Was verursacht galvanische Korrosion und wie kann ich sie verhindern?

Was ist galvanische Korrosion?

Wie der Name schon vermuten lässt, handelt es sich bei der galvanischen Korrosion um einen elektrochemischen Prozess, der sich von Natur aus verschlechtert. Sie wird auch als ungleiche Metallkorrosion oder Bimetallkorrosion bezeichnet. Für diesen sich verschlechternden elektrochemischen Prozess sind drei wichtige Teilnehmer erforderlich.

Zunächst muss ein Elektrolyt vorhanden sein, eine Substanz, die beim Auflösen in Wasser eine elektrisch leitfähige Lösung erzeugt. Gleichzeitig müssen auch zwei unterschiedliche Metalle vorhanden sein, die sowohl in direktem Kontakt miteinander als auch in Gegenwart des oben genannten Elektrolyten stehen.

Eines der bemerkenswertesten Dinge bei der galvanischen Korrosion ist jedoch, dass zwar zwei unterschiedliche Metalle miteinander in Kontakt kommen müssen, aber nur eines der Metalle merklich korrodiert, während das andere relativ ungeschoren davonkommt.

Warum genau korrodiert also nur eines der Metalle und nicht beide? Was sind die zugrundeliegenden Faktoren, die diese Reaktion überhaupt auslösen?

Was verursacht galvanische Korrosion?

Sobald die Voraussetzungen für das Auftreten von galvanischer Korrosion geschaffen sind, dient eines der Metalle als Anode, eine positiv geladene Elektrode, während das andere als Kathode dient.
Das Metall, das als Anode dient, korrodiert und schützt dadurch versehentlich die Kathode, also das andere Metall.

Ein Beispiel dafür könnte gefunden werden, wenn Aluminium und Kohlenstoffstahl in einer Meeresumgebung, d. h. im Meerwasser, in direktem Kontakt miteinander stehen. In dieser Situation wird der Stahl (Kathode) geschützt, während das Aluminium (Anode) schneller korrodiert. Hier wird das Aluminium gezielt als Opfermetall eingesetzt, wobei die beschleunigte Korrosion der Anode dazu beiträgt, das Korrosionsrisiko des Stahls zu verringern. Um dies über lange Zeiträume aufrechtzuerhalten, müsste die Anode regelmäßig ausgetauscht werden.

Der Hauptfaktor, der bei der galvanischen Korrosion eine Rolle spielt, ist ein relativ grundlegender Faktor, mit dem die meisten von uns vertraut sind — der Potentialunterschied. In diesem Fall ist die Potentialdifferenz zwischen zwei beliebigen Metallen als die Differenz zwischen ihren Elektrodenpotentialen definiert.

Immer wenn ein Metall mit einem Elektrolyten in Kontakt kommt, nimmt es ein sogenanntes Elektrodenpotential an, eine Eigenschaft, die die Fähigkeit eines Metalls definiert, Elektronen entweder zu reduzieren oder zu gewinnen. Wie wir bereits erwähnt haben, hat jedes Metall ein definiertes Elektrodenpotential (das in der galvanischen Reihe zu finden ist).

Wenn alle relevanten Komponenten (der Elektrolyt und die beiden Metalle) im Spiel sind, induziert die resultierende Potentialdifferenz die Übertragung von Elektronen vom elektronegativeren Metall (der Anode) zum elektropositiveren Metall (der Kathode). Aufgrund der Reduktions- und Oxidationsreaktionen, die dieser Elektronentransfer hervorruft, beginnt die Anode schließlich zu korrodieren.

Einfach ausgedrückt, das unedlste Metall fungiert als Anode und korrodiert, um das edelste Metall, die Kathode, zu schützen. Die Berücksichtigung des Korrosionspotenzials von Werkstoffen ist daher von großer Bedeutung, wenn Ingenieure Konstruktionen entwerfen, insbesondere für Geräte, Rohrleitungen und Systeme, die in Meeresumgebungen eingesetzt werden.

Wann verursacht galvanische Korrosion Probleme?

Galvanische Korrosion kann für Ingenieure problematisch sein, da dadurch die normale Korrosion eines Metalls in einem Elektrolyten beschleunigt wird, was zu einer stärkeren Form der Korrosion führen kann, deren Auftreten andernfalls unwahrscheinlich wäre. Sie kann auch dazu führen, dass Schweißnähte versagen, was sowohl ein gefährliches als auch ein kostspieliges Problem sein kann und teurere Reparatur- und Wartungsarbeiten erfordert, als wenn das Problem vollständig vermieden würde.

Dies gilt insbesondere für die Öl- und Gasindustrie, wo Rohrleitungen und andere Konstruktionen in der Regel mit Meerwasser in Kontakt kommen und daher anfälliger für Angriffe sind und Reparaturarbeiten schwieriger durchzuführen sind.

Wie kann man galvanischer Korrosion vorbeugen?

Nachdem wir nun verstanden haben, wie galvanische Korrosion verursacht wird, müssen wir nun die Frage beantworten, die sich natürlich als nächstes stellt: Wie kann man die Auswirkungen von galvanischer Korrosion vermeiden oder verringern?

Minimieren Sie den Potenzialunterschied

Die galvanische Serie ist eines der klarsten Werkzeuge im Kampf gegen galvanische Korrosion. Denken Sie daran, dass die galvanische Serie die edlen Eigenschaften von Metallen zeigt. Sie gibt das Elektrodenpotenzial jedes Metalls an und kann daher zur Berechnung der Potentialdifferenz zwischen den beiden verschiedenen Metallen verwendet werden. Diese Potentialdifferenz stimuliert den Elektronenfluss von der Anode zur Kathode.

Einfach ausgedrückt: Je größer die Potentialdifferenz ist, desto größer ist der galvanische Strom und desto schneller wird die Korrosionsrate.

Eine Möglichkeit, galvanische Korrosion zu verhindern, besteht also darin, Metalle zu verwenden, die ähnliche Elektrodenpotenziale und daher eine geringe Potentialdifferenz aufweisen. In einigen Fällen kann dies die galvanische Korrosion zwar nicht vollständig verhindern, aber es kann die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von galvanischer Korrosion erheblich verringern oder die Korrosionsrate drastisch verlangsamen.

Die gängigste Lösung besteht jedoch darin, dass Ingenieure Metalle einfach nicht mischen, da die Verwendung nur eines Materialtyps dazu beiträgt, galvanische Korrosion vollständig zu vermeiden.

Änderung des Flächenverhältnisses der Metalle

In vielen Fällen wäre es ideal, Metalle mit einer vernachlässigbaren Potentialdifferenz zu verwenden. Oft ist dies jedoch einfach nicht möglich.

Keine Angst, es gibt noch eine andere Möglichkeit, die Geschwindigkeit der galvanischen Korrosion zu reduzieren; indem Sie das Flächenverhältnis von Anode und Kathode ändern. Wenn Sie ein größeres Flächenverhältnis von Kathode zu Anode haben (d. h. Ihre Kathode ist größer als die Anode), kommt es zu einer relativ schnellen Reduzierung und einer schädlicheren galvanischen Korrosion.

Daher liegt es nahe, dass auch das Gegenteil der Fall ist. Wenn das Verhältnis umgekehrt ist und Sie eine Kathodenfläche haben, die kleiner als die Anodenfläche ist, werden Sie eine dramatische Verringerung der Reduktionsrate und ein geringeres Auftreten von galvanischer Korrosion feststellen.

Unterbrechen Sie die elektrische Verbindung (isolieren Sie die Metalle)

Wenn der Elektronenfluss die Reduktions- und Oxidationsreaktionen verursacht (die schließlich zur Korrosion führen), was würde passieren, wenn wir den Fluss dieser Elektronen blockieren?

Dies ist die Voraussetzung für eine der gängigsten Methoden zur Verhinderung von galvanischer Korrosion — die Isolierung. Isolierende Bauteile wie Dichtungen und Unterlegscheiben auf Polymerbasis werden verwendet, um den Elektronenfluss zu blockieren, sodass galvanische Korrosion gar nicht erst entstehen kann.

Durch die Verwendung einer nichtmetallischen Unterlegscheibe, die verhindert, dass der Schraubenkopf die Platte berührt, hilft dies effektiv, den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Metallen zu unterbrechen. Wenn wir beispielsweise eine Innensechskantschraube aus verzinktem Stahl in eine Aluminiumplatte einbauen, könnten wir eine TPR-Unterlegscheibe als nichtleitender Abstandshalter verwenden, der sowohl den Stahl als auch das Aluminium schützen und galvanische Korrosion vermeiden könnte.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die elektrische Verbindung immer noch intakt ist, wenn die Gewinde der Schraube immer noch die Aluminiumplatte berühren. Daher kann das Beschichten der Metalle mit Fett oder einer hydrophoben Substanz dazu beitragen, das Korrosionspotenzial zu verringern. Es ist jedoch wichtig zu berücksichtigen, welche Auswirkungen dies gegebenenfalls auf die Anlage selbst haben könnte.

Alternativ können auch Bauteile wie Unterlegscheiben verwendet werden, um eine bessere Isolierung zu gewährleisten, da der Schulterabschnitt zwischen dem Schaft der Schraube oder den Gewinden und dem Innendurchmesser der Platte sitzen würde. Dies würde für eine deutlich bessere Isolierung innerhalb des Gehäuses sorgen als eine Beschichtung und bietet gleichzeitig zusätzliche Vorteile wie die Beständigkeit gegen Säuren, Chemikalien und Öle.

Isolierung des Elektrolyten

Diese Methode zur Verhinderung von galvanischer Korrosion folgt derselben Logik wie die Isolationsmethode. Da der Elektrolyt ein Drittel der Rezeptur für galvanische Korrosion ausmacht, sollten wir ihn dann aus der Gleichung streichen, theoretisch in der Lage sein, das Auftreten von galvanischer Korrosion zu verhindern.

Das ist jedoch leichter gesagt als getan, denn in den meisten Fällen sind wir einfach nicht in der Lage, den Elektrolyt vollständig loszuwerden. Die nächstbeste Lösung besteht also darin, ihn zu isolieren und so effektiv zu verhindern, dass er und die Metalle jemals miteinander in Kontakt kommen.

Wie bereits erwähnt, wird dies am effektivsten durch die Verwendung hydrophober Verbindungen erreicht. Einige der häufigsten Beispiele aus der Praxis sind wasserabweisende Beschichtungen, Farben und Fette.

Kann galvanische Korrosion irgendwelche Vorteile haben?

Galvanische Korrosion kann unter den richtigen Umständen und mit einem fundierten Verständnis des Prozesses tatsächlich von Vorteil sein und als positive Kraft eingesetzt werden.

Stromerzeugung in Batterien

Da es sich um einen elektrochemischen Prozess handelt, eignet sich die galvanische Korrosion ideal für die Stromerzeugung in einer Primärelektronik. Dabei handelt es sich um eine Art von elektrischer Zelle, die nur einmal verwendet werden kann — auch bekannt als Einwegbatterie.

Bei den meisten Einwegbatterien für Verbraucher wird eine Stahldose als Behälter verwendet, in dem sich die „Inhaltsstoffe“ der Zelle befinden. Die Kathode besteht aus einer Mangandioxidschicht, die sich auf der Innenseite des Batteriegehäuses befindet und mit dem Pluspol verbunden ist. Umgekehrt ist die Zinkanode eine innere Schicht, die in einer Elektrolytlösung dispergiert ist und mit dem negativen Ende der Batterie verbunden ist.

Bei Nichtgebrauch müssen diese beiden Elektroden unbedingt voneinander isoliert sein. Daher wird ein faseriges Gewebe als Separator verwendet, um die Elektroden voneinander getrennt zu halten.

Dank dieses Separators findet die chemische Reaktion zur Stromerzeugung erst statt, wenn die Batterie in ein Gerät eingesetzt wird und der Stromkreis abgeschlossen ist.

Schutz für empfindliche Metallteile

Wie oben erwähnt, kann galvanische Korrosion verwendet werden, um die Anode absichtlich der Korrosion auszusetzen, um die Kathode zu schützen. Oft wird jedoch bevorzugt, galvanische Korrosion nach Möglichkeit zu verhindern, da dies zu geringeren Ausfallzeiten von Maschinen, Anlagen usw. führt und gleichzeitig die Anzahl der durchzuführenden Reparaturen und Wartungsarbeiten minimiert.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass sich diese präventiven Maßnahmen nicht gegenseitig ausschließen müssen. Im richtigen Kontext können sie gleichzeitig eingesetzt werden, um ein besseres Schutzniveau zu erreichen. In der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, wo Kombinationen verschiedener Metalle üblich sind, ist es beispielsweise hilfreich, die besten Materialien für eine bestimmte Installation zu ermitteln.

Und nicht zuletzt: Wenn Ihr Projekt einen Schutz vor galvanischer Korrosion erfordert, sind die oben beschriebenen Gegenmaßnahmen immer dann am nützlichsten, wenn sie in einem präventiven Kontext und nicht als Abhilfemaßnahmen eingesetzt werden. Es ist sowohl am einfachsten als auch am effektivsten, diese Schutzmaßnahmen relativ früh im Herstellungsprozess anzuwenden, idealerweise während der Entwurfsphase.