Die Kombination aus Aluminium und Stahl bietet viele Vorteile: Sie ermöglicht stabile, vergleichsweise leichte und wirtschaftliche Konstruktionen. Allerdings gibt es bei dieser Materialkombination ein Risiko, das auf den ersten Blick oft nicht erkennbar ist.
Unter bestimmten Bedingungen kann es zu einer galvanischen Korrosion kommen, die Verbindungselemente und Bauteile nach und nach schädigt. Wie entsteht dieser Korrosionsprozess, wann wird er zum Problem und wie lässt sich das Risiko bei der Fertigung und Montage reduzieren?
Wenn eine Metallverbindung wie eine kleine Batterie funktioniert
Stellen Sie sich einen Stahlrahmen vor, an dem ein Aluminiumblech befestigt ist. Die Konstruktion ist stabil, die Materialien sind passend dimensioniert und zunächst scheint alles in Ordnung zu sein. Gelangt jedoch Wasser in die Verbindungsstelle, können elektrochemische Reaktionen einsetzen.
Galvanische Korrosion, auch Kontaktkorrosion oder Bimetallkorrosion genannt, entsteht, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichen elektrochemischen Potenzialen elektrisch miteinander verbunden sind und gleichzeitig ein Elektrolyt vorhanden ist. Dabei kann es sich beispielsweise um Regenwasser, Kondenswasser oder salzhaltige Feuchtigkeit handeln.
Die Verbindung verhält sich dann ähnlich wie ein galvanisches Element: Ein Metall übernimmt die Funktion der Anode, das andere die der Kathode. Das weniger edle Metall wird dabei verstärkt angegriffen und kann sich schneller auflösen, als es bei alleiniger Belastung unter vergleichbaren Bedingungen der Fall wäre.
Wichtig ist allerdings: Allein der Kontakt zwischen zwei unterschiedlichen Metallen führt nicht zwangsläufig zu galvanischer Korrosion. Bleibt die Verbindung dauerhaft trocken und kommt sie nicht mit einem Elektrolyten in Berührung, kann sich kein wirksames galvanisches Element bilden.
Was korrodiert zuerst – Aluminium oder Stahl?
Bei einer typischen Verbindung von Aluminium mit unlegiertem Kohlenstoffstahl ist Aluminium elektrochemisch meist das unedlere Metall. Es fungiert daher häufig als Anode und ist besonders gefährdet. Der Stahl übernimmt in diesem Fall die Rolle der Kathode.
Auf der Aluminiumoberfläche können sich mit der Zeit kleine Vertiefungen, weißliche Korrosionsprodukte oder andere Formen einer lokalen Materialschädigung bilden. Besonders betroffen sind oft die Bereiche unmittelbar an der Verbindung, beispielsweise unter Schraubenköpfen oder zwischen überlappenden Blechen.
Das bedeutet jedoch nicht, dass Stahl grundsätzlich unbeschädigt bleibt. Fehlt eine geeignete Oberflächenbehandlung, kann auch er durch gewöhnliche atmosphärische Korrosion angegriffen werden. In der Praxis können somit mehrere Korrosionsmechanismen gleichzeitig auftreten.
Wie schnell galvanische Korrosion fortschreitet, hängt unter anderem von der verwendeten Aluminiumlegierung, der Stahlsorte, dem Zustand der Oberflächen und den Umgebungsbedingungen ab. Das Korrosionsverhalten lässt sich deshalb nicht allein anhand der Werkstoffbezeichnungen zuverlässig beurteilen.
Warum das Flächenverhältnis der Metalle entscheidend ist
Ein häufig unterschätzter Faktor ist das Verhältnis der dem Elektrolyten ausgesetzten Oberflächen beider Metalle. Es kann maßgeblich beeinflussen, wie stark die Korrosion an einer Verbindungsstelle ausfällt.
- Ist ein kleines Aluminiumbauteil elektrisch mit einer großen Stahlfläche verbunden und sind beide Metalle Feuchtigkeit ausgesetzt, kann sich der Korrosionsstrom auf die vergleichsweise kleine Aluminiumfläche konzentrieren. Dadurch kann der lokale Materialabtrag besonders stark ausfallen.
- Ein großflächiges Aluminiumblech, das mit wenigen Stahlelementen befestigt ist, kann hinsichtlich der galvanischen Korrosion günstigere Voraussetzungen bieten. Eine sichere Verbindung ist damit jedoch nicht automatisch gewährleistet. Entscheidend bleiben die konkrete Konstruktion, die Umgebungsbedingungen und der Korrosionsschutz.
Wo kann die Kombination aus Aluminium und Stahl problematisch werden?
In der Praxis kommen beide Werkstoffe häufig gemeinsam zum Einsatz, beispielsweise bei Fassaden, Überdachungen, Toren, Geländern, technischen Anlagen oder Fahrzeugkonstruktionen. Das Korrosionsrisiko ist dabei je nach Einsatzort und Konstruktion unterschiedlich hoch.
- In trockenen Innenräumen kann eine fachgerecht ausgeführte Verbindung über viele Jahre zuverlässig funktionieren. Im Außenbereich sind die Bedingungen deutlich anspruchsvoller: Temperaturschwankungen, Kondenswasser und Regen können dazu führen, dass Feuchtigkeit immer wieder in die Verbindung eindringt.
- Besondere Aufmerksamkeit benötigen Konstruktionen in der Nähe von Straßen, auf denen im Winter Streusalz eingesetzt wird. Gelöste Chloride erhöhen die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten und können die Korrosionsbedingungen erheblich verschärfen.
- Auch Bereiche, in denen Wasser dauerhaft eingeschlossen bleibt, sind besonders kritisch. Dazu zählen beispielsweise überlappende Bleche, schmale Spalten oder Verbindungen, die nach einem Regenschauer nur langsam trocknen. Solche konstruktiven Details können die Lebensdauer stärker beeinflussen als die Wahl des Grundwerkstoffs allein.
Wie lässt sich galvanische Korrosion bei Aluminium-Stahl-Verbindungen verhindern?
Am wirksamsten ist es, die Voraussetzungen für galvanische Korrosion gezielt zu vermeiden. In der Praxis bedeutet das vor allem, den elektrischen Kontakt zwischen den unterschiedlichen Metallen zu unterbrechen oder das Eindringen von Feuchtigkeit in die Verbindung zu verhindern.
Metalle durch eine elektrisch isolierende Schicht trennen
Eine besonders wirksame Maßnahme ist eine isolierende Zwischenschicht zwischen Aluminium und Stahl. Dafür eignen sich beispielsweise passende Kunststoffunterlegscheiben, Polymerbänder oder Dichtungen aus Gummi.
Bei Schraubverbindungen sollten nicht nur die aufeinanderliegenden Flächen voneinander getrennt werden. Je nach Konstruktion muss auch der Kontakt zwischen der Schraube und der Bohrungswand verhindert werden. Hierfür kommen Isolierhülsen und geeignete Isolierscheiben zum Einsatz.
Wasseransammlungen vermeiden
Bei Außenkonstruktionen helfen durchdachte Spaltgeometrien, Entwässerungsöffnungen und Blechüberlappungen. Wasser sollte zuverlässig ablaufen können, damit die Verbindungsstellen anschließend möglichst schnell trocknen.
Wo es konstruktiv möglich ist, lassen sich die Kontaktbereiche zusätzlich durch geeignete Dichtungen schützen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Abdichtung keine Hohlräume schafft, in denen sich Feuchtigkeit dauerhaft sammeln kann.
Auf eine geeignete Oberflächenbeschichtung achten
Eine hochwertige Schutzbeschichtung kann das Korrosionsrisiko deutlich verringern. Sie muss für beide Werkstoffe geeignet sein und zu den späteren Einsatzbedingungen passen. Besondere Aufmerksamkeit verdienen Kanten, Bohrungen und nachträglich bearbeitete Stellen, da die Schutzschicht dort häufig beschädigt wird.
Ist verzinkter Stahl besser geeignet? Und wie sieht es bei Edelstahl aus?
Bei der Materialauswahl stellt sich häufig die Frage, ob für den Kontakt mit Aluminium eher gewöhnlicher Stahl, verzinkter Stahl oder Edelstahl infrage kommt.
Verzinkte Bleche besitzen eine Zinkschicht, die den Stahl vor Korrosion schützt. Zink beeinflusst jedoch ebenfalls die elektrochemischen Vorgänge im Kontakt mit anderen Metallen. Eine Verzinkung bedeutet daher nicht automatisch, dass jede Verbindung mit Aluminium dauerhaft korrosionssicher ist.
Ähnliches gilt für Edelstahl. Er zeichnet sich zwar durch eine gute Korrosionsbeständigkeit aus, kann bei direktem Kontakt mit Aluminium in feuchter Umgebung jedoch dessen galvanische Korrosion begünstigen.
- Gerade bei Konstruktionen im Außenbereich sollte die Materialwahl deshalb nicht allein davon abhängen, welcher Werkstoff für sich betrachtet die bessere Korrosionsbeständigkeit besitzt. Entscheidend sind die Kombination der Metalle und die fachgerechte Ausführung der Verbindung.
Gebeitze Bleche und galvanische Korrosion: Was ist zu beachten?
Für Stahlrahmen, Halterungen und andere Konstruktionselemente werden häufig auch gebeizte Bleche verwendet. Ihr Vorteil liegt in der gereinigten Oberfläche, von der Zunder entfernt wurde. Das erleichtert die weitere Verarbeitung und die Vorbereitung auf nachfolgende Oberflächenbehandlungen.
Das Beizen allein stellt jedoch keinen dauerhaften Korrosionsschutz dar. Wird gebeiztes Stahlblech ohne geeignete Nachbehandlung Feuchtigkeit ausgesetzt, kann es ebenso rosten wie anderer ungeschützter Kohlenstoffstahl.
Bei der Fertigung einer kombinierten Stahl-Aluminium-Konstruktion empfiehlt es sich daher, zunächst die Bearbeitung und Vorbereitung der Stahlteile abzuschließen. Anschließend sollte der erforderliche Korrosionsschutz aufgebracht werden, bevor die Bauteile unter Verwendung geeigneter Isolierelemente miteinander verbunden werden.
Woran erkennt man beginnende galvanische Korrosion?
Ein erstes Warnzeichen sind häufig sichtbare Veränderungen im Bereich der Verbindung. Auf Aluminium können helle Ablagerungen, kleine Vertiefungen oder fortschreitende Oberflächenschäden auftreten. An den Stahlteilen können sich gleichzeitig rötlich-braune Rostflecken bilden.
Allerdings ist nicht jeder weiße Fleck auf Aluminium ein Beweis für galvanische Korrosion. Auch andere Korrosionsarten können ähnliche Spuren hinterlassen. Bei der Untersuchung sollte deshalb geprüft werden, ob beide Metalle elektrisch miteinander verbunden sind, ob Feuchtigkeit an die Kontaktstelle gelangt und in welchem Zustand sich die Schutzschichten befinden. Bei tragenden Konstruktionen müssen außerdem ein möglicher Materialverlust und die Festigkeit der Verbindung beurteilt werden.
Schreitet die Korrosion bereits fort, reicht es in der Regel nicht aus, lediglich die Oberfläche zu reinigen. Entscheidend ist, die Ursache zu beseitigen, beschädigte Schutzschichten fachgerecht zu erneuern und gegebenenfalls die konstruktive Ausführung anzupassen.
Die Lebensdauer beginnt bereits bei der Materialauswahl
Die Verbindung von Aluminium und Stahl ist nicht grundsätzlich problematisch. Beide Werkstoffe lassen sich erfolgreich kombinieren, wenn ihre elektrochemischen Eigenschaften und die späteren Einsatzbedingungen bereits bei der Konstruktion berücksichtigt werden.
Viele Fehler entstehen nicht bei der Auswahl des Blechs oder Profils, sondern erst bei der Montage. Eine ungeeignete Schraube, eine fehlende Isolierscheibe oder eine schlecht entwässerte Fuge können die Lebensdauer einer ansonsten hochwertigen Konstruktion deutlich verkürzen.
Bei der Verbindung unterschiedlicher Metalle sollten deshalb nicht nur Festigkeit und Abmessungen berücksichtigt werden. Ebenso wichtig sind der Oberflächenschutz, die Art der Verbindung und der Schutz vor Feuchtigkeit. Häufig entscheiden gerade diese Details darüber, ob eine Konstruktion über viele Jahre zuverlässig funktioniert.
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