Kontaktkorrosion: Chemische Affinität und ihre Auswirkung

Korrosion ist weit mehr als nur oberflächlicher Rost. Verbindet man unverträgliche Metalle miteinander, kann deren direkter Kontakt tiefgreifende Schäden durch galvanische Korrosion verursachen. Der hinter der galvanischen Korrosion stehende Prozess basiert auf elektrochemischen Vorgängen und entsteht bevorzugt in feuchten, salzhaltigen oder aggressiven Umgebungen. Dort führt er zum gezielten Abbau des unedleren Metalls. In diesem Beitrag zeigen wir, wie Kontaktkorrosion funktioniert, welche Materialien besonders betroffen sind und welche Maßnahmen vorbeugend wirken.

Eine Definition von Kontaktkorrosion

Was ist Korrosion bzw. Kontaktkorrosion? Kontaktkorrosion, auch galvanische Korrosion oder auch Bimetallkorrosion genannt, ist das Ergebnis einer chemischen Reaktion, die entsteht, wenn zwei unterschiedliche Metalle mit voneinander abweichendem elektrochemischen Potential (Standardpotential) miteinander in Kontakt kommen. Es tritt eine messbare Veränderung am Metall ein, z.B. eine Farbänderung oder eine Verschlechterung der Oberflächenqualität bis hin zum Abbau und vollständiger Zerstörung. Mehr zu den allgemeinen Korrosionsmechanismen finden Sie hier.

Damit galvanische Korrosion entsteht, müssen neben den unterschiedlichen Standardpotentialen weitere Bedingungen erfüllt sein: Die beteiligten Metalle müssen sich in einem elektrisch leitenden System befinden, etwa durch direkten Kontakt oder über leitfähige Verbindungselemente. Besonders korrosionsfördernd sind feuchte oder salzhaltige Umgebungen, da sie als Elektrolyt wirken. Ein ungünstiges Flächenverhältnis, wie etwa eine große Kathode in Kombination mit einer kleinen Anode, kann den Korrosionsvorgang erheblich beschleunigen. Ein typisches Beispiel ist die Verbindung von Aluminium und Edelstahl in maritimer Umgebung, bei der das unedlere Aluminium stark angegriffen wird.

Unterschiede in der Korrosionsanfälligkeit

Nicht alle Metalle sind gleichermaßen anfällig für Korrosion. Entscheidend ist das elektrochemische Standardpotential, das angibt, wie stark ein Atom Elektronen anzieht oder abgibt. Als Bezugswert dient das Element Wasserstoff mit einem Standardpotential von E⁰ = 0 V. Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen. An den Atomkern gebunden, bilden sie die sogenannte Elektronenhülle eines Atoms. Vereinfacht dargestellt hat jedes Atom einen mit positiv geladenen Protonen besetzten Atomkern, der die in den umliegenden Elektronenschalen befindlichen negativ geladenen Elektronen durch Potentialdifferenz anzieht. Jedes Element hat in seiner Reinform eine bestimmte Anzahl dieser Protonen im Kern und eine bestimmte Anzahl Elektronen je Elektronenschale in der Atomhülle. Die in der äußersten Elektronenschale befindlichen Elektronen werden auch Valenzelektronen genannt. Valenzelektronen sind die Elektronen, die mit anderen Atomen in einer chemischen Reaktion reagieren können.

Innerhalb des Atoms stehen sich der positiv geladene Atomkern und die in der Atomhülle befindlichen Elektronen gegenüber. Überwiegt die positive Ladung des Atomkerns, entsteht ein positives Standardpotential. Das Atom versucht zum Potentialausgleich weitere Elektronen anzuziehen und hält die bereits gebundenen Elektronen und somit auch die Valenzelektronen der äußeren Schale besonders gut fest in der Elektronenhülle.

Edle Metalle wie Gold oder Silber besitzen ein positives Standardpotential (E⁰ > 0 V), nehmen daher Elektronen auf und fungieren als Oxidationsmittel. Metalle mit einem Standardpotential (E⁰ < 0 V), wie zum Beispiel unedle Metalle, suchen ebenfalls den Potentialausgleich, geben dabei aber Elektronen ab. Während dieses Prozesses werden sie reduziert, sie sind also ein Reduktionsmittel.

Je größer die Differenz der Potentiale zwischen beiden Metallen ist und je besser das vorhandene Elektrolyt leitet, desto intensiver ist auch die REDOX-Reaktion (REDOX = Reduktion-Oxidation). Aus diesem Grunde ist die galvanische Korrosion mit Salzwasser stärker als mit Süßwasser. Daher sollte bei der Auswahl unterschiedlicher Werkstoffe auf eine möglichst geringe Potenzialdifferenz geachtet werden, um die Ausbildung einer galvanischen Zelle und den damit verbundenen Materialabtrag zu minimieren.

Einige Metalle sind besonders korrosionsanfällig, insbesondere wenn sie ungeschützt in feuchten oder aggressiven Umgebungen eingesetzt werden. Dazu zählen unter anderem Stahl, Messing, Zink und Eisen.

Andere Metalle bieten natürlichen Schutz:

• Edelmetalle (z.B. Gold, Platin) sind aufgrund ihrer Elektronenkonfiguration beständig
• Passivierende Metalle (z.B. Aluminium, Titan) bilden stabile Oxidschichten
• Kupfer und Zink entwickeln schützende Deckschichten aus ihren Korrosionsprodukten

Trotz ihrer Beständigkeit können auch rostfreie Stähle, insbesondere austenitischer Edelstahl, in ungünstigen Kombinationen korrodieren (etwa beim Kontakt mit Zink oder Aluminium). Zwar schützt ihn eine passive Chromoxidschicht, doch bei bestimmten Bedingungen kann auch hier galvanische Korrosion auftreten (siehe dazu unseren Beitrag Maschinelle Bearbeitung von rostfreien Edelstählen).

Wodurch wird die Kontaktkorrosion beeinflusst?

Die Intensität der Korrosion bzw. Korrosionsrate wird neben dem Vorhandensein von Feuchtigkeit (einem Elektrolyten) und der generellen chemischen Kompatibilität auch beeinflusst von:

• Weiteren beteiligten Stoffen: Chlorid- oder Bromidionen, wie sie in salzhaltiger Luft oder Reinigungsmitteln vorkommen, beschleunigen Korrosionsprozesse, da sie die schützenden Passivschichten angreifen.
• Verunreinigungen: Rückstände wie Schweißspritzer, Schleifstaub, Salzreste oder Rückstände von Montagehilfen (z. B. Flussmittel) können lokal zu Potenzialverschiebungen oder Spaltbildungen führen. Wie z.B. LABS eine Angriffsfläche auf Oberflächen bilden, lesen Sie hier.
• Oberflächenverhältnis: Ein ungünstiges Flächenverhältnis (kleine Anode, große Kathode) steigert die Stromdichte auf der Anodenfläche drastisch, was zu besonders intensiver lokaler Korrosion führt.
• Temperatur: Höhere Temperaturen erhöhen die Leitfähigkeit des Elektrolyten und beschleunigen Reaktionsgeschwindigkeiten, was zu einem rascheren Korrosionsverlauf führt.

Arten von Kontaktkorrosion

Kontaktkorrosion kann je nach Materialpaarung und Umgebungsbedingungen unterschiedliche Formen annehmen – von sichtbarer Flächenkorrosion bis hin zu lokal begrenzten Schäden wie Punktkorrosion oder Lochfraß, die oft besonders tückisch und schwer zu erkennen sind.

Lochfraßkorrosion ist eine lokal begrenzte Korrosionsform, bei der kleine, oft nadelstichartige Vertiefungen oder Löcher in der Metalloberfläche entstehen, die tief ins Material eindringen können. Sie wird häufig durch Chloridionen ausgelöst, welche die schützende Passivschicht bestimmter Metalle angreifen und unterwandern. In den entstehenden Vertiefungen reichern sich aggressive Ionen weiter an, wodurch der Zerstörungsprozess lokal stark beschleunigt wird. Da die betroffenen Stellen oft von Korrosionsprodukten wie Rost überdeckt sind, bleibt Lochfraßkorrosion lange unbemerkt.

Eine weitere Art der Korrosion ist die Spaltkorrosion. Spaltkorrosion entsteht an metallischen Bauteilen, wenn sich ein korrosives Medium in engen, schwer zugänglichen Zwischenräumen wie Überlappungen, Auflageflächen oder unvollständig geschweißten Nähten ansammelt. Ursache ist ein Konzentrationsgefälle zwischen dem Medium im Inneren des Spalts und dem äußeren Bereich, das durch die eingeschränkte Diffusion von Sauerstoff oder anderen Reaktionspartnern im Spalt begünstigt wird. Diese Konzentrationsunterschiede erzeugen eine elektrochemische Potenzialdifferenz, die entweder innerhalb des Spalts (Wasserstofftyp) oder in dessen unmittelbarer Umgebung (Sauerstofftyp) zur gezielten Korrosion führt. Die Spaltkorrosion kann durch Kontaktkorrosion verstärkt werden

Kontaktkorrosion bei Aluminium / Edelstahl vermeiden

Zunächst einmal sollte die Auswahl geeigneter Metalle im Vordergrund stehen. Gegebenenfalls lässt es sich vermeiden, ein besonders anfälliges Metall zu verwenden. Wie bereits erwähnt zählen dazu Stahl, Eisen, Zink, Messing, aber auch Aluminium und Kupfer. Besonders bei direkten Metallverbindungen in feuchter oder salzhaltiger Umgebung ist die Kombination dieser Werkstoffe mit edleren Metallen problematisch. Der Einsatz von feuerverzinktem Stahl anstelle von galvanisiertem Stahl verbessert den Korrosionsschutz z.B. in Kombination mit Aluminium deutlich. Durch die dickere Zinkschicht bietet feuerverzinkter Stahl einen länger anhaltenden kathodischen Schutz und verzögert das Freilegen der Stahloberfläche. Dadurch lässt sich das Risiko galvanischer Korrosion nachhaltig reduzieren, ohne die mechanischen Eigenschaften des Bauteils wesentlich zu beeinträchtigen. Spezielle Schichten wie LTBC verbinden Korrosions- mit Blendschutz. Details finden Sie hier.

• Die Metalle elektrisch voneinander isolieren, z.B. durch isolierende Zwischenschichten. Dabei darf keinerlei Kontakt zwischen den Metallen bestehen bleiben.
• Die Elektrolytverbindung unterbrechen, z.B. durch Verwendung einer Isolationsschicht oder einer speziellen Oberflächenbeschichtung. Hier empfiehlt es sich, die Oberfläche des edleren Metalls zu beschichten. Beispiele für eine geeignete Oberflächenbeschichtung sind: Lack, Gummi, Eloxalschicht, galvanotechnische erzeugte Schichten aus Gold, Kupfer o.a. Weitere Beispiele finden Sie in diesem Artikel.
• Eine sog. Opferanode verwenden. Dabei wird eine Anode aus einem unedleren Metall (häufig durch Verzinkung) in direktem metallischem Kontakt mit dem zu schützenden Metall (z.B. Aluminium) angebracht, sodass das unedlere Material gezielt vorrangig korrodiert und auf diese Weise das eigentliche Metallteil vor Korrosion schützt.

Schutz vor Kontaktkorrosion

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen zwei Möglichkeiten des technischen Korrosionsschutzes und veranschaulichen, wie sich das Korrosionsverhalten bei Einsatz eines Isolators und einer Beschichtung verändert.

Um galvanische Korrosion zu vermeiden solten nur Metalle und Legierungen mit annähernd gleichem Standardpotential gepaart werden. (siehe auch: Tabelle der galvanischen Paare am ende dieses Beitrags)

Die nachfolgende Übersicht zeigt galvanische Paare zwischen ausgewählten Metallen und Legierungen: