Grundlagen der Eisen- und Stahlkorrosion: Ursachen, Auswirkungen und Prävention

Grundlegende Konzepte der Korrosion von Eisen und Stahl

Eisen- und Stahlmaterialien in der praktischen Anwendung sind normalerweise Korrosion in atmosphärischen und wässrigen Umgebungen ausgesetzt. Korrosion ist die Verschlechterung dieser Materialien durch chemische Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Sie ist eines der Probleme, die in der heutigen industrialisierten Gesellschaft häufig auftreten. Gemäß ISO 8044:2010 ist „Korrosion die physikalisch-chemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu Veränderungen in den Eigenschaften des Metalls führt und die zu einer erheblichen funktionellen Beeinträchtigung des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, dessen Teil sie sind, führen kann“.

Die moderne Korrosionswissenschaft wurde Anfang des 20. Jahrhunderts mit dem Lokalelement-Modell und dem Korrosionspotenzial-Modell ins Leben gerufen. Die beiden Modelle sind in die moderne elektrochemische Korrosionstheorie eingegangen, die metallische Korrosion als gekoppelte elektrochemische Reaktion beschreibt, bestehend aus anodischer Metalloxidation und kathodischer Oxidantenreduktion. Die elektrochemische Theorie ist nicht nur auf Nasskorrosion von Metallen bei Normalttemperatur anwendbar, sondern auch auf trockene Oxidation von Metallen bei hohen Temperaturen.

Eisen- und Stahlmaterialien korrodieren in einer Vielzahl gasförmiger und wässriger Umgebungen. Die häufigste Korrosion von Eisen und Stahl findet in wässriger Lösung und in feuchter Luft in der Atmosphäre statt. Im Allgemeinen erzeugt metallische Korrosion von Eisen und Stahl in ihrem Anfangsstadium lösliche Metallionen in Wasser, und dann entwickeln sich die Metallionen zu festen Korrosionsniederschlägen wie Metalloxid und -hydroxid.

Thermodynamischer Hintergrund

Eisen und Stahl kommen in der Natur als Erze vor. Der Herstellungsprozess der Umwandlung dieser Erze in Metalle erfordert Energiezufuhr. Eisen- und Stahlmaterialien können daher als in einem metastabilen Zustand befindlich betrachtet werden, und sie neigen dazu, ihre Energie durch Rückführung zu Verbindungen abzugeben, die ihrem ursprünglichen Zustand mehr oder weniger ähnlich sind. Die Materialien korrodieren, da sie in natürlichen Umgebungen – Luft, Boden und Wasser – chemisch instabil sind. Während der Korrosionsreaktion wird die bei der Herstellung zugeführte Energie freigesetzt, und das Metall kehrt in seinen Oxidzustand zurück. Da die meisten metallischen Verbindungen, insbesondere Korrosionsprodukte, wenig mechanische Festigkeit aufweisen, ist ein stark korrodiertes Stück Stahlmaterial für seinen ursprünglichen Zweck ziemlich nutzlos.

Praktisch alle Korrosionsreaktionen sind elektrochemischer Natur. An anodischen Stellen auf der Oberfläche geht der Stahl als Eisen(II)-Ionen in Lösung, was die anodische Reaktion darstellt. Da Eisenatome bei der Oxidation zu Ionen Elektronen freisetzen, baut sich deren negative Ladung schnell im Metall auf und verhindert weitere anodische Reaktion oder Korrosion. Daher setzt sich diese Auflösung nur fort, wenn die freigesetzten Elektronen zu einer Stelle auf der Metalloberfläche gelangen können, an der eine kathodische Reaktion möglich ist. An einer kathodischen Stelle reagieren die Elektronen mit einer reduzierbaren Komponente des Elektrolyten und werden selbst aus dem Metall entfernt. Die Raten der anodischen und kathodischen Reaktionen müssen gemäß den Faradayschen Gesetzen äquivalent sein, bestimmt durch den Gesamtstrom der Elektronen von Anoden zu Kathoden, der als „Korrosionsstrom“ bezeichnet wird.

Es wird zwischen Arten der Korrosion unterschieden, die die Wechselwirkung zwischen Metall und Umgebung beschreiben, und Formen der Korrosion, die das phänomenologische Erscheinungsbild beschreiben.

Chemische Reaktion

Dies ist eine typische chemische Korrosionsreaktion, die bei hohen Temperaturen auftritt, wo das Metall mit heißen Gasen reagiert und eine Oxidschicht bildet.

Metallo-physikalische Reaktion

Ein Beispiel für die metallo-physikalische Reaktion ist die Versprödung durch Wasserstoff, der in das Metall diffundiert, was möglicherweise zum Versagen einer Komponente führt. Versprödung kann das Ergebnis eines sorglosen Herstellungsprozesses sein. Sie kann auch durch Korrosionsprozesse (Metallauflösung) wie korrosionsinduziertes wasserstoffunterstütztes Risswachstum initiiert werden.

Elektrochemische Reaktion

Dies ist der häufigste Korrosionsreaktionstyp. Die Reaktion impliziert einen elektrischen Austausch durch Elektronen im Metall und Ionen in einem leitfähigen Elektrolyten, wie einem Wasserfilm auf seiner Oberfläche.

Da der Korrosionsstrom auch durch den Elektrolyten durch ionische Leitung fließen muss, beeinflusst die Leitfähigkeit des Elektrolyten die Funktionsweise von Korrosionszellen. Das korrodierende Stahlstück wird als „gemischte Elektrode“ beschrieben, da simultan anodische und kathodische Reaktionen auf seiner Oberfläche ablaufen. Die gemischte Elektrode ist eine vollständige elektrochemische Zelle auf einer Stahloberfläche.

In der Umwelt findet der Korrosionsprozess normalerweise in wässrigen Lösungen statt und ist daher elektrochemischer Natur. Die vier Anforderungen für die Bildung einer Korrosionszelle sind: (i) Anode (korrodiert), (ii) Kathode (geschützt), (iii) Elektrolyt (normalerweise Boden oder Wasser) und (iv) metallischer Rückführleiter (Stahlprodukt).

Korrosion involviert die Ionisierung von Metallatomen und den Verlust dieser Ionen in Lösung oder in ein Korrosionsprodukt. Da die Ionisationsreaktion Elektronenabgabe bedeutet, muss ein Elektronenfluss weg von der Reaktionsstelle erfolgen, um eine negative Ladungsansammlung zu vermeiden. Somit ist Korrosion eine elektrochemische Reaktion. Die Stelle, an der der Metallverlust auftritt, wird Anode oder anodischer Bereich genannt, und die Elektronen fließen durch das Metall zu einer Stelle, die Kathode genannt wird, wo sie in einer kathodischen Reaktion verbraucht werden.

Die anodische Reaktion ist normalerweise Fe = Fe²⁺ + 2e⁻ und die kathodische Reaktion in Gegenwart von Wasser und ausreichend Sauerstoff normalerweise 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻. Das Korrosionsprodukt, Rost, bildet sich aus Fe²⁺ + 2OH⁻ = Fe(OH)₂.

Der tatsächliche elektrochemische Mechanismus kann geschätzt werden, wenn man betrachtet, wie eine Rostgrube entsteht. Eine Grube beginnt an einer Inhomogenität auf der Oberfläche, wie einem Verunreinigungsteilchen, und die obigen Reaktionen laufen ab. Die Gruben-Geometrie bildet sich, weil die anodische Reaktion unter der Rostabdeckung weiterläuft. Abbildung 1 zeigt den Korrosionsmechanismus.

Die Folgen der Korrosion sind vielfältig und die Auswirkungen auf den sicheren, zuverlässigen und effizienten Betrieb von Geräten oder Strukturen sind häufig ernster als der einfache Verlust einer Metallmasse. Ausfälle verschiedenster Art und die Notwendigkeit teurer Ersatzbeschaffungen können eintreten, obwohl die Menge des zerstörten Metalls recht gering ist.

Arten der Korrosion

Es gibt mehrere Formen der Korrosion (Abb. 2). Dazu gehören: (i) interkristalline Korrosion, (ii) umweltinduzierte Korrosion, (iii) Lochfraßkorrosion, (iv) Entlegierung oder selektives Auslaugen, (v) Erosionskorrosion, (vi) Korrosion in Stahlbeton, (vii) Kontaktkorrosion, (viii) Spaltkorrosion, (ix) mikrobiell induzierte Korrosion, (x) gleichmäßige oder allgemeine Korrosion. Diese Korrosionstypen werden im Folgenden beschrieben.

Interkristalline Korrosion

Sie ist auch als interkristalline Korrosion bekannt. Es handelt sich um eine spezielle Form lokalisierter Korrosion, bei der der korrosive Angriff in einem recht schmalen Pfad bevorzugt entlang der Korngrenzen in der Metallstruktur stattfindet. Die häufigste Auswirkung dieser Korrosionsform ist eine rasche mechanische Desintegration (Verlust der Duktilität) des Materials. Normalerweise kann sie durch Verwendung des richtigen Materials und Produktionsprozesses verhindert werden.

Auf mikroskopischer Ebene haben Eisen und Stähle kleine, unterscheidbare Bereiche, die als Körner bezeichnet werden. Innerhalb eines einzelnen Korns ist die Orientierung der atomaren Anordnung (Gitter genannt) gleich. Einzelne Körner haben unterschiedliche Orientierungen, und die Grenze zwischen den Körnern wird Korngrenze genannt. Normalerweise sind Korngrenzen in der Korrosion nicht reaktiver als das Korn selbst. Unter bestimmten Bedingungen werden die Korngrenzen jedoch vom Korn selbst durch Verunreinigungen und/oder Anreicherung (oder Verarmung) eines der Legierungselemente verändert. Wärmebehandlung und Schweißen können zu Veränderungen in der Zusammensetzung führen, die interkristalline Korrosion verursachen können. In schweren Fällen kann interkristalline Korrosion zu einem deutlichen Rückgang der mechanischen Eigenschaften führen und in extremen Fällen den Stahl in einen Haufen einzelner Körner verwandeln.

Eines der häufigsten Beispiele für interkristalline Korrosion ist ihr Auftreten in nichtrostenden Stählen. Beim Schweißen von nichtrostendem Stahl oder Erhitzen im Temperaturbereich von 500 °C bis 800 °C wird der nichtrostende Stahl sensibilisiert oder anfällig für interkristalline Korrosion, wie in Abb. 3 dargestellt. Chromcarbid (Cr₂₃C₆) ist in diesem Temperaturbereich nicht löslich und fällt aus dem Korn in die Korngrenze aus. Infolgedessen wird der Bereich des Korns angrenzend an die Korngrenze vom Chrom entleert und wird anodisch zum Rest des Korns und zur Korngrenze. Folglich besitzen die Korngrenzen einen geringeren Korrosionswiderstand als das Restmaterial, was zu lokalisiertem korrosivem Angriff führt. Die einfachste Lösung für das interkristalline Korrosionsproblem bei nichtrostendem Stahl ist eine Zusammensetzung mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,03 %. Der niedrige Kohlenstoffgehalt verhindert die Bildung des Chromcarbids, und das Chrom bleibt in Lösung. Die Korrosion des entleerten Korngrenzbereichs ist sehr schwerwiegend und tritt in sauren Umgebungen auf.

Umweltinduzierte Korrosion

Umweltinduzierte Korrosion wird auch umweltinduziertes Risswachstum genannt. Es gibt zwei Arten umweltinduzierten Risswachstums: (i) Spannungsrisskorrosion und (ii) wasserstoffunterstütztes Risswachstum. Umweltinduziertes Risswachstum tritt auch durch Korrosionsermüdung auf. Abb. 4 zeigt umweltinduzierte Korrosion.

Spannungsrisskorrosion (SCC) tritt in Stählen unter verschiedenen Schwellenbedingungen auf, wie: (i) spezifische korrosive Umgebungslösungszusammensetzung, (ii) minimale Zugspannungsniveaus, (iii) Temperatur, (iv) Stahlzusammensetzung und (v) Stahlstruktur. Ein Beispiel sind nichtrostende Stähle. Nichtrostende Stähle reißen in Chloridlösungen. Das Zusammenspiel der zu SCC führenden Bedingungen ist nicht gut verstanden. Man glaubt, dass die Korrosion eine Grube oder Oberflächenunstetigkeit bildet, die dann als Spannungskonzentrator fungiert. Das Vorhandensein einer minimalen Schwellenzugspannung, gekoppelt mit der Korrosion, verursacht die Rissausbreitung. Zusätzlich können während der initialen Korrosion die Zugspannungen die Schutzfilme auf der Oberfläche reißen lassen, wodurch das Metall der korrosiven Umgebung ausgesetzt wird.

Dies ist ein gefährlicher Korrosionstyp, der das Ergebnis von Umweltfaktoren oder zyklischen Spannungen sein kann. Die Hauptarten des Rissangriffs sind aufgrund von: (i) Korrosionsermüdung, die das beschleunigte Versagen des Stahls ist, der zyklischer Belastung aufgrund seiner Anwesenheit in einer korrosiven Umgebung unterliegt, und (ii) SCC, der korrosionsinduzierte Rissbildung, die in Stählen unter hoher Zugspannung auftritt. Die Risse beginnen an der Oberfläche und gehen nach innen. Es ist zu beachten, dass die Spannung das Ergebnis von Kaltverformung, Umformen oder externer Belastung sein kann.

SCC ist ein kombinierter mechanischer und elektrochemischer Korrosionsprozess, der zum Riss bestimmter Materialien führt. Er kann zu unerwartetem plötzlichem sprödem Versagen normalerweise duktiler Metalle führen, die Spannungsniveaus weit unter ihrer Streckgrenze ausgesetzt sind. Innere Spannungen in einem Material können ausreichen, um einen Angriff von Spannungsrisskorrosion zu initiieren.

SCC ist nicht einfach eine Überlagerung von Korrosion und mechanischen Spannungen, sondern kann als autokatalytischer, sich selbst beschleunigender Prozess verstanden werden, der zu hohen Metallauflösungsraten (anodische Reaktion) führt. Zunächst bildet sich eine kleine Grube und entwickelt sich aufgrund der angewendeten oder residualen Spannung im Material zu einem Riss. Die Rissbildung öffnet eine neue aktive (nicht-passive) Metalloberfläche, die wieder sehr leicht korrodiert. Dies führt zu weiterer Rissausbreitung und wieder zur Exposition neuer hochaktiver Metalloberflächen im Riss. Die Metallauflösung im Riss schreitet schnell voran, bis mechanisches Versagen eintritt.

SCC ist eine hochspezifische Korrosionsform, die nur auftritt, wenn die folgenden drei unterschiedlichen Anforderungen gleichzeitig erfüllt sind (Abb. 4): (i) mechanisch (Belastung, Spannung), (ii) Material (anfällige Legierung, z. B. Stahl) und (iii) Umgebung (hoch korrosiv, Chloride). Es ist bekannt, dass bestimmte Stahlsorten in rauen Umgebungen wie Hallenbädern unter SCC leiden können. In den meisten dieser Fälle wird die Korrosion durch Chloride initiiert, die die Passivschicht angreifen.

Wasserstoffunterstütztes Risswachstum ist auch als Wasserstoffversprödung bekannt. Es ist auf den Duktilitätsverlust von Stahl aufgrund der Sättigung von atomarem Wasserstoff in den Korngrenzen zurückzuführen. Es tritt an lokalen kathodischen Stellen auf und wird durch Spannung und Verbindungen wie Schwefelwasserstoff verschärft.

Wasserstoffunterstütztes Risswachstum wird durch die Diffusion von Wasserstoffatomen in den Stahl verursacht. Die Anwesenheit von Wasserstoff im Gitter schwächt die mechanische Integrität des Metalls und führt zu Risswachstum und sprödem Bruch bei Spannungsniveaus unter der Streckgrenze. Wie SCC kann es zum plötzlichen Versagen von Stahlteilen ohne erkennbare Warnzeichen führen. In gängigen Anwendungen ist Wasserschaden normalerweise nur für hochfeste Stähle mit einer Zugfestigkeit von ca. 1 MPa oder höher relevant. Für wasserstoffunterstütztes Risswachstum müssen drei verschiedene Bedingungen (Abb. 4) gleichzeitig vorliegen: (i) mechanisch (Belastung, Spannung), (ii) Material (Härtestruktur), (iii) umweltbedingt (externer Wasserstoff, interner Wasserstoff).

Die Wasserstoffquelle kann der Herstellungsprozess sein, wie Stahlerzeugung, Beizen und Elektroverzinken (primärer Wasserstoff). Eine sekundäre Quelle kann der während eines Korrosionsprozesses gebildete Wasserstoff sein. Während des Korrosionsprozesses wird Wasserstoff gebildet und diffundiert in das Material. Diese Wasserstoffaufnahme führt zu einer Abnahme der Zähigkeit oder Duktilität des Stahls.

Lochfraßkorrosion

Lochfraßkorrosion ist ein extrem lokalisierter Angriff, der schließlich zur Bildung kleiner Löcher oder Gruben im Stahl führt. Diese Korrosionsform findet man hauptsächlich an passiven Metallen, die ihren Korrosionswiderstand einer dünnen Oxidschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern verdanken.

Lochfraßkorrosion ist eine der zerstörerischsten und gefährlichsten Korrosionsformen. Grundsätzlich sind die Stahlobjekte, die Lochfraß unterliegen, jene, die auf einen Oxidfilm zum Schutz angewiesen sind, wie nichtrostende Stähle. Die Initiierung einer Grube kann das Ergebnis verschiedener Gründe sein: (i) chemischer Angriff, wie Eisen(II)-chlorid oder belüftetes Meerwasser auf nichtrostendem Stahl, (ii) mechanischer Angriff wie Aufprall oder Kratzer, der kleine Bereiche des Schutzfilms entfernt, und (iii) Spaltkorrosion als Folge winziger Ablagerungen auf der Oberfläche, besonders in stehendem Meerwasser. Einige Theorien besagen, dass Lochfraß nur ein Spezialfall der Spaltkorrosion ist.

Der korrosive Initiationsprozess beginnt mit einem lokalen Zusammenbruch der Passivschicht. Lokaler korrosiver Angriff kann auf Stählen beispielsweise durch Chloridionen initiiert werden. Lochfraßkorrosion kann recht problematisch sein. Während gleichmäßige Korrosion deutlich auf der Oberfläche sichtbar ist, erscheint Lochfraßkorrosion häufig nur als kleine Nadelstiche auf der Oberfläche. Die Menge des unter den Nadelstichen entfernten Materials ist normalerweise unbekannt, da sich verborgene Hohlräume bilden können, was Lochfraßkorrosion schwieriger zu detektieren und vorherzusagen macht. Technisch gibt es keine vernünftige Möglichkeit, Lochfraßkorrosion zu kontrollieren. Diese Korrosionsform muss von Anfang an durch Designüberlegungen und Verwendung des richtigen Materials ausgeschlossen werden. Abb. 5 zeigt die Lochfraßkorrosion.

Entlegierung oder selektives Auslaugen

Entlegierung oder selektives Auslaugen resultiert aus Bereichen einer Metalloberfläche, die metallurgisch von anderen, angrenzenden Bereichen unterschiedlich sind. Diese Korrosionsart ist in nicht-eisenhaltigen Metallen und Legierungen häufiger. Beispielsweise ist Messing eine Legierung mit Zink und Kupfer in einer „festen Lösung“. Sie kann korrodieren, wobei das Zink selektiv aus der Legierung entfernt wird, wobei das Kupfer zurückbleibt. Dies macht die Legierung porös und beeinträchtigt ihre mechanischen Eigenschaften. Bei Messing kann es erkannt werden, wenn seine natürliche gelbe Farbe rötlich oder kupferfarben wird. Es ist hilfreich, eine kleine Menge Zinn zur Legierung hinzuzufügen, um Entlegierung zu verhindern. Solches selektives Auslaugen wird als „Dezinkifizierung“ bezeichnet.

Gusseisen kann so korrodieren, dass das Eisen selektiv wegkorrodiert, wobei eine weiche Graphitschicht zurückbleibt. Dies wird als „Vergraphitung“ bezeichnet. Andere Beispiele werden als Dealuminifizierung, Denickelifizierung, Decobaltifizierung etc. bezeichnet, wobei die Begriffe auf das metallische Element verweisen, das selektiv wegkorrodiert. Entlegierung oder selektives Auslaugen ist in Abb. 6 dargestellt.

Der Mechanismus des selektiven Auslaugens wurde am Beispiel einer Messinglegierung erklärt. In diesem Fall korrodiert zuerst das Messing. Dann bleiben die Zinkionen in Lösung, und das Kupfer plattiert als feste Schicht zurück. Das Problem dieser Theorie ist, dass Korrosion auch bei hohen Elektrolytflussgeschwindigkeiten auftritt, wenn man vermutet, dass die Kupferionen weggespült werden, bevor sie ausfallen können.

Eine zweite Theorie, wieder für Messing, besagt, dass das Zink bevorzugt korrodiert, wobei Kupfer in einer Gitterstruktur zurückbleibt. Es ist ein Korrosionsprozess, bei dem das weniger edle Metall in einer Legierung bevorzugt angegriffen und in der Matrix durch kathodische Produkte ersetzt wird. Das häufigste Beispiel dafür tritt bei Messing auf und wird als Dezinkifizierung bezeichnet. Bei der Dezinkifizierung von Messing wird das Zink in der Legierungsmatrix angegriffen und das Kupfer bleibt.

Erosionskorrosion

Erosionskorrosion resultiert aus einem hochgeschwindigen Elektrolytfluss, dessen abrasive Wirkung die Korrosion beschleunigt. Diese Korrosion ist besonders schwerwiegend, wenn der Elektrolyt Feststoffe in Suspension enthält. Der Effekt besteht darin, ein schützendes Oxid vom Filmoberfläche zu entfernen, wodurch frische Legierung zum Korrodieren freigelegt wird. Erosionskorrosion kann als Lochfraß in viel größerem Maßstab betrachtet werden. Es gibt tatsächlich eine Grenze für die Elektrolytgeschwindigkeiten, die von spezifischen Metallen toleriert werden können.

Kupfer-Nickel-Legierungen werden für Meerwasserdienst aufgrund ihrer Beständigkeit gegen Erosionskorrosion (unter anderen Anforderungen) ausgewählt. Zusätzlich zur Erosion sind andere angriffsformen, die mit Geschwindigkeitseffekten zusammenhängen, wie folgt:

Kavitation

Es ist die Verschlechterung einer Oberfläche, verursacht durch die plötzliche Bildung und den Kollaps von Blasen und Hohlräumen aufgrund der Turbulenz in der Flüssigkeit. Sie wird normalerweise durch eine genarbte oder raue Metalloberfläche gekennzeichnet.

Anprallangriff

Es ist die lokalisierte Korrosion, verursacht durch Turbulenz oder anprallenden Fluss. Normalerweise gibt es eine kritische Geschwindigkeit, unterhalb derer kein Anprall auftritt und oberhalb derer der Angriff rapide zunimmt. In vielen Fällen können die drei Korrosionsprozesse gleichzeitig auftreten. Abb. 7 zeigt Erosionskorrosion.

Korrosion in Stahlbeton

Stahlbeton (RC) ist ein Verbundwerkstoff, der aus Stahlbewehrungsstäben (Bewehrungsstahl) besteht, die in einer Betonmasse eingebettet sind. Bewehrungsstahl trägt den größten Teil der Zuglast und verleiht dem Beton, der selbst druckbelastet ist, einen gewissen Risswiderstand. Stahl in Beton befindet sich normalerweise in einem nicht-korrodierenden, passiven Zustand. In der Praxis werden jedoch nicht-korrodierende, passive Zustände nicht immer erreicht, wodurch Korrosion der Bewehrungsstäbe eintritt. Korrosion der Bewehrungsstäbe hat physische Folgen wie verringerte ultimative Festigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Betonstrukturen. Die Stahlbewehrungskorrosion im Beton ist ein großes universelles Problem. Der Schaden, der durch Korrosion entsteht, kann die Gebrauchstauglichkeit und strukturelle Integrität des RC in großem Maße reduzieren. Korrosionsbedingter Schaden an der Betonstruktur erfordert eine frühe Reparatur oder in einigen Fällen den vollständigen Austausch der Betonstruktur.

Wann immer der in Stahl eingebettete Bewehrungsstab korrodiert, erhöhen die Korrosionsprodukte sein Volumen. Alle Formen von Eisenoxid und -hydroxid haben spezifische Volumina, die größer sind als die des Stahls. Die durch die Stahlkorrosion erzeugten Expansionskräfte führen zu Zugrißbildung und Rostflecken am Beton. Dies wiederum verursacht eine Verringerung der Gebrauchstauglichkeit und strukturellen Integrität des Betons neben der Beeinträchtigung seiner Ästhetik. Einmal begonnen, ist es nur eine Frage der Zeit, bis ein kumulativer Schaden an der Betonstruktur eintritt und diese weit vor ihrer Entwurfslausfallzeit versagt.

Die zwei Hauptursachen für die Korrosion der Bewehrungsstäbe in Beton sind: (i) lokaler Zusammenbruch des Passivfilms auf dem Stahl durch Chloridionen und (ii) allgemeiner Zusammenbruch der Passivität durch Neutralisierung der Betonalkalinität aufgrund der Reaktion mit atmosphärischem CO₂ (Kohlendioxid). Die Hauptfaktoren, die die Korrosion der Bewehrungsstäbe in RC beeinflussen, sind: (i) Alkalinitätsverlust durch Karbonatisierung, (ii) Alkalinitätsverlust durch Chloride, (iii) Risse im Beton durch mechanische Belastung, (iv) Streuströme, (v) atmosphärische Verschmutzung, (vi) Feuchtigkeitspfade, (vii) Wasser-Zement-Verhältnis, (viii) niedrige Zugfestigkeit des Betons, (ix) elektrischer Kontakt mit unedlen Metallen und (x) Korrosion durch Umgebungsunterschiede.

In einem Medium perfekter Uniformität ist Korrosion sehr unwahrscheinlich. Stahlbeton ist jedoch keineswegs ein homogenes Material, und Korrosionszellen bilden sich, wenn bestimmte Bedingungen existieren. Es gibt zahlreiche Gründe für die korrosionsfördernde Nicht-Uniformität von Beton. Beton kann Honigwabenstruktur, porös und ungleichmäßig nass und trocken sein. Rissbildung verursacht Unterschiede in der Stahlspannung, differentielle Belüftung und Salzablagerungen. Es gibt immer inhärente Nicht-Uniformitäten im Bewehrungsstab selbst aufgrund anfänglicher eingeschlossener Restspannungen und Herstellungsprozesse. Als Ergebnis werden Bereiche mit niedrigerem Potential anodisch und Bereiche mit höherem Potential kathodisch. Feuchter Beton wirkt als Elektrolyt, dessen Wirkung weiter beschleunigt wird, wenn Salzionien existieren. Korrosion in Stahlbeton fällt normalerweise unter zwei allgemeine Gruppen: (i) gerissener Beton und (ii) ungerissener Beton.

Im Fall von frischem ungerissenem Beton gibt es normalerweise ausreichend Widerstand gegen korrosiven Angriff. Die Betonüberdeckung über dem Bewehrungsstab ist sehr effektiv, um das Eindringen korrosiver Agenten auf die Ebene des Stahls zu hemmen. Es ist offensichtlich, dass je dicker und dichter die Betonüberdeckung, desto effektiver wird sie dem Korrosionswiderstand. Auch frischer Beton hat einen sehr hohen pH-Wert, der normalerweise Korrosionsreaktionen hemmt. Die pH-Zahl ist ein Index für die Säure oder Alkalinität eines Mediums. Zahlen von 0 bis 7 zeigen Säure einer Lösung an (in der Korrosion gefördert wird), und Zahlen von 7 bis 14 zeigen Lösungsalkalinität an (in der Korrosion gehemmt wird). Frischer Beton hat einen hohen Ca(OH)₂ (Calciumhydroxid) Gehalt, der ihm einen pH von ca. 13 gibt. Die letzte Verteidigungslinie gegen Korrosion wird durch den blauen Oxidfilm (Zunder) um die Oberfläche des Bewehrungsstabs geboten. Dieser Oxidfilm verhindert, dass korrosive Agenten in direkten Kontakt mit dem blanken Metall kommen. Somit bietet Zunder lokalisierten Korrosionsschutz.

Mit der Zeit neigen sich die oben genannten Bedingungen jedoch zu ändern. Wasser, Salz, Sauerstoff, CO₂ und Industriegase (falls vorhanden) beginnen langsam, in den Beton einzudringen, wobei die Rate von der Permeabilität der Betonüberdeckung abhängt. CO₂, das durch Poren und Risse in den Beton eindringt, reagiert mit Ca(OH)₂ und bildet Calciumcarbonat. Dadurch werden sowohl der pH-Wert als auch die Schutzeigenschaft des Betons reduziert. Der allgemeine Mechanismus, durch den Korrosion in Stahlbeton auftritt, ist in Abb. 8 dargestellt.

Kontaktkorrosion

Wenn zwei verschiedene Metalle einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sind, besteht ein elektrisches Potentialdifferenz. Wenn die beiden Metalle elektrisch verbunden sind, wird das aktivere Metall zur Anode in der resultierenden galvanischen Zelle und seine Korrosion wird erhöht. Ein Beispiel für eine solche Korrosionszelle ist die Verwendung von Stahlschrauben zum Halten von Kupferplatten.

Kontaktkorrosion bezieht sich auf Korrosionsschäden, bei denen zwei ungleiche Metalle eine elektrisch leitende Verbindung haben und mit einem gemeinsamen korrosiven Elektrolyten in Kontakt sind. Im elektrochemischen Korrosionsmodell findet einer der beiden Teilreaktionen (anodische Metallauflösung und kathodische Sauerstoffreduktion) fast ausschließlich auf einem Metall statt. Normalerweise wird das unedlere Metall aufgelöst (anodische Metallauflösung), während der edlere Teil nicht von Korrosion angegriffen wird (dient nur als Kathode für Sauerstoffreduktion). Wo Kontaktkorrosion auftritt, ist die Korrosionsrate des unedleren Metalls höher als in einer frei korrodierenden Umgebung ohne Kontakt zu einem anderen Metall.

Mit thermodynamischen Daten und unter Berücksichtigung der in typischen Anwendungen gewonnenen gemeinsamen Erfahrung ist es möglich, vorherzusagen, welche Materialkombinationen von Kontaktkorrosion betroffen sind. Ein positives Beispiel für das Kontaktkorrosionsphänomen ist die Art, wie Zink Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle schützt. Zink ist das unedlere Metall, das Stahl aktiv schützt, indem es selbst korrodiert.

Nicht alle Kontaktkorrosion ist nachteilig. Zinkbeschichteter Stahl, oder Verzinken, wird verwendet, um Stahl zu schützen, nicht weil der Stahl korrosionsbeständig ist, sondern weil das Zink, das anodisch zum Stahl ist, bevorzugt korrodiert. Daher wird der Stahl kathodisch geschützt, indem alle exponierten Stahlbereiche zu Kathoden gemacht werden.

Es ist normalerweise gute Praxis, ungleiche Metalle nicht zu verwenden, es sei denn, es ist notwendig, aber wenn sie verwendet werden müssen, sind die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen: (i) versuchen, die Metalle elektrisch zu isolieren, (ii) Schutzbeschichtungen auf der Metalloberfläche(n) verwenden, normalerweise die Kathode, (iii) das unedlere Metall kathodisch schützen, (iv) Korrosionsinhibitoren in das System einbringen, (v) Design verwenden, in dem der anodische Teil leicht ersetzt werden kann, (vi) Feuchtigkeit fernhalten, (vii) Metalle verwenden, die in der galvanischen Reihe nahe beieinander liegen, (viii) das Anoden/Kathoden-Flächenverhältnis im Design hoch halten und (ix) Designzuschläge für die Korrosion vorsehen. Abb. 9 zeigt die Kontaktkorrosion.

Spaltkorrosion

Spaltkorrosion bezieht sich auf Korrosion, die in Rissen oder Spalten auftritt, die zwischen zwei Oberflächen gebildet werden (aus demselben Metall, verschiedenen Metallen oder sogar einem Metall und einem Nichtmetall). Diese Korrosionsart wird durch den eingeschränkten Zutritt von Sauerstoff aus der Luft durch Diffusion in den Spaltbereich initiiert, was zu unterschiedlichen Konzentrationen gelösten Sauerstoffs im gemeinsamen Elektrolyten führt (sogenannte Belüftungszelle).

Spaltkorrosion ist ein lokalisierter Angriff, der auftritt, wenn Spalten, die durch überlappende Fugen oder Bereiche teilweiser Abschirmung gebildet werden, korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind. Solche resultierenden Zellen werden als Konzentrationszellen bezeichnet. Zwei häufige Fälle sind Sauerstoffzellen und Metallionenzellen. Sauerstoffkonzentrationszellen treten auf, wenn der abgeschirmte Bereich an Sauerstoff verarmt und als Anode relativ zum Oxidbereich wirkt. Wie in Abb. 10 gezeigt, wird die Korrosion ziemlich schnell, wegen der kleinen abgeschirmten Fläche im Vergleich zur unabgeschirmten Fläche. Im Fall einer Sauerstoffzelle gibt es einen Sauerstoff „Gradienten“, der die Bildung von Anode und Kathode in Bezug auf die Sauerstoffniveaus erzwingt.

Spaltkorrosion bezieht sich auf die Korrosion, die in Rissen oder Spalten zwischen zwei Oberflächen (aus demselben Metall, verschiedenen Metallen oder sogar einem Metall und einem Nichtmetall) auftritt. Diese Art der Korrosion wird durch den eingeschränkten Zutritt von Sauerstoff aus der Luft durch Diffusion in den Spaltbereich initiiert, was zu unterschiedlichen Konzentrationen gelösten Sauerstoffs im gemeinsamen Elektrolyten führt (die sogenannte Belüftungszelle). Wiederum finden die beiden Teilreaktionen an verschiedenen Teilen der Oberfläche statt. Sauerstoffreduktion findet in den äußeren Bereichen mit höheren Sauerstoffkonzentrationen statt, die leicht von der Umgebungsluft zugänglich sind, während die anodische Metallauflösung im Spaltbereich stattfindet, was zu lokalisiertem Angriff (z. B. Lochfraß) führt. Sie kann auch unter Unterlegscheiben oder Dichtungen auftreten, wenn der Wassereintritt darunter nicht verhindert wird. Es gibt untere und obere Grenzen für die Größe eines Spalts, in dem Korrosion induziert wird. Wenn der Spalt zu eng ist, wird kein Elektrolyt für die Korrosion eingeführt. Wenn der Spalt zu breit ist, um den Sauerstoffzutritt zu verringern, können sich die Belüftungszelle und infolgedessen unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen nicht entwickeln. Die kritische Spaltbreite hängt jedoch von mehreren Faktoren ab, wie der Art der beteiligten Metalle, der korrodierenden Umgebung und Nass/Trocken-Zyklen.

Die initiale Antriebskraft solcher Korrosion ist die Sauerstoffzelle. Das fortgesetzte Wachstum wird durch die Anreicherung (häufig verursacht durch dieselben Faktoren, die die niedrigen Sauerstoffniveaus saurer, hydrolysierter Salze im Spalt erzeugen) gefördert. Legierungen wie 18-8 nichtrostende Stähle unterliegen Sauerstoffzellen-Spaltkorrosion.

Metallionenzellen werden hauptsächlich mit Kupferlegierungen gebildet. Der abgeschirmte Bereich reichert Korrosionsprodukte an und wird kathodisch zu den Bereichen außerhalb des Spalts, wo Korrosionsprodukte weggespült werden. Abbildung 10 zeigt diese Art von Konzentrationszelle.

Ein weiteres Beispiel für Metallionenzellenkorrosion tritt auf, wenn relative Geschwindigkeiten des Elektrolyts über die Metalloberfläche an einem Punkt größer sind als an einem anderen, was zu Metallionenspaltkorrosion führt. Ein gutes Beispiel ist eine Metallscheibe, die mit hoher Geschwindigkeit in Meerwasser rotiert. Korrosion tritt in der Nähe des Randes auf, wo die linearen Geschwindigkeiten am höchsten sind und die Metallionenkonzentration niedrig ist (da die Ionen wiederholt weggespült werden). Die hohe Geschwindigkeit, höher als in Bereichen näher am Nabenbereich der Scheibe, spült die Metallionen weg, wodurch Anodenbereiche entstehen. Im Zentrum der Scheibe, wo die Geschwindigkeiten niedriger sind, wirkt das Metall als Kathode und ist geschützt.

Die beiden Konzentrationszellen korrodieren jedoch an unterschiedlichen Bereichen des Spalts. Die Sauerstoffzelle korrodiert unter dem abgeschirmten Bereich, während die Metallionenzelle außerhalb des Bereichs korrodiert. Die initiale Antriebskraft hinter der Korrosion ist entweder die Sauerstoff- oder die Metallionenzelle. Ihr fortgesetztes Wachstum wird durch die Anreicherung von Korrosionsprodukten, kalkhaltigen Ablagerungen und Salzen im Spalt gesteuert.

Wiederum finden die beiden Teilreaktionen an verschiedenen Teilen der Oberfläche statt. Sauerstoffreduktion findet in den äußeren Bereichen mit höheren Sauerstoffkonzentrationen statt, die leicht von der Umgebungsluft zugänglich sind, während die anodische Metallauflösung im Spaltbereich stattfindet, was zu lokalisiertem Angriff (z. B. Lochfraß) führt. Sie kann auch unter Unterlegscheiben oder Dichtungen auftreten, wenn der Wassereintritt darunter nicht verhindert wird.

Mikrobiell induzierte Korrosion

Biologische Organismen können eine große Rolle beim Metallangriff spielen. Korrosion wird durch Mikroorganismen verursacht oder beschleunigt. Sie kann mit oder ohne Anwesenheit von Sauerstoff stattfinden. Biologische Wirkung kann die Schwere der Korrosion erhöhen: (i) als Ergebnis von Bioablagerungen auf der Materialoberfläche, (ii) Produktion korrosiver chemischer Spezies (z. B. Schwefelwasserstoff von sulfatreduzierenden Bakterien – SRB), und (iii) Störung normaler elektrochemischer Reaktionen und Filmbildung.

Mikrobiell (mikrobiologisch) induzierte Korrosion (MIC) ist Korrosion, die durch die Anwesenheit und Aktivitäten von Mikroorganismen verursacht wird. Mikroorganismen sind Organismen, die einzeln mit dem unbewaffneten menschlichen Auge nicht gesehen werden können, einschließlich Mikroalgen, Bakterien und Pilze. Mikrobiell induzierte Korrosion kann verschiedene Formen lokalisierter Korrosion verursachen, einschließlich Lochfraß, Entlegierung, verstärkter Erosionskorrosion, verstärkter Kontaktkorrosion, Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung. Als Folge von MIC kann Korrosion an Orten auftreten, wo sie nicht vorhergesagt wird, und sie kann mit sehr hohen Raten auftreten. Eisen- und Stahlmaterialien unterliegen MIC. Darüber hinaus kann MIC auch in Meerwasser, Süßwasser, destilliertem/entmineralisiertem Wasser, Kohlenwasserstoffkraftstoffen, Prozesschemikalien, Lebensmitteln, Böden, menschlichem Plasma, Speichel und Abwasser auftreten.

Obwohl SRB, die nur in anaeroben (sauerstofffreien) Umgebungen aktiv sind, eine sehr häufige Ursache für Korrosion sind, kann MIC auch durch andere Arten von Mikroorganismen verursacht werden. Als Beispiel oxidieren „Thiobacilli“, die schwefeloxidierenden Bakterien (SOB), Schwefelverbindungen zu Schwefelsäure. Andere säureproduzierende Mikroorganismen umfassen sowohl Bakterien als auch Pilze. Mikroben können an Metalloberflächen haften und einen Biofilm bilden, der aus einer Gemeinschaft von Mikroorganismen besteht, was zu Korrosion führt. Wenn die sauren Produkte bakterieller Wirkung an der Biofilm-Metall-Grenzfläche gefangen werden, wird ihre Auswirkung auf die Korrosion intensiviert.

Obwohl Eisen in entlüftetem Wasser nicht nennenswert korrodiert, wurde die Korrosionsrate in einigen natürlichen entlüfteten Umgebungen als abnormal hoch festgestellt. Diese hohen Raten wurden auf das Vorhandensein von SRB (z. B. Desulfovibrio desulfuricans) zurückgeführt. Ihre Beziehung zu einer beobachteten beschleunigten Korrosionsrate in sauerstoffarmen Böden wurde erstmals in Holland beobachtet. Die Bakterien sind gekrümmt, messen ca. 1 × 4 Mikrometer und kommen in vielen Gewässern und Böden vor. Sie gedeihen nur unter anaeroben Bedingungen im pH-Bereich von ca. 5,5 bis 8,5. Bestimmte Sorten vermehren sich in Süßgewässern und in sulfathaltigen Böden, während andere in Brackwasser und Meerwasser gedeihen und wieder andere in tiefen Böden bei Temperaturen von 60 °C bis 80 °C existieren sollen.

SRB reduzieren anorganische Sulfate leicht zu Sulfiden in Gegenwart von Wasserstoff oder organischer Substanz, und sie werden dabei durch die Anwesenheit einer Eisenoberfläche unterstützt. Die Unterstützung, die Eisen bei dieser Reduktion bietet, besteht wahrscheinlich darin, Wasserstoff zu liefern, der normalerweise an der Metalloberfläche adsorbiert ist und den die Bakterien bei der Reduktion von SO₄ verwenden. Für jedes Äquivalent von Wasserstoffatomen, die sie verbrauchen, geht ein Äquivalent Fe²⁺ in Lösung, um Rost und FeS zu bilden. Daher wirken die Bakterien wahrscheinlich im Wesentlichen als Depolarisierer.

Eisen(II)-hydroxid und Eisen(II)-sulfid werden im Verhältnis von 3 Mol zu 1 Mol gebildet. Die Analyse von Rost, in dem SRB aktiv waren, zeigt dieses ungefähre Verhältnis von Oxid zu Sulfid. Qualitativ kann die Wirkung von SRB als Ursache für Korrosion in ursprünglich sulfidfreiem Wasser durch Hinzufügen weniger Tropfen Salzsäure zum Rost und Wahrnehmen des Geruchs von Schwefelwasserstoff nachgewiesen werden.

Schwere Schäden durch SRB sind besonders in Ölbohrrohren, vergrabenen Pipelines, wassergekühlten Walzwerken und Rohren aus Tiefbrunnen aufgetreten. Innerhalb von 2 Jahren kann Brunnenwasser durch die Wirkung von SRB zum Versagen eines verzinkten Wasserrohrs von 50 mm Durchmesser führen.

Eine Kombination aus niedriger Temperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit ist ein Ansatz zur Kontrolle des Bakterienwachstums, aber Pilze können unter solchen Bedingungen wachsen. Regelmäßige Reinigung ist eine gute Praxis zur Verhinderung von Biofilmbildung und nachfolgender Korrosion. Chlorierung wird verwendet, um Bakterien zu eliminieren, die Korrosion verursachen, aber diese Behandlung kann Nebenprodukte erzeugen, die umweltunverträglich sind. Belüftung von Wasser reduziert die Aktivität anaerober Bakterien, da sie in Gegenwart von gelöstem Sauerstoff nicht gedeihen können. Die Zugabe bestimmter Biozide kann vorteilhaft sein, aber Mikroorganismen können nach langfristiger Anwendung resistent gegen bestimmte Chemikalien werden. Die Ausrottung mikrobieller Populationen kann durch Kombination mehrerer Chemikalien oder Erhöhung der Biozidkonzentration erreicht werden. Abb. 11 zeigt ein Beispiel mikrobiell induzierter Korrosion.

Gleichmäßige oder allgemeine Korrosion

Gleichmäßige Korrosion (Abb. 12) ist eine Korrosionsform, bei der die Oberfläche fast gleichmäßig abgetragen wird. Die Teilreaktionen (Metallauflösung und Sauerstoffreduktion) sind statistisch über die Oberfläche verteilt, was zu einer mehr oder weniger homogenen Auflösung des Metalls und gleichmäßiger Bildung von Korrosionsprodukten führt (z. B. Rotrost auf Kohlenstoffstahl). Diese Korrosion resultiert aus dem kontinuierlichen Verschieben von Anoden- und Kathodenbereichen der Oberfläche eines Metalls in Kontakt mit dem Elektrolyten und führt zu einem fast gleichmäßigen korrosiven Angriff auf der gesamten Oberfläche. Ein Beispiel für solche Korrosion ist das Rosten einer Stahlplatte in Meerwasser. Obwohl sie als gleichmäßige Korrosion bezeichnet wird, wird sie durch den durchschnittlichen Oberflächenverlust charakterisiert.

Wenn die Metallverlustrate bekannt ist, können in Design und Wartung Zulagen gemacht werden, um die Korrosion zu kompensieren. Das Ausmaß dieser Korrosionsform kann normalerweise gut auf Basis früherer Erfahrung geschätzt werden. Die Korrosionsrate wird normalerweise in Mikrometern pro Jahr angegeben. Mit diesen Durchschnittswerten ist es möglich, die Lebenserwartung einer Komponente zu berechnen und somit ihre Lebenserwartung durch Erhöhung ihrer Dicke zu erhöhen.

Gleichmäßige Korrosion tritt an ungeschütztem Kohlenstoffstahl und zinkbeschichtetem Stahl unter atmosphärischen Bedingungen auf. In der Realität ist ein rein homogener Korrosionsangriff unwahrscheinlich. Es gibt immer Bereiche, besonders an komplexen Stahlteilen, die schneller korrodieren als andere, was zu einer mehr oder weniger rauen Oberfläche mit unregelmäßiger Korrosionsproduktabdeckung führt.