Kontaktkorrosion

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Bimetallkorrosion (Kontaktkorrosion, galvanische Korrosion)

Schlagworte:
Artverschiedene Metalle, Auflösungsstromdichte, Elementstrom, Flächenregel, galvanische Korrosion, Isolierung, Kontaktkorrosion, Mischbaukonstruktion

Erscheinungsform:
Bei elektrisch leitendem Kontakt zwischen einem metallischen Werkstoff und einem anderen, elektrisch leitenden Werkstoff (Metall, Grafit) in einer Elektrolytlösung, in der die Partner unterschiedliche freie Korrosionspotentiale besitzen, entsteht ein galvanisches Element mit dem elektrochemisch unedleren Partner als Anode. Dadurch wird die Korrosionsgeschwindigkeit des unedleren Metalls erhöht. Wegen der meist heterogenen Verteilung des Elementstromes treten häufig grabenförmige Abtragungen in der näheren Umgebung des Kontaktbereichs auf. Lochfraß und selektiver Angriff sind ebenfalls möglich. Die galvanische Auswirkung des Kontaktes, und damit auch die Geschwindigkeit des Metallabtrags, nehmen mit zunehmendem Abstand von dem Kontaktbereich ab.

Bei deckschichtbildenden Metallen können Reaktionshemmungen und Potentialänderungen das Korrosionsverhalten der Partner ändern. Ursache der „Potentialveredelung“ ist, dass das amphotere Zink durch Wasser bei Temperaturen von höher als 60 °C zu Zinkhydroxid reagiert. Eine Zn(OH)2-Schicht auf Zn ist „edler“ als deckschichtfreies Zn. Mit zunehmenden Elektrolyt- und Übergangswiderständen lokalisiert sich der Korrosionsangriff auf die Kontaktstelle.

Mechanismus:
Die Auflösungsstromdichte iA des Kontaktelements verschiebt das Potential der Anode (unedlerer Partner) zu positiveren Werten und erhöht dadurch deren Auflösungsgeschwindigkeit. Mesung dieser Stromdichte des galvanischen Elemetes kann zur Bewertung der Kontaktkorrosionsgefahr herangezogen werden.

Anmerkung:
Die Auflösungsstromdichte iA ist nicht äquivalent der Korrosionsgeschwindigkeit der Anode, da die Eigenkorrosion der Anode dabei nicht berücksichtigt wird. Der Eigenkorrosionsanteil an der gesamten Korrosionsgeschwindigkeit ist der Betrag, der den durch iA bedingten Anteil übersteigt und durch die kathodische Teilreaktion an der Anode verursacht wird.

Einflussgrößen:
Die Erhöhung der Geschwindigkeit der Metallauflösung hängt wesentlich von dem Flächenverhältnis zwischen edlerem Werkstoff (Kathode) und unedlerem Werkstoff (Anode) ab. Weitere Einflussgrößen sind der Elektrolytwiderstand, die Differenz der Ruhepotentiale, die Polarisationswiderstände der Elektroden und die geometrische Anordnung der Kontaktpartner. Unter vereinfachten Annahmen und bestimmten Voraussetzungen - vernachlässigbarer Widerstand der Elektrolytlösung und der anodischen Polarisation - ist die Auflösungsstromdichte und damit die Korrosionsgeschwindigkeit dem Verhältnis der Flächen von Kathode (FK) zur Anode (FA) proportional.

Dies bedeutet in der Praxis, dass die Gefahr der Bimetallkorrosion immer dann groß ist, wenn das unedlere Metall die kleinere Fläche aufweist, während im umgekehrten Fall zwar bimetallische Korrosion abläut, die jedoch so langsam ist, dass keine praktische relevante Schädigung resultiert.

Konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen:
Sollen artverschiedene metallische Werkstoffe miteinander verbunden werden (Mischbaukonstruktion), so kann eine elektrische Isolierung zwischen den Metallen zu einem vollständigen Schutz der Bauteile gegen Kontaktkorrosion führen. Die Isolierung muss vollständig sein und wird durch Isolierhülsen, -scheiben, -binden und -pasten vorgenommen. Ungeeignete Isolierstoffe oder unsachgemäße Anwendung an sich geeigneter Stoffe führen zu Schäden an der Verbindung. Vor allem ist auf die Vermeidung von Spalten zwischen Isoliermaterial und Werkstoffoberfläche zu achten, um die Begünstigung von Spaltkorrosion bei Vorhandensein eines Elektrolyten zu vermeiden. Bei der Verschweißung artverschiedener Werkstoffe ist darauf zu achten, dass einer großen Anode eine möglichst kleine Kathode (z. B. Schweißnaht in einer Behälterwand) gegenübersteht.

Häufig lässt sich die Kontaktkorrosion durch Beschichtungen oder durch Überzüge vermeiden, wobei entweder beide Kontaktpartner geschützt werden oder - besser - nur der kathodische (edlere) Bereich.

Häufige Schäden:
Kontaktkorrosionsschäden werden durch die Paarung artverschiedener Metalle und ein großes Flächenverhältnis von Kathode zur Anode gefördert. Bei Anwendung von Isolierstoffen können Schäden auftreten, die auf ungenügende Berücksichtigung der Isolierstoffeigenschaften zurückzuführen sind.

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AW: Kontaktkorrosion

Zur Beurteilung der Wahrscheinlichkeit und der Intensität des Auftretens von Kontaktkorrosion sind folgende Faktoren wichtig:

− Temperatur der Umgebung, der Kontaktpartner, etc.

− Größe der Potentialdifferenz zwischen den Kontaktpartnern gemessen unter relevanten Versuchsbedingungen. Der anodische (elektronegativere) Partner ist korrosionsgefährdet. Die Erfahrung lehrt, daß Kontaktkorrosion dann auftreten kann, wenn eine Potentialdifferenz von mindestens 100 mV zwischen den Kontaktpartnern besteht.

− Die Höhe des elektrischen Widerstands zwischen den Kontaktpartnern. Je höher der Widerstand desto geringer die Gefahr von Kontaktkorrosion.

− Vorhandensein eines Elektrolyten mit entsprechender Aggressivität und Leitfähigkeit. Auch das Auftreten von Schwitzwasser ist zu berücksichtigen, das durch Ansammlung von Schmutz (z.B. Streusalz) aggressive Elektrolytwirkung entwickeln kann.

− Dauer der Einwirkung des Elektrolyten. Ein vollständiges Abtrocknen durch ausreichende Belüftung ermöglicht die Erneuerung der schützenden Deckschicht auf Aluminium.

− Flächenverhältnisse der Kontaktpartner bestimmen u.a. die Stromdichte (Summenstromdichte der anodischen und kathodischen Teilreaktionen) der elektrochemischen Reaktion. Günstig wirkt sich ein kleines Flächenverhältnis des „edleren“ zum „unedleren“ Kontaktpartner aus.

Vermeiden von Kontaktkorrosion
− Zink schützt im allgemeinen Aluminium kathodisch und wird bevorzugt angegriffen. Geeignete Kontaktpartner für Aluminium sind daher verzinkte Stahlteile (Blechteile, Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben etc.). Voraussetzung für gutes Langzeitverhalten ist eine genügend dicke Zinkschicht (mindestens 50 μm).

− Unter normalen Bedingungen (periodische Trockenzeiten zur Repassivierung) ist auch der Kontakt zwischen Edelstahlteilen (z.B. Schrauben) und Aluminium ungefährlich. (Flächenverhältnisse beachten)

− Unter günstigen Bedingungen (gute Belüftung, Lage am Bauteil, geringes Flächenverhältnis) ist sogar der Kontakt zwischen Messing und Aluminium problemlos. Beispiel: Messingfittings an offenliegenden, ungeschützten Aluminium-Dieseltanks für LKW.

− Kohlenstoff (Graphit) greift Aluminium an. Zu vermeiden sind graphithaltige Schaumgummidichtungen. Dies gilt auch bei lackierten Aluminiumteilen, z.B. PKW-Türen und -Deckel. Verletzung der Lackschicht, z.B. durch Steinschlag, führt zueinem ungünstigen Flächenverhältnis und dadurch zu Korrosionserscheinungen an der Schadstelle.

− Oberflächenschichten (z.B. Wachs, Öl, Grundierung, Lackierung) verhindern oder verzögern den Zutritt des Elektrolyten zum Metall und damit die Kontaktkorrosion.

− Bevorzugt sollte der „edlere“ Kontaktpartner durch eine nicht leitende (organische) Beschichtung vom Elektrolyten isoliert werden. Im umgekehrten Fall ist an Beschädigungen der Beschichtung des unedleren Partners mit verstärktem Korrosionsangriff zu rechnen (Flächenverhältnis).

− In kritischen Fällen sollten beide Kontaktpartner voneinander elektrisch isoliert werden (Kunststoffzwischenschicht etc.). Allerdings ist darauf zu achten, daß kein Nebenschluß stattfindet.

− Verbindungselemente (Schrauben etc.) zur Verbindung von unterschiedlichen Metallen (z.B. von Stahl mit Aluminium) sollten aus dem „edleren“ Metall, bevorzugt mit aluminierter Oberfläche sein.

− Spalte, Sacklöcher, sogenannte „Wannen“ etc. an den Kontaktstellen sollten konstruktiv und fertigungstechnisch vermieden werden, um der Ansammlung von Elektrolyt vorzubeugen. Notfalls sind Entwässerungslöcher vorzusehen und Spalte mit dauerelastischen Massen auszufüllen.

− Bei besonders ungünstigen Verhältnissen, z.B. bei nicht vermeidbarer, dauerhafter Benetzung mit Elektrolyt in Dauertauchzonen kann man auf den Korrosionsschutz durch spezielle Opferanoden zurückgreifen.

Hinweis: Anodisieren ist kein geeigneter Schutz gegen Kontaktkorrosion.

Aluminiummetall bildet an seiner Oberfläche schnell eine mikrometerdicke Schicht Aluminiumoxid, die vor der Reaktion mit Wasser schützt. Bei Zerstörung dieses Films z.B. schleifen, polieren usw. treten Reaktionen auf, bei denen sich hochentzündliches Wasserstoffgas bildet. Aluminiumchlorid ist in Wasser hydrolysierend und bildet an der Luft Nebel, weil bei der Reaktion mit Wasserdampf Salzsäuretropfen entstehen.
Auch Aluminiumionen anderer Verbindungen gehen eine Hydrolyse ein, die fortschreiten kann, bis das Kation keine Ladung mehr hat, und schließlich in der Bildung von wiederum unlöslichem Hydroxid endet. Der Beginn so einer Hydrolyse sieht aus wie folgt:

Al3+(aq) + 6H2O(l) <-> [Al(H2O)6]3+(aq) etc.

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