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Korrosionsschutz

Serienmäßiger Korrosionsschutz

Metalle wie Aluminium, Zink und Titan sind unedler als Wasserstoff und Eisen, dabei jedoch sehr beständig gegenüber Verwitterung, speziell gegenüber Korrosion - warum eigentlich?
Nun, diese Metalle reagieren tatsächlich sehr stark mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre und bilden dabei schnell Metalloxide an ihrer Oberfläche. Dieser Oxidationsprozess ist jedoch auf eine dünne Schicht begrenzt, da die Metalloxide, die im Verlauf der Reaktion entstehen, einen Schutz bilden der weitere Oxidationsvorgänge unterbindet, indem Sauerstoffmoleküle von dem Metall ferngehalten werden. Die Metalloxidschicht ist wasserunlöslich und stark an das darunter liegende Metall gebunden. Die Bildung einer harten, reaktionsträgen Schicht aus Metalloxid, welche die weitere Oxidation verhindert, wird Passivierung genannt. Durch elektrolytische Vorgänge kann die Dicke dieser natürlich entstehenden Schutzschicht erhöht werden. Diesen Prozess bezeichnet man man als eloxieren.
Warum verhindert dann aber entstandenes Eisenoxid nicht das weitere Rosten von Stahl? Weil die beim Rosten gebildeten Eisenoxide nur schwach an das darunter liegende Eisen gebunden sind. Wie wir im vorherigen Kapitel gesehen haben, ist Rost eine Mixtur verschiedener Eisenoxide. Diese Mischung besitzt ein größeres Volumen als der Stahl aus dem der Rost hervorgegangen ist. Daher platzt der sich bildende Rost immer wieder von der Stahloberfläche ab und legt neuen, blanken Stahl frei, womit die Korrosion anhält.

Rostfreier Stahl

Stahllegierungen mit einem Massenanteil von 11% Chrom, werden als rostfreier Stahl bezeichnet. Weitere Bezeichnungen für derartige Legierungen sind Edelstahl, Cromagarn, Nirosta, V2A oder Inox. Der Anteil an Chrom in diesen Stählen ist ausreichend, um eine passivierende Schicht aus Chrom(III)-oxid (Cr2O3) zu bilden. Im Gegensatz zu den Oxidschichten von gewöhnlichem Stahl, die nur schwach mit dem darunter liegenden Stahl verbunden ist, bildet das Chrom(II)-oxid einen harten und dichten Schutzfilm, der stark mit dem Stahl verbunden ist. Wird diese Schutzschicht durch einen Kratzer beschädigt, bildet sich augenblicklich neues Chromoxid an der Schadstelle. Rostfreier Stahl ist glänzend, da die Chromoxidschicht zu dünn ist, um gesehen zu werden.
Nur wenige Autos, darunter der De Lorean DMC-12 (den kennt ihr eventuell aus "Zurück in die Zukunft") werden aus rostfreiem Edelstahl gefertigt. Unglücklicherweise zählt das Projektfahrzeug nicht dazu...
Ist rostfreier Stahl elektrisch leitend mit herkömmlichem (rostendem) Stahl verbunden, korrodiert der normale Stahl beschleunigt aufgrund galvanischer Korrosion. Daher ist es keine gute Idee, rostfreien Stahl auf herkömmlichen Stahl zu schweißen, um eine rostige Karosserie zu reparieren.

Opferanode

Bis jetzt haben wir galvanische Korrosion nur als negativen Effekt kennen gelernt, aber man kann damit auch ein Metall vor Korrosion schützen. Soll Eisen vor Korrosion geschützt werden, so muss es elektrisch leitend mit einem unedleren Metall (wie z.B. Zink) verbunden werden:

Wirkungsweise einer Opferanode "Galvanische Zelle" aud Eisen und Zink:
Zink ist unedler (= reaktiver) als Eisen, womit mehr Zink- denn Eisenatome Elektronen abgeben und als Ionen in Lösung gehen. Die Elektronen bewegen sich von der Zink- zur Eisen-"elektrode", wo sie Reduktionsreaktionen auslösen. Damit werden Eisenatome, die in Lösung gegangen sind, umgehend wieder als atomares Eisen abgeschieden. Hauptsächlich werden jedoch Sauerstoffmoleküle zu Hydroxidionen reduziert, wobei die dabei aufgenommenen Elektronen dem Zink entstammen. Ohne die Anwesenheit der "Zinkelektrode", würden die zur Reduktion der Sauerstoffmoleküle benötigten Elektronen von dem Eisen bereitgestellt, wodurch dieses oxidiert würde. In der abgebildeten Anordnung fungiert die "Zinkelektrode" als Anode, da diese positiv geladene Kationen abgibt und negativ geladene Anionen anzieht. Eisen wirkt als Kathode, indem sie Kationen anzieht und Reduktionsvorgänge auslöst.


Der Korrosionsprozess der Zink-Anode schützt die Eisen-Kathode vor Oxidation, wodurch sich der Begriff "Opferanode" etabliert hat.
Einfach ein Stück Zink elektrisch leitend mit der Karosserie eines Autos zu befestigen, schützt dieses nicht vor Korrosion. Um das Prinzip der Opferanode nutzen zu können, müssen außerdem sowohl die Zinkanode, als auch die komplette Eisenkathode mit dem Elektrolyten bedeckt sein. Um das zu realisieren, müsste jeder Wassertropfen der Karosserie mit einem Stück Zink versehen werden, was schwierig zu realisieren ist.

Beschichtungen

Eisen oder Stahl mit Zink zu beschichten, ist eine sehr übliche Art des Korrosionsschutzes. Die Zinkschicht selbst wird wie oben beschrieben durch Passivierung geschützt und isoliert den darunter liegenden Stahl von Sauerstoff und Wasser. Zink als Schutzschicht zu verwenden, hat einen weiteren Vorteil:

Wirkungsweise von Verzinkung Zerkratzte Zinkschicht:
Wird die Zinkschicht zerkratzt, fungiert diese als Opferanode, wobei Eisen als Kathode arbeitet, an der Reduktionsvorgänge ablaufen.
Das elektrochemische Aufbringen von Zink oder anderen metallischen Beschichtungen an der Oberfläche eines anderen Metalls, bezeichnet man als Galvanisierung. Feuerverzinkung bezeichnet das Aufbringen von Zink auf einem anderen Metall durch Eintauchen in ein Bad aus geschmolzenem Zink. Das Metall wird dabei auf 460°C erhitzt, was zum Verziehen des Werkstücks führen kann. Der Vorteil des Feuerverzinkens besteht in der Ausbildung einer fest haftenden Legierungsschicht zwischen Zink und Stahl. Beim Galvanisieren oder auch Elektroplattieren, wird elektrischer Strom verwendet, um elektrisch leitende Gegenstände mit einer dünnen Schicht aus Zink oder einem anderen Metall zu versehen. Bei diesem elektrolytischen Prozess wird das zu beschichtende Objekt als Kathode und das Beschichtungsmaterial als Anode verwendet.
Zinkfarbe zu verwenden, ist eine weitere Möglichkeit, Stahl mit Zink zu beschichten:

Wirkungsweise von Zinkfarbe Zinkfarbe:
Im oberen Teil der Zeichnung ist die Anzahl der Zinkkörner zu klein. Die Partikel sind voneinander und von der Eisenoberfläche isoliert. Es existiert keine elektrisch leitende Verbindung, womit Zink nicht als Opferanode arbeiten kann. Diese "Verzinkung" ist nichts anderes als (teure) graue Farbe.
Im unteren Teil der Zeichnung kann das Zink als Opferanode arbeiten, da sich die Körner untereinander und die Eisenoberfläche berühren. Der Nachteil ist, dass hier wesentlich weniger Bindemittel vorhanden ist, was zu einer schlechten Haftung der Zinkkörner untereinander und an der Metalloberfläche führt.
Meiner Meinung nach ist Zinkspray in den meisten Anwendungen lediglich graue Farbe von schlechter Qualität.

Eine gut ausgeführte Lackierung bildet eine gut haftende Schicht, die Eisen oder Stahl effektiv vor oxidierendem Einfluss schützt.
Eine sehr kostengünstige Substanz, die Eisen vor Korrosion schützt, ist Fett oder auch Wachs. Eine Beschichtung mit diesen Materialien ist wasserabweisend und sehr flexibel. Die Hohlräume von Autokarossen werden oft mit Kriechfett behandelt. Wo immer ölhaltige Rückstände waren, konnte ich kein Eisenoxid finden - das ist meine Schlussfolgerung aus der Demontage meiner beiden (recht rostigen) 2CV.

Rostumwandler

Substanzen, die mit Eisen(III)-oxid (Fe2O3) zu Eisen(II, III)-oxid (Fe3O4) oder Eisenphosphat (FePO4) reagieren, werden oft als Rostumwandler oder Rostwandler bezeichnet. Eine verbreitete Substanz in den Rostwandlern ist dabei Phosphorsäure:

Chemische Reaktion Rostumwandler

Nach der Behandlung kann die schwarze Eisenphosphat- oder Magnetitschicht (Fe3O4) abgekratzt werden, womit die blanke Metalloberfläche offen gelegt wird (was man auch ohne diese Behandlung machen kann). Wird die Schicht auf dem Eisen belassen, wirkt diese als (sehr schlechter) Rostschutz. Die Haftung des umgewandelten Rosts ist eher schwach und die Schicht nicht durchgängig.
Rost wird dabei also nicht wieder in Eisen zurückverwandelt, sondern lediglich in ein anderes Oxid. Die einzigen Hilfsmittel, die Rost zuverlässig in brandneuen Stahl verwandeln, sind Flex und Schweißapparat!
Verwendet Kriechfett anstelle der Wundermittel, um Rost zuverlässig an den Stellen zu stoppen, an denen er nicht entfernt werden kann (Hohlräume)!

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