Korrosionsverhalten von Werkstoffen

Metalle korrodieren, das ist ein natürlicher Prozess. Er führt aber dazu, dass Bauteile wie Blechdächer, Balkongeländer, Schrauben und Bewehrungsstahl ihre Funktion nur eingeschränkt oder gar nicht mehr erfüllen. Dieser Beitrag erklärt, warum Metalle korrodieren, welche Korrosionsarten am Bau vorkommen und wie passiver und aktiver Korrosionsschutz wirken, bis hin zu Schutzdauer und Korrosivitätskategorien nach DIN EN ISO 12944.

Korrosion, ein natürlicher Prozess

Warum kommt es zum Rosten, fachlich gesprochen: zur Korrosion?

Alle Gebrauchsmetalle stammen aus Erzen. Ein Erz ist ein heterogenes Material aus Metalloxid und Begleitgestein, seine Molekülverbindungen sind stabil und energiearm. Um das Metall zu gewinnen, wird das Erz im Hochofen verhüttet: Unter hoher Temperatur trennen sich Metall und Verunreinigungen, die Verunreinigungen werden als Schlacke abgezogen.

In dieser Herstellung liegt die Ursache der Korrosion. Bei der Verhüttung wird dem Erz viel Energie zugeführt. Metall ist deshalb ein energiereiches, vergleichsweise instabiles Material, das danach strebt, wieder in seinen energiearmen Ausgangszustand zurückzukehren: das Metalloxid. Rost ist nichts anderes als Eisen auf dem Rückweg zum Erz.

Korrosion ist ein elektrochemischer Vorgang. Damit sie abläuft, müssen Wasser (als Elektrolyt) und Sauerstoff zusammenkommen. Beschleunigt wird der Prozess durch stimulierende Stoffe:

• Salze, zum Beispiel Auftausalze
• aggressive Gase (SO₂, NOₓ, CO₂)
• Chloride, etwa bei Meerwasser- und Schwimmbadbeanspruchung

Welche Korrosionsarten gibt es?

Rotrost auf Stahl und Weißrost auf Zink und Aluminium sind Erscheinungsbilder, keine Korrosionsarten. Die Korrosionsarten selbst unterscheidet DIN EN ISO 8044 [PRÜFEN: Ausgabe] nach ihrem Mechanismus und ihrer Form. Am Bau relevant sind vor allem:

• Flächenkorrosion: gleichmäßiger Abtrag über die ganze Oberfläche. Gut vorhersehbar und deshalb die „gutmütigste“ Form.
• Muldenkorrosion: ungleichmäßiger Abtrag mit flachen Mulden, typisch bei örtlich unterschiedlicher Belüftung oder Beschichtungsschäden.
• Lochkorrosion (Lochfraß): kleine, tiefe Löcher bei fast intakter übriger Oberfläche, typisch bei Chloridangriff auf nichtrostende Stähle. Gefährlich, weil der Querschnittsverlust von außen kaum sichtbar ist.
• Spaltkorrosion: in engen Spalten, etwa unter Unterlegscheiben, in Falzen und Überlappungen, entsteht Sauerstoffmangel, der Spalt korrodiert bevorzugt.
• Kontaktkorrosion (Bimetallkorrosion): Zwei verschiedene Metalle sind leitend verbunden und von einem Elektrolyten benetzt; das unedlere Metall wird aufgelöst. Klassiker am Bau: Stahlschrauben in Kupferblech.
• Erosionskorrosion: strömendes Medium trägt die schützende Deckschicht ab, mechanischer und chemischer Angriff verstärken sich gegenseitig, etwa in Rohrleitungen.
• Spannungsrisskorrosion: Zugspannung und korrosives Medium wirken zusammen, das Bauteil reißt oft ohne sichtbaren Rost. Betroffen sind unter anderem nichtrostende Stähle unter Chloridbelastung, zum Beispiel in Schwimmbädern.
• Selektive Korrosion, etwa Entzinkung: Aus einer Legierung wird ein Bestandteil herausgelöst, bei Messing das Zink. Zurück bleibt ein poröses, sprödes Gefüge; die damit verbundene Versprödung kündigt sich äußerlich kaum an.

Schutz vor Korrosion

Ohne Wasser und Sauerstoff an der Metalloberfläche keine Korrosion. Alle Schutzverfahren setzen deshalb an zwei Hebeln an: die Oberfläche von den Korrosionsmedien trennen (passiver Korrosionsschutz) oder in den elektrochemischen Vorgang selbst eingreifen und das System korrosionsunempfindlich machen (aktiver Korrosionsschutz). Nach beiden Prinzipien wird am häufigsten gesucht, deshalb hier die Gegenüberstellung vorab:

Passiver Korrosionsschutz

Nasslackbeschichtung

Nasslacke sind oft einkomponentige Beschichtungen, die einfach und schnell anwendbar sind. Sie brauchen keine besonderen Bedingungen und lassen sich auch auf der Baustelle aufbringen. Sie sind preiswert, gut verfügbar, und für die Verarbeitung sind keine tiefgreifenden Kenntnisse notwendig.

Nasslacke haften auf nahezu allen Materialien. Für einen ausreichenden Verbund zwischen Metall und Beschichtung ist eine Grundierung notwendig, sie dient als Haftvermittler. Der Schutz besteht nur, solange die Schicht geschlossen ist: Jede Fehlstelle wird zum Startpunkt für Unterrostung.

Pulverbeschichtung

Auch die Pulverbeschichtung ist ein einkomponentiger Korrosionsschutz. Namensgebend liegt das Material im Ausgangszustand als Pulver vor und ist trocken über lange Zeit lagerfähig; Hersteller geben allerdings begrenzte Lagerfristen an. Im Ofen polymerisiert das Pulver unter hoher Temperatur zu einem Kunststoffüberzug mit einer Schichtdicke von 80 bis 100 µm, also 0,08 bis 0,1 mm. Sofern sie hitzebeständig sind, lassen sich nahezu alle Metalle pulverbeschichten. Wegen des Ofens ist das Verfahren an den Betrieb gebunden und auf der Baustelle nicht ausführbar.

Verzinkung

Beim Verzinken wird Stahl mit einer Zinkschicht überzogen. Zink schützt doppelt: als Barriere und elektrochemisch, weil es unedler ist als Stahl und sich an Fehlstellen zuerst opfert. Das klassische Feuerverzinken nach DIN EN ISO 1461 geschieht im Tauchbad im Betrieb und ist auf der Baustelle nicht ausführbar; für Ausbesserungen vor Ort gibt es Spritzverzinken und Zinkstaubbeschichtungen. Die Kombination aus Verzinkung und zusätzlicher Beschichtung heißt Duplex-System und verlängert die Schutzdauer deutlich. Eine Titan-Komponente hat die Zinkschicht nicht; Titanzink ist ein eigener Blechwerkstoff für Dachdeckung und Entwässerung.

Natürliche Oxidschicht

Der einfachste Schutz ist es, die Oberfläche kontrolliert dünn korrodieren zu lassen. Die entstehende dichte Oxidschicht verhindert, dass die Korrosion in die Tiefe fortschreitet. Voraussetzung ist ein Werkstoff, der eine solche festhaftende Deckschicht ausbilden kann, wie Aluminium, Kupfer mit seiner Patina oder wetterfester Baustahl.

Eloxal

Eloxieren funktioniert nur bei Aluminium: Die natürliche Oxidschicht wird elektrolytisch verstärkt. Eine Eloxalschicht ist sehr dünn, aber hart und dauerhaft beständig. Durch Farbstoffe lässt sich die Schicht zugleich einfärben.

Aktiver Korrosionsschutz

Aktiver Korrosionsschutz greift in das System selbst ein, statt nur eine Barriere aufzutragen. Die wichtigsten Beispiele:

Werkstoffwahl

Korrosionsträge Werkstoffe machen den Schutz zum Teil des Bauteils. Der Sammelbegriff „Edelstahl“ führt dabei in die Irre: Nach DIN EN 10020 ist Edelstahl zunächst nur ein Stahl mit besonderem Reinheitsgrad, nicht zwingend rostfrei. Gemeint sind meist die nichtrostenden Stähle. Gängig am Bau sind V2A (zum Beispiel Werkstoff 1.4301) und V4A (1.4401 oder 1.4571); V4A widersteht dank seines Molybdän-Anteils auch Chloriden deutlich besser, etwa in Küsten- und Schwimmbadluft. Für tragende Bauteile werden nichtrostende Stähle über Korrosionsbeständigkeitsklassen (CRC I bis V) der Beanspruchung zugeordnet. [PRÜFEN: Klassenbezeichnungen nach DIN EN 1993-1-4 bzw. allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung] Auch nichtrostender Stahl kann korrodieren, typisch als Loch- oder Spaltkorrosion bei Chloridbelastung und falscher Werkstoffwahl.

Konstruktive Maßnahmen

Konstruktion entscheidet mit, ob Korrosion überhaupt ansetzen kann:

• Wasser ableiten statt stehen lassen: Gefälle, Tropfkanten, keine Wassersäcke
• Spalten und Schmutzdepots vermeiden, Hohlräume belüften oder verschließen
• Kontakt verschiedener Metalle trennen, durch Isolierstücke oder passende Werkstoffpaarung
• Zugänglichkeit für Kontrolle und Wartung einplanen

Kathodischer Korrosionsschutz

Beim kathodischen Schutz wird das Bauteil elektrochemisch zur Kathode gemacht, dann löst es sich nicht mehr auf:

• Opferanode: Ein unedleres Metall wie Zink oder Magnesium wird leitend verbunden und korrodiert stellvertretend. Bekannt aus Warmwasserspeichern und dem Stahlwasserbau.
• Fremdstrom: Eine Gleichstromquelle hält das Schutzpotenzial aufrecht, üblich bei Rohrleitungen und großen Stahlbauwerken.

Inhibitoren

Inhibitoren sind Wirkstoffe, die dem Medium zugesetzt werden und die Korrosionsreaktion hemmen, zum Beispiel in Heizungswasser und Kühlkreisläufen.

Bewehrungskorrosion im Stahlbeton

Im Beton ist Bewehrungsstahl von Natur aus geschützt: Das hochalkalische Milieu passiviert die Oberfläche. Dieser Schutz geht auf zwei Wegen verloren. Die Karbonatisierung lässt den pH-Wert des Betons von der Oberfläche her sinken; erreicht die Karbonatisierungsfront die Bewehrung, beginnt der Stahl zu rosten, sprengt mit seinem Volumenzuwachs die Betondeckung ab, und es zeigen sich Rostfahnen und Abplatzungen. Noch aggressiver wirken Chloride aus Tausalz, die die Passivschicht örtlich durchbrechen und Lochkorrosion auslösen, ein typisches Problem an Balkonen, Tiefgaragen und Parkdecks. Eindringendes Wasser ist in beiden Fällen der Treiber, weshalb Abdichtung und Beschichtung der Flächen zum Korrosionsschutz gehören.

Alterung von Beschichtungen

Beschichtungen altern durch Einflüsse der Umgebung:

• UV-Beanspruchung (Farbstabilität, Kreidung)
• Korrosionsangriff durch Korrosionsmedien (Unterwanderung, Unterrostung, Blasenbildung)
• Chemikalien (Mörtel, Handschweiß)
• mechanische Beanspruchung (Spannungsrisse, Hagel, Sandflug)
• thermische Belastung (Kälte, Wärme, Temperaturwechsel)

Haltbarkeit nach DIN EN ISO 12944

Korrosion lässt sich nicht endgültig stoppen, nur verlangsamen. Die DIN EN ISO 12944 (Teile 1 und 2 in der Ausgabe 2018-04) teilt die Schutzdauer von Beschichtungssystemen deshalb in vier Stufen ein:

Die Schutzdauer gilt bis zur ersten Hauptinstandsetzung. Als Grenze setzt die Norm den Rostgrad Ri 3 nach ISO 4628-3 an, das entspricht etwa 1 % Rostfläche. [PRÜFEN: Rostgrad-Grenze im Normtext bestätigen; das Original nannte abweichend „mehr als 20 % Korrosion“]

Zur Präzisierung führt DIN EN ISO 12944-2 Korrosivitätskategorien ein, die die Umgebung beschreiben:

[PRÜFEN: Beispielumgebungen gegen DIN EN ISO 12944-2:2018-04, Tabelle 1]

Diese Kategorien gehören zwingend in jede Ausschreibung und Leistungsbeschreibung für Korrosionsschutzarbeiten: Ohne Korrosivitätskategorie und Schutzdauer ist ein Beschichtungssystem nicht eindeutig bestellt.

Wann Korrosion ein Fall für den Gutachter ist

Rost am Balkongeländer, Rostfahnen an der Betonfassade, korrodierte Befestigungen am Blechdach: Solche Befunde bewerte ich daraufhin, ob es sich um Oberflächenschäden handelt oder ob Tragfähigkeit und Sicherheit betroffen sind. Dazu gehören die Frage nach der Ursache, etwa falsche Werkstoffpaarung, fehlgeplante Beschichtung oder eindringendes Wasser, und die Abgrenzung, wer den Schaden zu verantworten hat. Die Befunde dokumentiere ich in einem Bauschadensgutachten, bei Kaufinteresse fließt der Zustand von Geländern, Blechen und Befestigungen in die Bewertung ein. Der einfachste Einstieg ist die kostenfreie Ersteinschätzung mit Fotos der betroffenen Stellen.

Falco Witschel ist Geprüfter Sachverständiger für Schäden an Gebäuden (EIPOS) und Sachverständiger für Schimmel- und Feuchteschäden (EIPOS). Er begutachtet Schäden an Bestandsgebäuden in Dresden und Sachsen. Mehr über mich