Reaktion von Aluminium und Edelstahl: So verhindern Sie galvanische Korrosion

Bei einem Solarpark erzählten die Wartungsaufzeichnungen eine bekannte Geschichte. Weiße, kalkhaltige Ablagerungen breiteten sich rund um die Edelstahlschrauben auf Aluminium-Montageschienen aus, und unter jedem Schraubenkopf hatte es zu Lochfraßbildung gekommen. Dies ist die Reaktion von Aluminium und Edelstahl in der Praxis und eine der häufigsten Ursachen für vorzeitiges Versagen bei Baugruppen aus gemischten Metalllen. Die Reaktion bedeutet nicht, dass die beiden Metalle niemals zusammen verwendet werden können. Das bedeutet, dass bei der Konstruktion der Verbindung ein klares Verständnis der galvanischen Korrosion berücksichtigt werden muss, und genau das wird in diesem Artikel dargelegt.

Was die Reaktion von Aluminium und Edelstahl tatsächlich ist

Die Reaktion von Aluminium und Edelstahl ist eine Form der galvanischen Korrosion, auch Bimetallkorrosion genannt. Wenn die beiden Metalle in elektrischem Kontakt stehen und beide einem Elektrolyten ausgesetzt sind, sei es Gischt, Regenwasser, Kondenswasser oder einfach anhaltende Feuchtigkeit, bilden sie ein galvanisches Paar. Aluminium, das unedlere Metall, wird zur Anode und beginnt, Metallionen freizusetzen. Edelstahl, das edlere Metall, wird zur Kathode. Elektronen wandern durch die metallische Verbindung von der Anode zur Kathode und der Elektrolyt schließt den Stromkreis. Die Folge ist, dass Aluminium viel schneller korrodiert, als es allein korrodieren würde.

Dabei handelt es sich nicht um einen chemischen Angriff von Edelstahl auf Aluminium. Der Edelstahl fungiert lediglich als große, effiziente Kathode, die die natürliche Korrosion des Aluminiums beschleunigt. Die sichtbaren Anzeichen sind charakteristisch: weiße oder graue Korrosionsprodukte auf der Aluminiumoberfläche, Lochfraß um den Kopf oder die Unterlegscheibe des Befestigungselements und in schweren Fällen ein allmählicher Verlust der Klemmkraft, wenn das Aluminium an Dicke verliert.

Die drei Bedingungen, die vorliegen müssen

Galvanische Korrosion ist kein Selbstläufer. Es erfordert drei gleichzeitige Bedingungen und das Entfernen einer davon stoppt die Reaktion.

• Elektrischer Kontakt. Die beiden Metalle müssen über einen leitenden Pfad verbunden sein. Ein in eine Aluminiumschiene eingetriebener Edelstahlbolzen oder eine mit einer Edelstahlmutter festgeklemmte Aluminiumhalterung sorgt für genau diesen Weg.
• Ein Elektrolyt. Eine leitfähige Flüssigkeit muss die beiden Oberflächen überbrücken. Salzwasser ist der aggressivste Elektrolyt, aber Regenwasser, Kondenswasser und sogar unter einer Beschichtung absorbierte Feuchtigkeit können die Reaktion erheblich beschleunigen.
• Ein Unterschied im elektrochemischen Potential. Die Metalle müssen sich in ihrer Korrosionsneigung unterscheiden. Aluminium und Edelstahl unterscheiden sich im Meerwasser um etwa ein halbes Volt, was mehr als ausreicht, um erheblicher Korrosion standzuhalten.

Die praktische Konsequenz ist klar: Halten Sie die Metalle trocken, halten Sie sie elektrisch getrennt oder nehmen Sie in Kauf, dass das Aluminium korrodiert. Jede wirksame Präventionsmethode bekämpft eine dieser drei Erkrankungen.

Warum Aluminium immer das Opfermetall ist

Jedes Metall hat eine Position in der galvanischen Reihe, die Materialien nach ihrem Korrosionspotenzial in einer bestimmten Umgebung einordnet. Im Meerwasser liegt Edelstahl weit über Aluminium. Das bedeutet, dass Edelstahl die Kathode und Aluminium die Anode ist, wenn beide in einer Nassbaugruppe verbunden werden.

Eine Nuance ist wissenswert. Edelstahl ist nur dann edel, wenn seine passive Oxidschicht intakt ist. In einem sauerstoffarmen Spalt, etwa dem Spalt unter einem Schraubenkopf oder zwischen fest eingespannten Flächen, kann Edelstahl seine Passivschicht verlieren und aktiv werden. Aus diesem Grund tritt Spaltkorrosion an rostfreien Verbindungselementen auf, auch wenn kein Aluminium vorhanden ist. Bei einem der Witterung ausgesetzten Aluminium-Stahl-Paar ist das praktische Ergebnis jedoch konsistent: Aluminium ist das Metall, das Material verliert.

Wenn Aluminium und Edelstahl sicher zusammen verwendet werden können

Die Reaktion zwischen Aluminium und Edelstahl ist nicht unvermeidlich. Unzählige Mischmetallbaugruppen haben zu langen Standzeiten geführt, da die Bedingungen für galvanische Korrosion nie gegeben waren.

• Trockene Innenräume. Ein beheizter, belüfteter Innenraum liefert selten genug Elektrolyt, um galvanische Korrosion aufrechtzuerhalten, sodass das Paar möglicherweise jahrzehntelang inaktiv bleibt.
• Versiegelte Verbindungen. Wenn die Schnittstelle mit einem kompatiblen Dichtmittel beschichtet oder durch eine feuchtigkeitsabweisende Barriere getrennt ist, kann der Elektrolyt die Verbindungsstelle nicht erreichen und der Stromkreis bleibt offen.
• Ein günstiges Flächenverhältnis. Wenn das Aluminiumteil groß und das Edelstahlteil klein ist, breitet sich der galvanische Strom über eine große Aluminiumoberfläche aus, sodass die lokale Korrosionsrate für die vorgesehene Lebensdauer akzeptabel sein kann. Der gefährliche Fall ist das Gegenteil: Ein kleines Aluminiumbauteil, das an einer großen Edelstahlkonstruktion befestigt ist, konzentriert die gesamte Korrosion auf einer kleinen Anode und fällt schnell aus.

Für den Einsatz im Freien oder auf See wird vorsichtig davon ausgegangen, dass irgendwann Feuchtigkeit vorhanden sein wird. Bei Solaranlagen, Architekturverkleidungen, Bootsbeschlägen und Industrieanlagen, die der Witterung ausgesetzt sind, ist Prävention eher eine Designanforderung als eine Option.

So verhindern Sie galvanische Korrosion in Baugruppen aus gemischten Metallen

Der zuverlässigste Weg, galvanische Korrosion zu stoppen, besteht darin, den Stromkreis zwischen den beiden Metallen zu unterbrechen oder den Elektrolyten von der Verbindungsstelle fernzuhalten. Mehrere Maßnahmen funktionieren gut in Kombination.

1. Mit nichtleitenden Barrieren isolieren. Eine Nylon- oder Faserscheibe unter dem Kopf des Edelstahl-Befestigungselements verhindert in Kombination mit einer Isolierhülse über dem Bolzenschaft den direkten Kontakt von Metall auf Metall. Dies ist die effektivste Methode.
2. Die Fuge abdichten. Ein Polysulfid-, Polyurethan- oder Butyl-Dichtstoff, der um den Kopf des Befestigungselements und entlang der Verbindungskante aufgetragen wird, schließt Feuchtigkeit aus und trennt die Oberflächen physisch.
3. Behandeln Sie Beschichtungen mit Vorsicht. Das Pulverbeschichten oder Lackieren des Aluminiums vor dem Zusammenbau stellt eine Barriere dar, aber jeder Kratzer oder Abplatzer kann eine lokale Anode bilden. Beschichtungen sollten niemals die einzige Verteidigungslinie sein.
4. Design für Entwässerung. Positionieren Sie die Verbindung so, dass das Wasser vom Befestigungselement abfließt, anstatt sich um es herum anzusammeln.

Eine Unterlegscheibe aus Edelstahl übernimmt in diesem System eine doppelte Rolle. Es verteilt die Klemmlast auf einen größeren Bereich, was bei weichem Aluminium wichtig ist, und sorgt für eine glatte Auflagefläche für den Muttern- oder Schraubenkopf. Es allein stoppt die galvanische Korrosion nicht, es sei denn, es ist durch eine Isolierschicht vom Aluminium getrennt. In Kombination mit einer Nylonscheibe oder einer Dichtmittelraupe sorgt eine Unterlegscheibe aus Edelstahl 304 für eine lange Lebensdauer und eine konstante Klemmleistung.

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Auswahl der richtigen Verbindungselementsorte aus Edelstahl

Wenn die Konstruktion Befestigungselemente aus Edelstahl in Kontakt mit Aluminium erfordert, sind die beiden Standardoptionen Edelstahl 304 (A2) und 316 (A4). Bei beiden handelt es sich um austenitische Sorten mit weitaus besserer Korrosionsbeständigkeit als Kohlenstoffstahl, und beide liegen in der galvanischen Reihe an ähnlichen Positionen. Die Auswahl verändert das galvanische Verhalten des Paares nicht. Keiner der Gütegrade ist beim Schutz des Aluminiums wesentlich besser als der andere, daher kommt es bei der Entscheidung wirklich darauf an, wie gut das Befestigungselement selbst in der Einsatzumgebung übersteht.

Für die meisten industriellen und architektonischen Arbeiten wird standardmäßig Edelstahl 304 verwendet. Es widersteht atmosphärischer Korrosion, Süßwasser und einer Vielzahl von Chemikalien. Für eine Solaranlage oder eine Gebäudefassade ist ein Befestigungselement aus Edelstahl der Güteklasse 304 eine bewährte und kostengünstige Wahl. Sowohl 304 als auch 316 werden gemäß den Standards DIN 933, GB5783 und ISO 4017 sowie unserem Leitfaden hergestellt Sechskantschrauben aus Edelstahl 304 im Vergleich zu 316 vergleicht die beiden Noten genauer.

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Edelstahl 316 fügt Molybdän hinzu, was die Beständigkeit gegen Chloride verbessert. Küsteninstallationen, Bootszubehör und alle Umgebungen, die Streusalz ausgesetzt sind, sollten für die Befestigungselemente 316 verwenden, da die Befestigungselemente die Montage unter den anspruchsvollsten Bedingungen überdauern müssen. Als allgemeine Regel gelten die Sortiment an Verbindungselementen aus Edelstahl Bei Projekten mit gemischten Metallen sollte die Auswahl auf der Grundlage der Chloridexposition erfolgen und nicht auf der Annahme, dass eine andere Qualität das Aluminium irgendwie schützt.

Bei einer Küsteninstallation ist die Kombination einer 316er-Sechskantmutter mit einer 316er-Schraube die zuverlässigste Option, insbesondere bei Gewindeverbindungen, die im Laufe der Zeit überprüft werden. Der Unterschied in der Korrosionsbeständigkeit zwischen 304 und 316 in einer Meeresatmosphäre ist erheblich genug, um die höheren Kosten von 316 zu rechtfertigen.

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Praktische Montagerichtlinien

Mischmetallbaugruppen scheitern, wenn die Grundlagen übersprungen werden. Die folgende Reihenfolge hat sich für Solarmontage, Schiffsdeckbeschläge, Industrierahmen und architektonische Aluminiumstrukturen als wirksam erwiesen.

1. Reinigen Sie beide Passflächen vor dem Zusammenbau. Fett, Sand oder leitfähige Verunreinigungen können selbst bei korrekter Konstruktion eine Korrosionszelle bilden.
2. Installieren Sie zuerst die Isolierschicht. Legen Sie eine Nylonscheibe oder eine Dichtmittelraupe unter den Edelstahlkopf des Befestigungselements und auf die Auflagefläche der Mutter.
3. Mit Nenndrehmoment anziehen. Übermäßiges Anziehen zerstört die Isolierschicht, verformt das Aluminium und macht die Verbindung anfällig für galvanische Korrosion und Spannungsrelaxation.
4. Überprüfen Sie nach der ersten Expositionssaison. Frühe Korrosion erscheint als weißes Pulver oder schwache Lochfraßbildung. Wenn es dann hängenbleibt, besteht die Lösung in einer Ersatzscheibe und einem Klecks Dichtmittel und nicht in einer strukturellen Reparatur.

Nichts davon sollte Ingenieure und Hersteller davon abhalten, Aluminium und Edelstahl gemeinsam zu verwenden. Die beiden Materialien funktionieren als System gut, wenn die oben genannten Regeln befolgt werden. Das Aluminium korrodiert nur, wenn der galvanische Stromkreis geschlossen bleibt und dieser Stromkreis leicht zu unterbrechen ist.