ALU-Edelstahl-Kontakkorrosion–Hinweise und Tipps

Verfasst von TD-Admin am 10. Dezember 2015
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von Fritz Guthmann, GuthmannDecker@GMX.de

 

In der Regel kann sich Aluminium auf Grund seiner eigenen Oxydschicht sehr gut selbt schützen. Im Yachtbau ist es aber unvermeidlich, dass unterschiedliche Materialien wie z.B. Aluminium und Edelstahl zum Einsatz kommen. Grundsätzlich ist Edelstahl und Aluminium verträglich. Dabei meinen wir einen Edelstahl wie 1.4401 (X5CrNiMo17-12-2) und nicht einen X12CrNi18-8 oder 1.4301 (X5CrNi18-10) wie er immer wieder aus Kostengründen bei Yachten verwendet wird.

Nichtrostender („rostfreier” ? Stahl zeichnet sich durch einen Anteil von mehr als 10,5 Prozent Chrom aus, der im austenitischen oder ferritischen Mischkristall gelöst sein muss. Durch diesen hohen Chromanteil bildet sich eine schützende und dichte Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoffoberfläche aus. Weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan und Niob führen zu einer noch besseren Korrosionsbeständigkeit oder günstigeren mechanischen Eigenschaften. Damit kommt es also kaum zu elektrolytischen Reaktionen zwischen der Aluminium-Oxyd-Schicht und der Passiv-Chromoxydschicht.

Al2O3 (Aluminium-Oxyd) ist ein sehr guter Isolator und besitzt sehr hohe Durchschlagsfestigkeit von 35 kV/mm. Der Spezifische Widerstand beträgt bei 20 °C 1012 m, bei 1000 °C sinkt er auf 107 ·m. Die relative Permittivität beträgt 9–10 bei 100 MHz, der Verlustwinkel etwa 10 4. Das erklärt auch die Unempfindlichkeit bei einer nicht beschädigter Aluminium-Oxydschicht gegen eine Kontaktkorrosion. Auch wenn die AL-Oxyd-Schicht mechanisch beschädigt würde, dann wird sehr schnell eine neue Oxyd-Schutzschicht gebildet, so dass kaum eine Kontaktkorrosion sich entwickeln kann.

Um also eine Kontakt-Korrosion bei einem der Metalle zu verursachen, muss also eine der schützenden Oxyd-Schichten zerstört werden.

Beispiel:

  • Aluminium-Yacht AlMg4,5Mn (EN AW-5083), Abgasausleitung über einen eingesetzte Edelstahl - Abgasstutzen X5CrNiMo17-12-2 der direkten Kontakt mit dem Aluminiumhat.

Zuerst einmal können wir davon ausgehen, trotz Abgastemperaturen bis zu 200°C, dass nicht das geringste passieren wird. Das Spannungspotentiel zwischen den beiden Metallen kann vernachlässigt werden.
Das Problem aber das sich ergeben kann, dass die Aluminium- Oxydschicht zerstört wird durch die Abgase in denen ......

  • Kohlenmonoxid (CO),
    unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC),
    Stickstoffoxide (NOx),
    Schwefeldioxid (SO2 ) und
    Schwefelsäure (H2S04)
    sowie Rußpartikel.
  • in geringen Anteilen

enthalten sind.

Schwefeldioxid (SO2 ) und Schwefelsäure (H2S04) zerstören auch in geringen Ateilen jede sich fortlaufend nachbildende Aluminium-Oydschicht, so dass es in diesen Bereich zu einer atmosphärische Korrosion, durch die Schadstoffkonzentration kommt. Um das zu unterbinden, ist ein Beschichtungs-System erforderlich, dass die atmosphärische Korrosion - durch das Schwefeldioxyd und der Schwefelsäure verhindern kann. Für diesen Anwendungsfall gibt es zahlreiche Multicoat-Systeme die auch in Kraftstoffanlagen der Schifffahrt oder auch in Fäkalien- Wassertankanlagen verwendet werden. Dabei genügt eine Schichtstärke von ca. 0,25 mm um einen jahrzehntelangen Schutz der Oxydationsschicht zu ermöglichen. Das ist also nichts besonderes und im Grunde Standard im Maschinenbau wo wir ähnliche Reaktionen haben.

Zur Vorbereitung der Schutzschicht sollte das Aluminium nach DIN ISO 12944 - 4, Normreinheitsgrad SA 2 /2 mit Glasperlen oder Korrund gestrahlt werden. Im kleinen Bereichen wird ein ähnliches Ergebnis mit einer Kniebürste (ca. 3000 - 4000 U/min) erzielt. Auch wenn bei der Bearbeitung von Aluminium unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen, muss keiner befürchten dass sich z.B. Stahl und Aluminium verbindet. Bei der Bearbeitung bildet sofort das Aluminium wieder seine schützende Oxydschicht. Auch wenn sich winzige FE-Partikel aus der Kniebürste lösen würden, ist eine physikalische Verbindung von FE-Oxyd und AL-Oxyd nicht möglich. Auch wenn eine solche Kniebürste oxydiert wäre, dann haben wir es immer mit FE(III)-Oxyd zu tun, das sich nicht mit AL-Oxyd verbinden kann.

Grundsätzlich ist also immer bei der Verwendung von Edelstahl und Aluminium vorher zu prüfen, ob chemische Einflüsse wie oben beschrieben eine Alu-Oxydschicht beschädigen können und dadurch eine Kontaktkorrosion zwischen (ALU - (Schwefelsäure und Schwefeldioxyd) - EDELSTAHL) ermöglichen. Da solche Reaktionen im Maschinen- Werkzeugbau seit mehreren Jahrzehnten bekannt sind, ist es kein Problem das zu unterbinden. Je nach Einzelfall kann es aber erforderlich sein, dass die Konstruktion entsprechend anzupassen ist.

Konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen:
Sollen artverschiedene metallische Werkstoffe miteinander verbunden werden (Mischbaukonstruktion), so kann eine elektrische Isolierung zwischen den Metallen zu einem vollständigen Schutz der Bauteile gegen Kontaktkorrosion führen. Die Isolierung muss vollständig sein und wird durch Isolierhülsen, -scheiben, -binden und -pasten vorgenommen. Ungeeignete Isolierstoffe oder unsachgemäße Anwendung an sich geeigneter Stoffe führen zu Schäden an der Verbindung. Vor allem ist auf die Vermeidung von Spalten zwischen Isoliermaterial und Werkstoffoberfläche zu achten, um die Begünstigung von Spaltkorrosion bei Vorhandensein eines Elektrolyten zu vermeiden. Bei der Verschweißung artverschiedener Werkstoffe ist darauf zu achten, dass einer großen Anode eine möglichst kleine Kathode (z. B. Schweißnaht in einer Behälterwand) gegenübersteht. Das funktioniert aber nur in der Regel im Maschinenbau und nicht im maritimen Bereichen.

Häufig lässt sich die Kontaktkorrosion durch Beschichtungen oder durch Überzüge vermeiden, wobei entweder beide Kontaktpartner geschützt werden oder - besser - nur der kathodische (edlere) Bereich. Dabei hat sich auch die Bleimennige bewährt oder noch besser eine 2 Komp. Zinkstaubbeschichtung besonders im maritimen Bereichen.

Zur Beurteilung der Wahrscheinlichkeit und der Intensität des Auftretens von Kontaktkorrosion sind folgende Faktoren wichtig:

Temperatur der Umgebung, der Kontaktpartner, etc.

Größe der Potentialdifferenz zwischen den Kontaktpartnern gemessen unter relevanten Versuchsbedingungen. Der anodische (elektronegativere) Partner ist korrosionsgefährdet. Die Erfahrung lehrt, daß Kontaktkorrosion dann auftreten kann, wenn eine Potentialdifferenz von mindestens 100 mV zwischen den Kontaktpartnern besteht.

Die Höhe des elektrischen Widerstands zwischen den Kontaktpartnern. Je höher der Widerstand desto geringer die Gefahr von Kontaktkorrosion.

Vorhandensein eines Elektrolyten mit entsprechender Aggressivität und Leitfähigkeit. Auch das Auftreten von Schwitzwasser ist zu berücksichtigen, das durch Ansammlung von Schmutz (z.B. Streusalz) aggressive Elektrolytwirkung entwickeln kann.

Dauer der Einwirkung des Elektrolyten. Ein vollständiges Abtrocknen durch ausreichende Belüftung ermöglicht die Erneuerung der schützenden Deckschicht auf Aluminium.

Flächenverhältnisse der Kontaktpartner bestimmen u.a. die Stromdichte (Summenstromdichte der anodischen und kathodischen Teilreaktionen) der elektrochemischen Reaktion. Günstig wirkt sich ein kleines Flächenverhältnis des „edleren“ zum „unedleren“ Kontaktpartner aus.

Vermeiden von Kontaktkorrosion

Zink schützt im allgemeinen Aluminium kathodisch und wird bevorzugt angegriffen. Geeignete Kontaktpartner für Aluminium sind daher verzinkte Stahlteile (Blechteile, Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben etc.). Voraussetzung für gutes Langzeitverhalten ist eine genügend dicke Zinkschicht (mindestens 50 m).

Unter normalen Bedingungen (periodische Trockenzeiten zur Repassivierung) ist auch der Kontakt zwischen Edelstahlteilen (z.B. Schrauben) und Aluminium ungefährlich. (Flächenverhältnisse beachten)

Unter günstigen Bedingungen (gute Belüftung, Lage am Bauteil, geringes Flächenverhältnis) ist sogar der Kontakt zwischen Messing und Aluminium problemlos. Beispiel: Messingfittings an offenliegenden, ungeschützten Aluminium-Dieseltanks für LKW.

Kohlenstoff (Graphit) greift Aluminium an. Zu vermeiden sind graphithaltige Schaumgummidichtungen. Dies gilt auch bei lackierten Aluminiumteilen, z.B. PKW-Türen und -Deckel. Verletzung der Lackschicht, z.B. durch Steinschlag, führt zueinem ungünstigen Flächenverhältnis und dadurch zu Korrosionserscheinungen an der Schadstelle.

Oberflächenschichten (z.B. Wachs, Öl, Grundierung, Lackierung) verhindern oder verzögern den Zutritt des Elektrolyten zum Metall und damit die Kontaktkorrosion.

Bevorzugt sollte der „edlere“ Kontaktpartner durch eine nicht leitende (organische) Beschichtung vom Elektrolyten isoliert werden und der unedlere Kontaktpartner mit einer leitenden Beschichtung versehen werden.  Im umgekehrten Fall ist an Beschädigungen der Beschichtung des unedleren Partners mit verstärktem Korrosionsangriff ind diesen Fall z.B. Blei oder Zink zu rechnen (Flächenverhältnis).

In kritischen Fällen sollten beide Kontaktpartner voneinander vollständig elektrisch isoliert werden (Kunststoffzwischenschicht etc.). Allerdings ist darauf zu achten, daß kein Nebenschluß stattfindet, was aber in der Regel im maritimen Bereichen meist nicht durchführbar ist.

Verbindungselemente (Schrauben etc.) zur Verbindung von unterschiedlichen Metallen (z.B. von Stahl mit Aluminium) sollten aus dem „edleren“ Metall, bevorzugt mit aluminierter Oberfläche sein. Diese Schrauben sind im Fachhandel erhältlich.

Spalte, Sacklöcher, sogenannte „Wannen“ etc. an den Kontaktstellen sollten konstruktiv und fertigungstechnisch vermieden werden, um der Ansammlung von Elektrolyt vorzubeugen. Notfalls sind Entwässerungslöcher vorzusehen und Spalte mit dauerelastischen Massen auszufüllen.

Bei besonders ungünstigen Verhältnissen, z.B. bei nicht vermeidbarer, dauerhafter Benetzung mit Elektrolyt in Dauertauchzonen kann man auf den Korrosionsschutz durch spezielle Opferanoden zurückgreifen.

Hinweis: Anodisieren ist kein geeigneter Schutz gegen Kontaktkorrosion.

Grüße Friedrich


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