Korrosionsarten Aluminium

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Korrosionsarten:
Die Korrosion von Aluminium und seiner Legierungen läuft normalerweise nur an bestimmten örtlich begrenzten Bereichen ab: Sie beginnt an Fehlern in der Oxidschicht, Kratzern oder intermetallischen Verbindungen. Aluminium korrodiert nur gleichmäßig in stark säurehaltigen oder stark alkalischen Umgebungen, d.h. wenn die Oxidschicht in der Umgebung löslich ist.

Fadenförmige Korrosion:

Während des Hydrolysierens der Aluminium-Ionen werden Wasserstoff-Ionen gebildet, die zum Säuern der Spitze führen. An der Spitze findet eine Reduzierung der Wasserstoffionen statt, mit Bildung von Wasserstoffgas. Die Hauptreaktion an der Kathode findet gerade hinter der Anode statt und ist die Reduzierung vom Sauerstoff an den an der Oberfläche befindlichen intermetallischen Verbindungen. Chloride (oder andere Kationen) sorgen für Elektroneutralität an der Spitze. Die Aluminiumionen und die Hydroxidionen bilden unlösliche Aluminiumhydroxide im Endstück.

Kontaktkorrosion:
Kontaktkorrosion ist eine Art örtlicher Korrosion die geschieht, wann immer zwei Metalle oder Legierungen mit einem Potentialunterschied von mindestens 50 mV im direkten Kontakt miteinander in einem korrosiven Elektrolyt gebracht werden. Das wenige edle der zwei Metalle oder Legierungen wird die Anode der Korrosionsreaktion. Der Mechanismus der Kontaktkorrosion wird hier veranschaulicht. Das wenige edle der zwei Metalle, in diesem Beispiel Aluminium, wird die Anode der Korrosionsreaktion.

Korngrenzenkorrosion:
Interkristalline Korrosion beschreibt den bevorzugten Angriff an Korngrenzen oder angrenzenden Bereichen ohne dass jedoch ein wesentlicher Angriff der Körner selbst stattfindet. Diese Art des Angriffs wird durch den Unterschied beim Korrosionspotential zwischen den Korngrenzbereich und den angrenzenden Körner verursacht. Diese Art der Korrosion kommt häufig in Legierungen der 2xxx-, 5xxx- und 7xxx-Reihen vor, jedoch seltener in Legierungen der 6xxx-Reihe. Interkristalline Korrosion kann durch die an den Korngrenzen bevorzugte Ausscheidungen von feinen Partikeln intermetallischer Verbindungen verursacht werden. Wenn solche Ausscheidungen nah aneinander liegen und ein halbkontinuierliches Netz entlang den Korngrenzen bilden, führen sie zu interkristalline Korrosion.

Lochfraß:
Lochfraß ist eine sehr aggressive Form von örtlicher Korrosion. Eine Besonderheit des Lochfraßes ist, dass Korrosion nur an kleinen Stellen auf der Metalloberfläche stattfindet; da aber die anodische Fläche verhältnismäßig sehr klein ist im Vergleich zu der kathodischen Fläche, können die Pits sehr schnell wachsen bis sie schließlich zur Perforierung des metallischen Teils führen. Die Zahl der Pits ist legierungsabhängig: z.B. bei einer Legierung des Typs 1199 bilden sich 100 Pits pro cm2, während bei einer Legierung mit einem Kupferanteil von 4 % liegt die Zahl der Pits bei ungefähr 1000 pro cm2. Folglich neigen Legierungen der 2xxx- Reihe (d.h. Legierungen in denen Cu das Hauptlegierungselement ist) besonders stark zum Lochfraß.

Der Mechanismus des Lochfraßes von Aluminium ist sehr kompliziert. Nichtsdestotrotz wird allgemein akzeptiert, dass der Mechanismus aus zwei Schritten besteht:

Pitbildung:
Lochfraßbildung wird häufig in Verbindung gebracht mit vorhandenen örtlichen Fehlern an der Metalloberfläche, wie Fehlerstellen im Oxid, Seigerungen der Legierungselemente oder das Vorhandensein von aggressiven Anionen wie Chloridionen aus der Umgebung. Experten glauben, dass die Chloride zur örtlichen Beschädigung der Oxidschicht führen, vorzugsweise an bestehenden Schwachpunkten, und daraus resultieren Mikrorisse von einigen Nanometer Durchmesser.

Pitausbreitung - leicht verständlich dargestellt:

Von den vielen gebildeten Pits werden nur einige wenige weiter wachsen. Der hier gezeigte vorgeschlagene Mechanismus stützt auf neue Studien, die darauf hindeuten, dass Lochfraß bei Aluminium ein diskontinuierlicher Prozess ist.
Die Gleichung für die gesamte Reaktion kann wie folgt beschrieben werden: 2Al + 3H2O + 3/2·O2 → 2Al(OH)3
Der Pitausbreitungsprozess besteht aus verschiedenen Zwischenstufen:

1. Im gebildeten Pit wird Aluminium aufgelöst: 2Al + 2Al3+ + 3e− und die Al3+-Kationen reagieren mit den Cl−-Anionen, um ein komplexes Zwischenprodukt AlCl4− zu bilden. Die Hydrolyse dieses Produkts ergibt Säurebildung unten an der Lochfraßstelle und eine Senkung des pH-Wertes auf < 3 (wegen der Bildung von H+-Ionen). Diese sehr aggressive Umgebung führt dazu, dass die Korrosion in den Pits selbst abläuft.
2. Die Al3+-Kationen die sich unten in der Lochfraßstelle angesammelt haben, diffundieren aus dem Pit heraus und kommen im Kontakt mit einer Umgebung die mehr alkalisch ist wegen der Wasserstoffgasentwicklung im kathodischen Prozess: 6H+ + 6e− → 3H2, oder der Bildung von OH−-Ionen: 2/3·O2 + 3H2O + 6e → 6OH− Infolgedessen bildet sich Aluminiumhydroxid, und dies scheidet am Rande des Pits aus. Die Ablagerung dieser weißen Korrosionsprodukte wächst bis sie schließlich den Eingang zum Pit blockieren und deshalb eine Fortsetzung des Ionenaustauschprozesses verhindern.

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Spannungsrisskorrosion Aluminium

Definition: Spannungsrisskorrosion (SpRK) ist die simultane Interaktion einer andauernden Zugspannung und Korrosion bzw. korrosionsbezogener Prozesse, die zur subkritischen Bildung und Ausbreitung von Rissen führt; sie kann einen frühzeitigen Sprödbruch bei einem duktilen Werkstoff verursachen.

Wichtige Besonderheiten
Wie Korrosion im allgemeinen ist SpRK eine Systemeigenschaft. Das bedeutet: Drei Vorbedingungen müssen gleichzeitig erfüllt werden, um SpRK zu verursachen:

• Eine Legierung muss empfindlich sein

Empfindliche Legierung:
Prinzipiell können nur die Aluminiumlegierungen Anfälligkeit gegen SpRK aufweisen, die zur Ausscheidung bestimmter intermetallischer Verbindungen fähig sind. Aber glücklicherweise reichen für die Empfindlichkeit einer Legierung gegen SpRK solche Ausscheidungen allein nicht. Die Legierung muss auch ein bestimmtes Gefüge haben, um SpRK-Empfindlichkeit zu verursachen. Wie im Kapitel ? ausführlicher beschrieben, wird die Mikrostruktur einer Legierung hauptsächlich durch die chemische Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Kaltumformung usw. beeinflusst. Folglich gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Widerstand einer Legierung gegen SpRK zu verbessern. So kann eine Legierung mit einer bestimmten nominalen chemischen Zusammensetzung entweder empfindlich oder nicht empfindlich sein je nach der thermomechanischen Behandlung der Legierung. Prinzipiell sind Wärmebehandlungen, die zu einer homogenen Verteilung der Ausscheidungen innerhalb der Körner führen, harmlos. Aber wenn diese Ausscheidungen vorzugsweise an den Korngrenzen liegen, sind sie in der Lage, SpRK zu fördern. Genauer gesagt, wenn feine Ausscheidungen so nah aneinander liegen, dass sie ein halbkontinuierliches Netz entlang den Korngrenzen bilden. Suchen Sie ein allgemeines Beispiel hierfür.

Es gibt eine Wechselwirkung zwischen interkristalliner Korrosion und SpRK.
Die Legierungen, die hauptsächlich zu SpRK neigen, gehören der Reihen EN AW-2xxx, EN AW-5xxx (Mg > 3 Gew.%) und EN AW-7xxx.
Ziemlich oft sind überalterte Legierungen (Zustand T7) beständiger als Legierungen, die auf höchste Festigkeit ausgelagert sind
leichzeitig" bedeutet hier, dass echte SpRK die Folge simultaner Vorgänge ist, die zu eine Art "negative Synergie" führen. Eine Abnahme der Bruchenergie kann einen Hinweis auf Spannungsrisskorrosion sein und wird in manchen SpRK-Prüfverfahren verwendet, wie der Parkins-Test (langsamer Zugversuch mit konstanter Dehnrate). Eine Abnahme der Bruchenergie kann aber einfach die Folge einer bereits im unbelasteten Zustand erfolgten Korrosion sein. Daher ist eine Abnahme der Bruchenergie allein kein ausreichendes Zeichen für Spannungsrisskorrosion. Bei Aluminium verläuft der Risspfad überwiegend entlang den Korngrenzen.

• Es bedarf einer kritischen Umgebung, die zur SpRK führen kann

Umgebungsfaktoren:
Ob in der Form von Dampf, Feuchtigkeit oder eine wässrige Phase, das Vorhandensein von H2O, scheint eine allgemeine Vorbedingung für SpRK in Aluminiumlegierungen zu sein.
Zusätzlich hat man herausgefunden: Halogen-Ionen (Cl−, Br− und I−) haben einen starken Einfluss und beschleunigen den SpRK-Prozess. Die Empfindlichkeit gegenüber SpRK ist höher in neutralen Lösungen als in alkalischen oder säurehaltigen Lösungen.

• Es muss eine ausreichend hohe Zugspannung geben

Kritische mechanische Spannungen

1. Nur Zugspannungen können SpRK verursachen.
2. Die Zugspannung muss einen Grenzwert überschreiten. Der Grenzwert ist systemspezifisch und für jedes System (empfindliche Legierung und Umgebung) besteht ein Grenzwert, der überstiegen werden muss, bevor SpRK stattfinden kann. Unterhalb den Grenzwert findet keine SpRK statt.
3. eim Abschätzen des SpRK-Risikos sollten Eigenspannungen nicht vernachlässigt werden!

Mechanismen und Modelle
Es gibt einige Theorien, warum SpRK auftritt und eine Menge damit verbundener "Submodelle". Wie so oft in der Natur der Fall, ist wahrscheinlich auch hier der Mechanismus zu komplex, um ihn durch ein einzelnes Modell interpretieren zu können. Das bedeutet, dass vermutlich der "echte" Mechanismus eine Kombination mehrerer dieser Theorien ist. Dennoch kann gesagt werden, dass bestimmte Theorien eine bessere Erklärung des Verhaltens in bestimmten SpRK-Systemen (Werkstoff, Umgebung, mechanische Last) anbieten. Mit anderen Worten, auch wenn man sich nur auf Aluminium und seinen Legierungen fokussiert, bedarf es mehr als nur ein Modell, um SpRK zu erklären. Die wichtigsten Theorien zur Erklärung der SpRK von Aluminiumlegierungen sind:

Anodische Auflösungstheorie

Annahmen:
1. Bevorzugte anodische Auflösung des Metalls entlang den Korngrenzen.
Ursachen:

• Ausscheidung elektrochemisch unedler Phasen an den Korngrenzen. Ein typisches Beispiel hierfür ist β-Al8Mg5-Phasen an den Korngrenzen einer sensibilisierten AlMg-Legierung.
• Ausscheidung elektrochemisch edler Phasen an den Korngrenzen, die zu einer Verarmung des edleren Elements im Korngrenzbereich führt. Hiermit wird ein "anodischer" Pfad entlang den Korngrenzen gebildet. Ein typisches Beispiel hierfür sind die kupferreichen Phasen (CuAl3 oder CuMgAl3) an den Korngrenzen einer sensibilisierten Legierung der 2xxx- Reihe.

2. Bevorzugte anodische Auflösung an der Rissspitze.

Ursachen:

• Wegen der hohen Spannungskonzentration an der Rissspitze findet die plastische Verformung in einem kleinen Bereich neben der Rissspitze statt
• Die anodische Auflösungsrate des Metalls im Bereich der plastischen Verformung wird erhöht
• Die Bildung elektrochemisch aktiver Stellen an Stufen in Gleitebenen

Wasserstoffinduzierte Rissbildung

Annahmen:

• Reduzierung Hydronium-Ionen zu atomarem Wasserstoff im Riss
• Diffusion des atomaren Wasserstoffs in den Werkstoff direkt vor der Rissspitze
• Der atomare Wasserstoff führt zur Versprödung des Bereichs vor der Rissspitze

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