Galvanische Korrosion

Galvanische Korrosion (auch Bimetallkorrosion oder unähnliche Metallkorrosion genannt ) ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem ein Metall in Gegenwart eines Elektrolyten bevorzugt korrodiert, wenn es in elektrischem Kontakt mit einem anderen steht . Eine ähnliche galvanische Reaktion wird in Primärzellen ausgenutzt , um eine nützliche elektrische Spannung zu erzeugen, um tragbare Geräte mit Strom zu versorgen.

Korrosion eines mit blankem Kupferdraht umwickelten Eisennagels, der den kathodischen Schutz von Kupfer zeigt; eine Ferroxyl Indikatorlösung zeigt durch ein feuchtes chemische Diffundieren Indikationen von zwei Arten von Ionen gefärbt Agar - Medium

Ungleiche Metalle und Legierungen haben unterschiedliche Elektrodenpotentiale , und wenn zwei oder mehr in einem Elektrolyten in Kontakt kommen, fungiert ein Metall (das reaktiver ist ) als Anode und das andere (das weniger reaktiv ist ) als Kathode . Die Elektropotentialdifferenz zwischen den Reaktionen an den beiden Elektroden ist die treibende Kraft für einen beschleunigten Angriff auf das Anodenmetall, das sich im Elektrolyten auflöst. Dies führt dazu, dass das Metall an der Anode schneller als sonst korrodiert und die Korrosion an der Kathode verhindert wird. Das Vorhandensein eines Elektrolyten und eines elektrischen Leiterweges zwischen den Metallen ist für das Auftreten von galvanischer Korrosion wesentlich. Der Elektrolyt stellt ein Mittel zur Ionenwanderung , wodurch Ionen Ladungsaufbau zu verhindern , bewegt sich die ansonsten die Reaktion stoppen würden. Enthält der Elektrolyt nur Metallionen, die nicht leicht reduziert werden können (wie Na ⁺ , Ca ²⁺ , K ⁺ , Mg ²⁺ oder Zn ²⁺ ), ist die Kathodenreaktion die Reduktion von gelöstem H ⁺ zu H ₂ oder O ₂ bis OH ⁻ . ^{[1] [2] [3] [4]}

In einigen Fällen wird diese Art von Reaktion absichtlich gefördert. Beispielsweise enthalten kostengünstige Haushaltsbatterien typischerweise Kohlenstoff-Zink-Zellen . Als Teil eines geschlossenen Kreislaufs (dem Elektronenpfad) korrodiert das Zink in der Zelle bevorzugt (der Ionenpfad) als wesentlicher Bestandteil der Batterie, die Elektrizität erzeugt. Ein weiteres Beispiel ist der kathodische Schutz von erdverlegten oder überfluteten Bauwerken sowie Warmwasserspeichern . In diesem Fall arbeiten Opferanoden als Teil eines galvanischen Paares, das die Korrosion der Anode fördert und gleichzeitig das Kathodenmetall schützt.

In anderen Fällen, wie z. B. bei Mischmetallen in Rohrleitungen (z. B. Kupfer, Gusseisen und andere Gussmetalle), trägt galvanische Korrosion zu einer beschleunigten Korrosion von Anlagenteilen bei. In diese Systeme können Korrosionsinhibitoren wie Natriumnitrit oder Natriummolybdat injiziert werden, um das galvanische Potential zu reduzieren. Die Anwendung dieser Korrosionsinhibitoren muss jedoch genau überwacht werden. Wird durch den Einsatz von Korrosionsinhibitoren die Leitfähigkeit des Wassers im System erhöht, kann das galvanische Korrosionspotential stark erhöht werden.

Säure oder Alkalinität ( pH ) ist auch eine wichtige Überlegung in Bezug auf Bimetall-Kreislaufsysteme mit geschlossenem Kreislauf. Bei falscher Dosierung von pH und Korrosionshemmung wird die galvanische Korrosion beschleunigt. In den meisten HLK- Systemen ist die Verwendung von Opferanoden und -kathoden keine Option, da diese in den Rohrleitungen des Systems angebracht werden müssten und im Laufe der Zeit korrodieren und Partikel freisetzen würden, die potenzielle mechanische Schäden an Umwälzpumpen verursachen könnten Wärmetauscher usw. ^[5]

Ein häufiges Beispiel für galvanische Korrosion tritt bei verzinktem Eisen auf , einem mit einer Zinkbeschichtung überzogenen Eisen- oder Stahlblech. Auch wenn die schützende Zinkschicht gebrochen ist, wird der darunterliegende Stahl nicht angegriffen. Stattdessen wird das Zink korrodiert, weil es weniger "edel" ist; erst nach dem verbrauch kann es zum rosten des unedlen metalls kommen. Im Gegensatz dazu tritt bei einer herkömmlichen Blechdose das Gegenteil einer Schutzwirkung ein: Da das Zinn edler ist als der darunterliegende Stahl, wird beim Aufbrechen der Zinnbeschichtung sofort der darunter liegende Stahl bevorzugt angegriffen.

Freiheitsstatue

Galvanische Korrosion in der Freiheitsstatue

Bei regelmäßigen Wartungskontrollen wurde festgestellt, dass die Freiheitsstatue unter galvanischer Korrosion litt

Ein spektakuläres Beispiel für galvanische Korrosion ereignete sich in der Freiheitsstatue, als regelmäßige Wartungskontrollen in den 1980er Jahren ergaben, dass zwischen der äußeren Kupferhaut und der schmiedeeisernen Tragstruktur Korrosion stattgefunden hatte . Obwohl das Problem in den 1880er Jahren von Gustave Eiffel nach dem Entwurf von Frédéric Bartholdi vorweggenommen wurde , war die Isolationsschicht aus Schellack zwischen den beiden Metallen im Laufe der Zeit versagt und führte zum Rosten der Eisenträger. Es wurde eine umfangreiche Renovierung durchgeführt, bei der die Statue vollständig demontiert und die ursprüngliche Isolierung durch PTFE ersetzt wurde . Das Bauwerk war aufgrund der Vielzahl nicht betroffener Verbindungen alles andere als unsicher, galt aber als Vorsichtsmaßnahme, um ein nationales Symbol der Vereinigten Staaten zu erhalten. ^[6]

Royal Navy und HMS- Alarm

Im 17. Jahrhundert, ^{[ vage ]} Samuel Pepys (damals dient Admiralty Secretary) auf die Entfernung von Bleiummantelung aus dem Englischen vereinbart Royal Navy Schiffen , die den geheimnisvollen Zerfall ihrer Rudereisen und Bolzenköpfen zu verhindern, obwohl er selbst verblüfft gestanden als der Grund, warum das Blei die Korrosion verursacht hat. ^[7]

Das Problem trat erneut auf, als Schiffe mit Kupfer ummantelt wurden, um die Ansammlung von Unkraut im Meer zu reduzieren und vor Schiffswürmern zu schützen . In einem Experiment hatte die Royal Navy 1761 versucht, den Rumpf der Fregatte HMS Alarm mit einer 12-Unzen-Kupferbeschichtung auszustatten. Als sie von einer Reise nach Westindien zurückkehrte, stellte sich heraus, dass das Kupfer zwar in gutem Zustand blieb und sogar Schiffswürmer abgeschreckt hatte, sich aber an vielen Stellen auch vom Holzrumpf gelöst hatte, weil die bei der Installation verwendeten Eisennägel "sind" in einer Art rostiger Paste aufgelöst gefunden". ^[8] Zur Überraschung der Inspektionsteams waren jedoch einige der Eisennägel praktisch unbeschädigt. Eine genauere Untersuchung ergab, dass wasserfestes braunes Papier, das unter dem Nagelkopf eingeschlossen war, versehentlich einige der Nägel geschützt hatte: "Wo diese Abdeckung perfekt war, wurde das Eisen vor Verletzungen bewahrt". Die Kupferummantelung war in Papier eingewickelt an die Werft geliefert worden, das nicht immer entfernt wurde, bevor die Bleche an den Rumpf genagelt wurden. Die Schlussfolgerung, die der Admiralität im Jahr 1763 mitgeteilt wurde, war, dass Eisen im Meerwasser nicht direkt mit Kupfer in Berührung kommen sollte. ^{[9] [10]}

Unabhängigkeit des Küstenkampfschiffes der US Navy

Auf dem jüngsten Küstenkampfschiff der US Navy, der USS Independence , wurde schwere galvanische Korrosion gemeldet, die durch an einem Aluminiumrumpf befestigte Wasserstrahlantriebssysteme aus Stahl verursacht wurde. Ohne elektrische Isolierung zwischen Stahl und Aluminium wirkt der Aluminiumrumpf als Anode für den Edelstahl, was zu aggressiver galvanischer Korrosion führt. ^[11]

Korrosion von Beleuchtungskörpern

Der unerwartete Sturz einer schweren Leuchte von der Decke des Big Dig- Fahrzeugtunnels in Boston im Jahr 2011 zeigte, dass die Korrosion ihre Halterung geschwächt hatte. Die unsachgemäße Verwendung von Aluminium in Kontakt mit Edelstahl hatte in Gegenwart von Salzwasser zu einer schnellen Korrosion geführt. ^[12] Die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen Edelstahl und Aluminium liegt  je nach Legierung im Bereich von 0,5 bis 1,0 V und kann unter ungünstigen Bedingungen innerhalb von Monaten zu erheblicher Korrosion führen. Tausende defekter Lampen müssten ersetzt werden, was geschätzte 54 Millionen Dollar kostet. ^[13]

Lasagne-Zelle

Eine „ Lasagne- Zelle“ entsteht aus Versehen, wenn salzige Feuchtspeisen wie Lasagne in einer Stahlbackform gelagert und mit Alufolie abgedeckt werden. Nach einigen Stunden bildet die Folie dort, wo sie die Lasagne berührt, kleine Löcher und die Lebensmitteloberfläche wird mit kleinen Flecken aus korrodiertem Aluminium bedeckt. ^[14] In diesem Beispiel ist das salzige Essen (Lasagne) der Elektrolyt, die Aluminiumfolie die Anode und die Stahlpfanne die Kathode. Wenn die Aluminiumfolie den Elektrolyten nur in kleinen Bereichen berührt, konzentriert sich die galvanische Korrosion und es kann relativ schnell zu Korrosion kommen. Wenn die Aluminiumfolie nicht mit einem unähnlichen Metallbehälter verwendet wurde, war die Reaktion wahrscheinlich eine chemische. Es ist möglich, dass starke Konzentrationen von Salz, Essig oder anderen sauren Verbindungen die Folie auflösen. Das Produkt einer dieser Reaktionen ist ein Aluminiumsalz. Es schadet den Lebensmitteln nicht, aber jede Ablagerung kann einen unerwünschten Geschmack und eine unerwünschte Farbe verleihen. ^[fünfzehn]

Elektrolytische Reinigung

Die übliche Technik der Reinigung von Besteck durch Eintauchen von Silber oder Sterlingsilber (oder auch nur versilberte Gegenstände) und ein Stück Aluminium (Folie wird wegen ihrer viel größeren Oberfläche als die von Barren bevorzugt, obwohl die Folie eine " Antihaft"-Fläche, diese muss zuerst mit Stahlwolle entfernt werden) in einem heißen elektrolytischen Bad (meist bestehend aus Wasser und Natriumbicarbonat , dh Haushaltsnatron) ist ein Beispiel für galvanische Korrosion. Silber verdunkelt sich und korrodiert in Gegenwart von Schwefelmolekülen in der Luft, und das Kupfer in Sterlingsilber korrodiert unter einer Vielzahl von Bedingungen. Diese Korrosionsschichten können durch die elektrochemische Reduktion von Silbersulfid-Molekülen weitgehend entfernt werden: Die Anwesenheit von Aluminium (das weniger edel ist als Silber oder Kupfer) im Natriumbicarbonatbad streift die Schwefelatome vom Silbersulfid ab und überträgt sie auf und korrodiert dadurch das Stück Aluminiumfolie (ein viel reaktiveres Metall) und hinterlässt elementares Silber. Dabei geht kein Silber verloren. ^[16]

Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Form der Korrosion zu reduzieren und zu verhindern.

• Isolieren Sie die beiden Metalle elektrisch voneinander. Ohne elektrischen Kontakt findet keine galvanische Kopplung statt. Dies kann durch die Verwendung nichtleitender Materialien zwischen Metallen mit unterschiedlichem Elektropotential erreicht werden. Rohrleitungen können mit einer Rohrspule aus Kunststoffmaterialien oder aus innenbeschichtetem oder ausgekleidetem Metallmaterial isoliert werden. Es ist wichtig, dass die Spule eine ausreichende Länge hat, um wirksam zu sein. Aus Sicherheitsgründen sollte dies nicht versucht werden , in dem ein elektrisches Erdungssystem ist die Verrohrung für den verwendet Boden oder hat Potentialausgleich .
• Bei Metallbooten, die an eine Landstromversorgung angeschlossen sind, muss der Rumpf aus Sicherheitsgründen normalerweise geerdet werden. Das Ende dieser Erdungsverbindung ist jedoch wahrscheinlich ein im Yachthafen vergrabener Kupferstab , was zu einer Stahl-Kupfer-"Batterie" von etwa 0,5 V führt. In solchen Fällen ist die Verwendung eines galvanischen Isolators unerlässlich, normalerweise zwei Halbleiterdioden in Reihe, parallel zu zwei gegensinnig leitenden Dioden (antiparallel). Dies verhindert jeglichen Strom, solange die angelegte Spannung weniger als 1,4 V (dh 0,7 V pro Diode) beträgt, ermöglicht jedoch im Falle eines elektrischen Fehlers einen vollen Strom. Es wird immer noch ein sehr geringer Leckstrom durch die Dioden fließen, was zu einer etwas schnelleren Korrosion als normal führen kann.
• Stellen Sie sicher, dass kein Kontakt mit einem Elektrolyten besteht. Dies kann durch die Verwendung von wasserabweisenden Verbindungen wie Fetten oder durch das Überziehen der Metalle mit einer undurchlässigen Schutzschicht wie einem geeigneten Anstrich, Lack oder Kunststoff erfolgen. Wenn beides nicht möglich ist, sollte die Beschichtung auf das edlere, das Material mit höherem Potenzial aufgetragen werden. Dies ist sinnvoll, denn wenn die Beschichtung nur auf das aktivere Material aufgetragen wird, ergibt sich bei einer Beschädigung der Beschichtung eine große Kathodenfläche und eine sehr kleine Anodenfläche und für die exponierte Anodenfläche ist die Korrosionsrate entsprechend hoch .
• Die Verwendung von Antioxidanspaste ist vorteilhaft, um Korrosion zwischen elektrischen Kupfer- und Aluminiumverbindungen zu verhindern. Die Paste besteht aus einem niedrigeren Edelmetall als Aluminium oder Kupfer.
• Wählen Sie Metalle mit ähnlichen Elektropotentialen. Je enger die einzelnen Potenziale übereinstimmen, desto kleiner ist die Potenzialdifferenz und damit der galvanische Strom. Die Verwendung des gleichen Metalls für alle Konstruktionen ist der einfachste Weg, Potenziale abzugleichen.
• Galvanisieren oder andere Beschichtungen können ebenfalls helfen. Dies neigt dazu, Edelmetalle zu verwenden , die besser korrosionsbeständig sind. Chrom , Nickel , Silber und Gold können alle verwendet werden. Das Galvanisieren mit Zink schützt das Grundmetall aus Stahl durch anodische Opferwirkung.
• Der kathodische Schutz verwendet eine oder mehrere Opferanoden aus einem Metall, das aktiver ist als das geschützte Metall. Legierungen von Metallen, die üblicherweise für Opferanoden verwendet werden, umfassen Zink, Magnesium und Aluminium . Dieser Ansatz ist bei Warmwasserbereitern und vielen vergrabenen oder eingetauchten Metallstrukturen üblich.
• Ein kathodischer Schutz kann auch angewendet werden, indem eine elektrische Gleichstromversorgung (DC) angeschlossen wird , um dem korrosiven galvanischen Strom entgegenzuwirken. (Siehe Kathodischer Schutz § Eingeprägter Strom CP .)

Alle Metalle können in eine galvanische Reihe eingeteilt werden, die das elektrische Potenzial darstellt, das sie in einem bestimmten Elektrolyten gegen eine Standardreferenzelektrode entwickeln. Die relative Position zweier Metalle in einer solchen Reihe gibt einen guten Hinweis darauf, welches Metall schneller korrodiert. Andere Faktoren wie Wasserbelüftung und Durchflussmenge können jedoch die Geschwindigkeit des Prozesses deutlich beeinflussen.

Die Kompatibilität zweier unterschiedlicher Metalle kann durch Berücksichtigung ihres anodischen Indexes vorhergesagt werden. Dieser Parameter ist ein Maß für die elektrochemische Spannung, die zwischen dem Metall und Gold entwickelt wird. Um die relative Spannung eines Metallpaares zu ermitteln, ist es nur erforderlich, ihre anodischen Indizes zu subtrahieren. ^[17]

Um die galvanische Korrosion bei Metallen zu reduzieren, die in normalen Umgebungen gelagert werden, wie z. B. Lagerung in Lagerhäusern oder nicht temperatur- und feuchtigkeitskontrollierten Umgebungen, sollte der  Unterschied im anodischen Index der beiden in Kontakt stehenden Metalle nicht mehr als 0,25 V betragen. Für kontrollierte Umgebungen, in denen Temperatur und Luftfeuchtigkeit kontrolliert werden, können 0,50  V toleriert werden. Für raue Umgebungen wie im Freien, hohe Luftfeuchtigkeit und salzhaltige Umgebungen sollte die  Differenz des anodischen Index nicht mehr als 0,15 V betragen. Zum Beispiel: Gold und Silber haben einen Unterschied von 0,15  V, daher erfahren die beiden Metalle auch in einer rauen Umgebung keine nennenswerte Korrosion. ^{[18] [ benötigte Seite ]}

Wenn Konstruktionsüberlegungen erfordern, dass unterschiedliche Metalle in Kontakt kommen, wird der Unterschied im anodischen Index oft durch Oberflächenbehandlung und Beschichtung ausgeglichen. Die ausgewählte Veredelung und Beschichtung ermöglicht den Kontakt der unterschiedlichen Materialien, während die mehr Grundmaterialien durch die edleren vor Korrosion geschützt werden. ^{[18] [ benötigte Seite ]} Es wird immer das Metall mit dem negativsten anodischen Index sein, das letztendlich unter Korrosion leidet, wenn galvanische Inkompatibilität im Spiel ist. Aus diesem Grund sollte Geschirr aus Sterlingsilber und Edelstahl niemals zusammen in die Spülmaschine gegeben werden, da die Gegenstände aus Stahl am Ende des Zyklus wahrscheinlich korrodieren (Seife und Wasser dienten als chemischer Elektrolyt und Hitze hat beschleunigte den Prozess).

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