver
Korrosionsschutz
Schutz des Metalls vor dem Elektro-lyten Trennen von WS und
Korrosionsmittel durch Schutz-schichten oder Überzüge
151
Einführung
Methoden des Korrosionsschutzes:
Beeinflussung der Korrosions-reaktionen Änderung der
elektrochemischen Verhältnisse
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152
Einführung
Übersicht über Methoden des Korrosionsschutzes:
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153
aktiver Kor-rosionsschutz
Konstruktion & Montage:
vorbeugende Vermeidung von Lokalelementen:
Wassersäcke und unbelüftete Hochräume
vermeiden, in denen sich Belüftungselemente
bilden können
Paarungen von WS mit stark unterschied-
lichem Potential beim Zusammenbau durch
Zwischenlagen elektrisch voneinander isolie-
ren (cave: Spaltkorrosion!)
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
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154
aktiver Kor-rosionsschutz
Oberflächenbehandlung:
Korrosionsbeständigkeit der Metalle wird durch alle Maßnahmen verbes-
sert, die die Oberfläche homogener, reiner und glatter machen
Begünstigung des Wachstums von dünnen, dichten und gleichmäßigen
Schutzschichten (z.T. vom Korrosionsmittel selbst erzeugt), die bei Ver-
letzung der Oberfläche „ausheilen“
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
Passivierung:
Teilstromkurve eines passivierbaren
Metalls:
nach Durchlaufen eines Maximums
fällt der anodische Teilstrom auf ei-
nen sehr niedrigen Wert ab, der über
einen größeren Potentialbereich an-
nähernd konstant bleibt
passiver Zustand der Metallober-
fläche (geringfügiger Metallabtrag)
155
aktiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
Bildung einer Passivschicht: vorwiegend oxidisch an Luft oder in sauer-
stoffreichen Elektrolyten Schutz vor weiterem Korrosionsangriff
bei wesentlich höheren Potentialen: transpassiver Zustand (stärkerer
Metallabtrag in stark oxidierenden Elektrolyten) Deckschicht kann
nicht mehr schützen, hohe Potential ermöglichen Ladungsdurchtritt
156
aktiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
157
Passivierbarkeit von Metallen Beständigkeitsschaubild:
Eigenpassivierbarkeit
Bsp.: Chrom (neben Ni und Al das am
leichtesten passivierbare Metall)
Korrosionsbeständigkeit eines WS im-
mer nur für bestimmte Kombinatio-
nen von pH-Wert und Potential gege-
ben (a)
Lage von Aktiv- und Passivbereich
wird vom pH-Wert des Elektrolyten
bestimmt (b)
aktiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
POURBAIX-Diagramm
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158
höhere Anteile an passivierbaren Metallen in Legierungen übertragen ihre
Passivierbarkeit auch auf z.B. Stahl
Bsp.: chromreiche rostfreie und säurebeständige Stähle bilden an Luft
eine Passivschicht
Eisen ist ebenfalls passivierbar, die Haftfestigkeit der Passivschicht ist je-
doch zu gering
aktiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
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159
aktiver Kor-rosionsschutz
Wahl des Werkstoffs nach Bedingungen:
normale Witterungsbedingungen wetterfeste Baustähle (mit ca. 0,5% Cu,
0,4% Ni und 0,3 - 0,8% Cr)
Handelsnamen: COR-TEN, PATINAX usw.
Anwendung: Stahlhochbauten, Brücken und Kranbau, Behälter und Fahr-
zeuge
korrosionsbeständige Stähle (Edelstahl rostfrei) passives Verhalten im El-
ektrolyten
bei Cr-Gehalten ≥ 13% solche Stähle stehen in der Spannungsreihe vor
Pt!
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
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160
aktiver Kor-rosionsschutz
Cr muß vollständig gelöst sein Cr-Gehalte (Carbidbildner!) müssen mit
steigendem C-Gehalt zunehmen (sonst interkristalline Korrosion mög-
lich)
Beständigkeit wird durch homogenes Gefüge, entweder ferritisch (durch
Cr), austenitisch (durch CrNi und weitere wie Ti, Mo, V, Cu) oder mar-
tensitisch (bei härtbaren Stählen)
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
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161
aktiver Kor-rosionsschutz
Auswahl an korrosionsbeständigen Stählen:
Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-
schaftsänderung
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162
aktiver Kor-rosionsschutz
Änderung des Korrosionsmittels: nur bedingt möglich
Zusatz von Inhibitoren: Anwendung in der Oberflächentechnik, um uner-
wünschte Nebenwirkungen chemischer Bäder zu vermeiden
chemisch oder physikalisch passivierend und in Schmierölen, Lösemitteln
und Treibstoffen enthalten, ebenso in Sparbeizen zum Ablösen von Zun-
derschichten
Änderung von Temperatur, pH-Wert, Strömungsgeschwindigkeit:
Bsp.: Hilfe bei Lochkorrosion
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den Rohrleitungen oder
pH-Wert heraufsetzen oder Chlorid-Ionen entfernen
Korrosionsschutz durch Änderung der Reaktions-
bedingungen
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163
aktiver Kor-rosionsschutz
kathodischer Schutz: Maßnahmen, die dem schützenden Bauteil einen edle-
ren Charakter als die Umgebung geben Werkstoff wird zur Kathode und
ist geschützt
galvanischer Schutz durch Opferanode:
Schaffung eines künstlichen Bimetallele-
mentes durch elektrisch leitenden Kontakt
eines unedlen Metalls mit dem Schutzob-
jekt Anode wird anstelle des zur Katho-
de gewordenen WS aufgebraucht
Korrosionsschutz durch Änderung der Reaktions-
bedingungen
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164
aktiver Kor-rosionsschutz
Opferanodenwerkstoffe und ihre Anwendungen:
Korrosionsschutz durch Änderung der Reaktions-
bedingungen
Werkstoff Medium Anwendungsbeispiele
Mg, Zn Süßwasser Opferanode zum Innenschutz von Warmwas-
serbereitern
Al, Zn Meerwasser Opferanode zum Außenschutz in Schiffbau und
Offshorebereich
Al Süßwasser
(weich)
fremdstromgespeiste Opferanode für Stahlbe-
hälter (auch verzinkt) für Wasser mit niedri-
ger Carbonathärte
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165
aktiver Kor-rosionsschutz
Fremdstromschutz: Einbau von Fremdstromelektroden
äußere Gleichstromquelle schaltet das Schutz-
objekt als Kathode
Anode: im Erdreich vergrabene Fe-Si-Platten,
die mit Koks und Fe-Schrott leitend eingebet-
tet werden
je nach WS des Schutzobjekte muß die elektrische Spannung (Schutzpo-
tential) genau eingehalten und überwacht werden
Korrosionsschutz durch Änderung der Reaktions-
bedingungen
Werkstoff Medium Anwendungsbeispiele
GX70Si15 Erdreich Anoden für erdverlegte Kabel, Tanks, Rohrleitungen
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166
passiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und
Korrosionsmittel
Schutzschichten: Trennung des korrosionsgefährdeten Metalls vom Elektro-
lyten Voraussetzung für Korrosion beseitigt
Schutzschichten machen einfache, kostengünstige Grundwerkstoffe einsetz-
bar
Anzahl der Schichtwerkstoffe und Verfahren ist groß ( Fertigungshaupt-
gruppe Beschichten)
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167
passiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und
Korrosionsmittel
Möglichkeiten von Oberflächenschutzschichten:
organisch: Fette, Wachse, Lacke, Kunststoffe
anorganisch-nichtmetallisch: Oxide, Phosphate, Email
metallisch: Schutzschichten mit höherem und niedrigerem Potential als das
zu schützende Werkstück ( Verzinken)
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
168
passiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und
Korrosionsmittel
Verletzungen von metallischen Oberflächenschichten:
edlere Schutzschicht (Sn, Cr) anodische
Auflösung des Grundmaterials (z.B. Rosten
von verchromten Stahlteilen)
unedlere Schutzschicht (Zn) Schutzschicht
wird zur Opferanode Korrosionsprodukte
la gern sich auf kathodischen Flächen ab und
bringen Reaktionen zum Stillstand
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
169
passiver Kor-rosionsschutz
Übersicht Korrosionsschutzschichten, Werkstoffe und Verfahren:
Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und
Korrosionsmittel
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
170
passiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und
Korrosionsmittel
Übersicht Korrosionsschutzschichten, Werkstoffe und Verfahren:
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
171
passiver Kor-rosionsschutz
Verfahren des passiven Korrosionsschutzes (einschließlich Schichtdicken):
Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und
Korrosionsmittel
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
172
passiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und
Korrosionsmittel
Verfahren des passiven Korrosionsschutzes (einschließlich Schichtdicken):
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
173
passiver Kor-rosionsschutz
Verfahrensübersicht:
Korrosionsschutz mit Zink
Stückverzinken: diskontinuier-liches Verfahren, bei dem die Schutzobjekte einzeln in ein Zink-bad getaucht werden.
Bandverzinken: kontinuierliches Verfahren für Stahlband, die ei-nen Zinküberzug im Durchlauf-verfahren erhalten.
Galvanisches Verzinken: Aufbringen eines Zinküberzugs in wäßrigen El-ektrolyten mit Gleichstrom – Einzel-bäder oder Durchlaufverfahren.
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
174
passiver Kor-rosionsschutz
Korrosionsschutz mit Zink
Spritzverzinken: Aufspritzen von mittels Flamme oder Lichtbogen ge-schmolzenes Zink auf die Oberfläche des Schutzobjekts.
Plattieren/Sheradisieren: Verwen-dung von Zn-Staub, mit dem mecha-nisch oder durch Diffusion Zinküber-züge aufgebracht werden.
Zinkstaub-Beschichten: Schutzver-fahren, bei dem zinkstaubpigmen-tierte Beschichtungsstoffe als Schutzschichten appliziert werden.
kath. Korrosionsschutz: Kontakt des Schutzobjektes mit einer Opferano-de aus Zink bei Gegenwart eines El-ektrolyten.
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175
passiver Kor-rosionsschutz
Feuerverzinken Verfahrensablauf
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
176
passiver Kor-rosionsschutz
1. Entfetten/Spülen:
Teile, die Rückstände von Fetten/Ölen aufweisen, können in einem Ent-
fettungsbad gereinigt werden. Als Entfettungsbad kommen üblicherweise
wäßrige alkalische oder saure Entfettungsmittel zur Anwendung.
Anschließend erfolgt ein kurzes Eintauchen in ein Wasserbad, um das
Verschleppen von Entfettungsmitteln mit dem Verzinkungsgut zu ver-
meiden.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
177
passiver Kor-rosionsschutz
2. Beizen:
Der nächste Schritt ist eine Beizbehandlung zur Entfernung von arteige-
nen Verunreinigungen (z.B. Rost/Zunder) von der Stahloberfläche. Das
Beizen erfolgt üblicherweise in verd. Salzsäure.
Die Dauer des Beizvorgangs richtet sich nach dem Verrostungsgrad des
Verzinkungsgutes und der Arbeitskonzentration der Beize. Die Beizbäder
werden im Regelfall bei Raumtemperatur betrieben.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
178
passiver Kor-rosionsschutz
3. Spülen:
Nach dem Beizen erfolgt ein erneuter Spülvorgang in einem Wasserbad,
um die Möglichkeit, daß Säure- und Salzreste mit dem Verzinkungsgut
verschleppt werden, zu minimieren.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
179
passiver Kor-rosionsschutz
4. Fluxen:
Dem Spülbad schließt sich ein Flußmittelbad an. Aufgabe des Flußmittels
ist es, eine letzte, intensive Feinreinigung der Stahloberfläche vorzuneh-
men. Ähnlich wie z. B. bei Lötverbindungen, bei denen in der Regel auch
Flußmittel eingesetzt werden, erhöht das Flußmittel auch die Benet-
zungsfähigkeit zwischen der Stahloberfläche und dem schmelzflüssigen
Zink.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
180
passiver Kor-rosionsschutz
4. Fluxen:
Das Flußmittel besteht meistens aus einer wässrigen Lösung von Chlori-
den, am häufigsten einer Mischung aus Zink- und Ammoniumchlorid.
Werkstoff- und produktabhängig können Flussmittel auf unterschiedliche
Weise aufgetragen werden. So ist es zum Beispiel möglich, das Flußmittel
auch direkt flüssig oder in Pulverform auf die Werkstoffoberfläche zu
sprühen…
Feuerverzinken Verfahrensablauf
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
181
passiver Kor-rosionsschutz
4. Fluxen:
… oder das Verzinkungsgut durch eine aufgeschäumte, auf dem Zinkbad
schwimmende Flußmitteldecke hindurch in die Schmelze einzutauchen.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014
182
passiver Kor-rosionsschutz
5. Trocknen:
In den meisten Fällen folgt dann eine Trockenstation, in welcher der
Flußmittelfilm mittels Wärme aufgetrocknet wird. Zur Erwärmung von
Entfettungsbädern und Trockenöfen wird in vielen Feuerverzinkereien
die Abwärme aus der Beheizung des Verzinkungskessels mitgenutzt.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
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183
passiver Kor-rosionsschutz
6. Feuerverzinken:
Nach der Flußmittelbehandlung bzw. dem Trocknen wird das Verzinkungs-
gut in die flüssige Zinkschmelze getaucht. Zink hat eine Schmelztempera-
tur von ca. 419 °C; die Betriebstemperatur eines Verzinkungsbades liegt
in den meisten Betrieben zwischen 440° bis 460 °C; in besonderen Fällen
auch bei mehr als 530 °C (Hochtemperaturverzinkung). Der Zinkgehalt
der Schmelze liegt gemäß DIN EN ISO 1461 bei mindestens 98%.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
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184
passiver Kor-rosionsschutz
6. Feuerverzinken:
Um ein optimales Verzinkungsergebnis zu erzielen, werden die Zink-
schmelzen üblicherweise mit anderen Metallen legiert.
Beim Verzinkungsvorgang bildet sich als Folge einer wechselseitigen Dif-
fusion des flüssigen Zinks mit der Stahloberfläche auf dem Stahlteil ein
Überzug verschiedenartig zusammengesetzter Eisen-Zink-Legierungs-
schichten.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
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185
passiver Kor-rosionsschutz
6. Feuerverzinken:
Beim Herausziehen der feuerverzinkten Gegenstände bleibt auf der
obersten Legierungsschicht noch eine - auch als Reinzinkschicht bezeich-
nete - Schicht aus Zink haften, die in ihrer Zusammensetzung der Zink-
schmelze entspricht.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
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186
passiver Kor-rosionsschutz
6. Feuerverzinken:
Nach dem Eintauchen des Verzinkungsgutes in das ge-
schmolzene Zink verbleiben die Teile im Zinkbad, bis
sie dessen Temperatur angenommen haben. Nachdem
das Flußmittel nun „abgekocht“ ist, wird die Oberfläche
des Zinkbades von Oxiden und Flußmittelresten gereinigt, bevor dann
das Verzinkungsgut wieder aus der Zinkschmelze herausgezogen wird.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
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passiver Kor-rosionsschutz
7. Kühlen/Kontrollieren:
Die nun noch sehr heißen feuerverzinkten Stahlteile kühlen entweder an
der Luft oder in einem Wasserbad ab.
In einem letzten Schritt wird dann das fertig verzinkte Material gewogen,
da im Regelfall das verzinkte Gewicht die Basis für die Preisermittlung
des Unternehmens bildet. Vor der Auslieferung wird die Güte der Feuer-
verzinkung kontrolliert.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
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188
passiver Kor-rosionsschutz
7. Kühlen/Kontrollieren:
Bei Bedarf erfolgt dann noch ein Verputzen der
Teile, d.h. es werden, falls nötig. Zinkspitzen
und Unsauberkeiten auf dem Zinküberzug be-
seitigt.
Feuerverzinken Verfahrensablauf
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189
passiver Kor-rosionsschutz
Ergebnis des Stückverzinkens:
Bildung eines gleichmäßigen, porenfreien, festhaftenden und verschleiß-
freien Korrosionsschutz-Überzuges (Schichtdicke 25 – 85 µm):
Feuerverzinken
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190
passiver Kor-rosionsschutz
mechanische Eigenschaften:
Härte der Legierungsschichten liegt teilweise deutlich über den Werten nor-
maler Baustähle hohe Verschleiß- und Abriebbeständigkeit
Feuerverzinken
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191
passiver Kor-rosionsschutz
makroskopische Ansicht:
Feuerverzinken
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passiver Kor-rosionsschutz
Schutzdauer in Abhängigkeit von der Dicke des Zink-Überzugs:
Feuerverzinken
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193
passiver Kor-rosionsschutz
Kombination aus Feuerverzinken und Beschichten
Anwendung:
Korrosionsschutz von Stahlbauten z.B. im Bau-
wesen, im Straßenverkehr usw.
Vorteile:
lange Schutzdauer: im Regelfall deutlich län-
ger als die Summe der jeweiligen Einzel-
schutzdauer der beiden Systeme (Synergie-Ef-
fekt)
gestalterische Gründe: gesamte Palette der
farblichen Gestaltung nutzbar (sonst nur grau)
Feuerverzinken Duplex-Verfahren
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passiver Kor-rosionsschutz
Beschichtungsstoffe:
Flüssig-Beschichtungsstoffe auf der Basis von Thermoplasten (PVC usw.
oder Epoxid- bzw. Polyurethanharze)
Pulverbeschichtungsstoffe: z.B. Epoxidharzpulverlacke
Feuerverzinken
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Quellen/Links
BUNDESANSTALT FÜR MATERIALFORSCHUNG UND –PRÜFUNG: Lernmodul (Prototyp)
„Korrosion und Korrosionsschutz von metallischen Werkstoffen“. Berlin.
URL: http://www.korrosion-online.de
Werkstoffe und Korrosion: http://werkstoffe-korrosion.de
Korrosionsschäden: http://www.corrosion-failures.com
Feuerverzinken: http://www.feuerverzinken.com
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!