5 Hauptarten der Aluminiumkorrosion

Korrosion von Metallen kann deren Funktionsfähigkeit beeinträchtigen und zu erheblichen strukturellen Schäden führen, darunter Rissbildung, Teilbruch und im Extremfall sogar zum vollständigen Materialversagen. Aluminium und seine Legierungen werden aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer inhärenten Passivität in verschiedensten Branchen eingesetzt. In diesem Artikel werden die fünf Hauptarten der Aluminiumkorrosion und deren Präventionsmöglichkeiten erläutert.

Was ist Aluminiumkorrosion?

Aluminiumkorrosion ist der allmähliche Abbau von Aluminiummolekülen zu ihren Oxiden, wodurch die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigt werden. Aluminium ist von Natur aus ein reaktives, aber gleichzeitig auch ein passives Metall. Das bedeutet, dass frisches Aluminium zwar mit Sauerstoff und Wasser in der Umgebung reagiert, die entstehenden Verbindungen jedoch eine Schutzschicht auf der Oberfläche bilden, die das darunterliegende Material vor weiterem Abbau bewahrt. Diese reaktionsträge Oxidschicht haftet gut an der Oberfläche und lässt sich, anders als bei Edelstahl, nicht leicht ablösen. Im Gegensatz zu gezielten Verfahren wie Laserätzen und Anodisieren von Aluminium ist Korrosion ein langsamer Prozess, der Monate oder Jahre dauern kann.

Arten der Aluminiumkorrosion

Der Grad und die Art der Aluminiumkorrosion hängen nicht nur vom korrosiven Medium ab, sondern stehen auch in engem Zusammenhang mit der Zusammensetzung und dem Härtegrad der Aluminiumlegierung. In typischen Einsatzumgebungen zählen Lochfraß, interkristalline Korrosion, Schichtkorrosion, Spannungsrisskorrosion (SRK) und galvanische Korrosion zu den wichtigsten Korrosionsformen von Aluminium und seinen Legierungen.

Lochkorrosion

Lochfraßkorrosion ist die häufigste Form der Materialermüdung bei Aluminium und Aluminiumlegierungen . Im Allgemeinen ist Lochfraß an Aluminiumlegierungen in der Atmosphäre nicht stark ausgeprägt, verläuft jedoch in Wasser deutlich aggressiver und kann innerhalb kurzer Zeit zu Durchschlag führen. Bedingungen, die Lochfraß begünstigen, sind das Vorhandensein von Ionen, die die allgemeine Korrosion hemmen (wie SO₄²⁻ ^, _SiO₃²⁻ und _PO₄²⁻ ), ^sowie _von ^Ionen , die die Passivschicht lokal zerstören (wie Cl⁻ ⁾ , und von Beschleunigern (Oxidationsmitteln), die die kathodische Reaktion fördern.

Um Lochfraß in Aluminiumlegierungen zu verhindern, werden zur Kontrolle der Umgebungsbedingungen häufig oxidierende Ionen, wie beispielsweise Chloridionen, aus dem Medium entfernt. Kupferionen im Wasser sind eine häufige Ursache für Lochfraß bei Aluminium, daher ist die Minimierung des Kupfergehalts im Wasser unerlässlich.

Hochreines Aluminium ist beständig gegen Lochfraß. Allerdings beeinflussen Gehalt und Verteilung von Verunreinigungen in handelsüblichem Reinaluminium dessen Beständigkeit gegen Lochfraß erheblich. Kupferhaltige Aluminiumlegierungen weisen die geringste Beständigkeit gegen Lochfraß auf. Aluminium-Mangan- und Aluminium-Magnesium-Legierungen können eine bessere Beständigkeit gegen Lochfraß erreichen, sofern die Verarbeitungsqualität stimmt.

Interkristalline Korrosion

Interkristalline Korrosion (IKK) bezeichnet Korrosionsschäden, die in einem bestimmten korrosiven Medium entlang oder unmittelbar angrenzend an die Korngrenzen eines Metalls entstehen und sich dort ausbreiten. Der physikalisch-chemische Zustand der Korngrenzen unterscheidet sich vom Korninneren. In bestimmten korrosiven Medien führt dieser Unterschied aufgrund der Wirkung mikrogalvanischer Zellen zu lokalisierten, selektiven Korrosionsschäden. In der Praxis ist Reinaluminium nicht von IKK betroffen. Legierungen der Systeme Al-Cu, Al-Cu-Mg und Al-Zn-Mg-Cu weisen hingegen eine signifikante Anfälligkeit für IKK auf. Eine unsachgemäße Wärmebehandlung kann die Neigung zu IKK erheblich verstärken. Insbesondere wenn sich die kupferreiche CuAl₂- _Phase kontinuierlich entlang der Korngrenzen ausscheidet, bilden sich gleichzeitig kupferverarmte Zonen in der Nähe der Korngrenzen. Es entsteht eine Korrosionszelle, in der die CuAl₂-Phase _und die kupferverarmte Zone die Kathode bzw. Anode bilden. Die kupferverarmte Zone korrodiert, was zu IKK führt.

Darüber hinaus kann Korngrenzenausscheidung auch in anderen Legierungssystemen auftreten. Beispielsweise können sich an den Korngrenzen von hochmagnesiumhaltigen Aluminiumlegierungen grobe Ausscheidungen der magnesiumreichen Phase bilden. Diese Phase wirkt als Anode, wird selektiv geschädigt und verursacht interkristalline Korrosion (IKK). Diese Vorgänge reagieren empfindlich auf die Verarbeitung und Wärmebehandlung der Legierung. Eine korrekte Verarbeitung kann empfindliche Legierungen weniger anfällig machen, während eine ungeeignete Verarbeitung selbst bei ursprünglich wenig empfindlichen Legierungen zu starker IKK führen kann.

Durch eine geeignete Wärmebehandlung zur Beseitigung der kontinuierlichen Ausscheidung schädlicher Phasen entlang der Korngrenzen kann die Neigung zur interkristallinen Korrosion wirksam gemindert werden.

Abblätterungskorrosion

Schichtkorrosion ist eine spezielle Korrosionsform, die Aluminiumlegierungen betrifft. Sie zeichnet sich durch seitliche Ausbreitung entlang der Korngrenzen parallel zur Oberfläche des Legierungsprofils aus. Diese Schädigung äußert sich in Form von Pulverisierung, Abblättern, Blasenbildung oder sogar Delamination. Schichtkorrosion reduziert die Festigkeit und Duktilität der Aluminiumlegierung erheblich und verkürzt dadurch die Lebensdauer des Bauteils. Schichtkorrosion tritt häufig auf, wenn Aluminiumlegierungen nicht oder nur unzureichend geglüht wurden. Aluminiumlegierungen, die einer Stabilisierungsbehandlung unterzogen wurden, weisen oft eine höhere Anfälligkeit für Schichtkorrosion auf. Werden bestimmte Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Temperatur, erfüllt, setzt Schichtkorrosion ein, die lokale Korrosion beschleunigt sich und die Legierung erleidet schwere Schäden mit einer charakteristischen schichtweisen Abblätterungsmorphologie.

Zu den wichtigsten Maßnahmen zur Minderung oder Beseitigung von Schichtkorrosion in Aluminiumlegierungen gehören:

• Durch die Zugabe von kornfeinenden Übergangsmetallen wie Chrom und Mangan wird die Ausscheidung von Zweitphasen an den Korngrenzen gehemmt oder verlangsamt und deren gleichmäßige Verteilung sowohl innerhalb der Körner als auch an den Korngrenzen gefördert. Dies unterbricht den anodischen Korrosionsweg.
• Durch den Einsatz von Elementen, die die Potentialdifferenz zwischen den Phasen verringern, wie beispielsweise durch die Zugabe einer kontrollierten Menge Zn zu Al-Mg-Legierungen.
• Anwendung geeigneter Wärmebehandlungsverfahren.
• Verwendung von kathodischem Korrosionsschutz mittels Opferanoden.

Spannungsrisskorrosion

Spannungsrisskorrosion (SRK) bezeichnet das verzögerte Auftreten von Rissen oder Brüchen in beanspruchten Aluminiumlegierungen in bestimmten Medien. Dieses Phänomen ist das Ergebnis des Zusammenwirkens eines korrosiven Mediums und mechanischer Spannungen.

Spannungsrisskorrosion (SRK) tritt vorwiegend in hartem Aluminium und ultraharten Aluminiumlegierungen auf. Reinaluminium und niedrigfeste Aluminiumlegierungen neigen im Allgemeinen nicht zu SRK. SRK in Aluminiumlegierungen ist stets interkristallin. Aluminiumlegierungen, die anfällig für interkristalline Korrosion (IKK) sind, sind auch anfällig für SRK. SRK tritt häufig auf, wenn Aluminiumlegierungen der Atmosphäre ausgesetzt sind, insbesondere in Küstennähe und im Meerwasser. Die Anfälligkeit für SRK steigt mit zunehmender Temperatur und Luftfeuchtigkeit, höherer Chloridionenkonzentration und niedrigeren pH-Werten.

Zu den Maßnahmen zur Vorbeugung oder Beseitigung von Spannungsrisskorrosion in Aluminiumlegierungen gehören:

• Wärmebehandlung zur Entlastung innerer Spannungen.
• Legieren mit Spurenelementen wie Mn, Cr, V, Zr und Mo zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Zugspannungsrisskorrosion.
• Durch Kugelstrahlen wird der Oberflächenspannungszustand verändert (Einführung vorteilhafter Druckeigenspannungen).

galvanische Korrosion

Galvanische Korrosion betrifft Aluminium, wenn es physikalisch oder elektrolytisch mit einem edleren (reaktionsärmeren) Metall in Kontakt kommt. Ein Edelmetall ist jedes Metall, das eine geringere Reaktivität als Aluminium aufweist. Die Reaktivität eines Metalls wird durch seine Position in der elektrochemischen Spannungsreihe bestimmt. Je weiter ein anderes Metall in der Spannungsreihe von Aluminium entfernt ist, desto stärker ist die Korrosion. Die Korrosionsintensität ist an der Grenzfläche, an der die beiden Metalle aufeinandertreffen, am höchsten und nimmt mit zunehmendem Abstand von dieser Grenzfläche ab. Befinden sich beispielsweise Aluminium und Messing in Kontakt oder auch nur in unmittelbarer Nähe und werden sie in Meerwasser getaucht, bildet sich eine galvanische Zelle. Das Aluminium korrodiert dann, da es als Anode wirkt. Dies kann in Behältern, in denen sich Messing- und Aluminiumarmaturen in der Nähe befinden und beide in Meerwasser eingetaucht sind, ein erhebliches Problem darstellen. Elektronen fließen vom Aluminium (Anode) durch das Meerwasser (Elektrolyt) zum Messing (Kathode).