Galvanische Korrosion — wenn Stahl auf Aluminium auf Kupfer trifft

Die häufigste Korrosionsform an modernen Mischbau­konstruktionen ist nicht die freie Atmosphärenkorrosion an offenen Stahlflächen. Es ist die galvanische Korrosion, die dort auftritt, wo zwei unterschiedliche Metalle in elektrischem Kontakt stehen und beide gemeinsam einer Feuchtigkeitsbelastung ausgesetzt sind. An einem modernen Auto, einem Bootsrumpf, einer Garten­konstruktion mit Aluminium-Pfosten und Stahl-Bodenanker, an einer Heizungsanlage mit Kupfer­leitung und Stahl­heizkörper — überall, wo unterschiedliche Metalle aufeinander treffen, ist galvanische Korrosion das dominante Schadens­bild.

Das elektrochemische Prinzip

Jedes Metall hat ein Standard-Elektrodenpotenzial, das angibt, wie stark es dazu neigt, Elektronen abzugeben (zu oxidieren) oder aufzunehmen (zu reduzieren). Die Werte werden gegen eine Wasserstoff-Elektrode gemessen und in Volt angegeben. Eine kurze Auswahl (vereinfacht, für den Werkstatt-Gebrauch):

• Magnesium: −2,37 V
• Aluminium: −1,66 V
• Zink: −0,76 V
• Eisen/Stahl: −0,44 V
• Nickel: −0,25 V
• Zinn: −0,14 V
• Blei: −0,13 V
• Wasserstoff: 0,00 V (Bezugspunkt)
• Kupfer: +0,34 V
• Silber: +0,80 V
• Gold: +1,50 V

Wenn zwei Metalle aus dieser Reihe in elektrischem Kontakt stehen und gleichzeitig in Kontakt mit einem Elektrolyten (Wasser, Salzwasser, Säure) sind, fließt zwischen ihnen ein elektrischer Strom. Das unedlere Metall (mit negativerem Potenzial) gibt Elektronen ab und wird zur Anode — es oxidiert, es korrodiert. Das edlere Metall (mit positiverem Potenzial) wird zur Kathode — es bleibt geschützt.

Die treibende Spannung ist die Potenzialdifferenz. Aluminium gegen Stahl: ungefähr 1,2 V; das ist enorm. Stahl gegen Kupfer: ungefähr 0,8 V; ebenfalls signifikant. Stahl gegen Edelstahl (1.4571, etwa −0,15 V): ungefähr 0,3 V; deutlich milder, aber bei salznebelbelasteter Umgebung trotzdem schadens­relevant.

Unverträgliche Material­paarungen — die Werkstatt-Tabelle

Aus der Spannungsdifferenz lassen sich Faustregeln für die Werkstatt ableiten.

Stark unverträglich (Spannungsdifferenz > 0,5 V, kritisch bei jeder Feuchtigkeit):

• Aluminium ↔ Kupfer (Differenz 2,0 V)
• Aluminium ↔ Edelstahl (Differenz 1,5 V)
• Aluminium ↔ Stahl (Differenz 1,2 V)
• Zink ↔ Kupfer (Differenz 1,1 V)
• Stahl ↔ Kupfer (Differenz 0,8 V)
• Stahl ↔ Edelstahl (Differenz 0,3 V, kritisch nur bei Salznebel)

Verträglich (Spannungsdifferenz < 0,3 V):

• Stahl ↔ Zink (Zink ist Opferanode, geplant kathodischer Schutz)
• Verzinkter Stahl ↔ unverzinkter Stahl (Zink schützt beide Seiten)
• Edelstahl ↔ Edelstahl (gleiche Sorte, geringe Spannung)

Die kritischen Paarungen erkennt man im Alltag an den klassischen Schadensbildern: ein Aluminium-Fenster mit Kupfer-Wasserrinne, an dem das Aluminium im Bereich des Tropfwassers binnen weniger Jahre weißlich-pulverig korrodiert. Ein verzinkter Stahlträger mit edelstahl­geschraubten Anbauteilen, an dem der Zinküberzug rund um die Schraube wegfrisst. Ein Stahl­bodenanker in einer Aluminium-Konstruktion, an dem die Aluminium­fassung sich nach drei Wintern in eine bröselige weiße Masse verwandelt.

Trennverfahren

In der Werkstatt-Praxis gibt es vier verbreitete Methoden, galvanische Korrosion zu vermeiden. Sie unterscheiden sich in Aufwand, Lebensdauer und Sichtbarkeit.

Methode 1 — gleiche Materialien wählen. Wer eine reine Edelstahlkonstruktion baut, hat keine galvanische Korrosion. Das gilt auch für reine Aluminiumkonstruktionen, reine Stahl­konstruktionen, reine Kupfer­konstruktionen. Bei Garten­möbeln, Boots­ausstattungen und Architektur­details ist das die ehrlichste Lösung. Bei modernen Fahrzeugen oder Maschinen ist sie nicht praktikabel, weil die Konstruktion verschiedene Material­eigenschaften nutzt (Stahl für Festigkeit, Aluminium für Leichtbau, Kupfer für Leitfähigkeit).

Methode 2 — elektrische Trennung durch Isolierschicht. Zwischen die beiden Metalle wird eine elektrisch nicht leitende Schicht eingebracht: Kunststoff­hülsen an Schrauben, gummi-elastische Dichtungen an Flansch­verbindungen, Lackschichten an Auflage­flächen. Wichtig: die Isolierung muss vollständig sein und dauerhaft. Eine punktuelle Beschädigung der Lackschicht reicht aus, um die galvanische Reaktion an dieser einen Stelle ablaufen zu lassen — die mit besonderer Intensität, weil die Stromdichte sich auf der kleinen Fläche konzentriert.

Methode 3 — Opferanoden. Statt die galvanische Reaktion zu unterdrücken, lenkt man sie auf ein drittes, unedleres Metall, das geopfert wird. An Boots­rümpfen mit Edelstahl-Welle und Bronze-Propeller wird eine Zink-Opferanode am Rumpf befestigt; die Anode oxidiert, der Propeller und die Welle bleiben geschützt. Die Anode wird alle ein bis drei Jahre erneuert. Das gleiche Prinzip funktioniert an Heizungs­anlagen mit Magnesium-Anode im Warmwasserspeicher und an erdverlegten Stahlleitungen mit kathodischem Schutz durch im Boden vergrabene Magnesium-Erder.

Methode 4 — kontrollierte Beschichtung. Eine vollständige Lack- oder Pulver­beschichtung beider Metalle isoliert sie elektrisch und vermeidet die galvanische Reaktion. Diese Methode ist in der Mehrzahl der Industrie­konstruktionen die gewählte — und sie ist es, die regelmäßig durch Schadensanfälligkeit der Beschichtung wieder zur Korrosion führt. Sobald die Beschichtung an einer Stelle Schaden nimmt, entsteht eine kleinflächige Anodenzone mit hoher Stromdichte. Die Korrosion läuft an dieser Stelle bis zu hundert­mal schneller ab als an einer unbeschichteten Vergleichsfläche — das ist das Phänomen der Spaltkorrosion an Beschichtungsschäden.

Praktische Werkstatt-Hinweise

An verschraubten Mischkonstruktionen — Aluminium­profil mit Stahl­schraube — ist die ehrliche Lösung die A4-Edelstahlschraube mit Kunststoff-Unterleg­scheibe und einer kleinen Tube Polysulfid-Dichtmasse zwischen Schraubenkopf und Aluminium­oberfläche. Das Edelstahl-Aluminium-Paar hat eine kleinere Spannungsdifferenz als Stahl-Aluminium; die Dichtmasse verhindert den direkten Wasserzutritt; die Kunststoff­scheibe trennt elektrisch, falls die Schraube später angezogen wird und die Dichtmasse durchstößt.

An Anschlüssen von Aluminium­leitungen an Kupfer­leitungen (im Heizungs- und Sanitär­bereich) werden Übergangsverschraubungen mit innenliegender Edelstahl­dichtfläche verwendet. Eine direkte Klemm­verbindung von Aluminium­rohr in einer Messing­fassung wäre garantierte galvanische Korrosion.

An Schiffsschrauben­wellen ist die Zink-Opferanode am Rumpfboden das standardmäßige Schutzelement. Inspektion einmal jährlich, Austausch wenn mehr als 60 % der Anode abgetragen ist.

Was die Werkstoff-Norm sagt

In der DIN EN 50272-3 (Sicherheitsanforderungen an Batterien) und der DIN EN ISO 12944-5 (Beschichtungssysteme für Korrosionsschutz von Stahlbauten) sind Materialpaarungen und ihre Grenzbedingungen tabellarisch festgehalten. Wer in einer professionellen Konstruktion eine Mischbau­paarung wählt, dokumentiert die Spannungsdifferenz und die gewählte Trennmaßnahme als Teil der Konstruktions­unterlagen — das spart Diskussionen im Schadens­fall.

In der privaten Werkstatt-Praxis genügt die kurze Faustregel: zwei verschiedene Metalle, die zusammengeschraubt werden, brauchen entweder gleiches Material, eine elektrische Trennung, eine Opferanode oder eine fachgerechte Beschichtung. Wer das ignoriert, ärgert sich in drei Jahren über eine Aluminium-Konstruktion mit weißem Pulverbelag um jeden Schraubenkopf.

Im nächsten Aufsatz

In der kommenden Ausgabe behandeln wir Phosphatieren und Brünieren als historische, immer noch praktizierte Oberflächen­behandlungen für Werkzeuge — wie Zinkphosphat-Lösungen einen Schraubstock konservieren und warum eine Brünierung trotz ihrer geringen Schichtdicke jahrzehntelang trägt, wenn sie ordentlich eingestellt wird.