Was verursacht galvanische Korrosion und wie kann ich sie verhindern?

Was ist Galvanische Korrosion?

Wie der Name schon vermuten lässt, ist galvanische Korrosion ein elektrochemischer Prozess, der sich von Natur aus verschlechtert. Es ist auch als unähnliche Metallkorrosion oder Bimetallkorrosion bekannt. Dieser sich verschlechternde elektrochemische Prozess erfordert drei wichtige Teilnehmer, damit er eintritt.

Erstens muss es einen Elektrolyten geben, eine Substanz, die eine elektrisch leitfähige Lösung bildet, wenn sie in Wasser gelöst wird. 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 an galvanischer Korrosion ist jedoch, dass, obwohl zwei unterschiedliche Metalle in Kontakt kommen müssen, nur eines der Metalle merklich korrodiert, während das andere relativ schrottfrei davonkommt.

Warum genau korrodiert nur eines der Metalle anstelle von beiden? Was sind die zugrunde liegenden Faktoren, die diese Reaktion überhaupt auslösen?

Wodurch wird galvanische Korrosion verursacht?

Sobald die Voraussetzungen für das Auftreten galvanischer Korrosion geschaffen sind, dient eines der Metalle als Anode, als positiv geladene Elektrode, während das andere als Kathode dient.
Das Metall, das als Anode dient, korrodiert und schützt auf diese Weise versehentlich die Kathode, d. h. das andere Metall.

Ein Beispiel dafür könnte gefunden werden, wenn Aluminium und Kohlenstoffstahl in einer Meeresumgebung, also 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 verwendet, 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 beim galvanischen Korrosionsprozess eine Rolle spielt, ist ein relativ grundlegender Faktor, mit dem die meisten von uns vertraut sind - der Potenzialunterschied. In diesem Fall ist die Potenzialdifferenz zwischen zwei beliebigen Metallen als die Differenz zwischen ihren Elektrodenpotentialen definiert.

Immer wenn ein Metall mit einem Elektrolyten in Kontakt kommt, nimmt es an, was ist bekannt als Elektrodenpotential, eine Eigenschaft, die die Fähigkeit eines Metalls definiert, Elektronen zu reduzieren oder zu gewinnen, und wie wir bereits erwähnt haben, hat jedes Metall ein definiertes Elektrodenpotential (das auf 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 Reduktionsreaktionen und Oxidationsreaktionen, die dieser Elektronentransfer verursacht, beginnt die Anode schließlich zu korrodieren.

Einfach ausgedrückt wird das unedelste Metall als Anode fungieren und korrodieren, um das edelste Metall, die Kathode, zu schützen. Die Berücksichtigung des Korrosionspotenzials von Materialien ist daher von großer Bedeutung, wenn Ingenieure Konstruktionen entwerfen, insbesondere für Geräte, Rohrleitungen und Systeme, die in Meeresumgebungen verwendet werden.

Wann verursacht galvanische Korrosion Probleme?

Galvanische Korrosion kann für Ingenieure problematisch sein, da sie dazu führt, dass die normale Korrosion eines Metalls in einem Elektrolyten beschleunigt wird, was zu einer stärkeren Form der Korrosion führen kann, die sonst unwahrscheinlich wäre. Dies kann auch zum Ausfall von Schweißnähten führen, was sowohl ein gefährliches als auch ein kostspieliges Problem sein kann und teurere Reparaturen und Wartungsarbeiten erfordert, als wenn das Problem vollständig vermieden worden wäre.

Dies gilt insbesondere für die Öl- und Gasindustrie, wo Pipelines und andere Konstrukte typischerweise mit Meerwasser in Kontakt kommen und daher anfälliger für Angriffe sind und Reparaturarbeiten schwieriger durchzuführen sind.

Wie kann man galvanische Korrosion verhindern?

Nachdem wir nun verstanden haben, wie galvanische Korrosion verursacht wird, müssen wir nun die Frage beantworten, die natürlich als nächstes kommt: Wie können Sie die Auswirkungen galvanischer Korrosion vermeiden oder verringern?

Minimieren Sie den potenziellen Unterschied

Die Galvanik-Serie ist eines der klarsten Werkzeuge im Kampf gegen galvanische Korrosion. Denken Sie daran, dass die galvanische Serie den Adel von Metallen zeigt, der das Elektrodenpotential jedes Metalls anzeigt und daher zur Berechnung der Potenzialdifferenz zwischen den beiden verschiedenen Metallen verwendet werden kann. Dieser Potentialunterschied stimuliert den Elektronenfluss von der Anode zur Kathode.

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

Eine Möglichkeit, galvanische Korrosion zu verhindern, ist die Verwendung von Metallen, die ähnliche Elektrodenpotentiale und daher eine geringe Potentialdifferenz aufweisen. In einigen Fällen kann dies die galvanische Korrosion in ihren Spuren nicht vollständig stoppen, aber es kann die Wahrscheinlichkeit des Auftretens 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 insgesamt zu vermeiden.

Änderung des Flächenverhältnisses der Metalle

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

Keine Angst, es gibt noch eine andere Möglichkeit, die galvanische Korrosionsrate zu reduzieren; indem Sie das Flächenverhältnis von Anode und Kathode ändern. Wenn Sie ein größeres Verhältnis von Kathode zu Anodenfläche haben (d. h. Ihre Kathode ist größer als die Anode), haben Sie eine relativ schnelle Reduktionsrate und eine schädlichere galvanische Korrosion.

Daher liegt es nahe, dass auch das Gegenteil der Fall ist. Wenn das Verhältnis umgekehrt wird 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.

Brechen Sie die elektrische Verbindung (isolieren Sie die Metalle)

Wenn der Elektronenfluss die Reduktionsreaktionen und Oxidationsreaktionen (die zu Korrosion führen) verursacht, was würde passieren, wenn wir den Fluss dieser Elektronen blockieren würden?

Dies ist die Voraussetzung für eine der gebräuchlichsten Methoden zur Verhinderung galvanischer Korrosion - Isolierung. Isolierwerkzeuge wie Dichtungen und Unterlegscheiben auf Polymerbasis werden verwendet, um den Elektronenfluss zu blockieren, sodass galvanische Korrosion überhaupt nicht auftreten kann.

Durch die Verwendung einer nichtmetallischen Unterlegscheibe Verhindern Sie, dass der Kopf der Schraube die Platte berührt, dies hilft effektiv, den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Metallen zu unterbrechen. Wenn wir zum Beispiel eine Zylinderschraube mit Innensechskant aus verzinktem Stahl in eine Aluminiumplatte einbauen würden, könnten wir eine TPR Rubber Washer fungiert als nicht leitender Abstandshalter, der sowohl den Stahl als auch das Aluminium schützen und galvanische Korrosion vermeiden könnte.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die elektrische Verbindung noch intakt ist, wenn die Gewinde der Schraube noch Kontakt mit der Aluminiumplatte haben. Infolgedessen kann die Beschichtung der Metalle mit Fett oder einer hydrophoben Substanz dazu beitragen, das Korrosionspotential zu verlangsamen. Es ist jedoch wichtig zu überlegen, welche Auswirkungen dies gegebenenfalls auf die Anlage selbst haben könnte.

Alternativ können Komponenten wie Schulterscheiben verwendet werden, um eine verbesserte Isolation zu gewährleisten, da der Schulterabschnitt zwischen dem Schaft von sitzen würde die Schraube oder die Gewinde und den Innendurchmesser der Platte. Dies würde eine deutlich bessere Isolierung innerhalb des Gehäuses als eine Beschichtung bieten und gleichzeitig zusätzliche Vorteile wie Beständigkeit gegen Säuren, Chemikalien und Öle bieten.

Den Elektrolyten isolieren

Diese Methode zur Vermeidung von galvanischer Korrosion folgt derselben Logik wie die Isolationsmethode. Da der Elektrolyt ein Drittel des Rezepts für galvanische Korrosion ausmacht, sollten wir theoretisch verhindern können, dass galvanische Korrosion jemals auftritt, wenn wir ihn aus der Gleichung streichen.

Dies ist jedoch leichter gesagt als getan; da wir in den meisten Fällen den Elektrolyten einfach nicht vollständig entfernen können. Die nächstbeste Lösung besteht also darin, sie zu isolieren und so wirksam zu verhindern, dass sie und die Metalle jemals miteinander in Kontakt kommen.

Wie bereits erwähnt, wird dies am effektivsten durch die Verwendung hydrophober Verbindungen erreicht. Einige sehr verbreitete 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 Kraft für immer eingesetzt werden.

Stromerzeugung in Batterien

Als elektrochemisches Verfahren ist galvanische Korrosion ideal zur Erzeugung Elektrizität in einer Primärzelle, einer Art von elektrischer Zelle, die nur einmal verwendet werden kann - auch allgemein als Einwegbatterie bekannt.

In den meisten Verbraucherbatterien für den einmaligen Gebrauch wird eine Stahldose als Behälter verwendet, in dem sich die „Inhaltsstoffe“ der Zelle befinden. Die Kathode ist eine 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, sodass ein Fasergewebe als Separator verwendet wird, um die Elektroden voneinander zu trennen.

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

Schutz für gefährdete Metallbauteile

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

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

Zu

guter Letzt, wenn Ihr Projekt einen Schutz vor galvanischer Korrosion erfordert, sind die oben beschriebenen Gegenmaßnahmen immer dann am nützlichsten, wenn sie eher in einem vorbeugenden als in einem abhilfenden Kontext eingesetzt werden. Es ist sowohl am einfachsten als auch am effektivsten, diese Schutzmaßnahmen relativ früh im Bauprozess anzuwenden, idealerweise während der Entwurfsphase.