Dieser Artikel behandelt die Korrosion von Eisenwerkstoffen. Für andere Bedeutungen sieheRost (Begriffsklärung).
Korrosionsverlauf an einerlackierten OberflächeStark verrostetesStahlblechRost auf einem Blech, welches im Salzsprühtestgerät war. Auf der oberen Hälfte ohne Grundierung, auf der unteren Hälfte Grundierung + Decklack
AlsRost bezeichnet man dasKorrosionsprodukt, das ausEisen oderStahl durchOxidation mitSauerstoff in Gegenwart vonWasser entsteht. Rost ist porös und bietet keinen Oberflächenschutz vor weiterer Zersetzung, anders als die Oxidschicht anderer metallischer Werkstoffe wie bei Chrom, Aluminium oder Zink oder beim nur oberflächlich verrostetenCortenstahl. Anhand dieser Eigenschaften werden die Metalle in die Gruppen Eisenmetalle (rosten) undNichteisenmetalle (rosten nicht) unterschieden.
Rost (bzw. Eisenrost, lateinisch früher wie Eisen undEisenhammerschlag auch alsFerrum bezeichnet[2]) ist somit ein wasserhaltiges Oxid des Eisens, einechemische Verbindung, die zu denOxiden gehört und zusätzlich Wasser und Hydroxidionen enthält (Oxidhydrat). Sie entsteht durch dieOxidation des Eisens, ohne dass höhere Temperaturen erforderlich wären. Rost ähnelt somit der Verbindung Braunstein (wasserhaltigesMangandioxid), welche ebenfalls als Oxidhydrat eines Übergangsmetalls anzusehen ist.
Rost bildet lockere Gefüge geringerFestigkeit. Die Oxidation bewirkt eine Zunahme der Masse und des Volumens. Letztere führt zuSpannungen und zum Abplatzen der Rostschicht (siehe Abbildungen).
Zum Korrosionsschutz werden Eisenwerkstoffe mit Schutzschichten überzogen, mitOpferanoden versehen oder auch nachträglich mitPhosphorsäure oderCitronensäure entrostet und dann neugeschützt.
Betonstähle rosten nicht, wenn sie gut gekapselt imBeton eingebettet sind, da sich durch das alkalische Milieu (pH > 12) im Beton eine vor Korrosion schützende Passivschicht auf der Oberfläche des Stahls bildet. Durch den Vorgang derCarbonatisierung kann der pH-Wert des Betons so weit absinken, dass keine schützende Passivschicht auf dem Stahl mehr vorhanden ist. Wenn dann Wasser und Luft Zutritt zum Stahl erhalten, kann dieser rosten. Infolge der Volumenzunahme des Rosts platzt die Betonoberfläche im Bereich des rostenden Stahls auf und der Zerfall wird beschleunigt, weil dadurch Wasser und Luft noch besseren Zutritt haben.
Getränkedose ausWeißblech mit Rostdurchbrüchen durch dieZinn-Schutzschicht
Im Fall einer Säurekorrosion (Wasserstoffkorrosion) entziehen die Protonen (Wasserstoffionen) der Säure dem Metall Elektronen: Eisen reagiert mit Wasserstoff-Ionen im Wasser (bei A) zu Eisen-II-Kationen:
Die Wasserstoffionen (Oxidationsmittel) reagieren hierbei zu Wasserstoffgas (Redoxreaktion), da sie die Elektronen des Metalles aufnehmen (Reduktion des Oxidationsmittels). Das Reaktionsschema der Gesamtreaktion lautet somit:
Schematische Darstellung des Rostens von Eisen (grau) in Gegenwart von Wasser (blau) und Sauerstoff (weiß). Erläuterung zu den Ziffern siehe Text.
Im Fall einerSauerstoffkorrosion (Verwitterung des Eisens zu Rost) wirktSauerstoff als Oxidationsmittel: Er nimmt Elektronen auf.
In der schematischen Darstellung des Rostens (siehe Bild) befindet sich auf einer Eisenoberfläche (grau) ein Wassertropfen (blau), umgeben von Luft (weiß). Gemäß derSpannungsreihe der Elemente diffundieren die positiv geladenen Eisenionen in die wässrige Umgebung, dieElektronen verbleiben im Metall und laden es negativ auf, siehe ① in der Schemazeichnung.
Neutrales Wasser enthält 10−7 mol/L Wasserstoffionen (Autoprotolyse):
Die negative Aufladung des Metalles und die Grenzschicht aus positiv geladenen Eisenionen über der Eisenoberfläche verhindern im Allgemeinen eine schnelle Umsetzung mit Protonen: Sauerstoff- und luftfreies Wasser greifen das Eisenmetall nicht an.
Ist jedoch Sauerstoff vorhanden, übernimmt er den Transport der Elektronen. Er diffundiert von außen in den Wassertropfen (siehe Schemazeichnung). Der Konzentrationsunterschied im Wassertropfen erzeugt nun eine Potenzialdifferenz zwischen ② und ③. Deranodische Bereich ② und derkathodische Bereich ③ bilden mit dem Wasser alsElektrolyten einegalvanische Zelle, eineRedoxreaktion läuft ab.
Die Elektronen reagieren mit Wasser und Sauerstoff zu Hydroxid-Ionen, siehe bei ③ in der Schemazeichnung:
Die Hydroxid-Ionen bilden mit den Eisenionen Eisen(II)-hydroxid ④.
Eisen(II)-hydroxid ist olivgrün bis graugrün und wird in Gegenwart von Wasser und Luft zu Eisen-III-Ionen umgesetzt. Zusammen mit den Hydroxidionen bildet sich bei dieser zweitenRedoxreaktion rostbraunes Eisen(III)-hydroxid:
Durch Wasserabgabe bildet sich hieraus schwerlösliches Eisen(III)-oxid-hydroxid, das sich auf der Eisenoberfläche bei ⑤ ablagert:
Außerdem finden folgende Vorgänge statt:
Das anfangs gebildete Gemisch aus Eisen(II)-hydroxid und Eisen(III)-hydroxid wird somit durch teilweise Wasserabgabe zu einer beständigen Mischung aus Eisen(II)-oxid, Eisen(III)-oxid undKristallwasser umgesetzt, die umgangssprachlich alsRost bezeichnet wird:
Unter Sauerstoffmangel oxidiert Eisen zuEisen(II)-Oxid (FeO) oderMagnetit (Fe3O4). Diese sind im Gegensatz zum typischen roten Rost (Fe2O3) schwarz und werden daher auch als „Schwarzer Rost“ bezeichnet.
Technisch wird Eisen durchBrünieren unter Sauerstoffmangel oxidiert, umKorrosion zu vermindern, Farbe und Reflexionsvermögen zu verändern oder umtribologische Eigenschaften zu verbessern. Einsatzgebiete liegen imMaschinen- undWerkzeugbau und bei der Herstellung vonHandfeuerwaffen. Eine wichtige Bedeutung hat das Brünieren von Wälzlagern, um deren Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu steigern.
Wenn Eisen mit einem anderen Metall in Berührung kommt, entsteht an der Kontaktstelle einLokalelement, das zur Korrosion desunedleren Metalls führt. Der Rostvorgang wird zudem durch die Anwesenheit von Salzen beschleunigt, da diese die Leitfähigkeit des Wassers erhöhen. Die Wanderung der Ionen im Wasser ist wichtig für den Korrosionsprozess, andernfalls wäre der Stromkreis unterbrochen und die Korrosion käme sehr schnell zum Erliegen (vgl.Salzbrücke in einer normalen elektrochemischen Zelle).
Oxidations- und Korrosionvorgänge, die der Rostbildung ähneln
Wasserfreie Oxidationsprodukte, die sich bei hohenTemperaturen auf der Oberfläche von Eisen bilden, werden alsZunder bezeichnet. Sie bestehen, anders als Rost, aus wasser- bzw. hydroxidfreien Eisenoxiden unterschiedlicherOxidationsstufen. Besonders beimSchmieden von glühendem Eisen platzen durch Hammerschläge von der Oberfläche dünne grauschwarze Eisenoxidschichten ab, die alsHammerschlag bezeichnet werden.
Auch bei anderenMetallen wieZink,Chrom,Aluminium oderNickel, die teilweise auchunedler als Eisen sind, oxidieren nur die oberstenAtomlagen zu einer kaum sichtbaren Oxidschicht, die das darunterliegende Metall vor weiterer Reaktion mit Sauerstoff abschirmt (siehe auchPassivierung).
In Gegenwart von Luft und Wasser können jedoch auch Verwitterungs- und Korrosionsvorgänge eintreten, so z. B. beiKupfer zuPatina. Beim Eisen jedoch kommt die Korrosion an der Rost/Materialgrenzfläche nicht zum Stillstand, weil die elektrische Leitfähigkeit des schon gebildeten (feuchten) Rosts und seine Sauerstoffdurchlässigkeit die weitere Korrosion an der Grenze Rost/Material begünstigen.
Bei Temperaturen über 180 °C bilden sich auf Oberflächen von Eisenwerkstoffen bei Einwirkung von Wasserdampf mit hoher Temperatur Schutzschichten ausMagnetit (Fe3O4). Es entsteht durch Reaktion von metallischem Eisen mit Wassermolekülen unter Bildung von Wasserstoff. Bei Rohren in Hochdruckkesseln mit örtlich sehr hoher Wärmebelastung kann diese Reaktion verstärkt ablaufen und ist manchmal eine der Ursachen von Rohrreißern. Hohe pH-Werte des Wassers, insbesondere in Gegenwart von Alkaliionen, beschleunigen diese Reaktion zusätzlich.
Mechanisches Entrosten mit einer rotierendenDrahtbürste
Stark gerostete Metalle können durchBürsten oderSchleifen von Rost befreit werden. Eine der wirkungsvollsten Methoden für die Entrostung ist dasStrahlen (Sandstrahlen). Insbesondere wenn stärkere Schichten entfernt werden, werden auch pneumatischeNadelentroster eingesetzt.
Rost lässt sich mitSäure auflösen. Geeignet ist beispielsweise verdünntePhosphorsäure oder 60%igeEssigsäure.[3] Damit die Säure später nicht zu unerwünschten Reaktionen führt, sollte sie nach der Behandlung gegebenenfalls mit einerLauge neutralisiert und jedenfalls mit viel Wasser abgespült werden. Der blanke Stahl muss zügig getrocknet werden, um keinenFlugrost anzusetzen. Meist wird er anschließend durch einen Ölfilm oder eineBeschichtung vor erneutem Rostansatz geschützt. Phosphorsäure ist meist auch in alsRostumwandler bezeichneten Produkten enthalten.
Als Inhaltsstoff in Rostfleckenentfernern (z. B. fürAutofelgen) wirdNatriummercaptoacetat eingesetzt. Das Einsetzen der Reaktion zeigt sich an einer violetten Färbung.[4]
Heizungsrohre aus Eisen rosten innen nicht, wenn das Wasser in einem geschlossenen System ohne Luftzutritt geführt wird. Zudem sinkt die Löslichkeit von Sauerstoff mit steigender Erwärmung des Wassers.
Bei Sprinkleranlagen wird sehr darauf geachtet, dass das in gefüllten Rohren befindliche Wasser so gut wie nie erneuert wird. Auf diese Weise können sie nicht durchrosten, weil der ursprünglich im Wasser enthaltene Sauerstoff schnell erschöpft und das Wasser damit sauerstofffrei ist.
Man kann diesen Reaktionen aber auch durch verschiedene andere Schutzmaßnahmen vorbeugen. Ein Beispiel dafür ist diePassivierung: das Überziehen mit solchen unedleren Metallen, die eine stabile Oxidschicht bilden. Ein Metall kann ebenfalls durchGalvanisieren,Verzinken oderVerchromen mit einem anderen Metall als Schutzschicht gegen Oxidation versehen werden. Weitere Schutzüberzüge sind diffusionsdichte und porenfreie Anstriche und Beschichtungen mit Kunststoffen und Schleuderbeton.
Da Wasser als Elektrolyt in der Reaktion zur Rostentwicklung wirkt, ist das Trockenhalten eine gute Gegenstrategie. So gibt es beispielsweise in Gegenden mit geringerLuftfeuchtigkeit praktisch keine Rostschäden an Autos.
Pipelinerohre und auch die Stahlblechwickel umBleikabel (bis etwa 1970 für Telefon und Elektrizität) wurden mitbitumengefülltenJutematten bzw. -streifen belegt, um Benetzung mit Wasser im Erdreich zu verhindern. Noch heute werden die besonders korrosionsgefährdeten Stellen, wo Ampel- oder Leuchtenmasten oder auch Erdungsstangen etwa den Gehsteig durchdringen, mit bituminöser, fetter oder betonierter Umhüllung versehen.
Eine weitere Möglichkeit sind Schutzschichten ausFett,Lack,Chrom oder Metallauflagen (Metallische Überzüge), die das Eisen von der Umgebung abschirmen (Feuerverzinken,Weißblech). Sobald diese Schutzschicht zerstört wird, beginnt der Rostungsprozess.
Verrosteter Briefkasten auf einer durchFeuerverzinken geschützten Wand
Beispiel 1:Feuerverzinken schützt Eisen nachhaltig vor Rostbefall. Kommt es zu einer Schädigung der Beschichtung, bilden Zink und Eisen bei Zutritt von Wasser ein Lokalelement (ähnlich einer Batterie). Zink als das unedlere Metall korrodiert und bewahrt das Eisen vor Oxidation. In den meisten Zinkstaubfarben („Zinkspray“) kann das Zink dagegen nicht galvanisch wirken, da es durch das Bindemittel isoliert wird. Nur Zinkstaubfarben mit elektrisch leitendem Bindemittel oder Zinkstaubfarben aufEpoxidharz-Basis mit geeigneterPigment-Volumen-Konzentration (PVK), bei der sich die Zinkteilchen berühren, schützen gut vor Korrosion.[5]
Bei einer Beschichtung mit einem edleren Metall (zum Beispiel Zinn beiWeißblech) tritt der umgekehrte Fall ein. Das Eisen rostet, möglicherweise verdeckt von der Schutzschicht (siehe Bild der Getränkedose). Die Anwesenheit eines edleren Metalls fördert sogar die Oxidation. Das Lokalelement aus Eisen und dem edleren Metall verhindert die schützende negative Aufladung des Eisens (siehe oben).
Beispiel 2: Eisenrohre werden elektrisch mit einer sogenanntenOpferanode aus einem unedleren Metall verbunden. Wie im ersten Beispiel wird Eisen auf Kosten der Opferanode geschützt, sofern beide über einenElektrolyten, zum Beispiel feuchtes Erdreich, im Kontakt stehen.
Beispiel 3: Statt einer Opferanode schützt auch eine elektrisch leitende Elektrode (zum Beispiel Graphit), wenn sie über eine externe Gleichspannungsquelle auf einem positiven Potenzial relativ zum Eisen gehalten wird. Dies nennt man dannkathodischen Korrosionsschutz, der beiPipelines und imBrückenbau eingesetzt wird.
Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze (Hrsg.):Werkstoffkunde. Schroedel, Hannover u. a. 1978,ISBN 3-507-96002-8 (7., überarbeitete Auflage. Springer, Berlin u. a. 2000,ISBN 3-540-66855-1).
Herbert E. Hömig:Physikochemische Grundlagen der Speisewasserchemie. 2. Auflage. Vulkan Verlag Dr. W. Classen, Essen 1963.
Werner Schatt (Hrsg.):Einführung in die Werkstoffwissenschaft. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1991,ISBN 3-342-00521-1.
↑Otto Beßler:Prinzipien der Drogenkunde im Mittelalter. Aussage und Inhalt des Circa instans und Mainzer Gart. Mathematisch-naturwissenschaftliche Habilitationsschrift, Halle an der Saale 1959, S. 184 („Ferrum – ysen und ferrugo, squama ferri“).
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