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6 Arten von Korrosion an metallischen Materialien und wie man sie erkennt
Tipps und Tricks

6 Arten von Korrosion an metallischen Materialien und wie man sie erkennt

  • Katarina Knafelj Jakovac

    8. Dezember 2023

Die Anwesenheit von Meerwasser ist oft eine Ursache für Probleme im Betrieb von Maschinen in Produktionsanlagen am Meer aufgrund der intensiven Korrosion von metallischen Oberflächen der Konstruktionsmaterialien.

Häufig auftretende Arten von Korrosion sind galvanische und Risskorrosion sowie Korrosion, die Material von der Oberfläche abträgt. Erosion, Bruch, Kavitation und zyklische Ermüdung sind weitere Probleme.

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Bild: Raffinerie Gibraltar an der Mittelmeerküste (Quelle)
Fortschritte bei der Entwicklung von metallischen Materialien bedeuten Fortschritte in der Anwendung von Technologien, die auf die Verbesserung der Leistung von Systemen, Energieeffizienz, Sicherheit und verlängerte Lebensdauer von Maschinen abzielen.

Metalle sind die Hauptmaterialien für den Bau vieler Maschinen und Ausrüstungen in der Prozess- und Verarbeitungsindustrie, im Transportwesen und im Bauwesen.

Die Materialauswahl beinhaltet die Bewertung von Kosten, Masse, Verfügbarkeit, Produktivität, Wartung, Lebensdauer und dem Fehlen von Fehlern.

Korrosion führt oft zu Ausfällen von Geräten, Maschinen und Bauteilen. Die Intensität der Ausfälle reicht von einfachen bis zu katastrophalen.

Zum Beispiel kommt es häufig zu vollständigem Versagen von Metallkomponenten aufgrund von zu hoher Belastung, wie dem Brechen von Schrauben aufgrund von zu hohem Anzugsmoment oder Last.

Die meisten durch Materialfehler verursachten Ausfälle sind viel subtiler und manifestieren sich als Abnutzung, Zerfall, häufige Belastung oder Ermüdung, Kriechen, Rissbildung, Korrosion oder einer Kombination aus Korrosion und Ermüdung.

Aufgrund solcher Ereignisse, wenn ein Teil in einem komplexen System einer bestimmten Maschine ausfällt, ist es oft nicht einfach, die Ursache des Versagens zu bestimmen.

Daher wird die Auswahl und Anwendung korrosionsbeständiger Materialien für den Maschinenbau durch Spezifikationen und Standards bestimmt, die von gesetzlichen Vorschriften und internationalen technischen Normen vorgegeben sind. In diesem Artikel werden wir 6 Arten von Korrosion an metallischen Materialien betrachten, die durch die Anwesenheit und das Wirken von Meerwasser verursacht werden.

Korrosion durch Meerwasser ist die häufigste Form der chemischen Korrosion, d.h. elektrochemischer Angriff auf metallisches Material in Anwesenheit eines Elektrolyten.

Meerwasser in flüssiger Form oder als Aerosolnebel ist der häufigste Elektrolyt, der Probleme und Komplikationen mit elektrochemischer Korrosion verursacht.

Dies liegt an der hohen chemischen Aktivität und gleichzeitigen hohen Leitfähigkeit von Meerwasser im Vergleich zu Elektrolyten wie Süßwasser sowie dem breiten Einflussbereich von Meerwasser auf die Eigenschaften metallischer Materialien.

Andere Ursachen für das Vorhandensein von Elektrolyten, die zu elektrochemischer Korrosion führen, umfassen in der Regel verschiedene Umgebungsbedingungen und die innere Struktur der Kristallstruktur des Materials.

Merkmale und Wirkungsbereich der Metallkorrosion, die durch die Exposition von Metallen gegenüber Meerwasser entstehen, hängen von der Legierung selbst, der chemischen Zusammensetzung und dem Wärmebehandlungsprozess ab.

Der Einfluss der Umwelt, wie Luftmenge und -qualität, Dauer der Exposition gegenüber Meerwasser, Ablagerungen von Verunreinigungen, Kombinationen verschiedener Metalle, Vorhandensein von Kavitation, Temperaturschwankungen und Rissbildung, ist ebenfalls entscheidend.

Aufgrund der Wirkung von Meerwasser treten folgende Arten von Korrosion auf:

1. Allgemeine Korrosion. Stellt eine gleichmäßige Korrosionswirkung auf die Metalloberfläche oder die Oberfläche der Legierung dar.

Materialien wie Kupferlegierungen und verschiedene Stähle haben im Allgemeinen eine gleichmäßig verteilte Korrosion auf der äußeren Oberfläche.

Die gleichmäßige Erscheinung der allgemeinen Korrosion steht im Gegensatz zur elektrochemischen Korrosion von Materialien, die durch die Degradation an lokalen Stellen gekennzeichnet ist.

Das folgende Bild zeigt allgemeine Korrosion auf der äußeren Oberfläche des Pumpenfußes. Die Korrosion trat auf, nachdem die Farbe abgeplatzt war und aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen dem Metall, aus dem der Fuß besteht, und dem Stahl, aus dem die Grundschrauben oder Anker hergestellt sind.

Die Oberflächenkorrosion des Fußes wird keinen Ausfall verursachen, der dazu führt, dass die Pumpe aufhört zu arbeiten, aber wenn sie nicht rechtzeitig verhindert wird, wird sie die Degradation des Fußes und des Pumpengehäuses beschleunigen und so die Lebensdauer verkürzen.

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Bild: Korrosion auf der äußeren Oberfläche des Sockels (Quelle: Archiv der Autorin)

2. Galvanische Korrosion. Entsteht, wenn zwei verschiedene Metallarten in Gegenwart eines Elektrolyten wie Meerwasser sind, wie in Bild 1 gezeigt.

Der Strom fließt durch den Elektrolyten von der Anode zum Kathodenmetall.

In der Regel beschleunigt sich die Korrosion des Metalls an der Anode, während die Korrosion des Metalls an der Kathode verlangsamt wird.

Das Bild zeigt ein Beispiel für die Entstehung von galvanischer Korrosion aufgrund der Wechselwirkung zwischen einer Kupferunterlegscheibe und einer Aluminiumplatte mit unterschiedlichem Potenzial.

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Bild: Entstehung der galvanischen Korrosion

Galvanische Reihen sind eine effektive Möglichkeit, die Neigung zur Entstehung von galvanischer Korrosion zwischen zwei verschiedenen Metallarten abzuschätzen.

Die galvanische Reihe ist eine Reihe von Potenzialen im offenen Kreis von Metallen und Legierungen, die in einen Elektrolyten eingetaucht sind und mit einer spezifischen Referenzelektrode gemessen werden.

Die galvanische Reihe ist in ungefährer Reihenfolge angeordnet, beginnend mit Metallen, die sich am ehesten wie Anoden verhalten (z.B. Magnesiumlegierungen, Edelmetalle) bis zu Metallen, die sich am ehesten wie Kathoden verhalten (z.B. Graphit und Gusseisen mit Graphit, Unedelmetalle).

Je weiter zwei Metalle in der galvanischen Reihe voneinander entfernt sind, desto größer ist die Neigung zur Entstehung von galvanischer Korrosion.

Die Tabelle zeigt galvanische Reihen und ihre Beziehungen. Rote Felder repräsentieren Metalpaare mit erhöhtem Risiko für Korrosion, z.B. Zinklegierung und Edelstahl, Titan und Nickel, Silber und Gusseisen.

Metalpaare mit roten markierten Feldern sollten beim Bau von Maschinen, Ausrüstungen und verschiedenen Konstruktionen vermieden werden.

Grüne Felder kennzeichnen kompatible Metalpaare, bei denen keine Korrosion auftritt, wenn sie als Anoden-Kathoden-Paar verwendet werden.

Solche Paare sind z.B. Cadmium und Bleilegierungen, Edelstahl und Nickel-/Chromlegierungen sowie verschiedene Kombinationen von Magnesiumlegierungen mit anderen Metallen, und es wird dringend empfohlen, sie zu verwenden.

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Tabelle der Kathoden-Anoden-Paare für Metalle (Quelle)

3. Korrosion durch Abtragen von Metall von der äußeren Oberfläche (Pitting). Punktförmige oder löchrige Korrosionsarten sind lokalisiert und treten aufgrund des Bruchs der passiven Oberfläche des Metalls auf.

Sobald die passive Schicht gebrochen ist, bildet sich eine kleine Elektrolytzelle zwischen der kleinen Anodenfläche, wo die Schicht unterbrochen ist, und der großen Fläche der verbleibenden passiven Schicht.

Die kleine Elektrolytzelle hat eine Fläche, die so groß ist wie ein Punkt und sich im Laufe der Zeit vergrößert.

Pitting-Korrosion ist eine sehr ernste Form des Materialversagens, da es äußerst schwierig ist, die Intensität des Korrosionsangriffs vorherzusagen.

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Bild: Korrosion durch Abtragung von Metall von der äußeren Oberfläche (Pitting) (Quelle)
Faktoren, die den Bruch der passiven Schicht beeinflussen, umfassen Unterschiede in der Sauerstoffmenge, Temperatur, pH-Wert, Chlorionenkonzentration, Strömungsgeschwindigkeit sowie physikalische und chemische Heterogenitäten der passiven Schicht.

Das Abtragen von Metall von der Oberfläche von Aluminiumlegierungen im Meerwasser ist oft mit der Bildung lokaler Elektrolytzelles zwischen der Aluminiumanodenmatrix und der Kathodenlegierung aus schwereren Elementen wie Kupfer, Nickel und Eisen verbunden.

Deshalb sind Aluminiumlegierungen mit einem geringeren Gehalt an schweren Metallen im Allgemeinen am resistentesten gegen Pitting-Korrosion.

Dennoch können auch diese Legierungen einer beschleunigten Korrosion unterliegen, wenn das Meerwasser gelöste Ionen schwerer Metalle enthält, z.B. Kupfer aus Antifouling-Farbe auf dem Gehäuse.

Edelstahl ist oft viel anfälliger für diese Art von Korrosion als weniger edle wie Kohlenstoffstahl.

Dies geschieht, weil seine Korrosionsbeständigkeit mit einer schützenden Oxidschicht verbunden ist, sodass jede lokale Rissbildung der Schutzschicht ein Anodenbereich schafft.

Wenn die Schutzschicht nicht erneut gebildet werden kann, führen Unterschiede im Potential zwischen dem aktiven und passiven Bereich zu einer beschleunigten Korrosionswirkung im Bereich des Risses.

Chlorionen im Meerwasser wirken besonders aggressiv auf dieses Material.

4. Pitting-Korrosion: Dies ist eine schwerwiegende Form der lokalisierten Korrosion, die durch die Konzentration von Spannungszellen entsteht.

Sie tritt aufgrund der Geometrie des Materials auf, das durch Schweißen entstanden ist oder wenn zwei Materialien verbunden sind, wobei das metallische Material Kontakt mit dem nichtmetallischen Material hat, und aufgrund von Ablagerungen, die auf der Metalloberfläche angesammelt sind.

Die Ablagerungen sind Produkte anderer Arten von Korrosion, Sandpartikel oder Verunreinigungen. Lokale Korrosion tritt innerhalb oder außerhalb der Rissbildung auf.

Bei einigen Metallen, wie austenitischen nichtrostenden Stählen und nickelbasierten Legierungen, tritt die Pitting-Korrosion innerhalb der Risse auf.

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Bild: Querschnittsansicht von AISI 316L Stahl und Lochkorrosion mit einer Tiefe von 75-100 µm (Quelle)

Chlorionen in Meerwasser können in den schützenden Oxidfilm eindringen und eine aktive Oberfläche innerhalb des Rissbereichs schaffen, die durch die Rekombination von in Meerwasser gelösten Sauerstoffatomen wieder passiv werden soll.

Wenn die Sauerstoffatome im Riss fehlen, ist eine Reparatur des Schutzfilms nicht mehr möglich, und es entstehen galvanische Zellen zwischen der aktiven Oberfläche im Rissbereich und der passiven Oberfläche außerhalb. Beide Zellen neigen dazu, die Korrosion der legierten Oberfläche innerhalb des Rissbereichs zu beschleunigen.

Pitting-Korrosion bei anderen Metallen wie einigen Kupferlegierungen tritt nur außerhalb des Rissbereichs auf.

Dann verursacht die Korrosion im Riss eine Anreicherung des eingeschlossenen Wassers mit Kupferionen, was die Korrosion auch in anderen Bereichen beschleunigt.

Der Unterschied in der Konzentration von Kupferionen zwischen der inneren und äußeren Rissfläche führt dazu, dass die Zellen die Korrosion auch an den äußeren Rändern des Risses beschleunigen.

5. Erosionskorrosion: Ein allgemeiner Begriff für Korrosion, die mit einer erhöhten Oberflächenerosion von Materialien verbunden ist, die durch abrasives Wirken von Fluiden verursacht wird, die über die Oberfläche fließen.

Kontinuierliche turbulente Strömung von Fluiden über den Schutzfilm auf der Metalloberfläche über einen längeren Zeitraum führt zum Zerreißen des Korrosionsfilms, wodurch die Metalloberfläche ungeschützt und direkt der abrasiven Wirkung ausgesetzt wird, wie in der Abbildung gezeigt.

Entstehung der Erosionskorrosion

Bild: Entstehung von Erosionskorrosion (Quelle)
Dadurch entstehen irreversible mechanische Schäden.

Materialbruch und Kavitation sind Formen von Erosion, die durch die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums bedingt sind.

Der Materialbruch tritt an Stellen auf, an denen durch die Bewegung des Fluids über die feste Metalloberfläche lokale Risse entstehen. Kavitationschäden treten auf, wenn Dampfblasen in der Nähe der Metalloberfläche erzeugt und implodieren.

Teile von Maschinen, die direkt und kontinuierlich mit dem Arbeitsmedium in Kontakt stehen, wie beispielsweise Pumpenrotoren und -gehäuse für das Umwälzen von Meerwasser oder Süßwasser, Schaufeln von Dampfturbinen, Rohrleitungen für den Wassertransport usw., sind besonders anfällig für Kavitation.

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Bild: Pumpenrotor beschädigt durch Kavitation (Quelle)

Mit steigender Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms verschwinden die Schutzbeschichtungen auf der Oberfläche von unedlen Metallen wie austenitischen nichtrostenden Stählen und vielen Nickellegierungen, was zu Pitting-Korrosion führt, die sich im Laufe der Zeit verstärkt.

Im Gegensatz zu unedlen Metallen verschwinden die Schutzeigenschaften von Kupferlegierungen mit steigender Strömungsgeschwindigkeit, was zu verstärkter Korrosion führt.

Wenn Kupfer mit Elementen wie Nickel oder Aluminium legiert wird, nimmt die Widerstandsfähigkeit der Legierung gegenüber durch Strömung verursachter Korrosion dramatisch zu.

Kupferlegierungen werden häufig für die Herstellung von Maschinengehäusen, Rotoren und Schrauben verwendet, bei denen die Wandstärke so ist, dass Korrosion in akzeptablen Grenzen toleriert werden kann.

In anspruchsvollen Betriebsbedingungen, wenn die Toleranz für die Änderung der Betriebsbedingungen begrenzt ist, sollte die Verwendung von Schutzbeschichtungen, speziellen Beschichtungen, Edelmetallen und speziellen nichtmetallischen Konstruktionsmaterialien sowie deren Kosten in Betracht gezogen werden.

6. Interkristalline oder interkristalline Korrosion: Auch als selektive Korrosion bekannt, tritt in mehreren Formen auf:

Graphitkorrosion ist bei grauen Eisenlegierungen üblich. Sie tritt nicht bei austenitischen Gusseisenlegierungen mit Nickelzusatz auf.

Die Korrosion des Eisens tritt auf, wenn korrodiertes Eisen von der Oberfläche des Materials abgeht und freien Kohlenstoff (Graphit) in grauem Gusseisen hinterlässt.

Der Rest des Materials behält die ursprüngliche Struktur bei, verliert jedoch seine mechanische Festigkeit.

Graphitkorrosion auf der Außenfläche eines Rohrs, Mikroskopaufnahme

Bild: Graphitkorrosion auf der Außenfläche des Rohrs, Mikroskopansicht (Quelle)

Die Entfernung von Metallpartikeln ist ein weiterer Prozess der selektiven Korrosion, der für Kupfermaterialien mit mehr als 15% Zink charakteristisch ist.

Bei dieser Art der Korrosion kommt es zum Auflösen von Kupferpartikeln, während Zinkionen in Lösung verbleiben und Kupfer weiter abgeschieden wird.

Das Ergebnis ist ein metallisches Stück, das seine Form beibehält und aus porösen Schichten von Kupfer ohne innere Festigkeit besteht.

Kupferlegierungen und Aluminiumbronze neigen dazu, Metalpartikel in Meerwasser zu verlieren, es sei denn, es werden Inhibierungsklassen festgelegt, bei denen ein Metallinhibitor wie Arsen, Antimon oder Phosphor der Legierung zugesetzt wird.

Der Verlust von Aluminiumpartikeln in selektiven Phasen ist ein Korrosionstyp, der bei einigen Aluminiumbronzen auftritt, insbesondere bei Gussbronzen, die mehr als 8% Aluminium enthalten.

Interkristalline Korrosion bei austenitischen nichtrostenden Stählen ist ein weiterer Typ selektiver Korrosion.

Karbide in Stählen, die anfällig für diese Art von Schäden sind, entstehen an den Grenzschichten der kristallinen Körner, wenn der Stahl bei Temperaturen von 430°C bis 870°C erneut erhitzt wird.

Solche Temperaturen werden in den Erwärmungsbereichen in der Nähe von Schweißstellen erreicht. Korrosion kann an Grenzen der kristallinen Körner auftreten.

Dieser Korrosionstyp kann vermieden werden, indem Legierungen mit niedrigem Karbidgehalt (maximal 0,03%) verwendet werden und stabile Metalle mit Titan oder durch Rückführung von ausgehärteten Karbiden in die Lösung durch Abkühlen und Spülen über 900°C.

Abplatzungen (Verlust von Partikeln) sind eine spezielle Form der selektiven Korrosion, die entlang schmaler Pfade parallel zur Materialoberfläche auftritt.

Im Allgemeinen tritt Korrosion an den Korngrenzen auf, wodurch die Korrosionsprodukte Partikel von der Oberfläche wegführen und schichtartige Strukturen erzeugen. Wenn die Korrosionsprodukte ein größeres Volumen haben, kann der innere Druck Blasen verursachen, die auf der äußeren Oberfläche platzen.

Wie kann Korrosion bei metallischen Materialien verhindert werden?

Allgemeine Korrosion kann durch die Anwendung geeigneter Farben, Metallbeschichtungen, Kathodenschutz (Anodenverschleiß oder ein System mit erzwungenem Strom) und Auswahl widerstandsfähigerer Materialien verhindert werden.

Äußere Oberflächen von Maschinen in der verarbeitenden Industrie wie Kompressoren und Zentrifugalpumpen sind genauso anfällig wie Stahlarmierungen und müssen entsprechend geschützt werden.

Antikorrosionsschutz umfasst die Anwendung bestimmter Methoden und Technologien, die zu einem langfristigen Schutz metallischer Materialien vor der zerstörerischen Wirkung verschiedener Arten von Korrosion führen.

Der erste Schritt bei der Durchführung des Korrosionsschutzes besteht darin, eine technische Spezifikation der ausgewählten Beschichtungen mit Mengen, Arten von Beschichtungen und Gesamtkosten für Arbeit und Material zu erstellen.

Die Spezifikation umfasst auch einen Qualitätskontrollplan in allen Phasen der Vorbereitung der Metalloberflächen und dem Auftragen aller Arten von Beschichtungen mit der Erstellung eines Abschlussberichts, der von autorisierten Inspektoren beglaubigt ist.

Normen HRN EN ISO 12944 (Farben und Lacke) und EN ISO 14713 (Metallbeschichtungen) definieren die häufigsten Bedingungen in der Arbeitsumgebung, die zu Korrosion führen, sowie die Lebensdauer der Schutzbeschichtung vom ersten Auftragen bis zum Zeitpunkt, zu dem eine erneute Beschichtung bei Arbeiten vorbeugender Wartung erforderlich sein wird.

Schutzbeschichtungen enthalten Korrosionsinhibitoren und schützen so die Oberfläche metallischer Materialien vor der elektrochemischen Korrosionswirkung.

Die Tabelle zeigt die voraussichtliche Lebensdauer der Beschichtung in Jahren, definiert nach der Norm HRN EN ISO 12944:

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(Quelle)

Eine angemessene Oberflächenvorbereitung ist der wichtigste Teil des Korrosionsschutzverfahrens.
Die Vorbereitung umfasst das Sandstrahlen der Oberfläche, wenn eine langfristige Korrosionsschutzanwendung erforderlich ist. Anschließend werden Grundierung, Expandierungsbeschichtung und Schutzbeschichtung auf die vorbereiteten Oberflächen aufgetragen, wie in der Abbildung dargestellt.

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Bild: Korrosionsschutzsystem mit 3 Beschichtungen (Quelle)

Das Korrosionsschutzsystem für Oberflächen muss unbedingt alle 3 Schritte sowie eine abschließende Kontrolle der Beschichtungsdicke einschließen.

Abschließend müssen alle Daten zum Zustand der äußeren Metalloberflächen von Maschinen und Ausrüstungen regelmäßig in einer Vermögensverwaltungssoftware erfasst werden.

Jede Störung aufgrund von Korrosion, jeder Arbeitsauftrag zur Durchführung von Korrosionsschutzmaßnahmen und jeder Bericht müssen ebenfalls in die Software unter die entsprechenden Vermögenswerte eingegeben werden, um einen klaren und aktuellen Überblick an einem Ort zu haben.

Katarina Knafelj Jakovac
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8. Dezember 2023

Katarina Knafelj Jakovac ist eine Maschinenbauingenieurin mit langjähriger Berufserfahrung in der Erdölindustrie. Sie ist zertifizierte Führungskraft für die Zuverlässigkeit von Ausrüstungen, spezialisiert auf maschinelle Ausrüstung und operative Exzellenz. Sie ist die Autorin des Blogs Strojarska Radionica (Mechanische Werkstatt), in dem sie ihr berufliches Wissen und persönliche Erfahrungen im Bereich Wartung verschiedener Rotationsmaschinen, Maschinensysteme und Prozessausrüstungen teilt. Sie liebt Mechanik, Wärmelehre und Verbrennungsmotoren. Ihr Engagement gilt der kontinuierlichen Verbesserung der Maschinenwartung und einer qualitätsvollen Verwaltung von Sachanlagen.