Stromdichte-Potential-Kurve

Hinter der recht trockenen Bezeichnung „Stromdichte-Potential-Kurve“ (kurz SPK) verbirgt sich eine der wichtigsten Prüfmethoden der Korrosionsprüfung. Anmerkung: Wir benutzen hier die im technischen Bereich üblichere und vom Duden auch zugelassene Schreibung „Potential“.

Elektrochemische Korrosion

Typische Korrosion von Metallen findet in wässrigen Medien (Elektrolyten) statt. Dabei laufen elektrochemische Reaktionen ab, die immer mit einem Ladungsaustausch verbunden sind, der an der Grenzfläche zwischen einem elektrischen Leiter (Metall) und einem Ionenleiter (Elektrolyt) stattfindet.

Um solche Vorgänge untersuchen zu können, benötigt man deshalb eine geeignete Prüfanordnung, also eine „elektrochemische Zelle“. Oft wird die „Drei-Elektroden-Zelle“ eingesetzt, mit der Polarisationsmessungen durchgeführt werden können. Es sind Messungen, bei denen Änderung des Gleichgewichtszustandes geregelt wird – dabei werden Elektronen von „außen“ zugeführt oder weggenommen.

                                  Abb. 1 Drei-Elektroden-Zelle

Stromdichte-Potential-Kurven werden mithilfe einer solchen Drei-Elektroden-Zelle (Abb. 1) in einem gewählten Elektrolyten (Medium) aufgenommen. Dabei erfolgt gleichzeitige Messung der Stromdichte in Abhängigkeit vom Potential (Spannung) an der Metallprobe/Arbeitselektrode. Wie bereits erwähnt, lässt man dabei die elektrochemischen Reaktionen nicht von sich selbst ablaufen, sondern erzwingt man den Durchgang eines bestimmten Stroms durch Anlegen einer Potentialdifferenz (Spannung) an die Elektroden.

Stromdichte-Potential-Kurven passivierbarer Metalle

Besondere Bedeutung für die Praxis haben Stromdichte-Potential-Kurven passivierbarer Metalle, also beispielsweise korrosionsbeständiger Stähle oder Aluminiumlegierungen.

Passivierung bedeutet, dass ein Metall selbständig eine Schicht (Passivschicht) bildet. Sie besteht meist aus einem Oxid des Metalls und hat eine starke Schutzwirkung. Damit stellt die Passivität der Metalle, die spontan und dauerhaft auftritt, eine technisch sehr wichtige Hemmung der Korrosion dar. Sie ist jedoch an bestimmte Potentialbereiche gebunden, die bekannt sein müssen. Dafür braucht man die Stromdichte-Potential-Kurven. Betrachten wir nun eine schematische SPK eines passivierbaren Metalls (Abb. 2a).

                                  Abb. 2 SPK eines passivierbaren Metalls a) schematisch, b) Beispiel Stahl 1.4571 

Mit zunehmendem Potential erreicht die Stromdichte ein Maximum (aktiver Bereich). Dies ist jedoch nur in bestimmten Elektrolyten möglich (z. B. in einer Säure). Dann fällt die Stromdichte zu sehr niedrigen Werten ab (passiver Bereich), was ein charakteristisches Merkmal passivierbarer Metalle ist.

Die Breite des Passivbereiches hängt von der Stabilität der Passivschicht ab. Bei stark positiven Potentialen steigt die SPK bei einem sogenannten Durchbruchspotential wieder zu hohem Werten an. Im passiven Zustand sind Metalle gut gegen Korrosion geschützt.

Die oxidischen Passivschichten können jedoch von Chlor-, Brom- und Jodionen im Elektrolyten angegriffen werden, bevor das eigentliche Durchbruchspotential erreicht ist. Es tritt dann Lochkorrosion auf. Beispielsweise zeigen Chrom-Nickel-Stähle in der Stromdicht-Potential-Kurve häufig ein Lochfraßpotential (vgl. Abb. 2a), bei dem auch innerhalb des Passivbereichs ein starker Anstieg der Stromdichte auftritt.

In Abb. 2b ist eine im Labor aufgenommene SPK von korrosionsbeständigem Stahl X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) in Wasser bei 20°C gezeigt. Erwartungsgemäß weißt sie keinen aktiven Bereich sowie auch kein Lochfraßpotential auf. In das Diagramm ist die Ermittlung des Durchbruchspotentials mithilfe einer Tangente eingezeichnet.

Folgen der Korrosion

Korrosion kann massives Materialversagen verursachen. Es gehen jedes Jahr mehrere Milliarden Euro durch Rost und andere Korrosionsschäden verloren. Eines der folgenschwersten Ereignisse, das durch korrodierten Stahl verursacht wurde, war der unvorhergesehene Einsturz der Morandi-Brücke in Genua im Jahr 2018. Deswegen spielt die Korrosionsprüfung eine wichtige Rolle.<<

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