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Korrosion bezeichnet den zerstörenden Angriff auf Werkstoffe durch chemische oder elektrochemische Reaktionen mit ihrer Umgebung. Dieser Prozess führt zu Materialverlust, struktureller Schwächung oder Funktionsstörungen und betrifft vor allem Metalle, aber auch andere Materialien wie Beton oder Kunststoffe. Korrosion ist ein zentrales Thema in der Werkstoffkunde, da sie wirtschaftliche Schäden verursacht und die Sicherheit technischer Systeme beeinträchtigen kann.

Allgemeine Beschreibung

Korrosion entsteht durch die Wechselwirkung zwischen einem Werkstoff und seiner Umgebung, wobei chemische oder elektrochemische Prozesse die Oberfläche angreifen. Bei Metallen ist die elektrochemische Korrosion der häufigste Mechanismus: Sie tritt auf, wenn zwei unterschiedliche Metalle in Gegenwart eines Elektrolyten (z. B. Wasser oder Feuchtigkeit) miteinander in Kontakt kommen. Dabei bildet sich ein galvanisches Element, bei dem das unedlere Metall als Anode fungiert und oxidiert, während das edlere Metall als Kathode geschützt bleibt. Dieser Prozess führt zur Auflösung des unedleren Metalls, was als Materialabtrag sichtbar wird.

Die Geschwindigkeit der Korrosion hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs, die Aggressivität des umgebenden Mediums (z. B. Salzgehalt, pH-Wert, Temperatur) sowie mechanische Belastungen. In industriellen Anwendungen wird Korrosion oft durch die Anwesenheit von Säuren, Laugen oder Salzen beschleunigt. Auch biologische Einflüsse, wie die Aktivität von Mikroorganismen, können korrosive Prozesse verstärken, insbesondere in wasserführenden Systemen wie Rohrleitungen oder Kühltürmen.

Korrosion ist nicht auf Metalle beschränkt. Beton kann beispielsweise durch Carbonatisierung oder den Angriff von Sulfaten korrodieren, was zu Rissen und strukturellen Schäden führt. Kunststoffe unterliegen ebenfalls korrosiven Prozessen, etwa durch UV-Strahlung oder chemische Angriffe, die zu Versprödung oder Rissbildung führen. Im Gegensatz zu Metallen sind diese Vorgänge jedoch oft langsamer und weniger offensichtlich.

Technische Details

Korrosionsprozesse lassen sich in verschiedene Typen unterteilen, die sich in ihren Mechanismen und Erscheinungsformen unterscheiden. Die wichtigsten Formen sind:

• Gleichmäßige Flächenkorrosion: Der Werkstoff wird gleichmäßig über die gesamte Oberfläche abgetragen. Dies ist die häufigste Form der Korrosion und tritt beispielsweise bei unlegiertem Stahl in feuchter Umgebung auf.
• Lochkorrosion (Lochfraß): Örtlich begrenzte, tiefe Angriffe, die zu kleinen, aber tiefen Löchern führen. Diese Form tritt häufig bei passivierbaren Metallen wie Aluminium oder nichtrostendem Stahl auf, wenn die schützende Oxidschicht lokal durchbrochen wird, z. B. durch Chloridionen.
• Spaltkorrosion: Korrosion in engen Spalten oder unter Ablagerungen, wo der Sauerstoffzutritt behindert ist. Dies führt zu einer lokalen Ansäuerung und beschleunigtem Materialabtrag.
• Interkristalline Korrosion: Angriff entlang der Korngrenzen eines Metalls, was zu einer Schwächung der mechanischen Festigkeit führt. Diese Form tritt häufig bei nichtrostenden Stählen auf, wenn sie falsch wärmebehandelt wurden.
• Spannungsrisskorrosion: Rissbildung in Metallen unter gleichzeitiger Einwirkung von Zugspannungen und korrosiven Medien. Diese Form ist besonders gefährlich, da sie ohne sichtbare Anzeichen zu plötzlichem Versagen führen kann.
• Selektive Korrosion: Bestimmte Bestandteile einer Legierung werden bevorzugt angegriffen, während andere zurückbleiben. Ein Beispiel ist die Entzinkung von Messing, bei der Zink aus der Legierung herausgelöst wird.

Die elektrochemische Korrosion folgt den Prinzipien der Elektrochemie. In einem galvanischen Element fließt ein Strom zwischen Anode und Kathode, wobei die Anode oxidiert und die Kathode reduziert wird. Die treibende Kraft für diesen Prozess ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden Metallen, die in der elektrochemischen Spannungsreihe abgelesen werden kann. Je größer die Potentialdifferenz, desto stärker ist die Korrosionsneigung.

Normen und Standards spielen eine zentrale Rolle bei der Bewertung und Vermeidung von Korrosion. Die DIN EN ISO 8044 definiert grundlegende Begriffe und Klassifizierungen, während spezifische Normen wie die DIN 50900 oder die DIN EN 12502 Richtlinien für den Korrosionsschutz in verschiedenen Anwendungsbereichen liefern. Für den Schutz von Stahlkonstruktionen ist beispielsweise die DIN EN ISO 12944 maßgeblich, die Anforderungen an Beschichtungssysteme festlegt.

Historische Entwicklung

Die Auseinandersetzung mit Korrosion reicht bis in die Antike zurück, als bereits erste Maßnahmen zum Schutz von Metallen ergriffen wurden. So verwendeten die Römer Blei als Beschichtungsmaterial für Eisen, um dessen Korrosion zu verlangsamen. Im Mittelalter wurden Metalle mit Fetten oder Ölen behandelt, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen. Ein systematisches Verständnis der Korrosion entwickelte sich jedoch erst im 18. und 19. Jahrhundert mit der Entstehung der modernen Chemie und Werkstoffkunde.

Ein Meilenstein war die Entdeckung der elektrochemischen Natur der Korrosion durch den italienischen Wissenschaftler Luigi Galvani und den britischen Chemiker Humphry Davy im frühen 19. Jahrhundert. Davy entwickelte später die erste kathodische Schutzmethode, indem er Zink als Opferanode für den Schutz von Kupferbeschlägen an Schiffen einsetzte. Diese Methode wird bis heute in der Schifffahrt und bei unterirdischen Rohrleitungen angewendet.

Im 20. Jahrhundert führte die Industrialisierung zu einer verstärkten Forschung im Bereich der Korrosion. Die Entwicklung neuer Legierungen, wie nichtrostender Stahl, und die Einführung moderner Beschichtungssysteme revolutionierten den Korrosionsschutz. Gleichzeitig wurden standardisierte Prüfverfahren entwickelt, um die Korrosionsbeständigkeit von Werkstoffen zu bewerten, etwa der Salzsprühnebeltest nach DIN EN ISO 9227.

Anwendungsbereiche

• Bauwesen: Korrosion betrifft Stahlkonstruktionen, Bewehrungsstahl in Beton sowie metallische Fassaden- und Dachelemente. Besonders kritisch ist die Korrosion von Bewehrungsstahl in Beton, da sie zu Rissen und strukturellem Versagen führen kann. Schutzmaßnahmen umfassen Beschichtungen, kathodischen Schutz oder die Verwendung korrosionsbeständiger Legierungen.
• Maschinenbau und Anlagenbau: In der Industrie sind Maschinen, Rohrleitungen und Behälter korrosiven Medien ausgesetzt. Hier kommen häufig nichtrostende Stähle, Kunststoffbeschichtungen oder aktive Schutzsysteme wie Inhibitoren zum Einsatz. In der chemischen Industrie sind korrosionsbeständige Werkstoffe wie Titan oder Hastelloy unverzichtbar.
• Schifffahrt: Schiffe und Offshore-Anlagen sind durch Salzwasser und biologische Einflüsse besonders korrosionsgefährdet. Schutzmaßnahmen umfassen Beschichtungen, kathodischen Schutz mit Opferanoden sowie regelmäßige Inspektionen und Wartungen.
• Automobilindustrie: Korrosion betrifft Karosserien, Fahrwerkskomponenten und Abgassysteme. Moderne Fahrzeuge werden durch verzinkte Bleche, Beschichtungen und Hohlraumversiegelungen geschützt. Dennoch bleibt Korrosion ein zentrales Thema, insbesondere in Regionen mit hohem Streusalzeinsatz.
• Energieerzeugung: In Kraftwerken, insbesondere in Kernkraftwerken, ist Korrosion ein kritischer Faktor. Rohrleitungen, Wärmetauscher und Turbinen sind hohen Temperaturen und aggressiven Medien ausgesetzt. Hier kommen hochlegierte Stähle und spezielle Beschichtungen zum Einsatz.
• Medizintechnik: Implantate und medizinische Geräte müssen korrosionsbeständig sein, um biologische Verträglichkeit und Langlebigkeit zu gewährleisten. Titan und Kobalt-Chrom-Legierungen sind hier die Werkstoffe der Wahl.

Bekannte Beispiele

• Rostende Brücken: Die Silver Bridge in den USA stürzte 1967 aufgrund von Spannungsrisskorrosion ein, was zu einer verstärkten Forschung im Bereich der Korrosionsüberwachung führte. Auch die Berliner Glienicker Brücke litt unter starker Korrosion, was umfangreiche Sanierungsmaßnahmen erforderlich machte.
• Schiffsunglücke durch Korrosion: Der Untergang der SS Edmund Fitzgerald im Jahr 1975 wird unter anderem auf Korrosionsschäden an den Lukendeckeln zurückgeführt, die zu Wassereinbruch führten. Solche Vorfälle führten zu strengeren Vorschriften für den Korrosionsschutz in der Schifffahrt.
• Korrosion in der Öl- und Gasindustrie: Die Explosion der Piper Alpha-Plattform 1988 wurde durch korrosionsbedingte Leckagen in Rohrleitungen ausgelöst. Dies führte zu einer Überarbeitung der Sicherheitsstandards für Offshore-Anlagen.
• Denkmalpflege: Die Freiheitsstatue in New York musste 1986 aufgrund von Korrosionsschäden an der tragenden Eisenkonstruktion umfassend saniert werden. Dabei wurde die ursprüngliche Eisenstruktur durch nichtrostenden Stahl ersetzt.

Risiken und Herausforderungen

• Wirtschaftliche Schäden: Korrosion verursacht weltweit jährliche Kosten in Höhe von mehreren hundert Milliarden Euro. Diese umfassen direkte Schäden durch Materialverlust sowie indirekte Kosten durch Produktionsausfälle, Reparaturen und Sicherheitsmaßnahmen. Laut einer Studie der World Corrosion Organization (WCO) belaufen sich die globalen Korrosionskosten auf etwa 3–4 % des Bruttoinlandsprodukts eines Landes.
• Sicherheitsrisiken: Korrosion kann zu plötzlichem Versagen von Bauteilen führen, was katastrophale Folgen haben kann. Beispiele sind der Einsturz von Brücken, Leckagen in chemischen Anlagen oder der Ausfall von medizinischen Implantaten. Besonders kritisch ist Spannungsrisskorrosion, da sie ohne sichtbare Anzeichen zu einem Bruch führen kann.
• Umweltbelastung: Korrosionsprodukte, wie Rost oder Schwermetallionen, können in die Umwelt gelangen und Böden oder Gewässer kontaminieren. In der Öl- und Gasindustrie führen korrosionsbedingte Leckagen zu Umweltverschmutzungen, wie etwa bei der Deepwater Horizon-Katastrophe 2010.
• Herausforderungen in der Überwachung: Korrosion ist oft schwer frühzeitig zu erkennen, insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen wie unterirdischen Rohrleitungen oder im Inneren von Behältern. Moderne Überwachungstechniken, wie Ultraschallprüfung oder elektrochemische Sensoren, sind aufwendig und teuer.
• Klimawandel und Korrosion: Der Klimawandel führt zu veränderten Umweltbedingungen, wie erhöhten Temperaturen, häufigeren Extremwetterereignissen oder steigendem Salzgehalt in Küstenregionen. Diese Faktoren beschleunigen korrosive Prozesse und erfordern angepasste Schutzmaßnahmen.
• Materialinnovationen: Die Entwicklung neuer Werkstoffe, wie hochfester Stähle oder Verbundmaterialien, stellt neue Herausforderungen an den Korrosionsschutz. Gleichzeitig eröffnen innovative Beschichtungstechnologien, wie nanostrukturierte Schichten oder selbstheilende Beschichtungen, neue Möglichkeiten.

Ähnliche Begriffe

• Erosion: Mechanischer Abtrag von Material durch strömende Medien wie Wasser, Wind oder Partikel. Im Gegensatz zur Korrosion ist Erosion kein chemischer, sondern ein physikalischer Prozess. Beide Phänomene können jedoch gemeinsam auftreten, etwa bei der Erosionskorrosion in Rohrleitungen.
• Oxidation: Chemische Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt und mit Sauerstoff reagiert. Korrosion ist eine spezielle Form der Oxidation, die zu Materialschäden führt. Nicht alle Oxidationsprozesse sind jedoch korrosiv, z. B. die Bildung einer schützenden Oxidschicht auf Aluminium.
• Passivierung: Bildung einer schützenden Oxidschicht auf der Oberfläche eines Metalls, die weitere Korrosion verhindert. Passivierung tritt beispielsweise bei nichtrostendem Stahl oder Aluminium auf und ist ein wichtiger Mechanismus des Korrosionsschutzes.
• Kavitation: Bildung und Implosion von Dampfblasen in strömenden Flüssigkeiten, die zu mechanischen Schäden an Oberflächen führen. Kavitation kann Korrosionsprozesse beschleunigen, indem sie schützende Schichten zerstört.
• Biokorrosion: Korrosion, die durch die Aktivität von Mikroorganismen ausgelöst oder beschleunigt wird. Biokorrosion tritt häufig in wasserführenden Systemen auf, etwa in Kühltürmen oder Abwasserleitungen, und kann zu Lochfraß oder Spaltkorrosion führen.

Zusammenfassung

Korrosion ist ein komplexer, multikausaler Prozess, der durch chemische oder elektrochemische Reaktionen zwischen Werkstoffen und ihrer Umgebung ausgelöst wird. Sie betrifft vor allem Metalle, aber auch andere Materialien wie Beton oder Kunststoffe, und führt zu Materialverlust, strukturellen Schäden sowie wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Risiken. Die Mechanismen der Korrosion sind vielfältig und reichen von gleichmäßiger Flächenkorrosion bis hin zu lokalisierten Formen wie Lochfraß oder Spannungsrisskorrosion. Schutzmaßnahmen umfassen passive Methoden wie Beschichtungen oder Legierungszusätze sowie aktive Systeme wie kathodischen Schutz oder Inhibitoren. Trotz fortschrittlicher Technologien bleibt Korrosion eine globale Herausforderung, die kontinuierliche Forschung und innovative Lösungen erfordert.

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