Oberflächenbehandlung und Korrosionsschutz von Metallen

Oberflächenbehandlung von Metallen

Nitrieren

Die Oberflächenhärtungsbehandlung erhöht die Korrosionsbeständigkeit. Sie erfolgt mit einem Strom von Ammoniak in einem Ofen bei hohen Temperaturen. Das Material kühlt schnell ab und wird anschließend geglüht.

Sulfinierung

Hierbei wird der Anteil von Schwefel und Stickstoff in der Oberflächenschicht des Stahls erhöht.

Oxidation

Metalle und Legierungen geben Elektronen ab und erhöhen ihre Oxidationsstufe. Gleichzeitig verschwindet ein anderer Stoff. Das Ergebnis ist eine Redoxreaktion. Alle Metalle können in warmer und trockener Umgebung oxidieren. Die Oxidschicht ist in der Regel kompakt, homogen und haftet an der Oberfläche, wodurch ein Schutzfilm (Passivierung) entsteht. Bei stark erhöhter Temperatur oder großer mechanischer Beanspruchung können Risse auftreten, die weitere Oxidation begünstigen. Dieser Prozess ist langsam, wird aber durch Feuchtigkeit, Salze und Säuren verstärkt. Die Anfälligkeit eines Materials für Oxidation wird durch das Oxidationspotential bestimmt. Elektropositivere Metalle haben ein positives Potential mit hohem Absolutwert und werden daher leicht oxidiert und wirken als Anode. Diese Metalle werden in einem elektrochemischen Prozess als Anode bezeichnet, da sie oxidieren und als Reduktionsmittel wirken. Metalle mit einem niedrigeren Potential werden langsamer oxidiert und wirken als Kathode (Oxidationsmittel).

Elektrolyse

Elektrochemisches Verfahren, bei dem ein Strom durch Elektroden in einem mit einem Elektrolyten gefüllten Behälter geleitet wird. Dies erzeugt eine Redoxreaktion. Es wird zur Metallgewinnung, Reinigung und für elektrolytische Verfahren eingesetzt.

Reinigung von Metallen

Bei der elektrolytischen Raffination von Kupfer ist unreines Kupfer die Anode und reines Kupfer die Kathode. Beide sind in eine Lösung von Kupfersalzen eingebettet. Die Anode löst sich auf und Kupfer lagert sich an der Kathode ab. Durch die Einstellung des Potentials wird verhindert, dass sich die aktivsten Metalle an der Kathode ablagern. Edelmetalle bilden Anodenschlamm oder Ablagerungen.

Galvanotechnik

Die Galvanotechnik wird verwendet, um Metalle und Legierungen zu schützen. Das Metall erzeugt eine undurchlässige und haftende Schicht. Die Kathode ist das zu schützende Metall und die Anode ist eine Elektrolytlösung mit einem geschmolzenen metallischen Schutzüberzug.

Verzinkter Stahl

Verzinkter Stahl ist eine Legierung aus Eisen (Fe) und Zink (Zn). Die elektrochemische Abscheidung erfolgt über eine Eisenkathode, eine Zinkanode und einen Elektrolyten aus Zink und Zinksalz. Das Zink schützt das Eisen, wenn es mit der Atmosphäre in Kontakt kommt, da es als Anode und das Eisen als Kathode wirkt.

Korrosion

Korrosion ist die Zerstörung eines Materials durch die Einwirkung von Gasen oder Säuren, die zu einer Verformung durch Oxide, Salze oder andere Verbindungen führt. Diese sind oft porös und führen zur Zerstörung des Materials. Sie hängt von Verunreinigungen, Druck, Temperatur und mechanischer Beanspruchung ab.

Arten der Korrosion

Trockenkorrosion oder Gaskorrosion

Diese tritt auf, wenn das Metall mit atmosphärischen Gasen reagiert. Die Produkte bleiben auf der Oberfläche und begünstigen die Aufnahme neuer Gasmoleküle.

Nasskorrosion oder elektrochemische Korrosion

Diese tritt auf, wenn das Metall mit einem Oxidationsmittel in Gegenwart von Elektrolyten reagiert, wodurch eine Anode und eine Kathode (galvanische Zelle) entstehen. Dies wird durch Heterogenitäten begünstigt.

Ausbreitung der Korrosion

• Gleichmäßige Korrosion: Der Angriff erfolgt auf der gesamten Metalloberfläche.
• Lokalisierte Korrosion: Der Angriff erfolgt in bestimmten Bereichen des Metalls.
  • Lochfraß: Tritt an Stellen mit Defekten, Verunreinigungen oder unterschiedlicher Zusammensetzung auf. Die Korrosion schreitet nach innen fort.
  • Interkristalline Korrosion: Tritt an den Rändern der Metallkörner auf.
  • Selektive Korrosion: Nur eine Komponente der Legierung löst sich auf.
• Erosionskorrosion: Tritt in Rohren durch die Einwirkung von Chemikalien und mechanischem Abrieb oder durch die Strömung der Flüssigkeit auf.

Korrosionsschutz

• Wärmebehandlungen zur Erzielung homogener Strukturen (Normalisieren und Glühen).
• Erhöhung der Reinheit des Materials.
• Verwendung korrosionsbeständiger Legierungen.
• Kathodischer Schutz: Das zu schützende Metall wird zur Kathode, an der die Reduktion stattfindet. Das wichtigste Verfahren ist die Verwendung einer Opferanode, die mit dem zu schützenden Metall verbunden wird. Die Opferanode ist elektropositiver und wird oxidiert. Sie muss regelmäßig ersetzt werden, da sie sich verbraucht.
• Schutzbeschichtungen: Diese können metallisch oder nichtmetallisch sein.
  • Metallische Beschichtungen: Eine schützende Metallschicht wird auf das zu schützende Metall aufgebracht. Zur besseren Haftung wird eine Grundierung verwendet. Beispiele sind Galvanisierung und Tauchbeschichtung.
  • Nichtmetallische Beschichtungen: Das Metall wird mit Farbe, Lack, Kunststoff, Keramik oder Brünierung geschützt.
• Passivierung: Hierbei wird eine haftende und wasserdichte Oxidschicht gebildet, um die Oxidation durch galvanische Zellen zu verhindern.