Korrosion – Arten und Ursachen

Die meisten Gebrauchsmetalle kommen in der Natur nicht als reines Metall vor, sondern als Erz – also als chemische Verbindung, meist als Oxid. Eisen steckt im Eisenerz als Eisenoxid. Erst im Hochofen wird unter hohem Energieaufwand das reine Metall herausgeholt. Dieses Metall ist energetisch betrachtet in einem „unnatürlichen“, angehobenen Zustand und hat das Bestreben, in seine energieärmere Ausgangsform zurückzukehren. Rost ist nichts anderes als Eisen, das wieder zu Eisenoxid geworden ist.

Korrosion ist die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung, die zu einer messbaren Veränderung des Werkstoffs führt und seine Funktion beeinträchtigen kann. Bei Metallen ist diese Reaktion fast immer eine Oxidation – das Metall gibt Elektronen ab und geht in eine Verbindung über.

Man unterscheidet zwei grundsätzliche Mechanismen:

• Chemische Korrosion läuft ohne Beteiligung von Wasser ab, typischerweise bei hohen Temperaturen. Beispiel: Zunderbildung – eine dunkle, spröde Schicht aus Eisenoxiden – an glühendem Stahl. Das Metall reagiert dabei direkt mit dem Sauerstoff der Luft.
• Elektrochemische Korrosion läuft bei Anwesenheit von Feuchtigkeit ab und ist der mit Abstand häufigste Fall in der Praxis. Hier fließen tatsächlich elektrische Ströme. Diesem Mechanismus widmet sich das nächste Kapitel ausführlich, weil er fast alle praktisch relevanten Korrosionsschäden erklärt.

Der Schaden durch Korrosion ist enorm: Schätzungen zufolge gehen jährlich mehrere Prozent der Wirtschaftsleistung von Industriestaaten durch Korrosion und ihre Folgen verloren. Für die tägliche Arbeit zählt aber vor allem: Korrosion is kein Zufall, sondern folgt nachvollziehbaren Regeln.

Sobald ein Metall mit einem feuchten Film bedeckt ist, kann man sich den Vorgang wie eine winzige, kurzgeschlossene Batterie vorstellen. Diese „Batterie“ nennt man Korrosionselement. Sie braucht drei Bestandteile, damit sie funktioniert.

Der erste Bestandteil ist die Anode. Das ist die Stelle, an der sich das Metall auflöst. Hier findet die Oxidation statt: Metallatome geben Elektronen ab und gehen als positiv geladene Metall-Ionen in den Feuchtigkeitsfilm über. An der Anode entsteht der eigentliche Materialabtrag.

Der zweite Bestandteil ist die Kathode. Hier werden die Elektronen wieder verbraucht – es findet eine Reduktion statt. In den meisten praktischen Fällen reagieren die Elektronen mit dem im Wasser gelösten Sauerstoff (Sauerstoffkorrosion). Im sauren Milieu können stattdessen Wasserstoff-Ionen reduziert werden, sodass Wasserstoffgas entsteht (Säurekorrosion oder Wasserstofftyp). An der Kathode selbst wird kein Metall abgetragen.

Der dritte Bestandteil ist der Elektrolyt: ein elektrisch leitfähiger Feuchtigkeitsfilm, in dem Ionen wandern können. Schon ein dünner Wasserfilm mit etwas gelöstem Salz genügt. Ohne Elektrolyt keine Ionenwanderung, ohne Ionenwanderung kein Korrosionsstrom.

Die Elektronen fließen im Metall selbst von der Anode zur Kathode, während sich im Elektrolyt der Stromkreis über die wandernden Ionen schließt. Beides zusammen ergibt einen geschlossenen Kreis – die Korrosion läuft. Das folgende Schema zeigt dieses Lokalelement unter einem Wassertropfen.

Ob ein Metall eher zur Anode (Auflösung) oder zur Kathode (geschützt) wird, hängt davon ab, wie edel oder unedel es ist. Diese Rangordnung liefert die elektrochemische Spannungsreihe. In ihr sind die Metalle nach ihrem Standardpotenzial geordnet – einem Spannungswert, der angibt, wie stark ein Metall dazu neigt, Elektronen abzugeben. Wichtig dabei: Dieser Wert ist kein Absolutwert, sondern ein relatives Potenzial, gemessen gegen einen festen Bezugspunkt, die Standard-Wasserstoffelektrode. Ihr Potenzial wird per Definition auf null gesetzt; alle anderen Werte sind die Spannungsdifferenz dazu.

Unedle Metalle wie Magnesium, Zink oder Aluminium haben ein negatives Standardpotenzial – sie geben leicht Elektronen ab und werden in einem Korrosionselement zur Anode, lösen sich also auf. Edle Metalle wie Kupfer, Silber oder Gold haben ein positives Standardpotenzial und werden zur Kathode. Treffen zwei verschieden edle Metalle im selben Elektrolyt aufeinander, wird immer das unedlere geopfert.

Korrosion sieht nicht immer gleich aus. Je nachdem, wie Anode und Kathode räumlich verteilt sind und welche Bedingungen herrschen, entstehen sehr unterschiedliche Schadensbilder. Wer die Formen unterscheiden kann, erkennt aus dem Schadensbild oft schon die Ursache.

Gleichmäßige Flächenkorrosion trägt das Metall mehr oder weniger gleichmäßig über die ganze Oberfläche ab. Anodische und kathodische Bereiche wechseln ständig ihren Ort. Das ist die „gutmütigste“ Form: Der Abtrag ist sichtbar, vorhersehbar und lässt sich mit einem Korrosionszuschlag bei der Wandstärke einplanen. Typisch für unlegierten Stahl an feuchter Luft.

Lochkorrosion (Lochfraß, Pitting) ist deutlich tückischer. Hier konzentriert sich der Angriff auf sehr kleine Stellen und frisst nadelstichartig in die Tiefe, während die übrige Oberfläche blank bleibt. Die Gefahr: Von außen wirkt das Bauteil intakt, ist aber innen schon durchlöchert. Lochfraß tritt besonders an nichtrostenden Stählen auf, wenn deren schützende Passivschicht örtlich durchbrochen wird – meist durch Chlorid-Ionen, etwa in Meerwasser, Schwimmbädern oder durch Streusalz.

Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten, etwa unter Dichtungen, Ablagerungen oder in überlappenden Blechverbindungen. Im Spalt wird der Sauerstoff schneller verbraucht als er nachgeliefert werden kann. Dadurch entsteht ein Sauerstoffunterschied zwischen Spalt und freier Oberfläche, der die Korrosion im Spalt antreibt.

Kontaktkorrosion (galvanische Korrosion) tritt auf, wenn zwei verschieden edle Metalle leitend verbunden sind und beide im selben Elektrolyt liegen. Das unedlere Metall wird zur Anode und korrodiert beschleunigt, das edlere bleibt geschützt. Entscheidend – und in der Praxis oft unterschätzt – ist hier das Flächenverhältnis von Anode zu Kathode: Eine kleine anodische Fläche neben einer großen kathodischen Fläche ist der gefährlichste Fall, weil sich der gesamte Korrosionsangriff auf die kleine unedle Fläche konzentriert und sie regelrecht „auffrisst“. Eine kleine Edelstahlschraube in einem großen Aluminiumblech ist relativ unkritisch (große unedle Fläche, kleiner Angriff je Stelle). Umgekehrt ist eine kleine Aluminiumschraube in einem großen Edelstahlblech ein massives Problem – die kleine unedle Schraube korrodiert sehr schnell durch. Die Faustregel lautet: große Kathode plus kleine Anode gleich hohes Risiko.

Interkristalline Korrosion läuft entlang der Korngrenzen im Gefüge und ist von außen kaum zu sehen, schwächt das Bauteil aber bis zum plötzlichen Bruch. Sie tritt vor allem an bestimmten nichtrostenden Stählen auf, wenn diese in einem ungünstigen Temperaturbereich verarbeitet wurden, etwa neben Schweißnähten.

Spannungsrisskorrosion ist das Zusammenwirken von mechanischer Zugspannung und einem korrosiven Medium. Erst beides zusammen erzeugt Risse, die ohne die Spannung nicht und ohne das Medium ebenfalls nicht entstehen würden. Gefährlich, weil das Bauteil ohne sichtbaren Materialverlust spröde aufreißen kann.

Daneben gibt es Sonderformen wie die Erosionskorrosion (Korrosion plus mechanischer Abtrag durch strömendes Medium) und die Kavitationskorrosion (durch zusammenfallende Dampfblasen an schnell durchströmten Bauteilen wie Pumpenlaufrädern).

Die Erscheinungsformen aus Kapitel 3 entstehen nicht von selbst – sie brauchen bestimmte Bedingungen. Wer die treibenden Faktoren kennt, kann abschätzen, wo und wie schnell ein Bauteil korrodiert.

Der wichtigste Faktor ist Feuchtigkeit, denn sie bildet den Elektrolyt. Ohne leitfähigen Feuchtigkeitsfilm läuft die elektrochemische Korrosion praktisch nicht ab. Trockene Innenräume sind deshalb weit weniger kritisch als der Außenbereich oder feuchte Produktionshallen.

Der zweite Faktor ist gelöster Sauerstoff. Bei der häufigen Sauerstoffkorrosion ist er der Reaktionspartner an der Kathode – mehr Sauerstoff bedeutet meist mehr Korrosion. Gleichzeitig sind es gerade Sauerstoffunterschiede, die Spalt- und Belüftungselemente antreiben.

Salze, besonders Chloride, beschleunigen Korrosion gleich doppelt: Sie erhöhen die Leitfähigkeit des Elektrolyts und greifen zusätzlich die schützenden Passivschichten nichtrostender Stähle an. Streusalz im Winter, salzhaltige Luft an der Küste und Chloride in Reinigungsmitteln sind klassische Treiber von Lochfraß.

Der pH-Wert entscheidet über den Korrosionstyp: Im sauren Bereich dominiert die Wasserstoffkorrosion, im neutralen die Sauerstoffkorrosion. Stark saure oder stark alkalische Medien können den Angriff erheblich verstärken.

Die Temperatur wirkt wie ein Beschleuniger: Höhere Temperatur bedeutet in der Regel schnellere Reaktionen und damit höhere Korrosionsgeschwindigkeit.

Die Materialpaarung ist beim Konstruieren der vielleicht wichtigste beeinflussbare Faktor. Je weiter zwei verbundene Metalle in der Spannungsreihe auseinanderliegen, desto stärker die Kontaktkorrosion. Wer Metalle mit ähnlichem Potenzial kombiniert oder sie elektrisch voneinander isoliert, vermeidet das Problem von vornherein.

Auch der Oberflächenzustand spielt mit: Kratzer, raue Stellen und Beschädigungen schützender Schichten sind bevorzugte Startpunkte. Und schließlich kann mechanische Spannung im Bauteil – etwa durch Schweißen, Kaltverformung oder Betriebslasten – in Verbindung mit einem korrosiven Medium zu Spannungsrisskorrosion führen.

Ein wiederkehrendes Muster verbindet mehrere dieser Faktoren: das Belüftungselement. Liegt an einer Stelle des Bauteils mehr Sauerstoff vor als an einer anderen, bildet sich ein Korrosionselement. Die sauerstoffärmere Stelle – etwa der Spaltgrund oder die Stelle unter einem Wassertropfen – wird zur Anode und korrodiert. Das erklärt, warum gerade verdeckte, schlecht belüftete Bereiche überraschend stark betroffen sind.

Im Betrieb begegnet einem Korrosion selten als Lehrbuchfall, sondern als konkretes Schadensbild – und genau das gilt es richtig zu deuten. Drei typische Situationen aus der mechatronischen Praxis:

Mischverbindung Aluminium an Stahl. Werden Aluminiumbauteile mit Stahlschrauben oder an Stahlkonstruktionen befestigt und kommt Feuchtigkeit dazu, ist Kontaktkorrosion vorprogrammiert. Aluminium ist das unedlere Metall und wird zur Anode. Kritisch wird es, wenn die Aluminiumfläche im Verhältnis zur Stahlfläche klein ist. Abhilfe schafft eine elektrische Trennung der beiden Metalle – aber das gehört schon zum Thema Schutz.

Rost an Schweißnähten. An und neben Schweißnähten finden sich oft die ersten Korrosionsstellen. Gründe sind veränderte Gefüge, Eigenspannungen aus dem Schweißprozess und – bei nichtrostenden Stählen – die Gefahr interkristalliner Korrosion im wärmebeeinflussten Bereich. Eine Schweißnaht, die früher rostet als der Rest, ist also kein Zufall, sondern ein erwartbares Muster.

Lochfraß an Edelstahl in chloridhaltiger Umgebung. Nichtrostender Stahl gilt als „rostfrei“, ist es aber nur, solange seine Passivschicht intakt bleibt. In Schwimmbädern, Meerwassernähe oder bei salzhaltiger Reinigung greifen Chloride diese Schicht an und es entsteht punktueller Lochfraß. Eine blank wirkende Edelstahloberfläche mit einzelnen winzigen Löchern ist ein klares Indiz.

Wie man Bauteile dauerhaft vor diesen Schäden schützt – etwa durch Feuerverzinken, geeignete Beschichtungen oder kathodischen Korrosionsschutz – ist ein eigenes, umfangreiches Thema und wird in einem gesonderten Beitrag zum Korrosionsschutz behandelt. Hier genügt die Einordnung: Wer das Schadensbild der richtigen Korrosionsart zuordnet, kennt bereits die Ursache und damit den Ansatzpunkt für jede Schutzmaßnahme.