Konzentrationselement, Korrosion durch unterschiedliche Belüftung, Schweißnaht, Spalt, Spaltkorrosion, Belüftungselement, Spaltkorrosionspotential
Erscheinungsform:
Spaltkorrosion ist ein örtlich verstärkter Abtrag in Spalten. Dies können konstruktive Spalten sein, aber auch Spalte in Flanschverbindungen, Verschraubungen, unter Ablagerungen etc. Dabei wird die gesamte Spaltoberfläche und häufig bevorzugt der Spaltgrund korrodiert. Die Spalte werden beim Fortschreiten des Korrosionsangriffs aufgeweitet und der Werkstoff kann stark lokalisiert bis zum Durchbruch abgetragen werden. Spaltkorrosion ist vor Auftreten eines Durchbruchs in der Regel erst dann erkennbar, wenn es zur Bildung von Korrosionsprodukten außerhalb des Spaltes nahe der Öffnung kommt. Dies ist besonders bei unlegierten und niedriglegierten Stählen der Fall. Bei korrosionsbeständigen Legierungen ist der verstärkte Abtrag im Spalt dagegen häufig erst nach Öffnung des Spaltes erkennbar.
Mechanismus
Die Spaltkorrosion wird als Folge der Entstehung von Konzentrationsgradienten zwischen dem Elektrolyt innerhalb und außerhalb des Spaltes initiiert. Der Spalt liefert dabei aufgrund seiner Geometrie die Voraussetzungen in Form einer Behinderung des Diffusionsausgleichs. Die zur Spaltkorrosion führenden Mechanismen sind denen, die der Lochkorrosion zugrunde liegen, nahe verwandt. Die Angriffsmittel sind die gleichen wie bei der Lochkorrosion.
Spaltkorrosion durch Ausbildung von Belüftungselementen
Die Ausbildung von Belüftungselementen ist bei unlegierten und niedriglegierten Stählen die häufigste Ursache für das Auftreten von Spaltkorrosion in annähernd neutralen Medien. Die Eindiffusion von Sauerstoff in Spalte ist aus geometrischen Gründen erschwert, so dass Spalte weniger gut belüftet sind als die übrige Werkstoffoberfläche. Im Spalt (Lokalanode) geht Eisen in Lösung, die Elektrolytlösung im Spalt wird durch Hydrolyse der Korrosionsprodukte sauer. Die bei der Eisenauflösung frei werdenden Elektronen werden von dem gelösten Sauerstoff unter Bildung von Hydroxyl-Ionen an den kathodischen Stelen außerhalb des Spaltes aufgenommen.
Spaltkorrosion an passiven Werkstoffen durch Ausbildung von Konzentrationselementen
Diese Korrosionsart hat vor allem für nichtrostende Stähle Bedeutung.
In Spalten befindliche Verunreinigungen (Schmutzteilchen) neigen häufig zu Adsorption von Chlorid-Ionen aus der Elektrolytlösung. Hierdurch können kritische Chloridgehalte überschritten und die Passivität im Spalt aufgehoben werden. Aber auch die Diffusionshemmung von Chlorid enthaltenden Elektrolyten in Spalten kann zu kritischen Konzentrationsgefällen führen. Die bei der verstärkten Korrosion im Spalt gebildeten Korrosionsprodukte hydrolysieren, wodurch der pH-Wert der Elektrolytlösung im Spalt sinkt. Dadurch wird wiederum der Korrosionsangriff beschleunigt. Außerhalb des Spaltes erfolgt die kathodische Teilreaktion des Korrosionsvorganges an den meist verhältnismäßig großen spaltfreien Oberflächenbereichen. Dieses ungünstige Verhältnis von anodischen zu kathodischen Flächenbereichen beschleunigt die ablaufende Spaltkorrosion.
Es bestehen kritische Spaltkorrosionspotentiale, die zum Erzeugen von Spaltkorrosion an nichtrostenden Stählen überschritten werden müssen. Sie sind durchweg negativer als die Lochfraßpotentiale des entsprechenden Werkstoffs. Das heißt, Spaltkorrosion tritt bei niedrigerer Temperatur, geringerer Konzentration an korrosionsauslösendem Stoff und höherem pH-Wert des Mediums im Vergleich zur Lochkorrosion auf. Vom Werkstoff her fördern ansteigende Gehalte an Chrom und Molybdän die Beständigkeit gegen Spaltkorrosion.
Einflussgrößen:
Spaltkorrosion tritt in Spalten auf, die bei ungünstiger Gestaltung zwischen metallischen Oberflächen bestehen. Spaltbreite und -tiefe sowie deren Verhältnis zueinander haben einen wesentlichen Einfluss auf den Ablauf der Spaltkorrosion.
Bei nichtrostenden Stählen tritt Spaltkorrosion bevorzugt bei Spalten mit Nichtleitern (z. B. nichtmetallische Dichtungen, organische Isolierstoffe) auf. Eine andere Möglichkeit ergibt sich bei Ablagerungen, wenn diese aufgrund ihrer Struktur imstande sind, aus dem Medium Schadstoffe adsorptiv aufzunehmen.
Konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen:
Spalte sollten auf alle Fälle vermieden werden. Insbesondere Spaltbreiten ab 0,1 mm sind kritisch. Ist die Vermeidung von Spalten nicht möglich, so muss die Bildung von Belüftungs- und Konzentrationselementen durch ausreichende Erweiterung der Spalte unterbunden werden. Hierbei ist die Vergrößerung der Spaltbreite auf etwa 1 mm in der Regel ausreichend. Allgemein sollte die Spaltweite mit zunehmender Spalttiefe anwachsen. Die Bildung von Ablagerungen sollte durch geeignete Maßnahmen vermieden werden (z. B. ausreichende Strömungsgeschwindigkeit, periodische Abreinigung von gefährdeten Oberflächen).
Häufige Schäden:
An ungünstig gestalteten Schweißnähten, wie Kehl- und V-Nähten, von Verbindungsschweißungen nichtrostender Stähle wird häufig Spaltkorrosion beobachtet, wenn Wurzelfehler vorliegen und die Nahtwurzel mit korrosiven Medien in Berührung kommt. Spaltkorrosion ist ebenfalls häufig an Flanschen zwischen Dichtung und Flanschoberfläche sowie an konstruktiv bedingten Spalten mit geeigneter Spaltgeometrie zu beobachten (Rohreinschweißungen, nicht durchgeschweißte Stegbleche etc.). Außerdem wird sie an Dichtflächen zwischen bewegten Teilen, bevorzugt allerdings beim Stillstand der Maschine, beobachtet.
Unter Ablagerungen an z. B. Wärmetauscherrohren oder in schlecht durchströmten Apparateteilen sind Spaltkorrosion ähnliche Erscheinungen möglich.