Haben Sie jemals einen gewöhnlichen Stahlbefestiger oder sogar einen Edelstahlbefestiger in einem Aluminiumbauteil verwendet? Dann ist galvanische Korrosion ein Thema, das Sie unbedingt beachten sollten.

Diese oft übersehene Korrosionsart kann leicht wie gewöhnlicher Rost erscheinen. Galvanische Korrosion, auch als Kontaktkorrosion oder Bimetallkorrosion bekannt, tritt auf, wenn zwei Metalle unterschiedlicher Legierungen in Kontakt stehen und dadurch der Zerfall eines der Metalle beschleunigt wird. Diese Korrosion gefährdete einst sogar die Freiheitsstatue und führte in den 1980er Jahren zu einer aufwendigen Sanierung! Für diesen Prozess sind lediglich zwei Metalle unterschiedlicher Legierung und ein Elektrolyt (meist Salzwasser, nicht gereinigtes Wasser oder sogar hohe Luftfeuchtigkeit) notwendig.

Im Folgenden wird diese komplexe und oft übersehene Korrosionsart erläutert und es werden Maßnahmen vorgestellt, wie Sie diese vermeiden können. Bevor Sie Metallteile in Auftrag geben, stellen Sie sicher, dass Ihre Teile nicht anfällig für dieses gefährliche Phänomen sind.

Was ist galvanische Korrosion?

Der Prozess der galvanischen Korrosion ähnelt der Funktionsweise einer Batterie. Ein Metall besitzt ein höheres elektrisches Potenzial als das andere, wodurch ein elektrischer Strom zwischen beiden erzeugt wird. Während dieser Prozess bei allen ungleichen Metallen auftritt, ist er besonders ausgeprägt und problematisch, wenn zwischen den Metallen ein erheblicher Unterschied in den elektrischen Potenzialen oder im Edelheitsgrad besteht (siehe Tabelle unten).

Der Edelheitsgrad eines Metalls beschreibt, wie reaktiv es ist und somit wie anfällig es für Korrosion ist. Ein berühmtes Beispiel ist die Freiheitsstatue, bei der das Eisen der tragenden Struktur in elektrischen Kontakt mit der Kupferhaut kam. Diese beiden Metalle sind unterschiedlich genug, um ein erhebliches Risiko für galvanische Korrosion darzustellen und die Korrosionsrate drastisch zu erhöhen.

Ein weiteres, häufigeres Beispiel ist die Verwendung von verzinkten Stahlbefestigern in Edelstahl, wie im untenstehenden Bild gezeigt. Selbst wenn die Metalle beschichtet sind, kann die Beschichtung während der Montage oder Handhabung beschädigt oder zerkratzt werden, wodurch ein direkter Kontakt zwischen den beiden Metallen entsteht und rasche galvanische Korrosion eintreten kann. Bedenken Sie: Es reicht bereits ein geringer Kontakt aus, damit Strom zwischen den beiden Metallen fließen kann – insbesondere, wenn das Bauteil komplett im Wasser liegt. Wird eine Beschichtung verwendet, muss diese sehr widerstandsfähig und sorgfältig aufgetragen werden.

Im folgenden Beispiel ist der verzinkte Stahlbefestiger (Anode) so stark korrodiert, dass die Kerbe für den Schraubendreher kaum noch zu erkennen ist. Im Gegensatz dazu ist das Edelstahlteil (Kathode) weitgehend frei von Rost und weist lediglich einen dünnen Oberflächenfilm auf einer kleinen Fläche auf. Dieser Oberflächenfilm reicht nicht aus, um Lochfraß zu verursachen, während der Befestiger aufgrund des hohen Korrosionsgrades nur schwer zu entfernen wäre. Die Integrität des Befestigers ist in diesem Fall stark beeinträchtigt und kann zusätzliche Gefahren für die Konstruktion mit sich bringen.

Wie auf dem Bild zu sehen, hat die galvanische Korrosion den Befestiger (Anode) stark beschädigt, während das Blechstück (Kathode) nur eine leichte Rostschicht aufweist.

Nachfolgend finden Sie eine Liste von Metallen – von den am stärksten bis zu den am wenigsten aktiven (edelsten). Je weiter die Metalle voneinander entfernt sind, desto schneller tritt galvanische Korrosion auf.

Möglichkeiten zur Vermeidung galvanischer Korrosion

Es gibt drei Hauptmethoden, um galvanische Korrosion zu vermeiden: die Auswahl kompatibler Metalle, die elektrische Isolierung verschiedener Metalle oder das Aufbringen einer Schutzbeschichtung. Die Auswahl kompatibler Metalle ist die beste Lösung, da sie dauerhaft ist. Unterschiedliche Metalle elektrisch zu isolieren kann durch nichtleitende Unterlegscheiben zwischen Befestigungselementen oder durch eine nichtleitende Zwischenlage, Dichtung usw. zwischen den beiden Metallen erreicht werden. So verhindern Sie, dass Strom zwischen den ungleichen Metallen fließt, und isolieren sie elektrisch voneinander.

Es stehen zahlreiche Beschichtungen zur Verfügung, um das Risiko galvanischer Korrosion zu minimieren – jede mit eigenen Vor- und Nachteilen. Die einzige Voraussetzung ist, dass die Beschichtung nicht leitend ist, mit Ausnahme von Zinküberzügen. Alle Beschichtungen bergen das Risiko, während der Montage, Wartung oder Nutzung beschädigt zu werden, wodurch die Metalle in Kontakt kommen und rasch korrodieren können. Eine sehr gängige Option mit einer besonderen Eigenschaft ist das Beschichten eines Teils mit Zink, entweder durch Verzinkung oder Galvanisierung.

Zink ist ein sehr aktives Metall und isoliert elektrisch nicht wie andere Beschichtungen, sondern dient als Opferanode zum Schutz der beiden anderen Teile vor Korrosion. Diese Opferanode wird im nächsten Abschnitt erläutert.

Opferanoden: Die gezielte Nutzung galvanischer Korrosion

Durch das gezielte Anbringen eines reaktiveren Metalls kann das weniger reaktive Metall vor Korrosion geschützt werden – dies nennt man Opferanode. Obwohl galvanische Korrosion meist als Nachteil betrachtet wird, kann sie bei geschicktem Einsatz ein Vorteil für Konstrukteure sein.

Ein perfektes Beispiel dafür ist die Howard-Frankland-Brücke in Tampa, Florida. Stahlkomponenten korrodierten dort durch das Salzwasser sehr schnell, und ein kompletter Austausch wäre äußerst teuer gewesen. Durch den Einsatz einer Zinkanode als Opferanode konnte die Stahlstruktur geschützt und die Lebensdauer der Brücke um mehr als vierzig Jahre verlängert werden! Auch in der Schifffahrtsindustrie wird diese Technik seit Jahrzehnten eingesetzt, um Eisen- und Stahlschiffe zu schützen.

Zwar erfordern Opferanoden regelmäßige Wartung, um sicherzustellen, dass das Opfermetall nicht vollständig korrodiert, aber sie stellen eine praktikable Lösung dar, wenn eine dauerhafte Alternative nicht möglich ist.

Verbundwerkstoffe und galvanische Korrosion

Obwohl galvanische Korrosion meist mit metallischen Strukturen in Verbindung gebracht wird, können auch Kohlefaserverbundstoffe eine galvanische Zelle bilden. Besonders problematisch ist dies, da Kohlefaser oft mit Aluminiumkomponenten oder Aluminium-Nieten kombiniert wird, um Gewicht zu sparen. Der Kohlenstoff in der Kohlefaser ist leitfähig und sehr kathodisch. Beispielsweise können Aluminium-Nieten in Kohlefaser innerhalb weniger Jahre – und noch schneller bei hoher Feuchtigkeit – stark geschwächt werden, was zu strukturellen Ausfällen führen kann. Die Problemlösung ist wie bei Metallen: Kompatible Materialien wählen oder die Kohlefaser von anodischen Metallen isolieren. So kann beispielsweise eine einzelne Lage Glasfaser zwischen den beiden unterschiedlichen Bauteilen als Isolator dienen, um eine Reaktion zwischen Kohlefaser und Aluminium zu verhindern.