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WERKSTOFFE 13 Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

Werkstoffe 13 - Korrosion

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Korrosion - Ursachen & Folgen; Korrosionsschutz

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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

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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

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13. KORROSION UND KORROSIONSSCHUTZ

13.1. EINFÜHRUNG

13.2. KORROSION

13.3. KORROSIONSSCHUTZ

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Einführung

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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

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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.

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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.

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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)

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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!

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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.

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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

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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

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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

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50

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-

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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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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

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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

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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

Page 55: Werkstoffe 13 - Korrosion

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55

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

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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

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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

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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)

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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

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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

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Elektroden-reaktionen

Korrosion des Eisens

Gesamtübersicht:

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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) ↓

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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)

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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

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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

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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

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Korrosions-arten

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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

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Korrosions-arten

übliche Unterteilung der Korrosionsarten:

Einführung

Korrosion ohne mechanische

Beanspruchung Korrosion mit mechanischer

Beanspruchung

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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

Page 73: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

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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.

Page 75: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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.

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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

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Korrosions-arten

Muldenkorrosion

metallographisches Schliffbild

Metallographischer Schliff einer Korrosionsmulde

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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

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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

Page 80: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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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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

Page 83: Werkstoffe 13 - Korrosion

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Korrosions-arten

Lochkorrosion

Beispiel Heißdampfrohr

Lochkorrosion an einem Heißdampfrohr aus unlegiertem Stahl

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Korrosions-arten

Lochkorrosion

Beispiel Warmwasserrohr

Elektrode,

Lochkorrosion in einem Warmwasserohr aus verzinktem Stahl; der Korrosionsvorgang wurde durch Cu2+-Ionen im Wasser ausgelöst.

Page 85: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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.

Page 86: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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.

Page 87: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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Korrosions-arten

Lochkorrosion

metallographisches Schliffbild 3

metallographischer Schliff eines Kupferrohrs mit Lochkorrosion

Page 88: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

Page 89: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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®)

Page 90: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

Page 91: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

Page 93: Werkstoffe 13 - Korrosion

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Korrosions-arten

Spaltkorrosion

Spaltbereich aus „Detail 1“ nach Auftrennen

der Schweißverbindung und Entfernen der

Korrosionsprodukte.

Stahlradiator Detail 2

Vergrößerung

Page 94: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

Page 96: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

Page 97: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

Page 98: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

Page 99: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

Page 100: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

Page 101: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

Page 102: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

Page 103: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

Page 104: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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.

Page 105: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

Page 106: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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)

Page 107: Werkstoffe 13 - Korrosion

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Korrosions-arten

selektive Korrosion interkristalline Korrosion

Zusatz von Carbidbildnern (Ti, Ta, Nb…) keine Chrom-Verarmung

(X10CrNiTi18-9)

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Korrosions-arten

Beispiel Abgasrohr

selektive Korrosion interkristalline Korrosion

Korrodiertes Wellrohr (Abgasrohr aus einem Schornstein) aus Chromstahl

Page 109: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

Page 110: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

Page 111: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

Page 112: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

Page 113: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

Page 114: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

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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

Page 116: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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.

Page 117: Werkstoffe 13 - Korrosion

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Korrosions-arten

selektive Korrosion Spongiose

metallographisches Schliffbild

Vergrößerung der Spongiose im metallographischen Schliff

Page 118: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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Korrosions-arten

selektive Korrosion Schichtkorrosion

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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

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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) .

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Korrosions-arten

Stahlrohr Detail

selektive Korrosion Schweißnahtkorrosion

Längsgeschweißtes verzinktes Stahlrohr mit Schweißnahtkorrosion (Korrosions-produkte entfernt).

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Korrosions-arten

metallographisches Schliffbild 1

selektive Korrosion Schweißnahtkorrosion

Korrosionsangriff und Perforation unmittelbar neben einer Schweißnaht

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Korrosions-arten

metallographisches Schliffbild 2

selektive Korrosion Schweißnahtkorrosion

Messerschnittkorrosion in der Wärmeeinflußzone einer Schweißnaht

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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.

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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

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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.“

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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

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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

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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.

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133

Korrosions-arten

Beispiel Lochblech

Spannungsrißkorrosion interkristallin

Spannungsrißkorrosion an einem Lochblech zur Deckenbefestigung aus nichtrostendem Stahl

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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

Page 136: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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)

Page 139: Werkstoffe 13 - Korrosion

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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

Page 141: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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.

Page 142: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 143: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 144: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

144

Korrosions-arten

HT-Korrosion

Bsp.: Bauteile von Dampfkessel- und Ofenanlagen, Wärmetauscher, Apparate

der Erdölverarbeitung und Gasturbinen sind hochtemperaturkorrosionsge-

fährdet

Page 145: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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)

Page 146: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

146

Korrosions-schutz

Page 147: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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!

Page 148: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 149: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 150: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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!

Page 151: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 152: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

152

Einführung

Übersicht über Methoden des Korrosionsschutzes:

Page 153: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 154: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 155: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

Page 156: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

Page 157: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

Page 158: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 159: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 160: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 161: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

161

aktiver Kor-rosionsschutz

Auswahl an korrosionsbeständigen Stählen:

Korrosionsschutz durch WS-Wahl oder Eigen-

schaftsänderung

Page 162: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 163: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 164: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 165: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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

Page 166: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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)

Page 167: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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)

Page 168: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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

Page 169: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

169

passiver Kor-rosionsschutz

Übersicht Korrosionsschutzschichten, Werkstoffe und Verfahren:

Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und

Korrosionsmittel

Page 170: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

170

passiver Kor-rosionsschutz

Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und

Korrosionsmittel

Übersicht Korrosionsschutzschichten, Werkstoffe und Verfahren:

Page 171: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

Page 172: Werkstoffe 13 - Korrosion

WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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passiver Kor-rosionsschutz

Korrosionsschutz durch Trennung von Metall und

Korrosionsmittel

Verfahren des passiven Korrosionsschutzes (einschließlich Schichtdicken):

Page 173: Werkstoffe 13 - Korrosion

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.

Page 174: Werkstoffe 13 - Korrosion

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.

Page 175: Werkstoffe 13 - Korrosion

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175

passiver Kor-rosionsschutz

Feuerverzinken Verfahrensablauf

Page 176: Werkstoffe 13 - Korrosion

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

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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

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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

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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

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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

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passiver Kor-rosionsschutz

4. Fluxen:

… oder das Verzinkungsgut durch eine aufgeschäumte, auf dem Zinkbad

schwimmende Flußmitteldecke hindurch in die Schmelze einzutauchen.

Feuerverzinken Verfahrensablauf

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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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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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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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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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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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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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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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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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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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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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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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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WERKSTOFFE 13 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Juni 2014

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!