Was ist Korrosion? Arten, Ursachen und wie Oberflächenvorbereitung sie stoppt

Korrosion ist die elektrochemische Zerstörung eines Metalls durch seine Reaktion mit der umgebenden Umwelt. Bei Stahlkonstruktionen ist sie der dominierende Schädigungsmechanismus, und ihre Kosten sind hoch: Die IMPACT-Studie von NACE International schätzte die weltweiten Korrosionskosten auf 2,5 Billionen US-Dollar, entsprechend rund 3,4 % des globalen BIP (2013), und kam zu dem Ergebnis, dass bestehende Korrosionsschutzpraktiken 15–35 % dieser Kosten einsparen könnten.

Dieser Leitfaden erklärt, wie Korrosion entsteht, welche acht Hauptarten Stahlkonstruktionen betreffen, welche Umweltfaktoren die Korrosionsgeschwindigkeit bestimmen und warum die Oberflächenvorbereitung die Größe ist, die am häufigsten darüber entscheidet, ob eine Schutzbeschichtung Korrosion stoppt oder früh versagt.

Was ist Korrosion? Der elektrochemische Mechanismus

Korrosion ist nicht einfach „Rost“. Sie ist ein spontaner elektrochemischer Prozess, bei dem ein Metall in seinen thermodynamisch stabilen Oxidzustand zurückstrebt. Bei Stahl (Eisenlegierungen) ist die treibende Kraft die natürliche Neigung von Eisen zu oxidieren:

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ (anodische Reaktion: Metall löst sich auf)
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (kathodische Reaktion: Sauerstoff wird reduziert)

Damit Korrosion stattfinden kann, müssen vier Komponenten gleichzeitig vorhanden sein: eine Anode (das korrodierende Metall), eine Kathode (ein edlerer Bereich oder eine edlere Oberfläche), ein Elektrolyt (Wasser oder Feuchtigkeit mit gelösten Ionen) und eine metallische Verbindung zwischen Anode und Kathode. Entfernt man eine dieser vier Komponenten, kommt das Korrosionselement zum Stillstand. Schutzbeschichtungen wirken vor allem, indem sie den Elektrolyten vom Stahl fernhalten – deshalb ist die Haftung der Beschichtung auf dem Untergrund so wichtig. Je kleiner die Anode im Verhältnis zur Kathode, desto schneller der örtliche Angriff.

Die 8 Hauptarten der Korrosion an Stahlkonstruktionen

1. Gleichmäßige Flächenkorrosion

Die sichtbarste und am besten vorhersagbare Form: Das Metall korrodiert über die gesamte freiliegende Oberfläche mit annähernd gleicher Geschwindigkeit, und auf Kohlenstoffstahl entsteht das typische rotbraune Eisenoxid (Rost). Sie wird mit Beschichtungen, kathodischem Schutz oder einem Korrosionszuschlag in der Konstruktion beherrscht. Sie ist die am wenigsten unberechenbare Form, aber die häufigste Ursache für langfristigen Materialverlust an ungeschützten oder schlecht beschichteten Konstruktionen.

2. Lochfraßkorrosion

Stark örtlich begrenzter Angriff, der tiefe Löcher bildet, während die umgebende Oberfläche relativ intakt bleibt. Treiber sind meist Chloridionen, die schützende Oxidfilme örtlich zerstören. Lochfraß ist in Druckbehältern, Pipelines und Offshore-Konstruktionen besonders gefährlich, weil ein Loch einen großen Teil der Wanddicke durchdringen kann, ohne dass die Oberfläche sichtbar stark geschädigt ist. Er gilt allgemein als eine der gefährlichsten Formen für tragende und druckführende Bauteile. Siehe unseren Leitfaden zu Lochfraßkorrosion und Oberflächenvorbereitung.

3. Spaltkorrosion

Tritt in geometrisch beengten Räumen auf, etwa unter Schraubenköpfen, zwischen überlappenden Blechen und in Muffenverbindungen, wo Sauerstoffverarmung und Chloridanreicherung eine aggressive örtliche Chemie erzeugen. Die beengte Geometrie verhindert, dass die kathodische Reaktion das saure anodische Milieu neutralisiert, was den Angriff beschleunigt. Sie ist häufig an Meeresbauwerken, Wärmetauschern und Flanschverbindungen.

4. Kontaktkorrosion (galvanische Korrosion)

Wenn zwei unterschiedliche Metalle in Gegenwart eines Elektrolyten elektrisch leitend verbunden sind, korrodiert bevorzugt das unedlere Metall (das in der Spannungsreihe tiefer steht). Typische Beispiele sind Aluminiumbeschläge an Stahlkonstruktionen, verzinkte Befestigungselemente in Kontakt mit Kupfer und Walzhaut in Kontakt mit blankem Stahl an Rissen und Unterbrechungen. Walzhaut ist gegenüber dem darunterliegenden Stahl kathodisch, sodass jede gerissene oder beschädigte Walzhaut zum Ausgangspunkt galvanischer Korrosion wird. Das ist ein Grund, warum die meisten Spezifikationen für Hochleistungsbeschichtungen die Entfernung der Walzhaut vor dem Beschichten fordern.

5. Spannungsrisskorrosion (SpRK)

Das gleichzeitige Einwirken von Zugspannung und einem bestimmten korrosiven Medium erzeugt Risse, die durch keinen der beiden Faktoren allein entstehen würden. Betroffen sind hochfeste Stähle, Edelstähle in chloridhaltiger Umgebung und Pipelines unter Innendruck. Spannungsrisse verlaufen inter- oder transkristallin und können zu plötzlichem Sprödbruch mit kaum vorher sichtbarer Korrosion führen – daher ist SpRK ein Schlüsselthema im Integritätsmanagement von Öl- und Gaspipelines.

6. Erosionskorrosion

Die kombinierte Wirkung von mechanischem Verschleiß (durch strömende Flüssigkeit, mitgeführte Feststoffe oder Kavitation) und elektrochemischer Korrosion. Die mechanische Einwirkung trägt die schützende Oxidschicht und jede Beschichtung fortlaufend ab und legt frisches Metall frei. Sie tritt verbreitet in Rohrbögen, Pumpenlaufrädern, Wärmetauscherrohren und an allen Oberflächen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit auf.

7. Filiformkorrosion

Fadenförmige Korrosion, die sich unter einem Beschichtungsfilm entwickelt, insbesondere auf Aluminium und auf Stahl mit dünnen organischen Beschichtungen in feuchter Umgebung. Sie beginnt an einem Beschichtungsfehler und breitet sich als Faden mit einem aktiven (anodischen) Kopf und einem Schweif aus Korrosionsprodukten aus. Sie ist optisch gravierend und zerstört die Haftung der Beschichtung, ist aber in der Regel strukturell nicht kritisch, sofern sie nicht großflächig auftritt.

8. Mikrobiell beeinflusste Korrosion (MIC)

Korrosion, die durch die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen wie sulfatreduzierenden Bakterien (SRB), säurebildenden Bakterien oder metalloxidierenden Bakterien beschleunigt wird. Sie ist häufig in erdverlegten Pipelines, Wasserspeichertanks, Meeressedimenten und Kühlwassersystemen. MIC kann die örtlichen Korrosionsraten weit über das allein aufgrund der Umgebung erwartete Maß anheben und ist eine anerkannte Ursache für Innenschäden an Pipelines.

Umweltfaktoren, die die Korrosionsgeschwindigkeit bestimmen

ISO 9223 und ISO 12944-2 stufen die Korrosivität der Atmosphäre von C1 (sehr gering) bis CX (extrem) nach dem Dickenverlust von Kohlenstoffstahl im ersten Jahr ein: bis 1,3 µm in C1, mehr als 25 bis 50 µm in C3 (mäßig), mehr als 80 bis 200 µm in C5 (sehr stark) und mehr als 200 bis 700 µm in CX. Die folgenden Faktoren erklären, warum sich Standorte so stark unterscheiden.

Warum die Oberflächenvorbereitung die wichtigste Größe im Korrosionsschutz ist

Die meisten vorzeitigen Ausfälle von Schutzbeschichtungen in Industrie- und Meeresumgebungen werden nicht durch fehlerhafte Beschichtungsrezepturen verursacht, sondern durch unzureichende Oberflächenvorbereitung; Beschichtungsinspektoren und Hersteller führen den Großteil der Frühausfälle häufig darauf zurück. Drei Mängel sind für die meisten dieser Fälle verantwortlich:

• Verbliebene Walzhaut. Auf der Oberfläche verbliebene Walzhaut ist gegenüber blankem Stahl kathodisch. Eine über Walzhaut aufgetragene Beschichtung haftet an der Walzhaut, nicht am Stahl; wenn die Walzhaut reißt und abplatzt, löst sich die Beschichtung mit ihr. Siehe unseren ausführlichen Leitfaden Was Walzhaut ist und wie man sie entfernt.
• Verunreinigung durch lösliche Salze. Chloride, Sulfate und Nitrate, die nach der Vorbereitung auf der Oberfläche verbleiben, nehmen Feuchtigkeit auf und erzeugen osmotische Blasen unter der Beschichtung. Schon wenige µg/cm² Chlorid unter einem Hochleistungs-Epoxid können bei Tauch- oder Meeresbeanspruchung zu Blasenbildung führen. Lesen Sie mehr über Verunreinigung durch lösliche Salze und wie man sie prüft.
• Unzureichendes Rauheitsprofil. Beschichtungen verklammern sich mechanisch mit dem Oberflächenprofil. Ein zu niedriges Profil bietet für Dickschichtsysteme zu wenig Haftung; ein zu hohes kann Spitzen schlecht bedeckt lassen, die dann zu Ausgangspunkten der Korrosion werden. Der richtige Bereich ist im technischen Datenblatt (TDS) des Beschichtungsherstellers festgelegt; die IMO PSPC schreibt zum Beispiel 30–75 µm für Ballasttankbeschichtungen vor.

Bristle Blasting ist eine Möglichkeit, Walzhaut und Profil gemeinsam zu behandeln, wo offenes Strahlen mit Strahlmittel nicht praktikabel ist: Dokumentierte Tests zeigen auf Standardstahl eine Reinheit vergleichbar mit ISO 8501-1 Sa 2½ und ein Rauheitsprofil von 65–85 µm Rz, wobei die Ergebnisse je nach Stahlsorte, Rostgrad, Band und Technik variieren.

Korrosionsschutz: die Rangfolge der Maßnahmen

In der Reihenfolge ihrer Bedeutung für beschichtete Stahlkonstruktionen in Industrie- und Meeresumgebungen:

1. Fachgerechte Oberflächenvorbereitung nach der festgelegten Norm (SSPC-SP 10 / ISO 8501-1 Sa 2½ ist für Hochleistungssysteme üblich; SSPC-SP 11, die maschinelle Reinigung bis auf das blanke Metall, ist bei Instandhaltungsarbeiten üblich) – die Grundlage aller anderen Maßnahmen
2. Hochleistungs-Schutzbeschichtungen – zum Beispiel Zinkstaubgrundierungen, Dickschicht-Epoxide und Polysiloxane auf einer fachgerecht vorbereiteten Oberfläche
3. Kathodischer Schutz – Opferanoden oder Fremdstromsysteme; eine wirksame Ergänzung zu Beschichtungen bei Tauch- und Erdbodenbeanspruchung, kein Ersatz für die Vorbereitung
4. Werkstoffauswahl – Edelstahl, korrosionsbeständige Legierungen oder wetterfester Stahl, wo sinnvoll
5. Korrosionsschutzgerechte Konstruktion – Spalte vermeiden, Entwässerung sicherstellen und Kontakte unterschiedlicher Metalle vermeiden

Was SSPC-SP 10 fordert und wie man es vor Ort prüft, lesen Sie in unserem technischen Leitfaden zu SSPC-SP 10. Einen Vergleich der Vorbereitungsverfahren für unterschiedliche Bedingungen vor Ort finden Sie unter Bristle Blaster® vs. Sandstrahlen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Korrosion und Rost?

Rost ist eine bestimmte Form der Korrosion: das wasserhaltige Eisenoxid, das sich auf Eisen und Kohlenstoffstahl in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff bildet. Korrosion ist der umfassendere elektrochemische Prozess; bei anderen Metallen erzeugt sie grüne Patina auf Kupfer, weißes Oxid auf Aluminium und Anlauf auf Silber. Jeder Rost ist Korrosion, aber nicht jede Korrosion ist Rost. Siehe Rost vs. Korrosion.

Wie schnell korrodiert Stahl?

Das hängt von der Umgebung ab. Nach ISO 9223 und ISO 12944-2 verliert unbeschichteter Kohlenstoffstahl im ersten Jahr mehr als 25 bis 50 µm in einer mäßig korrosiven Atmosphäre (C3), mehr als 80 bis 200 µm in einer sehr stark korrosiven Atmosphäre (C5) und mehr als 200 bis 700 µm unter extremen Bedingungen (CX). Örtlicher Lochfraß kann deutlich schneller vordringen als diese Durchschnittswerte.

Lässt sich Korrosion rückgängig machen?

Nein. Eisen, das sich in Eisenoxid umgewandelt hat, wird unter Betriebsbedingungen nicht wieder zu intaktem Metall. Korrosion lässt sich nur beherrschen: Die Korrosionsprodukte werden durch Oberflächenvorbereitung entfernt, stark geschwächte Bereiche werden repariert oder ersetzt, und die Oberfläche wird mit einem Beschichtungssystem und, wo geeignet, kathodischem Schutz erneut geschützt.

Welche Norm für die Oberflächenvorbereitung ist vor dem Lackieren von Stahl erforderlich?

Das hängt vom Beschichtungssystem und der Einsatzumgebung ab. Für Hochleistungsbeschichtungen im Marine-, Offshore- und Industriebereich ist SSPC-SP 10 / ISO 8501-1 Sa 2½ (Near-White-Metal-Strahlen) üblich. SSPC-SP 5 / Sa 3 (White Metal) wird häufig für die aggressivste Beanspruchung, manche Tankauskleidungen für Tauchbeanspruchung und thermisches Spritzen vorgeschrieben. SSPC-SP 6 / Sa 2 (Commercial Blast) eignet sich für einige atmosphärische Systeme mit geringeren Anforderungen an die Schutzdauer.