Leibnizschule Hannover- Facharbeit -

Schuljahr 2014/2015

Korrosion und Korrosionsschutz

Florian Piller

Betreuende Lehrkraft: Herr Dr. Krafft

Abgabetermin der Arbeit: 23.03.15

Inhaltsverzeichnis

1.Einleitung1

2. Hauptteil2

2.1 Korrosion2

2.1.2 Definition Korrosion2

2.1.3 Korrosionsarten2

2.1.4 Sauerstoff-Korrosion3

2.1.5 Sure-Korrosion4

2.2 Korrosionsschutz5

2.2.1 Aktiver - und passiver Schutz5

2.2.2 Feuerverzinken7

2.2.2.2 Stckverzinken7

2.2.3 Galvanisieren9

3. Schlussteil10

Quellen/Literaturverzeichnis 11

Versicherung fr selbstndige Anfertigung12

1. Einleitung

Das Phnomen der Korrosion zhlt zu den grten Problemen in vielen Teilen der Industrie und fhrt zu Milliardenhohen Ausgaben pro Jahr um Schden durch Korrosion zu verhindern.Ich mchte mich mit dem Thema Korrosion und Korrosionsschutz auseinandersetzen, weil ich mich fr die Problematik der Korrosion und den damit zusammenhngenden Verschlei von Metallen interessiere. Auf dieses Thema bin ich gekommen nachdem ich mich mit verschiedenen Themenvorschlgen von meinem Tutor auseinandergesetzt habe und schlielich auf das Thema Chemie am Auto: Korrosionsschutz gestoen bin.Zunchst werde ich einen allgemeinen berblick darber geben, was man unter Korrosion versteht und auf die Frage eingehen welche Faktoren diese begnstigen bzw. beschleunigen.Darber hinaus fhre ich einige Korrosionsarten auf und thematisiere spezifisch die Sauerstoffkorrosion mit dem Beispiel des Rostvorgangs .Danach werde ich auf mein Hauptthema den Korrosionsschutz eingehen und spezifisch den Unterschied zwischen passivem und aktivem Korrosionsschutz erlutern.Ziel der Facharbeit ist es die Frage zu klren welche Art von Korrosionsschutz am effektivsten, effizientesten und umweltfreundlichsten ist und eventuell Problematiken zu erlutern, die dabei entstehen knnten. Dazu Vergleiche ich das Feuerverzinken mit dem Galvanisieren.

2. Hauptteil

2.1 Korrosion

2.1.2 Definition

Korrosion ist nach der Definition von Roos und Maile eine unerwnschte elektrochemische Reaktion von einem Werkstoff mit einem Medium aus der Umgebung, aus der ein Schdigungsprozess resultiert der von der Oberflche des Werkstoffes ausgeht.Daraus resultiert meistens eine Vernderung der Eigenschaften der Oberflche sowie eine Farbnderung.Bei der Elektrochemischen Korrosion laufen Teilreaktionen der Redoxreaktion an unterschiedlichen lokalen Stellen im Elektrolyt ab. 1Vgl. Q.1 Roos, Meile, Werkstoffkunde, S. 335

Zum einen oxidiert das Metall an der Anode zu positiv geladenen Metallionen:

Gleichzeitig findet eine Reduktion des aggressiven Agens statt: 2Vgl. Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.108

2.1.3 Korrosionsarten

Es wird in der Chemie zwischen einigen Hauptarten der Korrosion unterschieden.Zu den Hauptarten zhlen Wasserstoffkorrosion, Platinabbildung bei Kupfer, Glaskorrosion und bakterielle anaerobe Korrosion. Die Sure- und Sauerstoffkorrosion werden im weiteren Verlauf noch thematisiert. Ein sehr bekanntes Problem, dass durch die Sauerstoffkorrosion hervorgerufen wird ist die Bildung von Rost , welche die Beschaffenheit von Materialien meist so verndert, sodass Milliarden hohe Schden entstehen. Dies kann bei Werkstoffen die lngere Zeit berdauern und die gewnschten Anforderungen erfllen sollen durch verschiedene Mechanismen zum Schutz vor Korrosion verhindert werden.1Vgl. Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.108

2.1.4 Sauerstoff-Korrosion

Wenn durch Sauerstoff ein Metall in einer neutralen oder schwach alkalischen Lsung in Gegenwart von Wasser oxidiert wird, bezeichnet man dies als Sauerstoffkorrosion.2Vgl. Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.108

Beispiel Rostbildung:Abb.1 Schemazeichnung zur Rostbildung3Vgl. Abb.1

Anodische Reaktion:Kathodische Reaktion:Redoxreaktion:

Bei der Bildung von Rost reagieren zunchst das Wasser und die Sauerstoffverbindungen zu Hydroxidionen, wie im oben beschriebenen Reaktionsschema. Aus dem Eisen lsen sich Eisenkationen und lassen ihre Elektronen zurck. (Dies fhrt zu einer negativen Ladung des Eisens.)Eisen(II) -hydroxid -bildung:FormelEisen(III)-oxidhydroxid -bildung:Formel1Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.111

Die Eisen(II)- Ionen und die Hydroxidionen reagieren durch Diffusion zu Eisen(II)-Hydroxid, welches nach und nach durch Sauerstoff zu Eisen(III)-oxidhydroxid reagiert.Dieser rotbraune Stoff ist uns als Rost bekannt.Bei diesem Mechanismus stellt sich die Frage, ob durch die entstehende Rostschicht das Eisen vor weiterer Korrosion geschtzt wre, wie z.B bei der Passivierung von einigen Erdalkalimetallen. Beim Rosten ist das nicht der Fall, da zum einen die Stelle an der die Fe(II)-Ionen gebildet werden nicht geschtzt ist und zum anderen weil die Rostschicht viel zu pors und damit durchlssig ist.2Vgl. Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.111

2.1.5 Wasserstoff-/ Sure-Korrosion

Diese Wasserstoffkorrosion erfolgt in normalerweise in sauren Lsungen unter Bildung von Wasserstoff:

Aber auch in normalen bis alkalischen Elektrolytlsungen kann sie stattfinden falls es einen Sauerstoffmangel gibt:

Es hngt sowohl vom ph-Wert als auch von den Standartpotentialen der Metalle ab, welche der Reaktionen abluft. 3Vgl. Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.108

Wenn sich zwei Metalle mit verschiedenen Standartpotentialen berhren entsteht ein kurzgeschlossenes galvanisches Element. Dieses sogenannte Lokalelement beschleunigt die elektrochemische Korrosion. Das Metall mit dem negativeren Standartpotential korrodiert und lst sich allmhlich auf. Man spricht dabei von einer Lokalanode. Das andere Metall mit dem positiveren Potential stellt die Lokalkathode dar. Schon der Kontakt durch kleine Partikel von unedleren Metallen (z.B. durch Verunreinigungen) kann schon zur Bildung eines Lokalelementes fhren. Aus diesem Grund sollte man vermeiden, dass edle Werkstoffteile mit unedleren Metallwerkstoffen in Kontakt geraten.1Vgl. Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.109

2.2 Korrosionschutz

Unter Korrosionschutz versteht man die Manahmen um Korrosionschden an meist metallischen Bauteilen zu verhindern um deren Bestndigkeit und Effizienz zu verbessern. Dies kann jedoch auch auf Glas, Kunstoffe, Baustoffe, etc. angewandt werden.

2.2.1 Aktiver- und passiver Schutz

Dabei unterscheidet man zwischen passivem und aktivem Korrosionschutz, wobei es beim passiven Korrosionsschutz um das erzielen einer abschirmenden Wirkung gegen das angreifende korrosive Medium welches fr die Reaktion verantwortlich ist geht.Dies kann durch berzge und Beschichtungen wie z.B. bei der Feuerverzinkung erreicht werden.2Vgl. Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.124

Beim aktiven Korrosionsschutz wird direkt oder aktiv in die Reaktionsablufe eingegriffen indem direkt in die Redoxreaktion durch einen Fremdstrom oder eine Opferanode eingegriffen wird.

Der aktive Korrosionsschutz durch eine Opferanode wird z.B bei Rohrleitungen die u.a. zum Erdltransport o., benutzt werden angewandt.Dabei werden die Leitungen mit unedlen Metallen (z.B. mit Magnesium) verbunden . Bei der Ablaufenden Reaktion wrde die Bodenfeuchtigkeit als Elektrolyt ausreichen.Durch den Anschluss an die unedleren Opferanode, welche dementsprechend eine hhere Elektronegativitt hat und deshalb eher dazu neigt Elektronen abzugeben, wrde dann nicht das Eisen, sondern das Magnesium als anodische Reaktion der Redoxreaktion Elektronen abgeben. ()Die abgegebenen Elektronen wrden durch das anliegende Eisenrohr an der Oberflche mit Wasserstoffionen aus der Feuchtigkeit im Boden reagieren und Wasserstoffmolekle bilden. ()Wie der Name schon vermuten lsst, opfert sich in der Redoxreaktion die Opferanode.Das Eisen bleibt so gesehen geschtzt, bis sich die Opferanode vollstndig aufgelst hat. 1Vgl. Q.5 Briehl, Chemie der Werkstoffe, S.126

Abb. 2: Eisen mit Magnesiumanode in wssriger Lsung2Vgl. Abb.2

2.2.2 Feuerverzinken

Bei dieser Methode des Korrosionsschutzes wird Stahl oder Eisen mit einer Zinkschicht berzogen indem man das entsprechende Teil in ein Bad mit flssigem Zink taucht.Es wird dabei zwischen Stckverzinkung und kontinuierlicher Durchlaufverzinkung unterschieden.Die Feuerverzinkung zhlt sowohl zu den aktiven als auch zu den passiven Methoden des Korrosionsschutzes..1Vgl. Rohrer, Korrosionsschutz von Automobilkarosserien durch Feuerverzinken, S.30

2.2.2.2 Stckverzinkung

Der Vorteil beim Stckverzinken ist, dass beim Eintauchen einzelner Teile, schlecht zugngliche Stellen erreicht werden knnen, welche normalerweise ungeschtzt geblieben wren. Die Vorgehensweisen zur Stckverzinkungsind je nach Anlass oder Betrieb variabel. Die einzelnen Schritte finden grtenteils in Bdern satt. blicherweise werden als erstes die zu verzinkenden Teile durch Entfettungsmittel (Sowohl saure als auch alkalische Mittel) von l und Fettrckstnden befreit. Die Teile werden dann wieder durch ein Wasserbad von den Entfettungsmitteln befreit.2Vgl. www.chemie.de/lexikon/Feuerverzinken.html

Im nchsten Schritt wird durch Beizen die Oberflche der Teile von Verunreinigungen (z.B. Rost) gesubert. Dies erfolgt mithilfe verdnnter Salzsure

Nun finden wieder Splvorgnge mit Wasser statt um die Verschleppung der Surereste aus dem Beizbad zu verhindern.

Nach dem Splen erfolgt das Fluxen.In einem Flumittelbad findet der letzte feine Reinigungsprozess statt um die letzten Reste zu lsen. Durch das Flussmittel wird nicht nur die Oxidation der Oberflche der Teilchen bis zum verzinken verhindert, sondern auch die Zinkbenetzung auf der Eisen oder Stahl Oberflche erleichtert. Bei dem besagtem Flumittel handelt es sich meistens um eine Lsung aus Ammoniumchlorid und Zink.Da die Vorbehandlung abgeschlossen ist, knnen die Teile nun verzinkt werden.Die zu verzinkenden Teile werden in eine flssige Zinkschmelze getaucht, die aufgrund der Schmelztemperatur von Zink bei 440- 460C liegt. Auerdem muss der Zinkgehalt mindestens 98,5% betragen.Die Teile bleiben so lange im Bad bis sie die Temperatur der Zinkschmelze angenommen haben.Es findet zwischen dem flssigen Zink und der Stahloberflche eine wechselseitige Diffusion statt. Dadurch entsteht ein berzug der aus Eisen-Zink-Legierungsschichten besteht. Die oberste Schicht, die beim Herausziehen entsteht ist die Reinzinkschicht(entspricht der Zinkschmelze).

Nachdem die Teile abgekhlt sind knnen sie z.B. nachbearbeitet, oder zur Ermittlung des Preises gewogen werden( Dabei entscheidet die Dicke des berzuges ber die Qualitt und den Preis)1Vgl. www.chemie.de/lexikon/Feuerverzinken.html

Abb.3: Bearbeitungsschritte Feuerverzinkung2Vgl: Abb 3

2.2.3 Galvanisieren- Galvanotechnik

Im engeren Sinn wird unter Galvanisieren die elektrochemische Oberchenbehandlung von Metallen verstanden 1Zt. Roos,Maile Wekstoffkunde (s.318)

Nachdem man, wie beim Feuerverzinken das zu galvanisierende Material von Verunreinigungen befreit hat, wird das Metall mithilfe einer Elektrolysezelle behandelt.In der Zelle wird das Metall, welches man galvanisieren mchte als Kathode geschaltet und das Metall welches als berzug dienen soll als Anode. Wie bei jeder Elektrolyse ist auch hier eine Stromquelle und eine Elektrolytlsung vorhanden.Die Anode lst sich whrend der Reaktion langsam auf, da Ionen in Lsung gehen. Gleichzeitig werden an der Kathode Ionen abgeschieden.

Bei der Galvanisierung ist es wichtig die Menge der Metall-Ionen in der Lsung zu kontrollieren um einen gleichmigen berzug zu erreichen. Um die Abscheidung besser kontrollieren zu knnen werden sogenannte Komplexbildner zur Bindung der Ionen eingesetzt. Daraus resultiert ein Gleichgewicht zwischen hydratisierten Metall-Ionen in der Elektrolytlsung und den gebundenen.2Vgl. Roos,Maile Wekstoffkunde (s.319)

Abb.4: Galvanisches Bad3Vgl. Abb.4

3. Schlussteil

Abschlieend kann man sagen, dass Korrosion ein elektrochemischer Prozess ist, aus dem eine Vernderung der Oberflche, des betroffenen Stoffes resultiert. Welcher Schdigungsprozess den Stoff zerstrt hngt von den Begebenheiten in der Umgebung ab. Man spricht von Sauerstoff-Korrosion wenn Metalle in einer neutralen bis alkalischen Lsung durch Sauerstoff in Gegenwart von Wasser oxidiert werden .Die Sure-Korrosion luft meistens in sauren Lsungen unter Bildung von Wasserstoff ab. Um diese Schdigungsprozesse zu verhindern sind viele Schutzmanahmen mglich. Auch die Feuerverzinkung und die Galvanisierung zhlen dazu. Beide Arten des Korrosionsschutzes funktionieren nur auf blanken, von Verunreinigungen befreiten Metallen und weisen sowohl Vorteile als auch Nachteile auf, die beachtet werden sollten.Whrend bei der Galvanisierung ein berzug aus reinem Zink entsteht, wird beim Feuerverzinken ein berzug aus Eisen- und Zink-Legierungen bei dem die Oberflche aus reinem Zink besteht.Der groe Vorteil beim Galvanisieren ist, dass die Dicke der Schutzschicht bestimmt werden kann. Dadurch resultiert eine Ressourcenschonung die natrlich auch die Kosten beeinflusst. Hinzu kommt, dass kein Wrmeverzug wie beim Feuerverzinken mglich ist, weil nicht mit groer Hitze gearbeitet wird.Dies ist ein Nachteil beim Feuerverzinken. Je nachdem wie empfindlich ein Material auf die extreme Hitze reagiert knnen Schden aufgrund eines Wrmeverzuges auftreten. Deswegen sind nicht alle Metalle geeignet.Jedoch ist das Feuerverzinken im Vergleich zum Galvanisieren viel bestndiger, da neben dem passiven Barriereschutz des berzuges, das Zink auch bei Beschdigung als Opferanode dient. Dies ist ein weiterer Vorteil, da deswegen kein Wartungszwang besteht wie bei der Galvanisierung. Neben diesen kostenminimierender Faktoren ist diese Methode durch die extreme Langlebigkeit Ressourcensparend und somit umweltschonend.

4. Anhang

4.1 Quellenverzeichnis

Literatur aus der Bibliothek (TIB/UB Hannover) :1. Werkstoffkunde fr Ingenieure; Eberhardt Roos und Karl Maile, 5. Auflage2. Korrosionsschutz von Automobilkarosserien durch Feuerverzinken ; Emil F. Rohrer3. Korrosion verstehen- Korrosionsschden vermeiden-Band 1-2; H.Grfen und Rahmel4. Lexikon der Korrosion und des Korrosionsschutzes; Herbert Beneke5. Chemie der Werkstoffe; Horst Briehl, 3.Auflage

Internetquellen:

http://www.chemie.de/lexikon/Feuerverzinken.html, Stand: 22.03.2015http://www.chemie.de/lexikon/Korrosionsschutz.html, Stand: 22.03.2015http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/755576.de, Stand: 22.03.2015

Abbildungen:

Abb.1: http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/755576Abb.2:http://de.wikipedia.org/wiki/Korrosionsschutz#/media/File:Eisennagel_Anode_Mg_neu.svgAbb.3: http://www.waldhelm-feuerverzinken.de/pix/Feuerverzinken1.jpgAbb.4: http://www.techniklexikon.net/images/f1228_galvanisation.gif

4.3 Versicherung der selbstndigen Erarbeitung

Hiermit versichere ich, dass ich die Arbeit selbstndig angefertigt, keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und die Stellen der Facharbeit, die im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt aus anderen Werken entnommen wurden, mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe.Verwendete Informationen aus dem Internet sind im Anhang vollstndig im Ausdruck beigefgt.

Florian Piller05.01.2015