Korrosion als Milliardengrab

Biologische (Rankenfußkrebse) und atmosphärische Korrosion © Rafal Konkolewski / CC BY-SA 2.5

Korrosion ist ein Problem von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Werden die Kosten für Korrosion und Korrosionsschutz in den westlichen Ländern doch auf etwa vier Prozent des Bruttosozialprodukts geschätzt. Das sind rund 80 Milliarden Euro pro Jahr allein in Deutschland.

Barriere zwischen Bauteil und aggressiven Umwelteinflüssen

Bei metallischen Werkstoffen sind organische Korrosionsschutzschichten, zum Beispiel auf Epoxy- oder Polyurethanbasis, heute die Schutzmaßnahme der Wahl. Eine solche Schicht bildet eine Barriere zwischen korrosionsgefährdetem Bauteil und aggressiven Umwelteinflüssen. Doch wird die Schicht beschädigt, kommt es in den Defekten schnell wieder zu Korrosion. Mit verschiedenen Strategien versuchen Materialforscher das zu verhindern: So sollen in den Beschichtungen aktive Korrosionsschutzpigmente Wirkstoffe, sogenannte Inhibitoren, freisetzen und die Korrosion stoppen.

Schichten schützen Metalloberflächen vor Umwelteinflüssen: Die Zinkschicht „opfert“ sich im Falle eines Defekts. © Rubin

Zinkbeschichtungen schützen Stahl

Zum Schutz von Stahl setzt man zusätzlich Zinkbeschichtungen ein, die als erste Schicht auf dem Stahl aufgetragen werden. Zink ist dabei das unedlere Metall und fungiert als Anode in einer so genannten galvanischen Kopplung zwischen Zink und Stahl (Kathode): Wenn die verletzte Zinkschicht korrodiert, setzt Zink Elektronen frei, die vom Stahl (Eisen) aufgenommen werden. Damit wird Stahl auf das niedrigere Potenzial von Zink gezogen (polarisiert).

Dieser elektrochemische Prozess bewirkt einen so genannten kathodischen Korrosionsschutz. Auf dem Stahl findet bei den niedrigen Potenzialen nur die kathodische Reduktion von Sauerstoff aus der Luft statt, wodurch Stahl geschützt bleibt. Die dabei entstehenden Hydroxyl-Ionen verschieben den pH-Wert auf dem Stahl ins Alkalische, was die Korrosionsgefahr für den Stahl zusätzlich verringert.

Experimente im Vakuum: Dr. Michael Rohwerder – hier vor der Ultrahochvakuumanlage – leitet eine Arbeitsgruppe in der Abteilung Grenzflächenchemie und Oberflächentechnik von Prof. Dr. Martin Stratmann, der auch Professor an der Ruhr-Universität Bochum ist. © Rubin

Zink besitzt natürliche Selbstheilungskräfte

Da Zink verstärkt korrodieren muss, um die hohen Sauerstoffreduktionsraten im Defekt zu ermöglichen, würde sich die dünne Zinkschicht schnell verbrauchen. Doch Zink besitzt bereits natürliche Selbstheilungskräfte: Korrosionsprodukte aus Zinkionen und Hydroxid, die auf der Stahloberfläche ausgefällt werden, setzen die Sauerstoffreduktion und somit den Korrosionsdruck auf die Zinkschicht herab.

Diesen Effekt wollen sich Dr. Michael Rohwerder und sein Team „Molekulare Strukturen und Oberflächenmodifikation“ am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) zu Nutze machen und den Korrosionsschutz weiter optimieren. Im nächsten Schritt könnte dann eine neue organische Schicht über den Defekt wachsen und das Werkstück wieder vor Umwelteinflüssen schützen. Beide Ziele – die Korrosion zu hemmen und eine neue Schicht zu bilden – erfordern geeignete Substanzen, die in den Beschichtungen gespeichert werden müssen.