Korrosion, Oxidation und Rost sind verwandte, aber unterschiedliche Prozesse. Korrosion ist die allmähliche Verschlechterung von Materialien, insbesondere von Metallen, die durch chemische Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung verursacht wird. Oxidation, Korrosion und andere chemische Reaktionen führen zu einer Verfärbung, Verformung oder Metamorphose des Werkstoffs. Daher ist es wichtig, die Unterschiede und Zusammenhänge zwischen Korrosion, Oxidation und Rost zu kennen.

Es trägt dazu bei, die Lebensdauer von Materialien zu erhalten, negative wirtschaftliche Auswirkungen zu minimieren und die Sicherheit in verschiedenen Bereichen zu erhöhen. Ein solches Verständnis liefert der Industrie Maßnahmen und Strategien, um die Alterungsrate der Materialien zu verringern und so die Haltbarkeit kritischer Komponenten zu verbessern. Dies wiederum senkt die Reparatur- und Ersatzkosten. Die weltweite Umsetzung bewährter Verfahren zur Korrosionsprävention könnte erhebliche Einsparungen bringen, die auf 15–35% der Schadenskosten geschätzt werden, was jährlich US$375 Milliarden bis US$875 Milliarden entspricht.^[1]. Es ist unerlässlich, diese Phänomene zu regulieren, um katastrophale Ausfälle zu verhindern, die in wichtigen Bereichen wie dem Bauwesen und dem Verkehr Menschenleben gefährden können. Darüber hinaus führt dieses Wissen zu Innovationen, wie beispielsweise der Entwicklung neuer Materialien, die nicht so leicht korrodieren. Es trägt zur Schaffung besserer und nachhaltigerer Produktkonzepte bei, da es als Motor des Wandels fungiert.

Definition von Korrosion

Korrosion ist eine Art der Zersetzung, die Materialien wie Metalle aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen dem Material und seiner Umgebung beeinträchtigt und zu unwirtschaftlichen, unsicheren und ungesunden Produkten führt. Diese Zersetzung kann in mehreren Schritten erfolgen. Er führt in der Regel zur Bildung von Oxid-, Hydroxid- oder ähnlichen Verbindungen innerhalb des Materials, die die ursprüngliche Konstruktion des Materials verbeulen/zerstören.

Arten von Korrosion

Die Koronation kann in verschiedenen Formen auftreten, je nach Umgebung und Materialien, die mit den Korrosionsmitteln in Kontakt kommen. Zu den häufigsten Formen gehören:

1. Galvanische Korrosion

Sie tritt auf, wenn sich zwei verschiedene Metalle in einer feuchten Umgebung elektrisch verbinden. Das anodische Metall verschlechtert sich schneller, als wenn es unabhängig davon existiert, während das kathodische Metall langsamer verschlechtert wird. Der Potenzialunterschied zwischen zwei Metallen ist für die galvanische Korrosion entscheidend und wird durch die Nernst-Gleichung beschrieben:

E_Zelle=E⁰_Kathode-E⁰_Anode-(RT/nF) ln([Ox]/[Red] )

E_Zelle=Zellpotenzial, E⁰=Standard-Elektrodenpotentiale, R=Gaskonstante, T=Temperatur, n=Anzahl der übertragenen Elektronen und F ist die Faraday-Konstante.

2. Lochfraßkorrosion

Lochfraßkorrosion ist eine Form der lokalen Korrosion, bei der kleine, tiefe Löcher im Material entstehen. Sie ist besonders gefährlich, weil sie zu einem schnellen Materialversagen führen kann, selbst bei minimalem Gesamtmaterialverlust. Der Lochfraßfaktor dient zur Beurteilung der Auswirkungen von Lochfraßkorrosion. Wenn der Lochfraßfaktor höher ist, bedeutet dies, dass die Lochfraßkorrosion schwerwiegend ist.

Lochfraßfaktor=(Tiefe des tiefsten Lochs)/Durchschnittlicher Dickenverlust aufgrund von Korrosion

3. Spaltkorrosion

Bei dieser Art von Korrosion bilden sich in Gruben, Spalten oder unter Ablagerungen Zellen mit einer hohen Sauerstoffkonzentration. Infolgedessen kann die lokale Lösung stagnieren, was zu örtlicher Korrosion führt. Spaltkorrosion tritt z. B. an der Nahtstelle eines Metallblechs auf, wo Metall mit einer Dichtung verbunden ist, oder bei der Verwendung von Schrauben und Muttern. Die Geschwindigkeit der Spaltkorrosion hängt von Faktoren wie der Konzentration von Chloridionen ([Cl^-] und dem pH-Wert der Lösung im Spalt:

Korrosionsgeschwindigkeit ∝ [Cl^–]e^(-∆G/RT)

In dieser Gleichung, ΔG ist die Änderung der freien Gibbs-Energie, R ist die Gaskonstante und T ist die Temperatur.

Korrosionsanfällige Materialien

Die Korrosionsbeständigkeit hängt von der Materialzusammensetzung, der Struktur und der Umgebung ab, in der sich das metallische oder nichtmetallische Material befindet. Eisen und Stahl sind besonders rostanfällig, weil sie schnell oxidieren, vor allem wenn sie mit Feuchtigkeit und Sauerstoff in Berührung kommen. Aluminium entwickelt zwar eine passive Oxidschicht, unter chloridhaltigen Bedingungen kommt es jedoch auch hier zu Lochfraß und Spaltkorrosion. Kupfer und seine Legierungen sind anfällig für galvanische Korrosion. Dies gilt insbesondere dann, wenn sie mit Metallen wie Aluminium oder Stahl in Berührung kommen und offen für eine Wasserumgebung sind. Als Mitglied der Gruppe der Anoden, die für den kathodischen Schutz nützlich sind, fungiert Zink als Anode in den galvanischen Schutzmodellen, um zu korrodieren, während das eigentliche Metall erhalten bleibt.

Industrielle Auswirkungen der Korrosion

Die Auswirkungen der Korrosion sind in der gesamten industriellen Wertschöpfungskette zu spüren, und zwar in den meisten, wenn nicht sogar allen Branchen, in denen Metalle zum Einsatz kommen. Diese Bedrohung hat zur Folge, dass der Wirtschaft jedes Jahr Verluste in Höhe von mehreren Milliarden Dollar durch Korrosion entstehen. Die weltweiten Kosten der Korrosion werden auf $2,5 Billionen US-Dollar geschätzt, was 3,4% des weltweiten Bruttoinlandsprodukts (BIP) im Jahr 2013 entspricht; einigen Schätzungen zufolge liegen sie mittlerweile bei über $3 Billionen US-Dollar pro Jahr.^[1]. Zu den Verlusten zählen die Kosten für die Instandhaltung und den Austausch von korrosionsbefallenen Bauwerken, Produktionsausfälle aufgrund von Korrosion sowie weitere damit verbundene Auswirkungen. Zu den Folgen der Korrosion zählen unter anderem eine Beeinträchtigung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Korrosion kann zu plötzlichen Ausfällen von Bauwerken, Transportmitteln und Versorgungsanlagen wie Brücken, Rohrleitungen und Flugzeugen führen. Die strukturelle Integrität nimmt durch Korrosion ab, da ein hohes Risiko für plötzliche Ausfälle besteht.

Was die physische Umwelt betrifft, führt Korrosion zu Gefahren wie der Freisetzung von Gefahrstoffen aus korrodierten Rohrleitungen und Lagertanks sowie aus Stahlbetonkonstruktionen im Tiefbau. Diese Auswirkungen bergen weitere Gefahren für die physische Umwelt und den Menschen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wenden Ingenieure verschiedene Methoden zur Korrosionsbekämpfung an. Zu diesen Methoden gehören die Auswahl korrosionsbeständiger Werkstoffe und Beschichtungen, der kathodische Korrosionsschutz sowie der Einsatz von Korrosionsinhibitoren – allesamt Maßnahmen, die Fachwissen im Bereich Korrosion erfordern. Der Markt für Korrosionsschutzbeschichtungen, eine wichtige Strategie zur Risikominderung, wurde im Jahr 2023 auf 20,59 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird bis 2030 voraussichtlich auf 33,28 Milliarden US-Dollar wachsen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,41 %TP4T ^[2].

Oxidation verstehen

Die Oxidation ist eine chemische Primärreaktion, die für viele Prozesse in der Natur und in der Industrie entscheidend ist. Grundsätzlich bedeutet Oxidation die Abgabe oder den Austausch von Elektronen mit anderen Spezies, wobei eine allgemeine Tendenz besteht, Elektronen durch eine Substanz, häufig ein Metall, zu verlieren und Elektronen von anderen Substanzen, in der Regel Sauerstoff, zu gewinnen.

Oxidation ist ein allgemeiner chemischer Prozess, der unabhängig von Korrosion auftreten kann. Während er bei Metallen zu Korrosion führen kann, ist Oxidation nicht immer schädlich, sondern kann auch von Vorteil sein, z. B. bei der Bildung von schützenden Oxidschichten auf Metallen wie Aluminium.

Chemische Reaktion Prozess der Oxidation

Oxidation ist ein chemischer Prozess, bei dem ein Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen verliert. Dieser Prozess geht in der Regel mit einer Reduktion einher, bei der ein anderer Stoff die vom oxidierten Material freigesetzten oder verlorenen Elektronen aufnimmt. Bei beiden Prozessen handelt es sich um Redoxreaktionen (Reduktion-Oxidation). Die folgende Gleichung kann die allgemeine Form einer Oxidationsreaktion darstellen:

M→Mⁿ⁺+ne^–

Wo M ist das Metall oder der Stoff, der oxidiert wird. Mⁿ⁺ ist die oxidierte Form des Stoffes (bei Metallen ein Kation).n steht für die Anzahl der verlorenen Elektronen. Bei der Oxidation von Eisen ist die Reaktion zum Beispiel wie folgt:

Fe→Fe²⁺+2e^–

Sauerstoff ist bei den meisten Oxidationsprozessen das Oxidationsmittel. Das bedeutet, dass er die Elektronen aufnimmt, die das Metall oder ein anderer Stoff verliert. Dies kann zur Bildung von Oxiden führen, wie z. B.

4Fe+3O₂→2Fe₂O₃

In dieser Gleichung reagiert Eisen (Fe) mit Sauerstoff (O₂) und bildet Eisenoxid (Fe₂O₃), das Rost ist.

Häufige Beispiele für Oxidation im täglichen Leben

Oxidation ist ein allgegenwärtiger Prozess, der in vielen Alltagssituationen auftritt, oft mit spürbaren Auswirkungen:

Verrostung von Eisen und Stahl:

Wenn Eisen oder Stahl Sauerstoff und Feuchtigkeit ausgesetzt wird, reagiert es zu einer rötlich-braunen Substanz, dem Rost, der hauptsächlich aus Eisenoxid besteht. Dies ist ein typischer Fall von Oxidation, der zur Zerstörung von Metallgegenständen wie Werkzeugen, Fahrzeugen und Bauwerken führt.

Anlaufen von Silber:

Silberbesteck und -schmuck sind weitere Produkte, die durch Oxidation rostig werden können. Der Grund dafür ist, dass Silber an der Luft mit Schwefelverbindungen reagiert, was zur Bildung von Silbersulfid führt, das schwarz ist und an der Oberfläche des Metalls haftet.

2Ag+H₂S→Ag₂S+H₂

Der Unterschied zwischen Oxidation und Korrosion

Es ist wichtig, zwischen Oxidation und Korrosion zu unterscheiden, auch wenn sie häufig synonym verwendet werden. Oxidation ist eine Art von chemischer Reaktion, bei der eine Verbindung Elektronen verliert, und zwar häufig in Gegenwart von Sauerstoff. Sie kann sowohl bei organischen als auch bei anorganischen Verbindungen stattfinden. Es handelt sich um einen breit angelegten Prozess, der zum Beispiel bei der Verbrennung von Energie oder bei der Bildung von Oxidschichten auf einigen Metallen wie Aluminium nützlich sein kann.

Andererseits ist Korrosion die Zersetzung eines Materials, insbesondere von Metallen, durch chemische Einwirkung auf die Umgebung. Es ist wichtig anzumerken, dass Oxidation zwar eine Art von Korrosion ist, z. B. das Rosten von Eisen, dass es aber auch andere Arten von Korrosion gibt, z. B. die Auswirkungen von Säuren, Basen, Feuchtigkeit und Salzen. Darüber hinaus hat Korrosion unerwünschte Auswirkungen wie Materialversagen, Verluste und potenzielle Gefahren. Das Wissen über Oxidation und Korrosion ist in verschiedenen Anwendungsbereichen von entscheidender Bedeutung, da es dazu beiträgt, Wege zu finden, die Verschlechterung von Werkstoffen abzumildern.

Hauptunterschiede und Auswirkungen von Oxidation und Korrosion

Obwohl Oxidation und Korrosion miteinander verwandt sind, handelt es sich um zwei verschiedene Prozesse mit unterschiedlichen Auswirkungen auf die Materialien. Oxidation ist ein chemischer Prozess, bei dem ein Stoff Elektronen verliert, in der Regel unter Beteiligung von Sauerstoff, und kann sowohl bei organischen als auch bei anorganischen Materialien auftreten. Es handelt sich um einen umfassenderen Vorgang, der konstruktiv sein kann, wie z. B. bei Entzündungsprozessen während der Verbrennung oder der Bildung einer Oxidschicht auf Metallen wie Aluminium.

Sie unterscheidet sich jedoch von der Korrosion. Korrosion ist die Verschlechterung von Materialien, insbesondere von Metallen, durch chemische Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Da die Oxidation eine Form der Korrosion ist, wie z. B. das Rosten von Eisen, umfasst die Korrosion auch andere Arten von Reaktionen, einschließlich solcher, die durch Säuren, Basen, Feuchtigkeit und Salze ausgelöst werden. Korrosion hat im Allgemeinen nachteilige Auswirkungen, die zu Materialverschlechterung, finanziellen Verlusten und Risiken für Sicherheit und Gesundheit führen. Das Verständnis des Unterschieds zwischen Oxidation und Korrosion ist in vielen Bereichen des Studiums von entscheidender Bedeutung, da es dazu beiträgt, effiziente Methoden zur Überwindung der Materialverschlechterung zu formulieren.

Was ist Rust?

Rost ist eine Korrosionsart, die Eisen und verwandte Legierungen wie Stahl betrifft. Es handelt sich um ein rötlich-braunes, schuppiges Material, das sich aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen Eisen, Sauerstoff und Feuchtigkeit auf der Oberfläche von Eisen ablagert. Rost ist in vielen industriellen und alltäglichen Anwendungen üblich, da er die Festigkeit und Ästhetik von Eisenprodukten beeinträchtigt.

Der Prozess der Rostentstehung

Die Bildung von Rost ist ein chemischer Prozess, der in mehreren Schritten abläuft. Der erste Schritt umfasst die Bildung von Eisenoxiden mit Hilfe von Wasser und Sauerstoff und die Oxidation von Eisen. Der allgemeine Prozess läuft wie folgt ab:

Oxidationsreaktion

Eisen (Fe) verliert Elektronen und reagiert mit Sauerstoff (O₂) in Gegenwart von Wasser (H₂O) unter Bildung von Eisen(II)-Ionen (Fe²⁺).

Fe→Fe²⁺+2e^–

Bildung von Eisenhydroxid: Die Fe²⁺-Ionen reagieren mit Wasser und Sauerstoff zu Eisen(II)hydroxid (Fe(OH)₂).

Fe²⁺+2H₂O+O₂→Fe(OH)₂

Oxidation von Eisenhydroxid: Eisen(II)hydroxid oxidiert weiter zu Eisen(III)hydroxid (Fe(OH)₃).

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃

Bildung von Rost: Eisen(III)-hydroxid dehydriert und bildet Eisen(III)-oxidhydroxid (FeO(OH)), das allgemein als Rost bekannt ist. Der Rost ist ein komplexes Gemisch aus Eisenoxiden und -hydroxiden.

4Fe(OH)₂→Fe₂O₃ .3H₂O

Bedingungen, die zu Rost führen

Die Bildung von Rost und andere Faktoren hängen von einigen grundlegenden Faktoren ab. Zu diesen Faktoren gehören die Verfügbarkeit von Feuchtigkeit, die Einwirkung von Sauerstoff und Elektrolyten, die Umgebungsbedingungen, die Temperatur und Verunreinigungen auf der Oberfläche.

Wasser ist für die Rostbildung unerlässlich, da es ein Elektrolyt ist. Wasser bietet eine Umgebung für Oxidations-Reduktionsreaktionen, die für die Rostbildung notwendig sind, wobei hohe Luftfeuchtigkeit oder direkter Regen gefährlicher sind.

Auch Sauerstoff ist eine wesentliche Voraussetzung für die Rostbildung. Bereiche mit guter Belüftung oder viel Sauerstoff, wie Metallkonstruktionen, Autos und Maschinen, sind anfällig für Rost. Die Rostrate kann durch die Verwendung von Salzen und Säuren, die die elektrochemische Aktivität des Metalls erhöhen, steigen. Dieses Problem ergibt sich aus der Verwendung von Meerwasser zur Verbesserung der Leitfähigkeit.

So beschleunigt beispielsweise eine stark saure Umgebung die Rostbildung, da die Oxidation unter sauren Bedingungen (niedriger pH-Wert) schneller abläuft. Alkalische Bedingungen fördern ebenfalls die Rostbildung, jedoch weniger stark als saure Bedingungen.

Die Temperatur spielt eine Rolle, da hohe Temperaturen die Rostbildung beschleunigen, indem sie die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen erhöhen. Dennoch kann Rost auch bei niedrigen Temperaturen auftreten, wenn Feuchtigkeit und Sauerstoff vorhanden sind.

In chemischer Hinsicht schließlich behindert die Verunreinigung der Oberfläche mit Stoffen wie Schmutz oder Öl den Abtransport von Feuchtigkeit aus dem Metall, wodurch örtlich begrenzte Bereiche dem Rost ausgesetzt werden.

Häufig betroffene Materialien

Eisen, Gusseisen und legierter Stahl sind die typischen Materialien, die von Rost betroffen sind. Eisen ist am anfälligsten für Rost, da es an offenen Stellen eine chemische Reaktion mit Sauerstoff und Feuchtigkeit eingeht. Kohlenstoffstahl besteht hauptsächlich aus Eisen, mit einem geringen Anteil an Kohlenstoff und anderen Elementen. Er kann zwar auch leicht rosten, aber Kohlenstoff und diese Legierungselemente können die Rostgeschwindigkeit erhöhen oder die Rosteigenschaften verändern. Jede Art von Eisenmaterial kann rosten. Schmiedeeisen rostet jedoch schneller als Stahl oder Gusseisen, da letzteres einen höheren Anteil an Kohlenstoff enthält und einen poröseren und flockigeren Rost bildet.

Niedrig- und mittelkohlenstoffhaltige legierte Stähle bieten einen gewissen Schutz gegen Rost, sind aber unter bestimmten Umständen rostanfällig. Werkstoffe wie Chrom und rostfreier Stahl sind widerstandsfähiger, da sich auf ihrer Oberfläche eine passive Oxidschicht bildet, die die Rostbildung behindert.

Hauptunterschiede zwischen Korrosion, Oxidation und Rost

Schlussfolgerung

Das Wissen um die Unterschiede zwischen Korrosion, Oxidation und Rost ist von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, Infrastruktur und Maschinen vor vorzeitigem Verschleiß zu schützen. Innovative Materialien wie Edelstahl-, Aluminium- und Titanlegierungen, Schutzbeschichtungen, intelligente Sensoren und selbstheilende Materialien spielen eine entscheidende Rolle bei der Lösung dieser Probleme.

Weitere Studien zur Weiterentwicklung der Korrosionswissenschaft umfassen die Entwicklung von Nanotechnologie, künstlicher Intelligenz bei der Korrosionsvorhersage und grünen Inhibitoren. Diese Materialien sind entscheidend für die Verbesserung der Materialeigenschaften. Wenn diese Industrien diese Innovationen weiterhin fördern und unterstützen, können sie den Schutz von Eigentum verbessern, Verluste minimieren und Sicherheit und Zuverlässigkeit in verschiedenen Anwendungen gewährleisten.

Referenzen

[1] NACE International – Studie „International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies“ (IMPACT) http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research – Marktbericht zum Marktvolumen für Korrosionsschutzbeschichtungen, 2030; [3] Grand View Research – Marktvolumen und Marktanteile von Korrosionsinhibitoren | Branchenbericht 2030 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market