Metallarten, die nicht rosten

Einführung

Metalle sind in der modernen Industrie und im Alltag allgegenwärtig, doch viele von ihnen neigen bei Kontakt mit Feuchtigkeit oder Sauerstoff zum Rosten, was ihr Aussehen und ihre Lebensdauer beeinträchtigt. Allerdings sind nicht alle Metalle rostanfällig. Einige sind aufgrund ihrer einzigartigen chemischen Eigenschaften von Natur aus oxidations- und korrosionsbeständig und eignen sich daher ideal für langlebige Anwendungen.

Dieser Artikel untersucht die Gründe für das Rosten von Metallen und stellt einige Metalle vor, die nicht so leicht rosten. Er behandelt ihre Eigenschaften, gängigen Anwendungsgebiete und die Gründe für ihre Rostbeständigkeit. HYT ist überzeugt, dass Sie nach dem Lesen dieses Artikels das richtige rostbeständige Metallmaterial für Ihr Projekt auswählen können.

Wenn Sie bei der Auswahl von Metallwerkstoffen für Ihr Projekt noch unsicher sind, können Sie sich gerne direkt an das Lösungsteam von HYT wenden. Wir bieten Ihnen professionelle Lösungen für Ihre individuellen Projektanforderungen.

Warum Metalle rosten

Wenn wir über Rost bei Metallen sprechen, meinen wir in der Regel Rost bei Eisenmetallen (zur Unterscheidung und den Eigenschaften von Eisen- und Nichteisenmetallen siehe diesen Artikel). Eisenmetalle umfassen hauptsächlich Eisen und verschiedene Eisenlegierungen, wobei Gusseisen und Stahl die gängigsten Eisenlegierungen sind. Gemeinsames Merkmal ist ihr hoher Eisengehalt.

Wenn Eisenmetalle Sauerstoff und Feuchtigkeit ausgesetzt sind, oxidiert das darin enthaltene Eisen. Hauptprodukt ist Eisen(III)-oxidhydrat (Fe₂O₃·nH₂O), eine meist lose, rotbraune oder orangefarbene Substanz, die allgemein als Rost bekannt ist. Obwohl Stahlkonstruktionen mit bloßem Auge robust erscheinen, können Wassermoleküle in kleinste Spalten im Metall eindringen. Dies löst Korrosion aus. In Gegenwart von Salz, wie beispielsweise Meerwasser, verläuft die Korrosion schneller. Auch Schwefeldioxid und Kohlendioxid beschleunigen den Korrosionsprozess.

Rost auf Stahl hat zahlreiche negative Auswirkungen auf das Material. Er verringert nicht nur die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls und damit seine Tragfähigkeit, sondern bildet auch Korrosionsnarben an der Oberfläche. Dies führt zu Spannungskonzentrationen und beschleunigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Darüber hinaus beeinträchtigt Rost die Ebenheit und Maßgenauigkeit der Stahloberfläche und somit die Passgenauigkeit von Maschinenteilen. Die Rostschicht behindert zudem die Haftung von Korrosionsschutzbeschichtungen und verschlimmert die Korrosion dadurch weiter. In feuchter oder korrosiver Umgebung kann sich Rost weiter ausbreiten und zu Strukturversagen oder Funktionsverlust führen, was die Wartungs- und Austauschkosten erhöht.

Was ist Korrosion?

Oft wird dem Unterschied zwischen Metallrost und Metallkorrosion nicht genügend Beachtung geschenkt. Tatsächlich ist Metallrost eine Form der Metallkorrosion. Metallkorrosion ist ein Oberbegriff für den Prozess, bei dem alle Metalle durch chemische oder elektrochemische Reaktionen, wie Oxidation und Auflösung, zerstört werden. Man unterscheidet hauptsächlich zwischen chemischer (Trockenkorrosion) und elektrochemischer (Nasskorrosion) Korrosion, je nach Korrosionsmechanismus. Das Rostproblem von Eisen und Eisenlegierungen ist eine Form der elektrochemischen Korrosion.

Metallarten, die nicht rosten

Die Bekämpfung von Rost an Eisen und Eisenlegierungen ist zeitaufwändig, arbeitsintensiv und kostspielig. Daher ist die beste Lösung die Wahl eines geeigneten Oberflächenbehandlungsverfahrens oder die Verwendung rostfreier Metalle. Obwohl Metallrost hauptsächlich bei Eisenmetallen auftritt, gibt es auch einige Eisenmetalle, die nicht leicht rosten. Viele Nichteisenmetalle weisen ebenfalls eine gute Korrosionsbeständigkeit auf.
Zu den gängigen Metallen, die nicht rosten, gehören:

Eisenmetalle und Oberflächenbehandlungen:

Cortenstahl oder wetterfester Stahl
Edelstahl
Verzinkter Stahl

Nichteisenmetalle:

Aluminium
Kupfer
Bronze
Messing
Gold, Silber, Platin
Diese Metalle werden nicht nur wegen ihrer Rostbeständigkeit ausgewählt, sondern auch wegen ihrer Langlebigkeit, Pflegeleichtigkeit und Beständigkeit gegenüber rauen Umweltbedingungen. Die Wahl des richtigen Metalls kann die Lebensdauer eines Bauwerks oder Produkts verlängern und die langfristigen Kosten für Reparatur, Austausch oder Instandhaltung reduzieren.

Cortenstahl oder wetterfester Stahl

Witterungsbeständiger Stahl, auch COR-TEN-Stahl oder Cortenstahl genannt, zeichnet sich durch zwei wesentliche Eigenschaften aus: Korrosionsbeständigkeit (COR) und Zugfestigkeit (TEN). Witterungsbeständiger Stahl enthält verschiedene Legierungsbestandteile wie Kupfer, Chrom, Mangan usw., wobei Kupfer der wichtigste Bestandteil ist.

In der Anfangsphase der Materialnutzung oxidiert und rostet wetterfester Stahl bei Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit wie gewöhnlicher Kohlenstoffstahl. Mit der Zeit bildet sich jedoch auf der Oberfläche des Materials durch die Einwirkung verschiedener Umwelteinflüsse eine stabile und dichte Schutzschicht aus Oxid, die sogenannte Patina. Diese Patina verhindert das weitere Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff in den Stahl und verlangsamt so den Rostprozess.

Darüber hinaus kann die Bildung der Patina von wetterfestem Stahl durch eine Vorbehandlung des wetterfesten Stahls im Werk beschleunigt werden, um den Einfluss von Umweltfaktoren auf den Stahl nach dessen Inbetriebnahme zu verringern.

Edelstahl

Edelstahl ist ein weit verbreiteter Werkstoff und zugleich ein legierter Stahl. Die Legierungszusammensetzung von Edelstahl enthält mindestens 11% Chrom. Chrom im Edelstahl weist eine höhere Metallreaktivität auf und reagiert daher leichter mit Sauerstoff als Eisen. Bevor Eisen mit Luft in Kontakt kommt, reagiert Chrom zunächst mit Sauerstoff und bildet einen stabilen und dichten Passivfilm auf der Materialoberfläche. Hauptbestandteil dieses Films ist Chromoxid (Cr₂O₃). Chromoxid verhindert das weitere Eindringen von Sauerstoff, Feuchtigkeit und Chloridionen und somit die Korrosion des Materials.

Chromoxid besitzt in den meisten herkömmlichen Korrosionsumgebungen eine gewisse Selbstheilungsfähigkeit. Unter anspruchsvolleren Betriebsbedingungen, wie beispielsweise in Umgebungen mit hohem Chlorgehalt, wird die Chromoxidschicht auf der Oberfläche mancher Edelstähle jedoch zerstört, was zu Rostbildung am Grundmaterial führt. In solchen Fällen empfiehlt sich die Wahl von Edelstählen mit höherem Chromgehalt, wie beispielsweise 316, 321 oder Duplex-Edelstahl 2205. Diese Edelstähle enthalten Legierungselemente wie Molybdän und Nickel, die ihnen eine höhere Rostbeständigkeit verleihen.
Edelstahlwerkstoffe werden aufgrund ihrer hohen biologischen Reinheit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und strukturellen Festigkeit in vielen stark nachgefragten Branchen wie der Energie-, Meeres- und Bohrindustrie eingesetzt.

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Verzinkter Stahl

Verzinkter Stahl ist Stahl mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung. Durch das Aufbringen einer Zinkschicht auf die Oberfläche von Stahl oder Eisen lässt sich die Rostbeständigkeit von Metallprodukten verbessern.

Verzinkter Stahl ist eine Stahlsorte mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung. Durch das Aufbringen einer Zinkschicht auf die Oberfläche von Stahl oder Eisen lässt sich die Rostbeständigkeit von Metallprodukten verbessern.

Zink besitzt eine höhere Metallaktivität als Eisen. In feuchter oder korrosiver Umgebung oxidiert zunächst die Zinkschicht an der Oberfläche und bildet so eine Schutzschicht. Hauptbestandteil dieser Schutzschicht ist ZnO oder ZnCO₃. Diese Schutzschicht verhindert, dass Stahl und Eisen durch Sauerstoff und Feuchtigkeit korrodieren. Dieser Mechanismus wird als Opferanodenschutz bezeichnet.

Im Vergleich dazu können Kupfer, Nickel und andere Metalle zwar auch als Beschichtungsmaterialien verwendet werden, ihre Reaktivität ist jedoch geringer als die von Eisen. Ist die Beschichtung beschädigt, reagiert Eisen mit Sauerstoff, bevor Kupfer, Nickel und andere Materialien reagieren. Das Grundmaterial ist weiterhin anfällig für Rost, und die Kosten dieser Metallbeschichtungen sind relativ hoch.

Selbst bei Beschädigung der Zinkschicht reagiert das verbleibende Zink zunächst mit Sauerstoff und bildet eine Schutzschicht, die das Material vor Rost schützt. Dadurch verlängert sich die Rostschutzzeit. Unter Berücksichtigung von Kosten und Einsatzbedingungen ist die Verzinkung daher ein sehr kostengünstiges und weit verbreitetes Verfahren zur Oberflächenbehandlung gegen Rost.

Verzinkter Stahl wird hauptsächlich hergestellt durch Feuerverzinkung (HDG) Und Elektrogalvanisierung (EG).

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Verzinkungsverfahren besteht darin, dass beim Feuerverzinken das Material direkt in geschmolzenes Zink (über 450 °C) getaucht wird, um eine dickere Zinkschicht zu bilden. Dadurch wird eine starke Rostbeständigkeit erreicht und eine langfristige Rostbeständigkeit gewährleistet, was es für Anwendungen in rauen Außenumgebungen geeignet macht.;

Durch elektrolytische Abscheidung entsteht auf der Metalloberfläche eine dünne, aber gleichmäßige Zinkschicht. Obwohl diese Zinkschicht relativ dünn ist und nur eine geringe Rostbeständigkeit aufweist, ist sie relativ glatt und ästhetisch ansprechend, weshalb sie sich für die Herstellung kleiner Präzisionsteile eignet.

Bei gleicher Flächeneinheit sind die Kosten des Feuerverzinkungsverfahrens niedriger als die des elektrolytischen Verzinkungsverfahrens, daher eignet es sich besser für die Massenproduktion.

Aluminium

Aluminium ist nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element. Es ist ein Metall mit sehr großen Vorkommen und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Da Aluminium kein Eisen enthält und Eisen in den meisten Fällen auch nicht beim Schmelzen und Verarbeiten verwendet wird, rostet es nicht. Zudem bildet Aluminium in Reaktion mit Sauerstoff eine dünne Korrosionsschutzschicht, das sogenannte Aluminiumoxid, das das Metall bis zu einem gewissen Grad vor Korrosion schützt. Im Gegensatz zu Rost, der sich vom Grundmaterial ablöst, bleibt Aluminiumoxid haften. Es schützt das Grundmaterial über lange Zeit vor Korrosion durch Umwelteinflüsse.

Aluminium rostet nicht und weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit sowie ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf, weshalb viele Flugzeug- und Automobilteile aus Aluminium gefertigt werden. Allerdings besitzt Aluminium eine geringe Zugfestigkeit und wird daher üblicherweise mit anderen Elementen (wie Kupfer, Magnesium, Silizium und Mangan) legiert, um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern.

Rote Metalle: Messing, Kupfer, Bronze

Als rote Metalle gelten Messing, Kupfer und Bronze. Ihre chemische Hauptzusammensetzung enthält nahezu kein Eisen, daher rosten sie nicht.

Kupfer

Kupfer ist ein natürliches Metall und eines der wenigen Metalle, die in der Natur direkt in metallischer Form vorkommen. Da Kupfer kein Eisen enthält, rostet es nicht von selbst, oxidiert aber allmählich an der Luft. Im Anfangsstadium der Kupferoxidation dunkelt die Farbe der Kupferoberfläche von einem rosa-orangenen Ton zu einem bräunlich-schwarzen oder dunkelbraunen Farbton nach. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die ersten Oxidationsprodukte Kupferoxid und Kupfer(I)-oxid sind, die rot bzw. schwarz sind. Sie schützen das Kupfergerüst vor Korrosion und lösen sich nicht von diesem ab. Mit der Zeit oxidiert Kupfer weiter mit Sauerstoff zu Cu₂(OH)₂CO₃, das grün oder blaugrün ist und als Grünspan bekannt ist. Daher sieht man oft einen grünen Belag auf alten Kupferkonstruktionen.

Bronze

Bronze ist kein natürlich vorkommendes Metall, sondern eine Kupferlegierung, die üblicherweise aus Kupfer (88%) und Zinn (12%) besteht. Bronze enthält kein Eisen und rostet daher nicht. Die Oxidationsreaktionen von Bronze ähneln denen von Kupfer, daher werde ich sie hier nicht wiederholen. Sind die Arbeitsbedingungen jedoch zu rau und ist die Umgebung säurehaltig, kann es zur sogenannten “Bronzekrankheit” kommen. Dabei reagieren die Chloride im sauren Milieu mit Kupfer zu Kupferchlorid (CuCl₂), was das Material spröde macht und seine mechanischen Eigenschaften verschlechtert. Bronze ist weicher als reines Kupfer und weist eine gute Zähigkeit auf. Bronze wird häufig für die Herstellung von Skulpturen, Musikinstrumenten, architektonischen Bauteilen und im Schiffbau verwendet.

Messing

Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Obwohl es auch etwas Eisen enthält, ist der Anteil so gering, dass Messing nicht rostet. Die Oxidationsreaktion von Messing ähnelt der von Kupfer, daher gehe ich darauf nicht weiter ein. Messing hat eine goldähnliche Farbe, ein ansprechendes Aussehen, ist fest und formbar und wird daher häufig als Rohmaterial für Dekorationen, Musikinstrumente, Haushaltsgegenstände und andere Produkte verwendet.

Gold, Silber, Platin

Gold, Silber und Platin werden als Edelmetalle bezeichnet. Sie sind allesamt reine Metalle und enthalten kein Eisen, weshalb sie nicht rosten. Gleichzeitig sind diese Metalle nicht anfällig für Oxidationsreaktionen.

Abschluss

Bei der Auswahl von Metallrohstoffen für ein Projekt achten wir oft zuerst darauf, ob sie rosten. Wie bereits erwähnt, ist Rost jedoch nur eine Form der Korrosion. Auch wenn die oben genannten Metalle nicht rosten, werden sie von anderen Umwelteinflüssen beeinflusst und können verschiedene Korrosionserscheinungen aufweisen. Diese Korrosionen verringern die Festigkeit und die mechanischen Eigenschaften von Metallprodukten und bergen somit erhebliche Sicherheitsrisiken.

Daher müssen bei der Auswahl von Metallwerkstoffen zahlreiche Faktoren umfassend berücksichtigt werden. Hinsichtlich der Anwendungsbedingungen müssen Aspekte wie Luftfeuchtigkeit, pH-Wert, Temperatur, elektrochemische Veränderungen und physikalische Belastungen umfassend beachtet werden. Im Hinblick auf das Gesamtprojekt, in dem die Metallwerkstoffe eingesetzt werden, müssen Faktoren wie Wartungskosten und Lebensdauer der Anlagen umfassend berücksichtigt werden.

Beispielsweise sind in maritimen Anwendungen aggressive, korrosive Umgebungen übliche Arbeitsbedingungen, weshalb Werkstoffe mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit wie Edelstahl 316 und Duplex-Edelstahl 2205 die bessere Wahl darstellen; bei der Herstellung von Produkten wie Automobilen und Flugzeugen müssen wir sowohl Kraftstoffeinsparung als auch strukturelle Festigkeit berücksichtigen, weshalb wir uns für Titanlegierungen entscheiden, einen Werkstoff mit einem ausgezeichneten Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht; und bei Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen geben wir Nickelbasislegierungen Vorrang, einem Werkstoff, der seine guten mechanischen Eigenschaften auch unter hohen Temperaturen und Drücken beibehält.

In industriellen Anwendungen gibt es vielfältige Einsatzbedingungen. Wenn Sie sich bei der Materialwahl unsicher sind, kontaktieren Sie bitte unser HYT-Technikteam. Wir bieten unseren Kunden umfassende Lösungen für Metallwerkstoffe, um Zeit und Kosten zu reduzieren und die Sicherheit sowie die Wirtschaftlichkeit Ihres Projekts zu optimieren.