Korrosionsschutz

Korrosion ist im Kern ein elektrochemischer Vorgang: An der Metalloberfläche bilden sich winzige galvanische Elemente, das Metall geht in Lösung und wird abgetragen. Welche Korrosionsarten es gibt und wie sie genau entstehen, ist ein eigenes Thema für sich. Hier reicht die Erkenntnis: Damit Korrosion abläuft, braucht es das Metall, ein Angriffsmedium (meist Feuchtigkeit mit gelöstem Sauerstoff oder Salzen) und einen leitenden Kontakt. Setzt man an einem dieser Punkte an, lässt sich der Vorgang bremsen.

Daraus ergeben sich drei grundlegende Strategien.

Die erste ist die Barriere: Eine Schicht trennt das Metall vom Angriffsmedium. Lack, Kunststoff, ein metallischer Überzug – solange die Schicht dicht ist, kommt kein Wasser an den Werkstoff. Das ist passiver Korrosionsschutz, weil die Schicht selbst nichts „tut“, sondern nur abschirmt.

Die zweite Strategie ist der aktive Korrosionsschutz: Hier wird gezielt ein unedleres Metall eingesetzt, das sich anstelle des Bauteils zersetzt. Das Bauteil wird dabei elektrisch zur Kathode und bleibt verschont. Man spricht von kathodischem Korrosionsschutz. Die Schutzwirkung bleibt sogar dann erhalten, wenn die Oberfläche beschädigt ist – ein entscheidender Unterschied zur reinen Barriere.

Die dritte Strategie ist der konstruktive Korrosionsschutz: Schon bei der Gestaltung eines Bauteils wird dafür gesorgt, dass Feuchtigkeit ablaufen kann, sich kein Wasser in Spalten sammelt und unterschiedliche Metalle sich nicht gegenseitig angreifen. Das verursacht keine zusätzlichen Kosten für Schichten oder Anoden, sondern nur etwas Sorgfalt in der Konstruktion – und wirkt trotzdem über die gesamte Lebensdauer.

Der günstigste Korrosionsschutz ist der, den man gar nicht extra bezahlen muss – weil er schon in der Gestaltung des Bauteils steckt. Viele Korrosionsschäden entstehen nicht, weil das Material schlecht ist, sondern weil sich irgendwo Wasser sammeln konnte. Wer das von vornherein vermeidet, spart später teure Reparaturen.

Die wichtigste Regel: Wasser muss ablaufen können. Waagrechte Flächen, nach oben offene Profile oder Vertiefungen sammeln Regen und Kondenswasser. Ein nach oben offenes U-Profil im Freien ist eine Einladung für Rost, ein nach unten offenes oder schräg gestelltes dagegen nicht. Wo sich Wasser nicht vermeiden lässt, helfen Ablaufbohrungen an der tiefsten Stelle.

Ebenso kritisch sind Spalten. In engen Spalten – etwa zwischen zwei verschraubten Blechen – bleibt Feuchtigkeit durch Kapillarwirkung lange stehen, und es kann zu besonders hartnäckiger Spaltkorrosion kommen. Spalten unter etwa 2 mm Breite sind dabei am gefährlichsten. Konstruktiv begegnet man dem durch Verschweißen statt Verschrauben, durch Abdichten der Fuge oder durch bewusst breite, gut belüftete Abstände.

Ein dritter Punkt ist die Kontaktkorrosion (auch Bimetallkorrosion). Bringt man zwei verschiedene Metalle in leitenden Kontakt und kommt Feuchtigkeit dazu, bildet sich ein galvanisches Element – das unedlere Metall korrodiert dann beschleunigt. Eine Aluminiumkonstruktion mit Edelstahlschrauben in feuchter Umgebung ist ein klassisches Beispiel: Das Aluminium wird rund um die Schraube angegriffen. Vermeiden lässt sich das, indem man die beiden Metalle elektrisch voneinander trennt, etwa durch Kunststoff-Unterlegscheiben, oder indem man von vornherein gut zusammenpassende Werkstoffe wählt.

Eine der ältesten und verbreitetsten Schutzmethoden ist, das Bauteil mit einer dünnen Schicht eines anderen Metalls zu überziehen. Beim Stahl ist das fast immer Zink. Daneben gibt es Überzüge aus Chrom, Nickel, Zinn oder Aluminium. Entscheidend ist dabei nicht nur, dass die Schicht abschirmt, sondern auch, wie sich das Überzugsmetall im Verhältnis zum Grundwerkstoff verhält.

Hier gibt es zwei grundverschiedene Fälle. Ist das Überzugsmetall unedler als der Grundwerkstoff – wie Zink gegenüber Stahl –, dann opfert sich der Überzug bei einer Beschädigung. An einem Kratzer korrodiert das Zink und schützt den freiliegenden Stahl kathodisch weiter. Der Stahl bleibt blank, solange noch Zink in der Umgebung vorhanden ist. Man nennt das einen aktiven oder kathodischen Überzug.

Ist das Überzugsmetall dagegen edler als der Stahl – etwa Chrom oder Nickel –, kehrt sich das Verhalten um. Solange die Schicht dicht ist, schützt sie hervorragend. Wird sie aber durchbrochen, bildet sich an der Fehlstelle ein galvanisches Element, in dem der Stahl das unedlere Metall ist. Der Stahl korrodiert dann sogar beschleunigt, oft unterwandert der Rost die Schicht von der Schadstelle aus. Edle Überzüge sind also nur sinnvoll, wenn die Schicht sicher geschlossen bleibt.

Beim Zink selbst gibt es mehrere Auftragsverfahren. Beim Feuerverzinken wird das Bauteil in eine etwa 450 °C heiße Zinkschmelze getaucht; es entsteht eine fest mit dem Stahl verbundene, vergleichsweise dicke Schicht – meist im Bereich einiger Dutzend Mikrometer. Beim galvanischen Verzinken wird das Zink elektrolytisch abgeschieden, die Schichten sind dünner und gleichmäßiger, aber weniger robust. Daneben gibt es das Spritzverzinken (Aufspritzen von flüssigem Zink) und Diffusionsverfahren. Verchromen und Vernickeln dienen oft zugleich dem Aussehen und einem härteren Oberflächenschutz, schützen den Stahl aber nur als dichte Barriere.

Die Schichtdicke ist beim Verzinken die zentrale Kenngröße – je dicker, desto länger der Schutz. Oft wird statt der Dicke das Flächengewicht (die Schichtauflage in g/m²) angegeben. Beide hängen direkt über die Dichte von Zink zusammen, die rund 7,14 g/cm³ beträgt. Rechnet man diese Dichte auf eine Schichtdicke in Mikrometer um, ergibt sich ein fester Umrechnungsfaktor: Ein Mikrometer Zinkschicht entspricht etwa 7,14 g/m².

Die in der Praxis häufigste Schutzform ist die Beschichtung – also Anstriche, Lacke, Pulverbeschichtungen, Kunststoffüberzüge oder das Emaillieren. Sie wirken in erster Linie als Barriere und halten Feuchtigkeit und Sauerstoff vom Metall fern. Viele Grundbeschichtungen enthalten zusätzlich aktive Pigmente, die die Korrosion an kleinen Fehlstellen chemisch hemmen.

Ein dauerhafter Anstrich besteht meist aus mehreren Lagen mit unterschiedlicher Aufgabe. Die Grundbeschichtung haftet am Metall und bringt den Korrosionsschutz, die Zwischenbeschichtung sorgt für Schichtdicke und Dichtheit, die Deckbeschichtung schützt gegen Witterung und Licht und gibt die Farbe. Pulverbeschichten liefert besonders gleichmäßige, robuste Schichten und wird elektrostatisch aufgetragen und eingebrannt. Emaillieren – ein eingebrannter Glasüberzug – ist sehr beständig, aber spröde und schlagempfindlich.

Entscheidend für die Haltbarkeit ist nicht die Farbe, sondern der Untergrund. Eine Beschichtung hält nur so gut, wie die Oberfläche darunter vorbereitet wurde. Rost, Zunder, Fett und alte Schichten müssen weg, sonst löst sich der beste Lack nach kurzer Zeit. Für das Strahlen sind die Reinheitsgrade nach EN ISO 8501-1 maßgeblich: Sa 1 (leichtes Strahlen), Sa 2 (gründliches Strahlen), Sa 2½ (sehr gründliches Strahlen) und Sa 3 (Strahlen bis zum reinen Metall). In der Praxis ist Sa 2½ der übliche Standard für hochwertige Beschichtungen – die Oberfläche ist dann nahezu vollständig metallisch blank, nur leichte Schattierungen bleiben zulässig.

Damit man für eine gegebene Umgebung das passende System wählen kann, teilt die Normenreihe EN ISO 12944 die Belastung in Korrosivitätskategorien ein: von C1 (unbedeutend, beheizte Innenräume) über C2, C3 und C4 bis C5 (sehr stark, Industrie- und Küstenatmosphäre) und CX (extrem, Offshore). Je höher die Kategorie, desto aufwändiger das Schutzsystem.

Die Kategorie allein genügt aber nicht. Genauso wichtig ist die geforderte Schutzdauer – also wie lange das System halten soll, bis die erste größere Instandsetzung nötig wird. EN ISO 12944 unterscheidet dafür mehrere Schutzdauerklassen, von kurz (niedrig) über mittel und hoch bis sehr hoch (über 25 Jahre). Erst aus der Kombination beider Angaben – Umgebung und gewünschte Lebensdauer – ergibt sich das konkrete Beschichtungssystem mit Schichtaufbau und Mindestschichtdicke. Eine Angabe wie „C3″ ist für sich genommen unvollständig, solange nicht feststeht, ob das System fünf oder fünfundzwanzig Jahre durchhalten soll.

Beim kathodischen Korrosionsschutz wird das Bauteil nicht abgeschirmt, sondern elektrisch so beeinflusst, dass es zur Kathode wird und damit nicht mehr in Lösung geht. Das Prinzip kennt man im Kleinen schon vom Zinküberzug – beim kathodischen Schutz wird es gezielt und großflächig eingesetzt, vor allem dort, wo Beschichtungen allein nicht ausreichen: an erdverlegten Rohrleitungen, Tanks, Schiffsrümpfen oder Warmwasserspeichern.

Es gibt zwei Wege, das Bauteil zur Kathode zu machen. Der erste ist der galvanische Schutz mit Opferanoden. Man verbindet das Bauteil leitend mit einem unedleren Metall – meist Zink oder Magnesium. Dieses Metall bildet die Anode, geht selbst in Lösung und schützt dabei das Bauteil. Die Anode verbraucht sich mit der Zeit und muss erneuert werden, daher der Name Opferanode. Der Vorteil: keine externe Energiequelle nötig, einfach und wartungsarm.

Der zweite Weg ist der Fremdstromschutz. Hier liefert eine äußere Gleichstromquelle den Schutzstrom über fest installierte Anoden. Das eignet sich für große oder schwer zugängliche Objekte wie lange Pipelines, weil sich der Schutzstrom genau einstellen und über große Flächen verteilen lässt. Dafür braucht es eine Stromversorgung und regelmäßige Überwachung.

Welches Verfahren das richtige ist, lässt sich nicht pauschal sagen – es hängt von der Umgebung, der geforderten Lebensdauer, den Kosten und davon ab, wie gut sich das Bauteil später instand setzen lässt. Ein Maschinenteil in einer trockenen Halle braucht wenig, ein Brückengeländer an der Küste das Maximum.

Die Umgebung beschreibt man über die Korrosivitätskategorie (C1 bis CX), die gewünschte Lebensdauer über die Schutzdauerklasse. Aus beidem ergibt sich, wie dick und wie aufwändig das System sein muss. Dazu kommen praktische Überlegungen: Eine Beschichtung lässt sich farblich gestalten und später relativ einfach ausbessern, eine Feuerverzinkung ist robuster und wartungsärmer, aber kaum reparierbar. Kathodischer Schutz lohnt sich dort, wo eine Schicht allein nicht ausreicht oder gar nicht aufgebracht werden kann – etwa im Erdreich oder unter Wasser.

Oft ist die beste Lösung eine Kombination. Das bekannteste Beispiel ist das Duplex-System: Erst wird das Bauteil feuerverzinkt, dann zusätzlich beschichtet. Das Zink schützt kathodisch, die Beschichtung als Barriere – und beide schützen sich gegenseitig. Die Schutzdauer eines Duplex-Systems ist deutlich länger als die Summe der beiden Einzelschutzdauern, weil die Beschichtung das Zink schont und das Zink an Fehlstellen der Beschichtung einspringt. Genau dieses Zusammenspiel der Wirkprinzipien aus Kapitel 1 macht den langen Schutz aus.