mini|Schrauben und Muttern aus rostfreiem Stahl mit korrodierten Unterlegscheiben auf einer Grundplatte aus verzinktem Stahl mini|hochkant=1|Stark korrodierter Briefkasten aus Stahlblech auf feuerverzinkter Wand
Bimetallkorrosion (auch Kontaktkorrosion, galvanische Korrosion) nach DIN EN ISO 8044 ist eine Korrosion durch elektrochemische Reaktion zweier verschiedener metallischer Werkstoffe oder anderer elektronenleitender Festkörper. Voraussetzung ist eine unterschiedliche Position in der elektrochemischen Spannungsreihe, unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe, ihr unmittelbarer Kontakt und die gemeinsame Benetzung durch ein wässriges Korrosionsmedium. So bildet sich ein galvanisches Korrosionselement, vergleichbar mit einer kurzgeschlossenen Batterie: Infolge des erzeugten Stroms wird der weniger edle (d. h. weniger korrosionsbeständige) Werkstoff durch elektrochemischen Abtrag zerstört.
Im Alltag macht sich diese Korrosionsart beispielsweise bemerkbar beim Einsatz von Schrauben, Muttern, Nägeln oder Nieten aus weniger edlen metallischen Werkstoffen auf Bauteilen aus rostfreiem Stahl, Messing oder Kupfer wenn Kupferdrähte mit Aluminiumdrähten zusammengeklemmt wurden, um elektrischen Strom zu leiten. Auch intermetallische Verbindungen,Vgl. R. Schneider et al.: Langzeitverhalten von Aluminium-Kupfer-Verbindungen in der Elektroenergietechnik, in: Metall, 63:2009, H. 11, S. 591–594, URL: https://www.kupferinstitut.de/fileadmin/user_upload/kupferinstitut.de/de/Documents/techUnterstuetzung/KS/Artikel/2009/591_Cu_Schneider.pdf, abgerufen am 2. Sep. 2018. die durch die Berührung der Metalle entstehen, haben einen Einfluss auf die Korrosion.Friedrich Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, Springer, Wiesbaden 2014, S. 233. ISBN 978-3-662-43806-0 Wenn in einem Wasserleitungs- oder Heizungssystem unterschiedliche Metallwerkstoffe verbaut sind (etwa bei Wärmetauscherrohren im Heizkessel, Zuleitungen, Heizkörpern und Solarkollektoren). Kupferblech auf Dächern wird deshalb immer mit Kupfernägeln befestigt. Obwohl die Ursachen seit Beginn des 19. Jahrhunderts bekannt sind, hat die Bimetallkorrosion immer wieder zu Schäden und Unfällen geführt.
Reaktion mini|Bimetallkorrosion von Eisen in Kontakt mit Kupfer Zwei unterschiedliche Metalle in elektrischem Kontakt werden in einem flüssigen Medium, das als Elektrolyt wirken kann, wie normalerweise Wasser mit darin gelösten Salzen, zu Elektroden. Aufgrund unterschiedlicher Elektrodenpotentiale baut sich eine elektrische Spannung zwischen ihnen auf, sodass Elektronen der Atome des weniger edlen Metalls in das edlere Metall wandern und von dort aus zu einer Reaktion mit dem Elektrolyten führen. Im Gegenzug reagieren die Ionen des weniger edlen Metalls mit dem Elektrolyten. Durch den Kurzschluss zwischen den Metallen und den Ionenstrom im Elektrolyten entsteht ein geschlossener Stromkreis, der das Ausmaß der Redoxreaktion bestimmt: Die Anode wird oxidiert und dadurch allmählich zerstört, die Kathode dagegen reduziert und dadurch geschützt.
Die elektrische Spannung zwischen den Werkstoffen hängt vor allem von der Differenz ihrer Standardpotentiale ab, die aus der elektrochemischen Spannungsreihe ersichtlich sind, außerdem auch von den Konzentrationen der Lösungsbestandteile (Nernstsche Gleichung). Die Korrosion hängt vom tatsächlich fließenden Strom ab, auf die Flächen bezogen also von der Stromdichte. Ein Gleichstrom aus einer externen Quelle kann diesen Strom verstärken, was in der Mikroelektronik von Bedeutung ist.
Für Bimetallkorrosion müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein: ein elektrischer Kontakt, eine elektrolytische Verbindung und eine Potentialdifferenz der beiden Metalle. Großflächige Anoden sind gegenüber kleinflächigen Kathoden weniger korrosionsgefährdet als umgekehrt. Eine größere Potentialdifferenz, ein zunehmendes Flächenverhältnis von edlem zu unedlem Werkstoff, höhere Temperaturen und zunehmende Aggressivität des Elektrolyten (siehe pH-Wert) vergrößern die Korrosionswirkung.Klaus Mörbe, Wolfgang Morenz, Hans-Werner Pohlmann, Helmut Werner: Praktischer Korrosionsschutz: Korrosionsschutz wasserführender Anlagen. Springer, Berlin 2013, S. 25. ISBN 978-3709188941
Weitere Erscheinungsformen
Bimetallkorrosion kann auch zwischen den Bestandteilen einer Legierung auftreten, wenn Ausscheidungen an den Korngrenzen der Kristalle an der Oberfläche ein Lokalelement oder Mikroelement bilden. Ein Beispiel ist Graphit und Eisen in Gusseisen: Graphit wirkt gegenüber Eisen wie ein edleres Metall und kann zu Spongiose führen.Herbert Beneke: Lexikon der Korrosion und des Korrosionsschutzes. 2. Auflage, Vulkan, Essen 2000, S. 251. ISBN 3-8027-2918-8
Wenn Zerspanungswerkzeuge abwechselnd für edle und für unedle Werkstoffe verwendet werden, können die unedlen durch zurückgebliebene oder eingepresste Partikel, wie etwa Schleifstaub, korrodieren.
Ein „Verschleppen“ von Material liegt auch der Korrosion zugrunde, die mit der sogenannten Fließregel nach DIN 1988-7 für Rohrleitungen verhindert werden soll: Wenn Leitungen aus unterschiedlichen Werkstoffen verbunden werden und genügend Sauerstoff im Rohr vorhanden ist wie bei Trinkwasser, können sich zum Beispiel gelöste Kupferionen auf verzinktem Stahl ablagern und dadurch Bimetallkorrosion verursachen. Um dies zu verhindern, sollten die weniger edlen Metalle in der Fließrichtung gesehen vor den edleren angeordnet werden.Franz-Josef Heinrichs, Bernd Rickmann: Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen: Installation. Kommentar zu DIN EN 806-4. Beuth, Berlin 2012, S. 64. ISBN 978-3410224891
Schutz Zum Schutz vor Bimetallkorrosion gibt es zwei Strategien: Entweder wird versucht, die Elektrolyse zu unterbinden (passiver Korrosionsschutz), oder sie wird gesteuert eingesetzt (aktiver Korrosionsschutz).
Verhinderung der Elektrolyse mini|Trennfittings zur galvanischen Trennung von Rohrleitungen: Der Messingstutzen auf der rechten Seite hat keine leitende Verbindung zu Anschlussstutzen und Überwurfmutter aus Chromstahl links, da die beiden schwarzen, nichtleitenden Dichtringe den Kontakt verhindern. Elektrolyse kann nicht auftreten, wenn eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Werkstoffen durch Isolation oder ein Kontakt des Metalls mit Elektrolyten durch Dichtung verhindert werden.
Der direkte Kontakt von aus verschiedenen Materialien bestehenden Rohrleitungen wird beispielsweise durch sogenannte Trenn- oder Isolationsfittings oder Trennverschraubung verhindert. Analog dazu gibt es für die Elektroinstallation Aluminium-Kupfer-Verbinder. Sie verhindern die Zersetzung des Aluminiums, die zur Erhöhung des elektrischen Widerstands führt.
Der Schutz vor elektrisch leitenden Flüssigkeiten (Elektrolyten) kann durch eine Beschichtung erfolgen. Alternativ kann die Wirksamkeit der Elektrolyten durch Chemikalien (Korrosionsinhibitoren) verringert werden.
Bildet sich der Elektrolyt durch die Einwirkung von Luftfeuchtigkeit, so können Maßnahmen zur Entfeuchtung der Luft oder zur Verhinderung von Kondensation getroffen werden.
Durch eine entsprechende Werkstoffwahl können die vorliegenden Potentialdifferenzen von vorneherein vermindert werden (vergl. Fließregel Rohrleitungsbau).
Die Beschichtung mit einer edleren Metallschicht ist nur solange wirksam, wie diese Schicht intakt bleibt; bei geringfügigen Beschädigungen setzt die Korrosion verstärkt ein. Dies ist zum Beispiel ein Problem beim Weißblech von Lebensmittelbehältern oder bei Vergoldungen in der Zahntechnik.Heinrich F. Kappert, Karl Eichner: Zahnärztliche Werkstoffe und ihre Verarbeitung. 1. Grundlagen und Verarbeitung. Thieme, Stuttgart 2005, S. 168. ISBN 978-3131271488 Beim aktiven Schutz von Stahl durch das unedlere Zink (siehe folgenden Abschnitt) wird demgegenüber der blanke Stahl auch bei geringfügiger Verletzung der Zinkschicht vor Korrosion geschützt.
Aktiver Korrosionsschutz mini|Korrodierte Opferanode an einem Schiffsrumpf
Ein kontrollierter Einsatz der Elektrolyse erfolgt bei „aktiven“ Schutzmaßnahmen: Durch Einsatz einer Opferanode, etwa aus Zink oder Magnesium, wird die Bimetallkorrosion auf diese beschränkt. Der zu schützende Werkstoff wird damit zur Kathode gemacht (kathodischer Schutz). Opferanoden werden typischerweise an der Außenhaut von Schiffen sowie an den Innenwänden von Pipelines und Flüssigkeitsbehältern eingesetzt. Auch infolge einer aktiven Beschichtung mit einem weniger edlen Metall (wie dem Verzinken von Stahl) wird das beschichtete Metall erst dann angegriffen, wenn die Beschichtung vollständig korrodiert ist. Fremdstromanoden werden mit einer permanent anliegenden elektrischen Spannung versorgt, um die werkstoffbedingten Potentialdifferenzen auszugleichen. Sie werden häufig in größeren Flüssigkeitsbehältern eingesetzt.
Passivierung
Eine Mischung beider Strategien ist die Passivierung: Die Korrosion wird zugelassen oder gefördert, wenn sich dadurch eine schützende Oxidschicht auf dem weniger edlen Metall bildet. Der zu schützende Werkstoff wird zur Anode gemacht und bildet eine Oxidschicht, die korrosionsbeständiger sein kann als viele edlere Metalle. Zur Berechnung dieser Schutzwirkung dient das Pilling-Bedworth-Verhältnis. Chromstahl wird geschützt, indem sein Legierungsbestandteil Chrom eine Oxidschicht bildet. Passivierung kann auch gezielt erzeugt werden: Vor allem bei Leichtmetallen wie Aluminium und seinen Legierungen ist das Anodisieren ein gebräuchlicher Korrosionsschutz.Andreas Kalweit, Christof Paul, Sascha Peters, Reiner Wallbaum: Handbuch für technisches Produktdesign: Material und Fertigung. Springer, Berlin 2006, S. 532. ISBN 978-3540214168 Wegen seiner stabileren Oxidschicht kommt bei hoher Beanspruchung Titan zum Einsatz.
Geeignete Werkstoff-Kombinationen
Befestigungsmittel im Bauwesen Wenn ein metallisches Bauteil unedler ist und zugleich eine kleinere Oberfläche hat als ein benachbartes Bauteil, ist es in der Regel korrosionsgefährdet.
Im Bauwesen kann man eher als in anderen Bereichen der Technik von Faustregeln ausgehen. Die nachfolgend genannten Empfehlungen gelten unter folgenden Bedingungen:Aufstellung empfohlener Werkstoffpaarungen des Baustoffherstellers Würth: , abgerufen am 14. April 2018. Der jeweils zuerst genannte Werkstoff bezieht sich auf Schrauben und andere Befestigungsmittel sowie Beschlagteile, die eine wenigstens 10 bis 40 mal kleinere Oberfläche haben, als das aufnehmende Bauteil Ein mäßig aggressives Korrosionsmedium (Kondenswasser, Regenwasser u. ä.). In der Nähe von Meerwasser sind eventuell zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich. Gemäßigte Umgebungs- und Materialtemperaturen
Rostfreier Stahl kann gut mit größeren Bauteilen aus Kupfer, Messing und Stahl, sowie sehr gut mit größeren Bauteilen aus Aluminium kombiniert werden.
Aluminium kann gut mit größeren Bauteilen aus rostfreiem Stahl, Kupfer und Messing kombiniert werden. Dies gilt im Allgemeinen auch für größere Bauteile aus blankem Stahl.
Kupfer kann gut mit größeren Bauteilen aus Messing kombiniert werden. Dies gilt im Allgemeinen auch für größere Bauteile aus rostfreiem Stahl, Aluminium und Stahl.
Messing kann gut mit größeren Bauteilen aus Kupfer kombiniert werden. Dies gilt im Allgemeinen auch für größere Bauteile aus rostfreiem Stahl, Aluminium und Stahl.
Verzinkter und anschließend schwarz passivierter Stahl kann gut mit blau und gelb passiviertem, verzinkten Stahl kombiniert werden. Dies gilt im Allgemeinen auch für größere Bauteile aus blankem Stahl. Die Kombination mit größeren Bauteilen aus Kupfer, Messing, Aluminium und rostfreiem Stahl ist wenig empfehlenswert.