Galvanische Korrosion – Ursachen, Mechanismen und Prävention

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Galvanische Korrosion, auch bekannt als Kontaktkorrosion, Bimetallkorrosion oder Bimetallkorrosion , ist eine Form der elektrochemischen Korrosion, die auftritt, wenn zwei verschiedene Metalle oder Legierungen in elektrischem Kontakt miteinander stehen und gleichzeitig in eine leitfähige Umgebung, d. h. einen Elektrolyten, eingetaucht sind.

Unter solchen Bedingungen entsteht es galvanische ZelleEin Material wird zur Anode und unterliegt beschleunigter Korrosion, während das andere als Kathode fungiert und geschützt wird. Galvanische Korrosion spielt eine bedeutende Rolle in Konstruktionen aus verschiedenen Werkstoffen, insbesondere in Wasser-, Chemie-, Schiffs-, Energie- und Bauanlagen sowie bei Verbindungen zwischen Edelstahl und Kohlenstoffstahl, Aluminium, Kupfer oder anderen Metallen.

Was ist galvanische Korrosion?

Galvanische Korrosion entsteht durch eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen zwei verschiedenen metallischen Werkstoffen.
Wenn die Materialien folgende sind:

• elektrisch angeschlossen,
• und gleichzeitig werden sie mit dem Elektrolyten in Kontakt kommen.

Zwischen ihnen kann Strom fließen.
Das Metall mit dem aktiveren Potenzial wird Anode und unterliegt einer beschleunigten Auflösung.
Das Metall wird edler. Kathode und seine Korrosion ist begrenzt.

Bedingungen für das Auftreten von galvanischer Korrosion

Für das Auftreten typischer galvanischer Korrosion müssen drei grundlegende Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein:

Wenn eine dieser Bedingungen entfällt, wird der Betrieb der galvanischen Zelle unterbrochen.

Wie funktioniert eine galvanische Zelle?

In einem System aus zwei verschiedenen Metallen wird das eine Material zur Anode und das andere zur Kathode.
Der Metalloxidationsprozess findet an der Anode statt:
M → Mⁿ⁺ + ne^-
Metallatome gehen als Ionen in den Elektrolyten über. Dies stellt einen tatsächlichen Materialverlust dar.
Die Elektronen fließen durch den metallischen Übergang zur Kathode, wo Reduktionsreaktionen stattfinden.

In Kraft:

• Die Anode korrodiert schneller.
• Die Kathode ist geschützt.

Was könnte ein Elektrolyt sein?

Der Elektrolyt muss keine aggressive Säure oder eine starke chemische Lösung sein.

In der Praxis kann Folgendes ausreichend sein:

• Meerwasser,
• Leitungswasser,
• Technologisches Wasser,
• Regenwasser,
• Luftfeuchtigkeit
• Kondensat,
• Salzlösungen
• feuchter Boden
• chemische Umgebungen.

Ein besonders wirksamer Elektrolyt ist Wasser, das gelöste Salze enthält.
Daher ist das Problem der galvanischen Korrosion in Meeresumgebungen und in Gegenwart von Chloriden von besonderer Bedeutung.

Galvanische Reihe der Metalle

Die Anfälligkeit für galvanische Korrosion kann grob anhand folgender Kriterien abgeschätzt werden: galvanische Reihe spezifisch für eine bestimmte Umgebung.
Metalle auf der aktiveren Seite der Reihe haben eine größere Tendenz, sich als Anoden zu verhalten.
Edlere Materialien neigen stärker dazu, sich wie eine Kathode zu verhalten.
Ein Beispiel für eine vereinfachte Anordnung von Materialien in der Meeresumwelt kann wie folgt dargestellt werden:

Dies ist eine beispielhafte Liste. Die Position eines Materials in der galvanischen Reihe hängt von der Umgebung und dem Zustand seiner Oberfläche ab.
Daher sollte die galvanische Reihe nicht als eine universelle Tabelle betrachtet werden, die für alle Bedingungen gültig ist.

Edelstahl und Kohlenstoffstahl

Eine sehr häufige Verbindung besteht zwischen Edelstahl und normalem Kohlenstoffstahl.
In vielen Anwendungsbereichen ist passiver Edelstahl edler als Kohlenstoffstahl.
Nach dem Mischen beider Materialien in Gegenwart eines Elektrolyten:

• Edelstahl kann als Kathode fungieren.
• Kohlenstoffstahl kann zur Anode werden und schneller korrodieren.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass jede Kombination von Edelstahl und Kohlenstoffstahl automatisch zu starker Korrosion führt.
Ebenfalls wichtig sind:

• Art der Umgebung,
• Elektrolytleitfähigkeit
• das Oberflächenverhältnis beider Materialien,
• Benetzungszeit
• Temperatur,
• Geometrie der Struktur.

Edelstahl und Aluminium

Die Kombination von Aluminium und Edelstahl erfordert besondere Aufmerksamkeit.
In vielen Umgebungen ist Edelstahl im passiven Zustand wesentlich edler als Aluminium.
Wenn Aluminium elektrisch mit Edelstahl verbunden wird und sich ein Elektrolyt bildet, kann das Aluminium zur Anode werden.
Das Risiko ist besonders hoch in:

• Meeresumwelt
• Vorhandensein von Streusalz
• Bedingungen konstanter Feuchtigkeit,
• Strukturen mit einer großen Oberfläche aus Edelstahl und einer kleinen Oberfläche aus Aluminium.

Bei solchen Verbindungen werden häufig elektrisch isolierende Materialien verwendet.

Edelstahl und Kupfer

Edelstahl und Kupfer können in der gleichen Anlage verwendet werden, jedoch sollte die Möglichkeit galvanischer Wechselwirkungen für die jeweilige Umgebung beurteilt werden.
In elektrisch leitfähigem Wasser kann die Potentialdifferenz zwischen den Materialien zur Bildung einer galvanischen Zelle führen.
Wichtig ist vor allem Folgendes:

• Wasserzusammensetzung
• Temperatur,
• elektrische Leitfähigkeit
• Oberflächenverhältnis von Materialien
• Strömungsbedingungen.

Verhältnis der Anoden- zur Kathodenoberfläche

Einer der wichtigsten Faktoren, der die Geschwindigkeit der galvanischen Korrosion bestimmt, ist Verhältnis der Kathodenoberfläche zur Anodenoberfläche.
Die Situation ist besonders gefährlich:
kleine Anode + große Kathode
Die große kathodische Oberfläche ermöglicht eine signifikante kathodische Reaktion, während sich der anodische Auflösungsprozess auf einen kleinen Bereich konzentriert.
Dies führt zu einer sehr hohen anodischen Stromdichte und kann eine schnelle, lokale Zerstörung des unedleren Metalls zur Folge haben.

Kleine Anode und große Kathode – Beispiel

Stellen Sie sich ein kleines Stück Kohlenstoffstahl vor, das mit einer großen Fläche aus Edelstahl verbunden ist.
Wenn die Struktur mit Elektrolyt benetzt wird:

• Kohlenstoffstahl kann als Anode dienen.
• Edelstahl kann als große Kathode fungieren.

Der gesamte Anodenprozess konzentriert sich dann auf eine kleine Fläche aus Kohlenstoffstahl.
Die Korrosion kann wesentlich schneller erfolgen als bei einem Bauteil, das vollständig aus Kohlenstoffstahl besteht.

Große Anode und kleine Kathode

Folgende Anordnung ist wesentlich vorteilhafter:
große Anode + kleine Kathode
Der Anodenstrom verteilt sich dann über eine große Fläche.
Die Korrosionsstromdichte pro Flächeneinheit der Anode ist geringer, daher kann die lokale Korrosionsrate viel niedriger sein.

Beispiel – Edelstahlschrauben in einer Stahlkonstruktion

Eine kleine Edelstahlschraube, die in ein großes Bauteil aus Kohlenstoffstahl eingesetzt ist, erzeugt in der Regel ein günstigeres Oberflächenverhältnis:

• kleine Kathode – Edelstahlschraube,
• große Anode – Konstruktion aus Kohlenstoffstahl.

Die gegenteilige Situation kann weitaus gefährlicher sein.
Ein kleines Kohlenstoffstahlelement, das mit einer großen Oberfläche aus Edelstahl verbunden ist, kann einer sehr intensiven galvanischen Korrosion unterliegen.

Beschädigung der Schutzbeschichtung und galvanische Korrosion

Eine besonders gefährliche Situation kann entstehen, wenn ein weniger edles Material mit einer Schutzschicht überzogen ist, diese Schicht aber lokal beschädigt wird.
Wenn ein kleines, freiliegendes Materialstück zur Anode einer großen kathodischen Oberfläche wird, kann sich die Korrosion an der Beschädigungsstelle konzentrieren.
Daher sollte die Methode zum Aufbringen von Schutzbeschichtungen in Systemen aus verschiedenen Metallen sorgfältig geprüft werden.

Stahl verzinken – Nutzung des galvanischen Phänomens

Das galvanische Phänomen ist nicht immer ungünstig.
Kann zum Schutz von Metall verwendet werden.
Ein klassisches Beispiel ist verzinkter Stahl.
Zink ist elektrochemisch aktiver als Stahl.
Wenn die Zinkbeschichtung lokal beschädigt wird, kann sich das Zink wie eine Anode verhalten und anstelle des freiliegenden Stahls korrodieren.
Dies ist das sogenannte Opferschutz.

Opferanoden

Das galvanische Phänomen wird auch beim kathodischen Korrosionsschutz genutzt.
Ein elektrochemisch aktiveres Metall wird an die geschützte Struktur angebracht und gezielt der Korrosion ausgesetzt.
Folgende Anoden werden unter anderem verwendet:

• Zink,
• Magnesium,
• Aluminium.

Solche Anoden werden als Opferanoden oder galvanische Anoden.
Sie werden unter anderem zum Schutz eingesetzt:

• Schiffsrümpfe,
• Pipelines,
• Panzer,
• Meeresbauwerke,
• Unterirdische Stahlkonstruktionen.

Können zwei verschiedene Edelstahlsorten galvanische Korrosion verursachen?

Die Kombination zweier unterschiedlicher Edelstahlsorten führt nicht zwangsläufig zu signifikanter galvanischer Korrosion.
Wenn sich beide Materialien im passiven Zustand befinden und in einer gegebenen Umgebung ähnliche Potenziale aufweisen, kann die Potenzialdifferenz gering sein.
Daher Verbindungen wie:

• 304L mit 316L,
• 316L mit 904L,
• 316L mit Duplex 2205

kann in vielen Umgebungen ohne größere galvanische Probleme betrieben werden.
Die Situation sollte jedoch stets unter Berücksichtigung der tatsächlichen Betriebsbedingungen beurteilt werden.

Aktive und passive Zustände von Edelstahl

Bei Edelstählen ist der Oberflächenzustand von besonderer Bedeutung.
Edelstahl im passiven Zustand ist mit einer Passivierungsschicht überzogen und weist ein relativ edles elektrochemisches Potential auf.
Wird die Passivschicht zerstört und das Material lokal aktiv, kann sich sein elektrochemisches Verhalten erheblich verändern.
Bei der Beurteilung des Risikos von galvanischer Korrosion genügt es daher nicht, nur die Bezeichnung oder die Nummer der Stahlsorte zu kennen.

Ist die Potentialdifferenz ausreichend, um die Korrosionsrate vorherzusagen?

Nie.
Eine große Potentialdifferenz zwischen den Materialien deutet auf die Möglichkeit galvanischer Korrosion hin, bestimmt aber nicht deren tatsächliche Geschwindigkeit.
Ebenfalls wichtig sind:

• kathodische Reaktionskinetik,
• Polarisation von Materialien
• Elektrolytleitfähigkeit
• Temperatur,
• Zugang zu Sauerstoff,
• Verhältnis der Kathoden- und Anodenoberfläche,
• Abstand zwischen Elementen
• Geometrie der Struktur.

Daher sollte eine einfache Potenzialtabelle nicht die einzige Grundlage für die Materialauswahl sein.

Einfluss der Elektrolytleitfähigkeit

Je größer die elektrische Leitfähigkeit der Umgebung ist, desto leichter kann Strom in einer galvanischen Zelle fließen.
Deshalb ist es besonders gefährlich Meerwasser, das dank seines hohen Gehalts an gelösten Salzen ein guter Elektrolyt ist.
In Wasser mit sehr geringer Leitfähigkeit kann die galvanische Wechselwirkung viel schwächer und räumlich stärker begrenzt sein.

Galvanische Korrosion im Meerwasser

Die Meeresumwelt schafft sehr gute Bedingungen für die Bildung galvanischer Zellen.
Folgendes geschieht dort gleichzeitig:

• hohe Elektrolytleitfähigkeit
• Chloride
• ständiger oder periodischer Kontakt mit Wasser,
• eine große Anzahl verschiedener Baumaterialien.

Deshalb wird bei maritimen Bauwerken die Möglichkeit eines Kontakts besonders sorgfältig analysiert:

• Edelstahl mit Kohlenstoffstahl,
• Edelstahl mit Aluminium
• Stahl mit Kupfer und seinen Legierungen,
• verschiedene Aluminiumlegierungen
• verschiedene Edelstahlsorten.

Wie lässt sich galvanische Korrosion verhindern?

Die wichtigsten Methoden zur Reduzierung galvanischer Korrosion sind:

• Vermeidung ungünstiger Kombinationen verschiedener Metalle
• Auswahl von Materialien mit möglichst ähnlichen galvanischen Potenzialen in einer gegebenen Umgebung,
• elektrische Isolation verschiedener Metalle,
• Verwendung von Unterlegscheiben, Buchsen und Isolierabstandshaltern
• Begrenzung des Kontakts der Struktur mit dem Elektrolyten
• Verwendung geeigneter Schutzbeschichtungen
• Vermeidung der Konfiguration mit kleiner Anode und großer Kathode,
• geeignete Auslegung der Verbindungen,
• Verwendung von kathodischem Korrosionsschutz
• Verwendung von Opferanoden.

Elektrische Isolierung verschiedener Metalle

Eine der wirksamsten Methoden zur Verhinderung von galvanischer Korrosion ist die Unterbrechung des elektrischen Kontakts zwischen ungleichen Materialien.
Folgende Mittel können unter anderem verwendet werden:

• Isoliermatten,
• Kunststoffbuchsen,
• Isolierdichtungen
• nichtleitende Beschichtungen,
• Abstandshalter aus Isoliermaterialien.

Wenn Elektronen nicht zwischen Metallen fließen können, kann eine klassische galvanische Zelle nicht ordnungsgemäß funktionieren.

Galvanische Korrosion und Spaltkorrosion

Galvanische Korrosion und Spaltkorrosion sind unterschiedliche Mechanismen, können aber gleichzeitig in der gleichen Kombination auftreten.

Galvanische Korrosion und Lochfraßkorrosion

Galvanische Korrosion ist auch nicht dasselbe Phänomen wie Lochfraßkorrosion.
Lochfraßkorrosion kann an einem Werkstoff durch lokale Beschädigung der Passivschicht auftreten, insbesondere in Gegenwart von Chloriden.
Galvanische Korrosion entsteht durch die elektrochemische Wechselwirkung verschiedener, elektrisch miteinander verbundener Materialien in Gegenwart eines Elektrolyten.
In der Praxis können jedoch beide Mechanismen gleichzeitig auftreten.

Die häufigsten Konstruktionsfehler

Scheinbar geringfügige Konstruktionsfehler führen oft zu Problemen mit galvanischer Korrosion.
Zu ihnen gehören:

• Aluminium direkt mit Edelstahl in einer maritimen Umgebung verbinden
• die Verwendung kleiner Kohlenstoffstahlelemente mit einer großen Oberfläche aus Edelstahl,
• keine elektrische Isolierung zwischen verschiedenen Metallen,
• Gestaltung von Wasserrückhalteflächen,
• Beschädigung von Schutzbeschichtungen
• Verwendung ungeeigneter Befestigungsmittel,
• Die tatsächlichen Betriebsbedingungen wurden nicht berücksichtigt.

Galvanische Korrosion – die wichtigsten Schlussfolgerungen

Galvanische Korrosion tritt auf, wenn Zwei verschiedene metallische Werkstoffe stehen in elektrischem Kontakt und befinden sich gleichzeitig in Gegenwart eines Elektrolyten..
Das aktivere Material wird zur Anode und unterliegt einer beschleunigten Korrosion, während das edlere Material als Kathode fungiert.
Das System ist besonders gefährlich kleine Anode – große Kathodeweil sich der Korrosionsprozess auf einen kleinen Bereich des Anodenmaterials konzentriert.
Bei der Konstruktion von Edelstahlverbindungen ist besonderes Augenmerk auf den Kontakt mit Aluminium, Kohlenstoffstahl, Kupfer und anderen Metallen zu legen.
Das Risiko hängt nicht nur von der Art der verbundenen Materialien ab, sondern auch von ihr Oberflächenverhältnis, Elektrolyttyp, Temperatur, Umgebungsleitfähigkeit und Konstruktionsgeometrie.
Die wirksamsten Methoden zur Begrenzung der galvanischen Korrosion sind die richtige Materialauswahl, die Unterbrechung des elektrischen Kontakts, die Einschränkung des Elektrolytzugangs und die geeignete Gestaltung des Verhältnisses der Anoden- und Kathodenoberfläche.

Korrosion kann je nach Material, Umgebung und Betriebsbedingungen durch verschiedene Mechanismen auftreten. Erfahren Sie mehr über andere Korrosionsarten:

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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