Was ist galvanische Korrosion?

Was ist galvanische Korrosion?

Galvanische Korrosion ist die beschleunigte Korrosion, die auftritt, wenn zwei unterschiedliche Metalle in Gegenwart eines Elektrolyten elektrisch miteinander verbunden sind. Der Elektrolyt ist meist Wasser mit gelösten Salzen. Die Kombination bildet eine galvanische Zelle, praktisch eine kleine Batterie: Ein Metall korrodiert schneller als für sich allein, während das andere geschützt wird. (TWI)

Unterschiedliche Elektrodenpotentiale in der tatsächlichen Umgebung treiben galvanischen Strom an. Dieser Artikel konzentriert sich auf Paare unterschiedlicher Metalle. Ein einzelnes Metall kann aufgrund von Unterschieden im Sauerstoffzugang oder in der Oberflächenbeschaffenheit auch lokale anodische und kathodische Bereiche entwickeln; Die Verwendung eines Metalls schließt daher andere elektrochemische Korrosionen nicht aus.

Das Phänomen wird manchmal als Bimetallkorrosion oder Kontaktkorrosion bezeichnet. Dies ist einer der häufigsten Gründe dafür, dass Außenkonstruktionen vorzeitig altern, insbesondere in der Infrastruktur, wo verschiedene Metalle miteinander verbunden werden: Geländer, Masten, Befestigungselemente, Kabelverbindungen und Leuchten. Das Tückische daran ist, dass jedes Metall für sich genommen vollkommen geeignet sein kann – es ist die Kombination, die das Problem verursacht. Ein rostfreier Bolzen und ein Aluminiumteil funktionieren einzeln gut, aber zusammen werden sie in salzhaltiger, feuchter Luft zu einer Korrosionszelle.

Wie entsteht galvanische Korrosion?

Um den Mechanismus zu verstehen, ist es am einfachsten, zu verfolgen, was in der Zelle passiert. Vier Dinge geschehen gleichzeitig und sind voneinander abhängig:

• An der Anode findet Oxidation statt. Das unedlere Metall gibt Elektronen ab und geht als Ionen in Lösung. Für Aluminium bzw. Eisen: Al → Al³⁺ + 3e⁻ und Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Hier geht tatsächlich Material verloren.
• Die Elektronen wandern durch den metallischen Kontakt von der Anode zur Kathode. Ohne eine leitende Verbindung zwischen den Metallen gibt es keinen Weg für die Elektronen und keine Zelle.
• Die Reduktion erfolgt an der Kathode. In neutralem, kohlensäurehaltigem Wasser wird gelöster Sauerstoff reduziert: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. Die Kathode verbraucht die von der Anode freigesetzten Elektronen, das Kathodenmetall selbst wird jedoch nicht zersetzt.
• Die Ionen schließen den Kreislauf durch den Elektrolyten. Positive und negative Ionen bewegen sich in der Flüssigkeit und schließen den Kreislauf. Hier kommen Feuchtigkeit und Salz ins Spiel.

Der dabei fließende Strom heißt Korrosionsstromund ist ein direktes Maß dafür, wie schnell die Anode abgetragen wird. Angetrieben wird der Strom durch die Potenzialdifferenz zwischen den Metallen – ihre unterschiedlichen Tendenzen, Elektronen freizusetzen. Genauso wie die Spannung in einer Batterie: Je größer der Unterschied, desto stärker treibt die Zelle ihre eigene Korrosion voran.

Die drei Bedingungen in der Praxis

Der gesamte Mechanismus lässt sich auf drei Bedingungen zurückführen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen. Darin liegt auch der Schlüssel zur Vorbeugung: Wird eine dieser Bedingungen unterbrochen, kann sich die Zelle nicht bilden.

Die galvanische Reihe

Ob ein Metall zur Anode oder zur Kathode wird, hängt von seiner Position in der folgenden Rangfolge ab: galvanische Reihe – eine Rangfolge der Metalle danach, wie edel sie in einem bestimmten Elektrolyten, normalerweise Meerwasser, sind. Das edlere Metall (höher oben) wird zur Kathode und ist geschützt. Das weniger edle (weiter unten) wird zur Anode und wird geopfert.

Die obige Reihenfolge ist vereinfacht. Die tatsächliche Position hängt von Legierung, Temperatur, Sauerstoffgehalt und Passivschicht ab. Dabei ist ein wichtiges Detail zu beachten: Edelstahl ist nur so lange edel, wie seine passive Oxidschicht intakt ist. In einem sauerstoffarmen Spalt, in dem sich der Passivfilm nicht neu bilden kann, kann derselbe Edelstahl erheblich weniger edel (aktiv) werden und sich ganz anders verhalten. Die galvanische Reihe (gemessen in einem realen Elektrolyten) sollte daher nicht mit der reinen elektrochemischen (EMF) Reihe von Standardpotentialen verwechselt werden, die keine Passivierung berücksichtigt.

Welche Metalle korrodieren zuerst?

Es ist stets das unedlere Metall im Paar, das geopfert wird. In der Praxis bedeutet dies, dass Aluminium und Zink in Verbindung mit Edelstahl oder Kupfer korrodieren, da letztere edler sind. Magnesium ist so unedel, dass es fast allem geopfert wird – eine Eigenschaft, die bei Opferanoden bewusst ausgenutzt wird (mehr dazu weiter unten). Der Punkt ist, dass ein Metall an sich nicht „korrosionsanfällig“ ist; es ist seine Position relativ zum anderen Metall , die entscheidend ist.

Warum Salzwasser und Küstenumgebungen die Korrosion beschleunigen

Reines Wasser leitet Elektrizität schlecht. Sobald es gelöste Salze enthält – vor allem Chloride aus Meersalz und Streusalz – steigt seine Leitfähigkeit dramatisch an. Eine bessere Leitfähigkeit bedeutet einen höheren Korrosionsstrom und damit einen schnelleren Abtrag der Anode. Das ist der erste und wichtigste Effekt.

Der zweite Effekt ist mindestens genauso wichtig: Chloride zerstören passive Filme. Metalle wie Aluminium und Edelstahl werden normalerweise durch eine dünne, sich selbst erneuernde Oxidschicht geschützt. Chloridionen durchbrechen diese Schicht lokal und lösen Folgendes aus: Lochfraß – lokalisierte Angriffe, die sich in das Material hineinbohren. In einer galvanischen Zelle verstärken sich die beiden Effekte gegenseitig.

Küsten-, Hafen-, Meeres- und Streusalzumgebungen können das Risiko galvanischer Korrosion durch höhere Salzbelastung, längere Nässeperioden und wiederkehrende Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen erhöhen. Das Vorhandensein und die Leitfähigkeit des Elektrolyten variieren je nach Feuchtigkeit, Salzkonzentration, Temperatur, Entwässerung und Trocknung. Er ist nicht immer vorhanden oder gleichermaßen leitfähig. Die Korrosionsrate hängt auch von der Materialkombination, der Legierung, dem Anoden-zu-Kathoden-Flächenverhältnis, der Verbindungsgeometrie und der tatsächlichen Exposition ab. ISO 12944-2:1998 verwendet C5-M für eine sehr hohe Korrosivität in der Meeresatmosphäre, während ISO 12944-2:2017 C5 und CX verwendet. Die Kategorien beschreiben die Korrosivität atmosphärischer Umgebungen im Rahmen des Korrosionsschutzes von Stahlkonstruktionen durch Schutzanstrichsysteme; Es handelt sich nicht um Leuchtenklassen, Produktzertifizierungen oder Prüfmethoden. Lesen Sie mehr über die Bedeutung der Bezeichnungen und die erforderliche Dokumentation in IP66, IK10 und C5-M. (ISO 12944-2:2017)

Das Flächenverhältnis – kleine Anode, große Kathode

Die Geometrie gehört zu den am häufigsten missverstandenen Einflussfaktoren. Entscheidend ist nicht nur, welche Metalle zusammentreffen, sondern auch, wie groß ihre Oberflächen im Verhältnis zueinander sind. Der von der Kathode getriebene Korrosionsstrom muss von der Anode aufgenommen werden. Ist die Anode klein, konzentriert sich der gesamte Strom auf eine kleine Fläche. Die Stromdichte steigt und das Material wird dort sehr schnell abgetragen.

Bei einer kleinen freiliegenden Anode, die an eine große Kathode gekoppelt ist, kann es zu einer hohen Korrosionsstromdichte und einem konzentrierten Materialverlust kommen. Eine im Vergleich zur Kathode größere Anode ist oft günstiger, garantiert jedoch keinen langsamen oder oberflächlichen Angriff. Elektrolyt, Passivität, Sauerstoffzugang und Verbindungsgeometrie beeinflussen das Ergebnis.

Daraus ergibt sich eine einfache Konstruktionsregel: Müssen unterschiedliche Metalle kombiniert werden, sollten die Verbindungselemente, also die kleinen Teile, aus dem edleren Metall bestehen. Rostfreie Bolzen in einer Aluminiumstruktur sind beherrschbar – die kleine Kathode begrenzt die Korrosionsrate. Aluminiumbolzen in rostfreier Struktur hingegen sind ein klassischer Konstruktionsfehler, da die kleine Anode schnell zerfressen wird.

Galvanische Korrosion in Straßen­beleuchtung und Infrastruktur

Die Infrastruktur im Freien ist voll von Metallkombinationen und damit von galvanischen Zellen. Lichtmasten und Leuchten sind das ganze Jahr über rund um die Uhr im Freien, oft genau an den Küsten- und Straßenrändern, wo Salz vorhanden ist. Einige typische Risikopunkte:

• Befestigungselemente: Edelstahlbolzen und -schrauben in Aluminiumgehäusen oder Aluminiummasten – die häufigste Kombination von allen und eine ständige Quelle lokaler Korrosion rund um die Befestigungen.
• Stange zur Basis und Zugangstüren: Ungleiche Metalle in Masttüren, Erdungsgeräten und Befestigungen, wo sich Regen und Streusalz ansammeln.
• Kabelverbindungen: Kupferkabel, die direkt mit Aluminium verbunden sind (Al/Cu-Verbindungen), sind bekannt für galvanische Korrosion in Kombination mit Oxidbildung. Es verschlechtert den Kontakt, erhöht den Widerstand und kann zu Hitze und Ausfällen führen.
• Häfen, Brücken, Industrie und Meeresinfrastruktur: Umgebungen mit konstanter Salzbeladung, in denen jeder Metallübergang eine potenzielle Zelle darstellt.

Allen gemeinsam ist, dass Korrosion selten in der Mitte einer ebenen Fläche auftritt, sondern genau an den Übergängen – dort, wo zwei Materialien und oft eine Feuchtigkeitstasche aufeinandertreffen. Hier merkt man einer Leuchte oder einem Mast meist auch erstmals ihr Alter an. Mehr zu den zugrunde liegenden Mechanismen in Warum Leuchtengehäuse korrodieren.

Aluminium vs. Edelstahl

Edelstahl ist im passiven Zustand deutlich edler als Aluminium. Das Aluminium wird daher zur Anode und wird geopfert. Die Kombination kommt sehr häufig vor – Edelstahlbefestigungen in Aluminiumkonstruktionen – und funktioniert einigermaßen, solange der Edelstahl (die Kathode) im Verhältnis zum Aluminium klein ist. In salzhaltigen Umgebungen beschleunigt sich der Angriff jedoch um die Schrauben herum, und für eine langfristige Haltbarkeit ist eine Isolierung oder Abdichtung erforderlich.

Aluminium vs. verzinkter Stahl

Verzinkter Stahl hat eine Zinkoberfläche, die weniger edel ist als Aluminium. Daher ist die Kombination zunächst relativ harmlos: Das Zink dient als Opfer und korrodiert zuerst, wodurch sowohl der Stahl als auch das Aluminium geschützt werden. Das Risiko entsteht später – sobald die Zinkschicht verbraucht ist, liegt nur noch der Stahl frei, und Stahl ist edler als Aluminium. Dann kehrt sich die Situation um und das Aluminium beginnt zu opfern. Kurzfristig ist die Kombination also besser als viele annehmen, sollte aber dennoch langfristig beobachtet werden.

Aluminium vs. Kupfer

Kupfer ist wesentlich edler als Aluminium und der Potentialunterschied ist groß. Das macht die Kombination zu einer der aggressivsten in der praktischen Elektrotechnik. Direkt mit Kupfer verbundenes Aluminium – insbesondere bei elektrischen Verbindungen im Freien – korrodiert schnell, und der Angriff geht oft mit einem isolierenden Oxid einher, das den elektrischen Kontakt beeinträchtigt. Direkte Al/Cu-Verbindungen sollten daher vermieden bzw. mit speziellen Übergängen und Kontaktpasten hergestellt werden.

Wie galvanische Korrosion verhindert wird

Da galvanische Korrosion drei Bedingungen gleichzeitig erfordert, reicht die Unterbrechung nur einer davon aus, um den Prozess zu stoppen. Daraus ergeben sich mehrere mögliche Strategien, die häufig kombiniert werden:

Opferanoden verdienen einen eigenen Kommentar, weil das Prinzip so klar ist. Auf Booten, in Warmwasserbereitern und auf Schiffsstahlkonstruktionen werden Blöcke aus Zink, Aluminium oder Magnesium eingebaut. Diese werden bewusst zur anodischsten Oberfläche im System und werden geopfert, während Rumpf, Propeller oder Tank geschützt werden. Die Anode wird in regelmäßigen Abständen ausgetauscht – sie ist ein Verschleißteil. Dabei wird galvanische Korrosion zum Vorteil genutzt.

Warum elektrisch isolierende Materialien galvanische Korrosion verhindern

Elektrisch isolierender, glasfaserverstärkter SMC-Verbundwerkstoff fungiert nicht als Elektrode in einem galvanischen Paar. Leitfähige Verbundwerkstoffe, darunter auch Kohlefaserverbundwerkstoffe, können sich galvanisch mit Metallen verbinden. Metallische Beschläge an einem SMC-Gehäuse bedürfen noch einer eigenen Kompatibilitätsprüfung. (TWI)

Eine vollständige elektrische Trennung unterbricht den galvanischen Stromkreis, solange die Isolierung intakt bleibt. Unterlegscheiben, Hülsen und Beschichtungen müssen so ausgelegt und geprüft sein, dass keine andere leitende Verbindung sie überbrückt. Ein isolierendes Gehäuse nimmt das Gehäuse aus der Materialpaarung heraus, schützt jedoch nicht automatisch sämtliche metallischen Komponenten der Baugruppe.

Häufige Missverständnisse

• „Edelstahl rostet nie.“ Edelstahl kann in chloridhaltigen Umgebungen Loch- und Spaltkorrosion erleiden. Als edle Kathode kann er außerdem beschleunigen Korrosion benachbarter unedlerer Metalle.
• „Aluminium rostet nicht, korrodiert also nicht.“ Aluminium bildet keinen Rost (das ist Eisenoxid), aber es korrodiert – es bildet Aluminiumoxid und weist Lochfraß auf, insbesondere galvanisch und in Salz.
• „Galvanische Korrosion ist dasselbe wie gewöhnlicher Rost.“ Nein. Rost ist die Oxidation von Eisen. Galvanische Korrosion ist ein Mechanismus, der Metalle angreifen kann, die nicht rosten.
• „Nur die Qualität des Metalls zählt.“ Die Kombination und Geometrie (das Flächenverhältnis) sind mindestens genauso wichtig wie die Qualität des einzelnen Metalls.
• „Farbe löst alles.“ Ein Defekt in einer Beschichtung auf der anodischen Seite kann dazu führen, dass eine kleine freiliegende Anode mit einer großen Kathode verbunden ist und den Angriff konzentriert. Lage und Geschlossenheit der Beschichtung und elektrische Isolierung müssen gemeinsam beurteilt werden. (TWI)

Zusammenfassung

Galvanische Korrosion ist kein Materialfehler, sondern ein vorhersehbarer elektrochemischer Prozess. Es entsteht, wenn zwei unterschiedliche Metalle in einem gemeinsamen Elektrolyten elektrisch verbunden werden und das unedlere Metall verloren geht. Salz und Feuchtigkeit machen es schneller, die Geometrie bestimmt, wo und wie stark es zuschlägt, und es kann immer verhindert werden, indem eine der drei Bedingungen gebrochen wird.

Häufig gestellte Fragen

Quellen und weiterführende Literatur

• TWI – Was ist galvanische Korrosion und wie kann sie verhindert werden?
• TWI – Neuartige Beschichtungen für Verbindungselemente gegen Korrosion bei unterschiedlichen Verbindungen
• ISO 12944-2:2017 – Farben und Lacke – Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen durch Schutzanstrichsysteme – Teil 2: Klassifizierung von Umgebungen