Erosion und Korrosion im Maschinenbau

Korrosion und Erosion zehren an der Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Bauteilen. Doch was ist eigentlich der Unterschied zwischen Erosion und Korrosion? Welche Arten gibt es? Und wie kann man diesen Kräften entgegenwirken? Das wird in folgendem Artikel einmal näher beleuchtet.

Was ist der Unterschied zwischen Erosion und Korrosion?

Im allgemeinen Sprachgebrauch werden die beiden Begriffe Erosion und Korrosion gern verwechselt, doch beide stehen für zwei unterschiedliche Konzepte: Erosion bezeichnet einen Materialabtrag und somit eine physikalische Veränderung, während Korrosion vor allem eine Veränderung durch chemische Reaktion ist. Im Kontext des Maschinenbaus bedeutet Erosion, dass z.B. die mechanische Einwirkung von erosiven Partikeln auf die Oberfläche eines Bauteils zur Beschädigung oder zum Abtrag von Oberflächenmaterial führen. Die resultierenden Beschädigungen können dabei sowohl mikroskopisch klein als auch makroskopisch, also mit bloßem Auge sichtbar, sein. Abrasion ist eine Form der Erosion und bezeichnet den Vorgang des Materialabtrages einer festen Oberfläche durch Reibung mit einem anderen Reibungspartner. Reibungspartner können sowohl kleine Partikel in einem strömenden Gas als auch strömende Flüssigkeiten oder sich reibende Festkörper sein. Das abgetragene Material wird als Abrieb bezeichnet.

Korrosion hingegen beschreibt eine chemische oder elektrochemische Reaktion des Materials durch eine Wechselwirkung mit der Umgebung, die zu einer Veränderung des Werkstoffs bis hin zu seiner Zerstörung führt. Erosion kann eine Voraussetzung für Korrosion sein, so z.B. bei der Erosionskorrosion. In diesem speziellen Fall sorgt ein Abtrag (Erosion) der schützenden Oxidschicht auf der Oberfläche des Metalls dafür, dass ein korrosiver Angriff auf die nun freigelegte Oberfläche der betroffenen Stellen stattfindet.

Einige Metalle und Metalllegierungen, wie Eisen oder Stahl sind anfällig für Korrosion, welche bis zur vollständigen Zerstörung führen kann. Andere korrosive Metalllegierungen korrodieren an ihrer Oberfläche und bilden dabei aber eine sauerstoffdichte Oxidschicht, welche eine tiefergehende Korrosion verhindert. So sind z.B. unbehandeltes Aluminium oder Kupfer anfällig für Korrosion durch Feuchtigkeit und Salze. Sie reagieren mit der Feuchtigkeit und dem Sauerstoff der Umgebung und bilden eine schützende Oxidschicht an der Materialoberfläche, welche dann vor weiterer Korrosion schützt.

Sowohl Korrosion als auch Erosion sind in vielen Industriezweigen ein großes Problem und führen zu Materialabnutzung und hohen Wartungskosten.

Korrosion im Detail

Nach DIN EN ISO 8044 ist Korrosion die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung. Diese Reaktion ruft eine messbare Veränderung des Werkstoffs hervor und kann zu einer Funktionsbeeinträchtigung führen. Diese Reaktion ist meist elektrochemischer Natur, kann aber auch chemische oder metallphysikalische Ursachen haben. Die Norm unterscheidet weiter zwischen Korrosionsschaden und Korrosionsbeanspruchung:

• Korrosionsschaden: Materialbeschädigung durch chemische oder elektrochemische Reaktionen mit der Umgebung. Korrosionsprodukte werden gebildet, die das Material schwächen, z.B. Flächenkorrosion oder Spaltkorrosion.
• Korrosionsbeanspruchung: Materialbelastung durch korrosive Umgebungsbedingungen. Diese Beanspruchung kann durch Faktoren wie Feuchtigkeit, Salzgehalt, Temperatur und chemische Einflüsse verstärkt werden. Die Korrosionsbeanspruchung macht Materialien anfälliger für Korrosionsschäden, besonders bei zusätzlicher mechanischer Belastung.

Korrosionserscheinungen

Es gibt verschiedene Stadien bzw. Erscheinungsbilder von Korrosion:

• Auf der Oberfläche sind keine Veränderungen erkenntlich: Korrosionsnebenprodukte haben sich nicht gebildet bzw. aufgetretene Oberflächenablagerungen sind im Nanometerbereich, sodass ein  weiteres Voranschreiten unwahrscheinlich ist.
• Oberfläche ist verfärbt, sonst keine Veränderungen: Korrosionsnebenprodukte sind auf der Oberfläche erkenntlich, die Korrosion schreitet sonst aber nicht weiter voran. Die Verfärbung hat eine Dicke von einigen 10 nm Rostbildung.
• Voranschreitende Korrosion: Korrosionsnebenprodukte haften nicht fest an der Oberfläche, wodurch die Oberfläche kontinuierlich der korrosionsfördernden Umgebung aussetzt ist. Das macht sich durch abblätternden Rost bemerkbar, z.B. bei unlegierten Stählen, die Regen oder Wind ausgesetzt sind.
• Keine Rostbildung, voranschreitende Korrosion: Die Korrosionsnebenprodukte haben sich in die Umgebung aufgelöst, dennoch schreitet die Korrosion voran, z.B. wenn das Metall mit Säure in Berührung kommt.

Arten von Korrosion

Korrosion lässt sich nach der Art der Reaktionsmechanismen einteilen: Chemische Korrosion, elektrochemische Korrosion und metallphysikalische Korrosion.

• Chemische Korrosion: Bei chemischer Korrosion reagieren Metalle und andere Werkstoffe mit ihrer Umgebung, insbesondere mit Sauerstoff, Wasser oder aggressiven Chemikalien und werden daraufhin abgebaut und zerstört.
• Elektrochemische Korrosion: Elektrochemische Korrosion wird durch die Anwesenheit eines Elektrolyten ausgelöst, z.B. interkristalline Korrosion.
• Metallphysikalische Korrosion: Bei der metallphysikalischen Korrosion führen physikalische Phänomene zur Korrosion.

Korrosionsbeständigkeit und Schutz vor Korrosion

Die Korrosionsbeständigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft, die z.B. abhängig ist von folgenden Faktoren:

• Materialzusammensetzung
• Oberflächenbehandlung
• Legierungselemente

Idealerweise haben verwendete Bauteile eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Es gibt aber auch noch zusätzliche Möglichkeiten des Korrosionsschutzes.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Auswirkungen des Salzwassersprühtests gemäß JIS H8502 an einem einfachen Linearkugellager mit Flansch:

Erosion im Detail

Vor allem, wenn Maschinen und Bauteile extremen Belastungen ausgesetzt sind, spielt Erosion eine Rolle. Auch die Form und der Auftreffwinkel der einfallenden Partikel beeinflusst die Verschleißwirkung. Die Materialeigenschaft spielt ebenfalls eine Rolle. Spröde Materialien verhalten sich anders als zähe. Bei Glas als sprödem Material steigt z.B. die Verschleißempfindlichkeit mit dem Auftreffwinkel, es zersplittert regelrecht. Bei zähen Materialien wiederum ist der Verschleiß bei einem Auftreffwinkel bis zu 25° steigend, fällt danach aber wieder schnell ab.

Hier einige Beispiele möglicher Schadensbilder verschiedener Materialien:

• 1 - Zäh, weich
• 2 - Zäh, weich, beschichtet
• 3 - Spröde

Bei spröden Materialien können sich in Abhängigkeit von Materialstruktur, Form und Aufschlagenergie des aufschlagenden Partikels und unterschiedlichen Aufprallwinkeln verschiedene Bruchformen ergeben:

• 1 - Kegelförmiger Bruch
• 2 - Radialer Bruch
• 3 - Lateraler Bruch

Erosion als materialabtragendes Fertigungsverfahren

Erosion kann auch auf positive Weise, z.B. bei der Funkenerosion, genutzt werden. Die Funkenerosion ist ein abtragendes, thermisches Fertigungsverfahren. Es basiert auf elektrischen Entladevorgängen und eignet sich daher nur für leitfähige Materialien. In einem Dielektrikum wird ein Elektrodenwerkzeug, das unter Gleichspannung steht, an einen leitenden Werkstoff angeführt. Dabei kommt es zu Entladungen in Form von Funken, welche zu hohen Temperaturen von bis zu 1200 °C führen. Das Werkstückmaterial wird abgeschmolzen und die abgetragenen Materialpartikel werden in der Flüssigkeit weggespült. Beim Funkenerodieren lassen sich komplexe geometrische Formen mit hoher Oberflächengüte herstellen. Bei der Senkerosion als Unterart der Funkenerosion wird ein Werkzeug verwendet, welches ein Negativ der herzustellen Struktur darstellt. Dieses Verfahren wird v.a. für verschiedenste Formteile eingesetzt.

Eine weitere Möglichkeit, Erosion gezielt im Maschinenbau einzusetzen, ist die Partikelerosion. Bei der Partikelerosion werden kleine feste Partikel (z.B. Sand) gegen die Oberfläche eines Bauteils geschleudert. Dadurch kommt es zu Abrieb und Materialverlust.

Korrosions- und Erosionsschutz

Es gibt verschiedene Arten von Korrosions- und Erosionsschutz. Grundlegendes Prinzip ist, dass dem zu schützenden Material Eigenschaften hinzugeführt werden, um es widerstandsfähiger gegenüber Erosion und/oder Korrosion zu machen. Dadurch wird auch die Standzeit verlängert. Ein zusätzlicher Erosionsschutz ist aber oft teurer als ein einfaches Ersetzen des Bauteils und muss somit gut abgewogen werden. Sowohl Erosionsschutz als auch Korrosionsschutz kann man grundlegend einteilen in passiven und aktiven Erosions- bzw. Korrosionsschutz.

Passiver Korrosionsschutz wird z.B. durch Korrosionsschutzmittel erreicht, die als Beschichtung die Metalloberflächen schützen. Zum Abschluss wird häufig noch eine schützende Lackschicht aufgetragen. Gängige Verfahren sind z.B. das Thermische Spritzen und das Polymerbeschichten:

• Thermisches Spritzen: Beim thermischen Spritzen werden Zusatzwerkstoffe als Spritzpartikel auf die Oberfläche geschleudert und bilden dort lagenweise die Spritzschicht. Die Hauptanwendung für thermisches Spritzen ist Korrosions- und Verschleißschutz. Bei diesem Verfahren ist die thermische Belastung sehr gering. Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen und Flammspritzen sind Unterarten.
• Polymerbeschichtung: Beim Polymerbeschichten wird das Werkzeug mit einer Schicht aus polymerem Werkstoff überzogen. Tribologische Polymerbeschichtungen sind besonders anpassungsfähig. Sie vermindern Abrieb und dienen ebenfalls dem Korrosionsschutz und Verschleißschutz. Es gibt folgende Möglichkeiten: Pulverbeschichtung, Plasmabeschichten für sehr dünne Schichten, Nasslackierung, Vakuumbeschichtung.

Aktiver Korrosionsschutz wird hauptsächlich bei schwer zugänglichen Werkstücken angewendet, z.B. bei Kabeln oder Rohren unter Wasser oder unter der Erde. Aktiver Korrosionsschutz kann durch Zugabe eines Korrosionshemmstoffs erreicht werden oder durch elektrochemische Polarisation. Hierbei unterscheidet man zwischen anodischem und kathodischem Schutz:

• Kathodisch: Das zu schützende Metall wird als Kathode mit einer positiv geladenen Anode (z.B. ein unedles Metall wie Zink) mittels Fremdstrom verbunden. Setzt man Magnesium als Anode ein, kann man sogar auf Zugabe von Strom verzichten. Die Elektroden werden in Richtung des zu schützenden Materials geleitet und von diesem aufgenommen. Es entsteht ein Schutzstrom, der das Rosten verhindert.
• Anodisch: Bei Metallen, welche Korrosions- bzw. Oxidationsprodukte hervorbringen, werden diese Produkte als Schutzschicht genutzt, um einen weiteren Angriff zu verhindern.