Maass P., Peissker P. (ред.) Handbuch Feuerverzinken

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P. Maaß

1.1

Korrosion

1.1.1

Ursache der Korrosion

Alle Werkstoffe bzw. die daraus hergestellten Erzeugnisse, Anlagen, Konstruktionen

und Gebäude unterliegen bei ihrer Anwendung der materiellen Abnutzung.

Eine allgemeine Übersicht der Abnutzungsarten, die durch mechanische,

thermische, chemische, elektrochemische, mikrobiologische, elektrische und

strahlungsbedingte Einflüsse hervorgerufen werden, zeigt (Abb. 1.1) .

Die technische und wirtschaftliche Beherrschung der materiellen Abnutzung ist

schwierig, da sich mehrere Ursachen überlagern und gegenseitig beeinflussen. In

der Wechselwirkung mit bestimmten Medien der Umwelt treten bei den Werk-

stoffen unbeabsichtigte Reaktionen auf, die zum Korrodieren, Verwittern, Verrotten,

Verspröden und Faulen führen.

Während mechanische Reaktionen zum Verschleiß führen, verursachen che-

mische und elektrochemische Reaktionen die Korrosion. Diese Vorgänge gehen von

der Oberfläche der Werkstoffe aus und führen zu Veränderungen der Werkstoffei-

genschaften bzw. zu ihrer Zerstörung. Nach DIN EN ISO 8044 ist Korrosion

definiert:

„Physikalische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer

Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigun-

gen der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese

einen Teil bilden, führen kann.“

Anmerkung: Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemischer Natur.

Korrosion und Korrosionsschutz

Aus der dieser Norm umfassenden Definition ergeben sich weitere Begriffe:

Korrosionssystem: System, das aus einem oder mehreren

Metallen und jenen Teilen der Umgebung besteht, die die

Korrosion beeinflussen.

Korrosionserscheinung: durch Korrosion verursachte Verände-

rung in einem beliebigen Teil des Korrosionssystems.

Korrosionsschaden: Korrosionserscheinung, die die Beein-

trächtigung der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des

technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden,

verursacht.

Korrosionsversagen: Korrosionsschaden, gekennzeichnet durch

den vollständigen Verlust der Funktionsfähigkeit des techni-

schen Systems.

Korrosionsbeständigkeit: Fähigkeit eines Metalls, die Funk-

tionsfähigkeit in einem gegebenen Korrosionssystem beizu-

behalten.

Wird unlegierter oder legierter Stahl ohne Korrosionsschutz der Atmosphäre

ausgesetzt, so verfärbt sich die Oberfläche bereits nach kurzer Zeit rotbraun. Es hat

sich Rost gebildet, der Stahl korrodiert. Bei Stahl verläuft der Korrosionsprozess

vereinfacht chemisch nach folgender Gleichung:

Gl. 1.1Fe + SO

® FeSO

Gl. 1.24Fe + 2 H

O+3O

® 4FeOOH

Die Korrosionsprozesse laufen ab, wenn ein angreifendes Mittel auf einen Werkstoff

einwirkt. Da die unedlen Metalle (energiereich), die durch metallurgische Prozesse

aus in der Natur vorkommenden Erzen (energiearm) gewonnen werden, das

Bestreben haben, sich in ihre ursprüngliche Form zurückzuverwandeln, spielen sich

auf der Werkstoffoberfläche chemische und elektrochemische Reaktionen ab.

Es werden zwei Korrosionsreaktionen unterschieden:

chemische Korrosion

Korrosion, die keine elektrochemische Reaktion beinhaltet,

elektrochemische Korrosion

Korrosion, die mindestens eine anodische und eine kathodische Reaktion

beinhaltet.

1 Korrosion und Korrosionsschutz

1.1.2

Korrosionsarten

Die Korrosion tritt nicht nur als Linearabtrag, sondern in vielfältigen Erscheinungs-

formen auf. Für unlegierten bzw. legierten Stahl sind wichtige Erscheinungsformen

nach DIN EN ISO 8044:

gleichmäßige Flächenkorrosion

Allgemeine Korrosion, die mit nahezu gleicher Geschwindigkeit auf der

gesamten Oberfläche abläuft.

Muldenkorrosion

Korrosion mit örtlich unterschiedlicher Abtragsrate; die Ursache ist das

Vorliegen von Korrosionselementen.

Lochkorrosion

Örtliche Korrosion, die zu Löchern führt, d. h. zu Hohlräumen, die sich von

der Oberfläche in das Metallinnere ausdehnen.

Spaltkorrosion

Örtliche Korrosion im Zusammenhang mit Spalten, die in bzw. unmittelbar

neben einem Spaltbereich abläuft, der sich zwischen der Metalloberfläche

und einer anderen Oberfläche (metallisch oder nichtmetallisch) ausgebildet

hat.

Kontaktkorrosion

Tritt an Berührungsstellen unterschiedlicher Metalle auf; der beschleunigt

korrodierende metallische Bereiche ist die Anode des Korrosionselements.

Interkristalline Korrosion

Korrosion in oder neben den Korngrenzen eines Metalls.

In o. g. Norm werden insgesamt 37 Korrosionsarten beschrieben.

Diese Korrosionsarten führen zu Korrosionserscheinungen.

1.1 Korrosion

Abb. 1.1 Abnutzungsarten an Werkstoffen

1.1.3

Korrosionserscheinungen

EN ISO 8044 definiert Korrosionserscheinung durch korrosionsverursachende

Veränderung in einem beliebigen Teil des Korrosionssystems.

Wichtige Korrosionserscheinungen sind:

gleichmäßiger Flächenabtrag

Korrosionsform, bei der der metallische Werkstoff von der Oberfläche her

annähernd gleichförmig abgetragen wird. Diese Form ist auch die Grundlage

für die Berechnung des Masseverlustes [g m

-2

]bzw.derErmittlungder

Korrosionsgeschwindigkeit [µma

-1

Muldenfraß

Korrosionsform in ungleichmäßigem Flächenabtrag unter Bildung von

Mulden, deren Durchmesser wesentlich größer als ihre Tiefe ist.

Lochfraß

Korrosionsform, bei der kraterförmige, die Oberfläche unterhöhlende oder

nadelstichartige Vertiefungen auftreten. Die Tiefe der Lochfraßstellen ist in

der Regel größer als ihr Durchmesser.

Zwischen Muldenfraß und Lochfraß ist keine Abgrenzung möglich.

1.1.4

Korrosionsbelastungen

Nach DIN EN ISO 12944–2: Alle Umgebungsfaktoren, welche die Korrosion fördern.

1.1.4.1 Atmosphärische Korrosion

Die Korrosionsgeschwindigkeit in der Atmosphäre ist unbedeutend, wenn die

relative Luftfeuchte an der Stahloberfläche 60% nicht überschreitet. Die Korrosions-

geschwindigkeit nimmt zu, insbesondere bei mangelnder Belüftung,

mit steigender relativer Luftfeuchte,

wenn sich Kondenswasser bildet (Oberflächentem-

peratur < Taupunkt),

bei Anwesenheit von Niederschlagswasser,

mit zunehmender Verunreinigung der Atmosphäre durch

Schadstoffe, welche die Stahloberfläche beeinflussen und/oder

sich darauf ablagern können. Schadstoffe sind Gase, insbe-

sondere Schwefeldioxid, und Salze, insbesondere Chloride,

Sulfate. In Verbindung mit Feuchte fördern Ablagerungen auf

Stahloberflächen, wie Ruß,Stäube, Salze usw., die Korrosion.

Die Temperatur beeinflusst ebenfalls den Korrosionsverlauf. Zum Abschätzen der

Korrosionsbelastung sind folgende Kriterien maßgebend:

Klimagebiete

kaltes Klima

gemäßigtes Klima

1 Korrosion und Korrosionsschutz

trockenes Klima

feuchtwarmes Klima

Meeresklima

Ortsklima

Als Ortsklima wird bezeichnet, was im Umkreis des Objektes (bis zu 1000 m

Abstand) herrscht. Das Ortsklima und der Schadstoffgehalt sind die

Grundlage für die Einordnung in Atmosphärentypen.

1.1 Korrosion

Abb. 1.2 Die Reduzierung der SO

-Belastung fürDeutsch-

land in den letzten 20 Jahren führte dazu, dass sich die

Zinkabtragswerte wesentlich reduziert haben (vgl. Tab. 1.1 ).

Atmosphärentypen

Raumatmosphäre

Landatmosphäre

Stadtatmosphäre

Industrieatmosphäre

Meeresatmosphäre

Kleinstklima

Das Kleinstklima, frühere Bezeichnung Mikroklima, ist das Klima unmittel-

bar am einzelnen Bauteil. Die örtlichen Gegebenheiten, wie Einflüsse der

Luftfeuchte, Taupunktunterschreitungen, örtliche Befeuchtungen und deren

Dauer, besonders in Verbindung mit auftretenden Schadstoffen am Standort

beeinflussen wesentlich die Korrosion.

Tabelle 1.1 zeigt die Korrosionsbelastung der atmosphärischen Korrosion bei

unterschiedlichen Atmosphärentypen und Korrosivitätskategorien nach DIN EN

ISO 12944–2.

1 Korrosion und Korrosionsschutz

Tab. 1.1 Korrosionsbelastung – Einteilung der Umgebungsbedingungen nach DIN EN ISO 12944–2

Korrosivitäts-

kategorie

Dickenverlust* im

1. Jahr (µm)

Beispiele typischer Umgebungen

C-Stahl Zink Freiluft Innenraum

C1 unbed. £ 1,3 £ 0,1 – gedämmte Gebäude £ 60% rel.

Luftfeuchtigkeit

C2 gering >1,3–25 > 0,1–0,7 gering verunreinigte Atmos-

phäre, trockenes Klima, z. B.

ländliche Bereiche

ungedämmte Gebäude mit zeit-

weiliger Kondensation, z. B. La-

ger, Sporthallen

C3 mäßig > 25–50 > 0,7–2,1 S- und I-Atmosphäre mit

mäßiger SO

-Belastung oder

gemäßigtes Küstenklima

Räume mit hoher rel. Luft-

feuchtigkeit und etwas Verun-

reinigungen, z. B. Brauereien,

Wäschereien, Molkereien

C4 stark >50–80 > 2,1–4,2 I-Atmosphäre und Küstenat-

mosphäre mit mäßiger Salzbe-

lastung

Chem. Produktionshallen,

Schwimmbäder

C5 sehr stark I >80–200 > 4,2–8,4 I-Atmosphäre mit hoher rel.

Luftfeuchtigkeit und aggressiver

Atmosphäre

Gebäude oder Bereiche mit na-

hezu ständiger Kondensation

und starker Verunreinigung

C5 sehr stark M >80–200 > 4,2–8,4 Küsten- und Offshorebereiche

mit hoher Salzbelastung

* auch als Masseverlust ausgewiesen

1.1.4.2 Korrosion im Boden

Das Korrosionsverhalten wird durch die Beschaffenheit des Erdbodens und

zusätzlich durch elektrochemische Einflussgrößen bestimmt, wie Elementbildung

mit anderen Bauteilkomponenten, Gleichstrom- und Wechselstrombeeinflussung.

Die Korrosionsbelastung wird wesentlich bestimmt durch

die Zusammensetzung des Bodens,

die Veränderung der Bodenbeschaffenheit am Objekt durch

im Boden befindliche Ablagerungen,

zusätzliche elektrochemische Parameter.

Weitere Einzelheiten siehe EN 12501–1.

1.1.4.3 Korrosion im Wasser

Wesentliche Korrosionsbelastungen im Wasser sind

Zusammensetzung der Wässer, wie Sauerstoffgehalt, Art und

Menge der gelösten Stoffe im Süßwasser, Brackwasser und

Salzwasser,

mechanische Belastungen,

elektrochemische Einflussgrößen.

Die DIN EN ISO 12944–2 unterscheidet dabei die Unterwasserzone, die Wasser-

wechselzone und die Spritzwasserzone sowie die Feuchtzone.

1.1.4.4 Sonderbelastungen

Korrosionsbelastungen am Standort, im Einsatzgebiet oder durch produktions-

bedingte Einflüsse sind Sonderbelastungen, die die Korrosion wesentlich beein-

flussen. Vorwiegend sind es chemische Belastungen, wie betriebsbedingte

Immissionen (Säuren, Laugen, Salze, organische Lösemittel, aggressive Gase

und Stäube u. a. m.). Sonderbelastungen sind aber auch mechanische Belastungen,

Belastungen durch Temperaturen und kombinierte Belastungen – gleichzeitige

mechanische und chemische Belastung – die die Korrosion verstärken.

1.1.4.5 Vermeidung von Korrosionsschäden

Um einen Korrosionsschaden zu verhindern, sind folgende grundsätzliche

Ermittlungen notwendig:

Ermittlung der Korrosionsbeanspruchungen fürdasErzeug-

nis, die Anlage, die Konstruktion oder des Gebäudes,

Kenntnis der Nutzungsdauer: Zeitabschnitt, in dem das

Korrosionssystem die Anforderungen an die Funktionsfähig-

keit erfüllt (EN ISO 8044),

Kenntnis der Schutzdauer: Erwartete Standzeit eines

Beschichtungssystems bis zur ersten Teilerneuerung (EN ISO

12944–1).

1.1 Korrosion

Die Ermittlung der Korrosionsbeanspruchung ist relativ problematisch, denn

sowohl die Einflüsse der Klimagebiete, des Ortsklimas, der Atmosphärentypen bis

zum Kleinstklima sind zu berücksichtigen.

Es muss jeweils der Korrosionsschutz ermittelt werden, dessen Schutzdauer der

Nutzungsdauer nahe kommt, damit der Aufwand füraufwendigeWiederhol-

schutzmaßnahmen minimiert wird.

1.2

Korrosionsschutz

1.2.1

Verfahren

Alle Methoden, Maßnahmen und Verfahren mit dem Ziel Korrosionsschäden zu

vermeiden, werden als Korrosionsschutz bezeichnet. Veränderungen eines Korro-

sionssystems derart, dass Korrosionsschäden verringert werden.

Eine Übersicht zeigt Abb. 1.3.

1.2.1.1 Aktive Verfahren

Die Korrosion wird beim aktiven Korrosionsschutz vermieden, bzw. reduziert durch

Eingriff in den Korrosionsvorgang, durch Werkstoffauswahl und das korrosions-

schutzgerechte Projektieren, Konstruieren und Fertigen. Es ist aber auch wesent-

1 Korrosion und Korrosionsschutz

Abb. 1.3 Methoden, Maßnahmen und Verfahren des Korro-

sionsschutzes (von Oeteren, Korrosionsschutz-Fibel)

liche Voraussetzung für das Wirksamwerden passiver Korrosionsschutzverfahren.

Insoweit werden betrachtet:

1.2.1.1.1 Konstruktive Forderungen Die grundlegenden konstruktiven Forderun-

gen zur korrosionsschutzgerechten Gestaltung von Stahlbauten sind in der DIN EN

ISO 12944–3 festgelegt:

Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssys-

teme

Grundregeln zur Beschichtung

EN ISO 14713

Schutz von Eisen- und Stahlkonstruktionen vor Korrosion –

Zink- und Aluminiumüberzüge.

Sie gelten im übertragenen Sinne auch für andere Erzeugnisse, soweit diese nicht

durch Festlegungen in entsprechenden DIN konkrete Forderungen enthalten. Der

Konstrukteur muss die Korrosionsbelastungen, die die Korrosionsarten und

Korrosionserscheinungen hervorrufen, beim Konstruieren berücksichtigen. Er

hat die konstruktive Lösung aufzuzeigen, die eine wirtschaftliche Schutzdauer bei

optimaler Qualitäterwartenlässt.

Wesentlich dabei sind:

Werkstoffeinsatz

Kenntnis der Eigenschaften und ihres Korrosionsverhaltens sind erforder-

lich.

Oberflächengestaltung

Vorzug den Bauteilen, die eine geringe korrosionsgefährdete Oberfläche

aufweisen.

Profileinsatz

Den Profilen ist der Vorzug zu geben, die die wenigsten Ecken bilden. Es

rangiert das Winkelprofil vor dem U-Profil, das U-Profil vor dem I-Profil.

Bauteilanordnung

Bauteile und Konstruktionen sind so anzuordnen, dass die Einwirkung

aggressiver Medien verhindert oder so gering wie möglich gehalten wird bzw.

eine ungehinderte Luftzirkulation gewährleistet ist.

Bauteil Verbindungen

Für das Verbinden von Bauteilen gilt die Forderung nach möglichst glatten,

geschlossenen Oberflächen. Verbindungsmittel müssen den gleichen

Korrosionsschutz wie die Konstruktionen erhalten bzw. einen gleichwertigen

bezüglich der Schutzdauer.

Fertigungstechnische Forderungen

Beim Einsatz eines passiven Korrosionsschutzverfahrens sind die fertigungs-

technischen Kriterien schon bei der Konstruktion zu berücksichtigen.

Aus der Festlegung für ein Korrosionsschutzverfahren ergeben sich die

Forderungen u. a. nach beschichtungsgerechter, feuerverzinkungsgerechter,

spitzmetallisiergerechter, emailliergerechter, galvanisiergerechter Konstruk-

tion.

1.2 Korrosionsschutz