Atmosphärische Korrosion – Korrosion von Metallen und Stahl in einer atmosphärischen Umgebung

Atmosphärische Korrosion ist der Zerstörungsprozess von Metallen und Legierungen unter dem Einfluss der Atmosphäre und einer dünnen Feuchtigkeitsschicht auf der Materialoberfläche. Anders als bei der Korrosion von Bauteilen, die dauerhaft in Wasser eingetaucht sind, besteht der Elektrolyt hier hauptsächlich aus Feuchtigkeit durch Regen, Kondenswasser, Nebel oder hohe Luftfeuchtigkeit. Die Aggressivität der Atmosphäre hängt von Faktoren wie der Dauer der Benetzung, der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit, dem Vorhandensein von Chloriden, Schwefelverbindungen und anderen Verunreinigungen sowie den lokalen Gegebenheiten ab.

Atmosphärische Korrosion kann Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Zink und viele andere Metalle angreifen. Ihr Verlauf und ihre Geschwindigkeit können jedoch je nach Material stark variieren. Kohlenstoffstahl kann relativ gleichmäßigen Oberflächenrost aufweisen, während Edelstahl eher lokale Schäden an der Passivschicht, Verfärbungen, Lochfraß und Spaltkorrosion erleidet.

Wie entsteht atmosphärische Korrosion?

Für die elektrochemische Korrosion von Metallen wird ein Elektrolyt benötigt. Unter atmosphärischen Bedingungen kann dies eine sehr dünne, manchmal unsichtbare Wasserschicht auf der Oberfläche sein. Diese entsteht durch Niederschlag, Nebel, Tau, Kondensation oder hohe relative Luftfeuchtigkeit.

Die Feuchtigkeitsschicht löst Salze und Verunreinigungen von der Oberfläche oder aus der Atmosphäre. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit des Elektrolyten und ermöglicht anodische und kathodische Reaktionen. Es bilden sich lokale elektrochemische Zellen, die zur Metalloxidation führen.

Sobald die Oberfläche trocknet, kann der elektrochemische Prozess deutlich reduziert werden, die vorhandenen Salze bleiben jedoch zurück. Bei erneuter Befeuchtung bilden sie den Elektrolyten neu. Daher sind wiederholte Befeuchtungs- und Trocknungszyklen entscheidend für die Entstehung atmosphärischer Korrosion.

Die wichtigsten Faktoren, die die atmosphärische Korrosion beeinflussen

Arten von korrosiven Atmosphären

Die Aggressivität der atmosphärischen Bedingungen kann stark variieren. Eine ländliche Atmosphäre mit geringer Schadstoffbelastung ist typischerweise weniger aggressiv als eine Industrie- oder Küstenatmosphäre. Man sollte eine Umgebung jedoch nicht allein aufgrund ihrer Bezeichnung klassifizieren. Die tatsächliche Korrosivität wird durch messbare Expositionsbedingungen und die Reaktion eines spezifischen Materials bestimmt.

Ländliche Atmosphäre

Es zeichnet sich typischerweise durch einen relativ geringen Gehalt an aggressiven Verunreinigungen und geringe Chloridablagerungen aus. Dies bedeutet nicht, dass Korrosion ausgeschlossen ist – Bauteile aus Kohlenstoffstahl können bei Kontakt mit Feuchtigkeit und Sauerstoff weiterhin korrodieren –, die Bedingungen sind jedoch in der Regel milder als an stark verschmutzten oder salzhaltigen Standorten.

Städtische und industrielle Atmosphäre

In städtischen und industriellen Umgebungen können sich Staub und chemische Schadstoffe auf Metalloberflächen ablagern. Traditionell spielten die Konzentration und Ablagerung von Schwefeldioxid (SO₂) eine besonders wichtige Rolle bei der Klassifizierung der atmosphärischen Korrosivität. Die aktuelle Aggressivität eines bestimmten Standorts hängt jedoch von den tatsächlichen Schadstoffbelastungen ab und sollte nicht allein anhand der Kategorien „städtisch“ oder „industriell“ definiert werden.

Meeresatmosphäre

Die Küstenluft enthält Gischt, die Salze, vorwiegend Chloride, transportiert. Die auf der Oberfläche abgelagerten Chloride sind hygroskopisch und können die Feuchtigkeitsspeicherung verlängern sowie die Leitfähigkeit der dünnen Elektrolytschicht erhöhen. Besonders problematisch bei Edelstählen ist die Gefahr lokaler Schäden an der Passivschicht und die Entstehung von Lochfraß oder Spaltkorrosion.

Atmosphärische Korrosivitätsklassen C1–CX gemäß ISO 9223

Die Norm ISO 9223 dient zur Klassifizierung der Korrosivität von Atmosphären. Sie unterscheidet sechs grundlegende Korrosivitätskategorien: C1, C2, C3, C4, C5 und CX. Die Klassifizierung kann unter anderem auf der Korrosionsrate von Referenzmaterialien im ersten Expositionsjahr basieren. Die Norm berücksichtigt außerdem Umweltparameter wie die Benetzungszeit und die Ablagerung von Schwefeldioxid und Chloriden.

Die Kategorien C1–CX beschreiben die atmosphärische Korrosivität und stellen keine einfache Skala für die „Edelstahlbeständigkeit“ dar. Die ISO-9223-Klassifizierung verwendet Referenzmaterialien wie Kohlenstoffstahl, Zink, Kupfer und Aluminium. Die Auswahl einer bestimmten Edelstahlsorte erfordert eine zusätzliche Bewertung der Expositionsbedingungen, insbesondere der Chloridablagerung, des Potenzials für natürliche Oberflächenreinigung und der Oberflächenqualität.

Atmosphärische Korrosion von Kohlenstoffstahl

Auf ungeschütztem Kohlenstoffstahl bilden sich in Gegenwart von Feuchtigkeit und Sauerstoff Korrosionsprodukte, die gemeinhin als Rost bezeichnet werden. Die Korrosionsproduktschicht auf normalem Baustahl bietet in der Regel keinen dauerhaften Schutz vor weiterer Korrosion. Wiederholte Feuchtigkeits- und Trocknungszyklen führen zu weiterem Materialverlust.
Die Korrosionsrate hängt von den atmosphärischen Bedingungen ab. Chloride und bestimmte Verunreinigungen können die Korrosionsaktivität der Umgebung erheblich erhöhen. Daher werden im Außenbereich eingesetzte Kohlenstoffstahlkonstruktionen häufig mit Anstrichsystemen, Metallbeschichtungen, Verzinkung oder anderen Schutzverfahren geschützt, die der zu erwartenden Korrosionskategorie entsprechen.

Atmosphärische Korrosion von Edelstahl

Edelstahl ist durch eine sehr dünne, chromreiche Passivschicht geschützt. Diese sorgt für eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit unter vielen atmosphärischen Bedingungen. Das bedeutet jedoch nicht, dass er völlig unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen ist.
Chloride, Sedimente, Schmutz und anhaltende Feuchtigkeit können lokale Bedingungen schaffen, die die Passivschicht schädigen. Besonders anfällig sind vor Regen geschützte Oberflächen, auf denen regelmäßig Salze aufgebracht, aber nicht auf natürliche Weise abgewaschen werden.
An solchen Stellen können Oberflächenverfärbungen, Korrosionsablagerungen, Lochfraß oder Spaltkorrosion auftreten. Daher sind bei der Konstruktion von Edelstahlbauteilen neben der Werkstoffgüte auch die Geometrie, die Oberflächenbeschaffenheit und die Möglichkeit der regelmäßigen Reinigung von Bedeutung.

304 oder 316L in Außenatmosphäre?

Stähle des Typs 304, darunter die Sorten 1.4301 und 1.4307, werden häufig unter atmosphärischen Bedingungen mit relativ geringer Chloridbelastung eingesetzt. Stähle des Typs 316, darunter die Sorten 1.4401 und 1.4404, enthalten Molybdän, welches die Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen erhöht.
Daher wird 316L in Küstenregionen und salzbelasteten Gebieten häufig bevorzugt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass jedes Bauwerk in Küstennähe 316L benötigt oder dass 316L unabhängig vom Chloridgehalt beständig ist. Extrem hohe Salzbelastungen, hohe Luftfeuchtigkeit, fehlende natürliche Durchspülung und ungünstige Geometrie können beständigere Edelstahlsorten oder regelmäßige Oberflächenreinigung erforderlich machen.

Einfluss von Chloriden auf Edelstahl in der Atmosphäre

Chloride gelangen durch Quellen wie Gischt, Streusalz und bestimmte industrielle Prozesse auf Oberflächen. Nach der Verdunstung des Wassers können sie auf der Oberfläche verbleiben und sich anreichern.
Bei ausreichender Feuchtigkeit bildet sich eine dünne, chloridhaltige Elektrolytschicht. Übersteigen die lokalen Bedingungen den Widerstand der Passivschicht des Materials, kann Lochfraßkorrosion einsetzen. Spalten, Ablagerungen und schwer zu spülende Bereiche erhöhen das Risiko lokaler Korrosion zusätzlich.

Warum könnten abgeschirmte Oberflächen stärker korrodieren?

Man könnte annehmen, dass ein Bauteil unter einem Dach besser vor Korrosion geschützt sein sollte. In einer salzhaltigen Atmosphäre kann jedoch das Gegenteil der Fall sein. Regen wäscht einen Teil der Chloride und anderer Ablagerungen von Oberflächen ab, die direkt dem Niederschlag ausgesetzt sind.
Oberflächen, die vor Regen geschützt sind, können jedoch mit der Zeit Salze ansammeln. Atmosphärische Feuchtigkeit, Nebel oder Kondenswasser können diese Ablagerungen dann auflösen und einen stark aggressiven lokalen Elektrolyten bilden. Daher erfordern geschützte Elemente, die Unterseiten von Geländern, die Innenseiten von Profilen, Überlappungen und andere schwer zugängliche Bereiche besondere Aufmerksamkeit.

Der Einfluss der Entfernung vom Meer

Mit zunehmender Entfernung landeinwärts nimmt die Wirkung des Meerwassers in der Regel ab. Es gibt jedoch keine allgemeingültige Entfernung von der Küste, ab der die Atmosphäre als chloridfrei gelten kann. Der Salztransport hängt von Windrichtung und -geschwindigkeit, Geländebeschaffenheit, Gebäudehöhe, Wellengang, lokaler Bebauung und klimatischen Bedingungen ab.
Daher ist es bei der Materialauswahl besser, die tatsächliche Chloridbelastung und die Erfahrungen an einem bestimmten Standort zu berücksichtigen als die einfache Entfernungsangabe in Kilometern.

Der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit von Edelstahl

Die Oberflächenbeschaffenheit hat einen erheblichen Einfluss auf das Verhalten von Edelstahl in der Atmosphäre. Glatte Oberflächen werden leichter auf natürliche Weise abgewaschen und halten typischerweise weniger Verunreinigungen zurück als sehr raue Oberflächen.
Eisenverunreinigungen durch Bearbeitungsprozesse, Schleifrückstände, Schweißnahtverfärbungen und andere Oberflächenfehler können die Korrosionsbeständigkeit lokal beeinträchtigen. Werkzeuge, die zur Bearbeitung von unlegiertem Kohlenstoffstahl verwendet werden, dürfen die Edelstahloberfläche nicht verunreinigen.
Nach dem Schweißen kann bei anspruchsvollen Anwendungen eine sorgfältige Oberflächenreinigung und die Entfernung von Hitzeverfärbungen erforderlich sein. Dies ist besonders wichtig in Küstenregionen und anderen chloridhaltigen Atmosphären.

Galvanische Korrosion in der Atmosphäre

Galvanische Korrosion kann auch unter atmosphärischen Bedingungen auftreten, wenn zwei unterschiedliche Metalle in elektrischem Kontakt stehen und ihre Oberflächen durch eine Feuchtigkeitsschicht, die als Elektrolyt wirkt, verbunden sind.
Das Risiko steigt in Atmosphären mit hoher Luftfeuchtigkeit und hohem Salzgehalt, da die Elektrolytschicht eine höhere Leitfähigkeit aufweist. Auch das Oberflächenverhältnis der verbundenen Materialien ist von Bedeutung. Eine kleine Oberfläche des Anodenmaterials in Kombination mit einer großen Oberfläche des edleren Materials kann zu einer hohen Anodenstromdichte und starker lokaler Korrosion führen.

Auswahl von Edelstahl für die Atmosphäre

Die Tabelle dient lediglich der allgemeinen Information. Wählen Sie die Güteklasse nicht allein anhand der Umgebungsbedingungen. Tatsächliche Chloridablagerungen, Luftfeuchtigkeit, Abwaschbarkeit der Oberfläche, Temperatur, Gebäudegeometrie, Oberflächenbeschaffenheit sowie Anforderungen an Aussehen und Haltbarkeit sind allesamt wichtige Faktoren.

Wie lässt sich atmosphärische Korrosion reduzieren?

Ein wirksamer Schutz erfordert eine Kombination aus geeigneter Materialauswahl sowie angemessener Konstruktion und Instandhaltung des Bauwerks.

• Das Material sollte der jeweiligen Kategorie und Beschaffenheit der Umgebung entsprechen.
• Gestaltungselemente, damit Wasser ungehindert abfließen kann,
• Lücken, Überlappungen und Stellen, an denen sich Sedimente ansammeln, begrenzen,
• Ungünstige galvanische Verbindungen vermeiden,
• für eine ordnungsgemäße Oberflächenbeschaffenheit von Edelstahl sorgen
• Schweißverfärbungen und Verunreinigungen aus der Nachbearbeitung entfernen,
• In salzhaltigen Umgebungen müssen Ablagerungen regelmäßig von der Oberfläche entfernt werden.
• Bei Kohlenstoffstahl sollten geeignete Oberflächenschutzsysteme verwendet werden.
• Berücksichtigen Sie die Möglichkeit der Chloridansammlung auf vor Regen geschützten Oberflächen.

Atmosphärische Korrosion und Meereskorrosion

Atmosphärische und marine Korrosion überschneiden sich zwar teilweise, sind aber nicht identisch. Atmosphärische Korrosion betrifft Bauteile, die der Atmosphäre und Oberflächenfeuchtigkeit ausgesetzt sind. Marine Korrosion umfasst die umfassenderen Auswirkungen der Meeresumwelt, einschließlich der Küstenatmosphäre, der Spritzwasserzone, der Gezeitenzone und des direkten Eintauchens in Meerwasser.
Ein Bauteil oberhalb der Meeresoberfläche kann daher gleichzeitig als atmosphärischer Korrosion ausgesetzte Struktur und als Element in maritimer Umgebung klassifiziert werden. In der Praxis sind die Art der Exposition und die Menge des die Oberfläche erreichenden Salzes ausschlaggebend.

Atmosphärische Korrosion entsteht durch die Wechselwirkung von Feuchtigkeit, Sauerstoff, Salzen und Verunreinigungen mit einer Metalloberfläche. Ihre Intensität hängt primär von der Benetzungszeit, der Chlorid- und Schadstoffablagerung, der Temperatur, der Bauteilkonstruktion und den Materialeigenschaften ab.
Die Norm ISO 9223 klassifiziert Atmosphären hinsichtlich ihrer Korrosivität von C1 bis CX; die Einteilung in die Umweltkategorie allein ersetzt jedoch nicht die richtige Materialauswahl. Bei Edelstählen sind insbesondere der Chloridgehalt, die Oberflächenbeschaffenheit, das Potenzial für natürliche Spülung sowie das Vorhandensein von Spalten und Ablagerungen von Bedeutung.
Die Dauerhaftigkeit der Konstruktion wird daher durch das gesamte System bestimmt: Material – Atmosphäre – Luftfeuchtigkeit – Chloride und Schadstoffe – Konstruktion – Oberflächenbeschaffenheit – Betriebsweise.

Arten der Korrosion von Stahl und Metallen

Gleichmäßige Korrosion von Stahl und Metallen
Lochfraßkorrosion von Edelstählen
Spaltkorrosion von Edelstählen
Interkristalline Korrosion von Edelstahl
Spannungsrisskorrosion
Galvanische Korrosion
Erosive Korrosion
Kavitationskorrosion
Korrosionsermüdung
Reibkorrosion
Mikrobiologische Korrosion (MIC)
Hochtemperaturkorrosion

Aufteilung der Korrosion nach Umwelteinflüssen

Marine Korrosion – Korrosion von Stahl und Metallen in Meerwasser
Korozja atmosferyczna
Bodenkorrosion
Korrosion in Süß- und Brauchwasser
Korrosion in chloridhaltigen Umgebungen
Korrosion in sauren Umgebungen
Korrosion in alkalischen Umgebungen
Korrosion in Gasen und Abgasen
Korrosion in Abwasser- und Abwassersystemen
Korrosion in chemischen und petrochemischen Umgebungen

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