Oxidation, Korrosion und Korrosionsschutz

Oxidation und Korrosion

Oxidation: Ist ein Stoff mit Sauerstoff verbunden, nennt man den Prozess Oxidation und die entstandene Verbindung Oxid (z.B. Rost).

Beispiele für Oxidation

• Eisenoxid (Fe₂O₃)
• Kohlendioxid (CO₂)
• Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Bei jeder Oxidation wird Wärme freigesetzt. Je schneller die Oxidation erfolgt, desto höher sind die erreichten Temperaturen.

Eine sehr schnelle Oxidation mit starker Entwicklung von Licht und Wärme nennt man Verbrennung.

Reduktion: Wenn Sauerstoff von einem Oxid subtrahiert wird, nennt man diesen Prozess Reduktion.

Beispiele für Reduktion

• Zersetzung von Quecksilberoxid
• Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung der meisten Metalle

Viele Metalloxide kommen in der Natur als Mineralien vor. Sie sind wichtig, da sie zur Extraktion der Metalle verwendet werden. Zum Beispiel wird Eisen durch die Reduktion von Eisenoxid (Eisenerz) mit Kohlenstoff (Sauerstoffentzug) und Wärme im Hochofen gewonnen.

Korrosion

Es ist bekannt, dass sich auf Eisen, das Luft und Feuchtigkeit ausgesetzt ist, Rost bildet. Dieser Rost hat eine schwammartige Struktur, sodass die Oxidation durch die Poren weiter fortschreiten kann, bis das gesamte Material angegriffen ist. Diese Erscheinung nennt man Korrosion.

Bei einigen Metallen wie Blei, Zink oder Aluminium tritt zwar Oxidation auf, aber keine Korrosion. Das Metall oxidiert und bildet eine dünne Schicht, die das darunterliegende Material vor dem weiteren Angriff des Sauerstoffs abschirmt.

Es gibt Metalle wie Chrom und Nickel, die nur schwer oxidieren, und andere Metalle wie Gold, Silber und Platin, die als Edelmetalle kaum mit Sauerstoff reagieren.

Korrosion – Eine chemische Reaktion

Korrosion ist eine chemische, elektrochemische oder physikalisch-chemische Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung, die zu einer Veränderung seiner Eigenschaften führt.

In der Regel werden die Materialien durch die Atmosphäre beeinflusst. In der Luft sind Sauerstoff, Wasserdampf, Rauch, Schwefel- und Phosphorverbindungen sowie Abgase wie Kohlendioxid oder Schwefeldioxid enthalten. Auch verdünnte Säuren wie Kohlensäure, Schwefelsäure und Salpetersäure können beteiligt sein.

Die meisten Metalle liegen in der Natur als Mischungen aus Sauerstoff, Wasser und Schwefel-, Phosphor- oder Kohlenstoffverbindungen (Mineralien) vor. Sobald Stahl oder andere Metalle aus diesen Kombinationen mit hoher Energie gewonnen wurden, neigen sie dazu, in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Dies ist die Ursache der Zerstörung (Korrosion), die sich bei vielen Metallen zeigt.

Arten der Korrosion

Korrosion ohne mechanische Beanspruchung

Einheitliche Korrosion: Die Erosion tritt fast gleichmäßig über die gesamte Oberfläche auf, z.B. bei der Oxidation.

Lochkorrosion: Die Korrosion tritt in Form von Ionenfrass nur an bestimmten Stellen der Oberfläche auf.

Spaltkorrosion: Diese tritt in Spalten auf, in denen Feuchtigkeit eingeschlossen ist. Sie wird durch unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen im Wasser verursacht.

Kontaktkorrosion: Tritt auf, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichem elektrochemischem Potenzial durch einen Elektrolyten verbunden sind. Dies führt zur Zerstörung des unedleren Metalls.

Interkristalline Korrosion: Tritt an den Korngrenzen auf und führt zu einer Verringerung des Widerstands.

Transkristalline Korrosion: Tritt in der Regel bei Zugbelastung parallel zur Verformungsrichtung innerhalb des Korns auf.

Korrosionsarten in Bezug auf mechanische Beanspruchung

Spannungsrisskorrosion: Wird durch Zugspannung und das Einwirken aggressiver Medien verursacht. Die Rissbildung erfolgt entweder interkristallin oder transkristallin.

Korrosion durch Vibration (Korrosionsermüdung): Eine Art der Materialermüdung, die durch eine abwechselnde Belastung in korrosiver Umgebung verursacht wird.

Schutz gegen Korrosion (Ohne Metallüberzüge)

Zum Korrosionsschutz wird das metallische Material von der Umgebung getrennt, indem eine Beschichtung oder ein Überzug aufgetragen wird, um Korrosion zu verhindern oder ausreichend zu verringern.

Beschichtungsverfahren

Ölen und Fetten: Werden verwendet, wenn Teile nur kurzzeitig geschützt werden sollen (z.B. Bremssättel). Fett und Öl dürfen keine Säuren enthalten.

Streichen oder Spritzen: Es wird eine undurchlässige Schutzschicht durch das Auftragen geeigneter Grundierungen (Öl, Lack etc.) erzeugt.

Emaille: Wird durch Aufstäuben und Spritzen von Pulver aufgetragen und bei 800 °C oder 1000 °C eingebrannt. Die Beschichtung ist beständig gegen Chemikalien und Hitze. Die Masse der Emaille besteht aus Glaspulver, das sich aus Quarz, Feldspat, Ton und Farbstoffen zusammensetzt.

Kunststoffbeschichtungen: Werden durch Eintauchen in flüssigen Kunststoff oder durch Beschichtung erhalten. Heutzutage werden Ölfarben zunehmend durch Kunstharzlacke, Terpentin und Chlorkautschuk ersetzt. Es gibt auch Lacke, die bei 120 °C oder 150 °C im Ofen trocknen und einen guten Korrosionsschutz bieten.

Phosphatieren (auch Bonderisieren): Eine wässrige Lösung von Mangan- oder Zinkphosphat (Phosphorsäuresalze) wird auf die zuvor entrostete und entfettete Metalloberfläche gesprüht oder getaucht. Es bildet sich eine schützende Eisensphosphatschicht. Dient in der Regel als Basis für weitere Beschichtungen.

Eloxieren (Elektrolytische Oberflächenbehandlung): Dies ist eine künstliche Oxidation zur Verbesserung der natürlichen Oxidschicht von Aluminiumlegierungen. Unebenheiten, Risse und Kratzer werden nach der Behandlung sichtbar. Die Schutzschicht ist fest und haftet gut.

Beim Eloxieren wird in einem Bad mit Schwefelsäure als Elektrolyt eine Bleiplatte (als negativer Pol) und das Aluminiumstück (als positiver Pol) verwendet. Es kommt zur Sauerstoffabgabe an der Anode, wodurch eine kontinuierliche Oxidschicht entsteht (Aluminium wird an der Anode oxidiert).