Korrosionprozess

 

• KORRROSION

Metallkorrosion ist ein komplexes Phänomen, das als chemische Veränderung eines festen Metalls an der Schnittstelle zur äußeren Umgebung (feuchte Atmosphäre, Lösung usw.) definiert werden kann. Der Angriff kann sich in die Tiefe erstrecken, wenn die gebildeten Produkte pulverförmig sind (z. B. Rost), er kann sich aber auch auf eine dünne Schutzschicht beschränken (z. B. Tonerde auf Aluminium). Neben dem Oberflächenangriff kann die Korrosion auch zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Metalls führen (Versprödung). Die wirtschaftlichen Auswirkungen der Korrosion sind beträchtlich. Bei Eisen zum Beispiel werden die Korrosionsverluste auf ein Viertel der weltweiten Stahlproduktion geschätzt.

 

• FUNKTION DER KORROSION

In Wirklichkeit handelt es sich bei Korrosion um eine oberflächliche Verschlechterung eines Materials, die durch elektrische, chemische oder mechanische Phänomene verursacht wird. Mit Ausnahme einiger Edelmetalle (z. B. Gold, Platin) mit einem hohen Redoxpotential zeigt die Thermodynamik eine spontane Tendenz der Metalle zur Bildung chemisch stabilerer Verbindungen (z. B. Oxide). Der Angriff auf das Metall ist in der Tat ein elektrochemischer Oxidations-Reduktionsprozess, der seinen Ursprung in der Art der elektrischen Leitung der beiden vorhandenen Phasen hat: eine elektronische Leitung in der Metallphase und eine ionische Leitung im Elektrolyten.

Elektrochemische Reaktionen ermöglichen Ladungsübertragungen an der Grenzfläche zwischen dem Metall (Elektrode) und dem Elektrolyten.

Die Korrosion eines Metalls wie Eisen ist das Ergebnis eines Prozesses, der durch die folgende Gleichung schematisch dargestellt werden kann:

Fe → Fe2+ + 2 e- (1)

Diese Gleichung bedeutet einfach, dass sich die Atome des Metalls (Fe) unter der Einwirkung eines Korrosionsprozesses in positive Ionen (Fe2+) verwandeln, die das Metall verlassen und in das Medium übergehen. Es findet eine Zustandsänderung des Materials statt, die mit der Auflösungsreaktion des Metalls zusammenhängt. Diese Zustandsänderung geht mit der Freisetzung von Elektronen einher (2 e- im Falle von Eisen). Die Erhaltung der Umweltneutralität erfordert, dass die durch die Auflösungsreaktion (1) freigesetzten Elektronen in einer zweiten Reaktion verbraucht werden, die z. B. wie folgt aussehen kann:

2 H+ + 2 e- →H2 (2) saure Umgebung

½ O2 + H2O + 2 e- → 2OH- (2′) neutrales und basisches Milieu

Die zweite Reaktion (2 und 2′) hängt mit der Beschaffenheit des Mediums zusammen, mit dem der Werkstoff in Kontakt ist (Elektrolyt).

Während eines Korrosionsprozesses ist die Oberfläche des Werkstoffs daher zwangsläufig Schauplatz von zwei Reaktionen:

• • die Auflösungs- oder Oxidationsreaktion (anodische Reaktion);
  • die Zersetzungsreaktion der Umgebung: „Reduktion“ (kathodische Reaktion).

Der Korrosionsprozess, der anodische und kathodische Reaktionen überlagert, wird von der Zirkulation eines elektrischen Stroms (Zirkulation von Elektronen im Metall und Ionen im Elektrolyten) zwischen den beiden Bereichen der Grenzfläche begleitet.

Die von der Anode freigesetzten Elektronen (Freisetzung eines Fe2+-Ions in Lösung) werden durch den kathodischen Prozess verbraucht. Zu diesem Zweck fließen die Elektronen durch das Metall von der Anode zur Kathode, deren elektrisches Potential größer ist als das der Anode.

Damit ein Korrosionsprozess stattfinden kann, ist es daher erforderlich, dass :

• • eine Metalloberfläche mit anodischen und kathodischen Zonen, d.h. eine Heterogenität des Potentials;
  • einen Elektrolyten für den Ionentransport, um den Stromkreis zu schließen und die Zirkulation von Elektronen zu ermöglichen. Der Elektrolyt wird durch das Medium (untergetauchter Boden, Wasser, usw.) bereitgestellt.

Bei einer weit verbreiteten Korrosion sind die verschiedenen Punkte der Metalloberfläche nacheinander kathodisch und anodisch und der Dickenverlust ist im Allgemeinen gleichmäßig. In diesem Fall kann die Korrosionsrate z. B. durch Messung des Dicken- oder Gewichtsverlusts bewertet werden, was eine Abschätzung der Lebensdauer des betreffenden Teils ermöglicht.

Im Gegensatz zur allgemeinen Korrosion entsteht die örtliche Korrosion durch die Lokalisierung von anodischen Bereichen in bestimmten Bereichen der Grenzfläche aufgrund von Heterogenität des Metalls (Metallfehler usw.) oder des Elektrolyten. Das Eindringen der Korrosion ist umso schneller, je geringer das Verhältnis zwischen der anodischen und der kathodischen Oberfläche ist (unzureichender Schutz durch Opferanoden usw.).

 

• POURBAIX-DIAGRAMM

Pourbaix-Diagramme, auch Potenzial-[pH]-Diagramme genannt, zeigen auf einer E-PH-Ebene die Bereiche, in denen ein Element vorkommt oder vorherrscht. Sie werden aus thermodynamischen Daten erstellt. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein vereinfachtes Eisen-Pourbaix-Diagramm.

Nach dem Diagramm in Abbildung 2 kann Eisen je nach seinem Potenzial und dem pH-Wert der Lösung, in die es eingetaucht ist, in drei thermodynamischen Zuständen vorliegen:

• Thermodynamische Passivierung, wenn es sich in den Stabilitätsbereichen von Eisen(II)- oder Eisen(III)-Hydroxiden (Fe2O3) befindet;
• Aktivität oder Korrosion in den Stabilitätsbereichen der Eisen- und Eisen(III)-Ionen (Fe3+, Fe2+ und HFe bis zum extremen pH-Wert);
• Immunität in dem Bereich des Diagramms, der der Stabilität des Eisens (Fe) entspricht.

Im Zustand der Immunität befinden sich das Metall und die Umgebung in einem Zustand der thermodynamischen Stabilität: Sie können nicht reagieren und daher ist keine Korrosion möglich. Diese Situation tritt bei Edelmetallen auf (ein Potenzial, das weit über dem der Wasserstoffelektrode liegt, siehe Tabelle 1).

Im Zustand der Passivität befinden sich das Metall und die Umgebung nicht in einem Zustand der thermodynamischen Stabilität, sondern das Metall ist von Natur aus mit einem Schutzfilm überzogen, der es von der äußeren Umgebung isoliert. Dieser Film (Passivschicht) muss gegenüber der äußeren Umgebung thermodynamisch stabil sein und darf lokal keine Schwachstelle aufweisen. Andernfalls korrodiert das Metall lokal. In der Praxis verdanken z. B. Edelstahl und Titan ihre Korrosionsbeständigkeit ihrem passiven Verhalten.

Im aktiven Zustand ist das Metall thermodynamisch nicht stabil und nicht mit einer Schutzschicht überzogen: Es reagiert mit seiner Umgebung und korrodiert.

Bezogen auf den in Abbildung 1 dargestellten elektrochemischen Korrosionsprozess besteht der kathodische Schutz darin, das elektrochemische Potenzial eines Metalls so zu senken, dass nur noch kathodische Reaktionen an seiner Oberfläche stattfinden können. Diese Potenzialsenkung wird erreicht, indem ein externer Strom in die Metalloberfläche eingespeist wird, um sie zu polarisieren.