Verfallsursachen von Metall
Wie bei jedem Metall gibt es verschiedene Ursachen des Verfalls von Metall.
Natürliche Alterung des Metalls
– durch Kontakt mit dem umgebenden Raum. Und auch mit der natürlichen Abnutzung durch Gebrauch. Vor allem die Schmiede wissen, dass die alltäglichen Metallobjekte nicht in der Natur in diesem Zustand zu finden sind. Die Gewinnung der Erze erfolgt aus den Erzen durch oxydischde und Redox-Reduktion. Die natürliche Neigung der Metalle ist es zu Ihrem ursprünglichen chemischen Zustand zurückzukommen – wie als Erz ursprünglich vorhanden.
Man unterscheidet auch Qualitativ anhand von gediegen vorkommenden Metallen wie z. B. Goldnuggets oder solche die erst durch pyro- oder nasschemische Gewinnung zum Metall werden.
Gediegen vorkommende Metalle korrodieren sehr selten.
Die Verfalls- bzw. Oxydationprodukte sind, weil Sie sich dem natürlichen Zustand des ursprünglichen Erzes nähern, chemisch stabiler als die Metalle.
Die umgebende Luft (Sauerstoff ...) und das Wasser (chem. H2O) sowie die vom Menschen verursachten Stoffe in der natürlichen Umgebung sind dafür verantwortlich.
Die Beschädigungen vom Metall lassen sich in durch vom Menschen verursachte Die umgebende Luft (Sauerstoff ...) und das Wasser (chem. H2O) sowie die vom Menschen verursachten Stoffe in der natürlichen Umgebung sind dafür verantwortlich.
Die Beschädigungen vom Metall lassen sich in durch vom Menschen verursachte (Sturz, mech. Abnutzung, Vandalismus ...) oder ein Naturereignis s.g. natürliche Beschädigung (z.B. Erdbeben, Brände). Die Schäden sind dann von struktureller Art. Die Veränderung kann auch im Rahmen einer Restaurierung vorkommen, z.B. infolge hohen Gewichtes kann es zu Rissen oder Torsion während des Transportes oder Restaurierung auftreten.
Solche traumatische Effekte die nicht offensichtlich optische zu Erkennen sind, kann man mit einem Menschen vergleichen die ein Trauma erlebt / zu verarbeiten haben. Bei näherem Kontakt hat man sehr oft eine unerwartete Reaktion. Es ist daher wichtig auch die Geschichte, soweit bekannt, des zu bearbeitenten Objektes zu kennen, bzw. sich damit auseinanderzusetzen.
Korrosionsprozesse
Sind die Hauptverfallsursache der Metalle, da sich die Materie aus chemischen Gründen verändert. Sie werden dabei durch Oxydation zu mineralischen Stoffen umgewandelt.
D.H. im Wasser kann dem Metall eine abrasive Veränderung passieren.
Innerhalb der Verfallsursachen finden sich drei verschiedene Korrosionsarten:
Trockene Korrosion durch den direkten Kontakt von Metall mit Atmosphäre der Außenluft.
Über Sauerstoff und die natürlichen Bestandteile der Luft hinaus (z.B. Schadstoffe in der Luft: Salz, saurer Regen, aus Wälder...).
Bei der Untersuchung ist es daher wichtig den ursprünglichen Aufstellungsort zu berücksichtigen, oder ob es sich für einen Zeitraum davor in einer speziellen Umgebung befand. Die Korrosionsprodukte der trockenen Korrosion sind Oxyde. Es gibt sehr viele Oxyde die dadurch entstehen. Die hauptsächlich vorkommenden Oxyde liste ich kurz auf:
auf Kupfer u. seinen Legierungen:
- Kupferoxyd Cu2O Cuprit (rote Farbe)
http://de.wikipedia.org/wiki/Cuprit
- Tenorit CuO (schwarze Farbe)
http://de.wikipedia.org/wiki/Tenorit
Bei trockener Korrosion ist die Reaktion vom Luftsauerstoff mit Kupfer in spez. Fällen eine (schwarz) gefärbe Oberfläche.
auf Eisen und seinen Legierungen:
- Eisenoxyd Wüstit FeO dklbraun
http://de.wikipedia.org/wiki/ Wüstit
- Hämatit Fe2O3 rot – braun
(hängt vom Wasser in der Umgebung ab)
http://de.wikipedia.org/wiki/ Hämatit
Nass- oder Elektrochemische Korrosion (SO4 / S / Cl )
Hauptfaktor dabei ist die rel. Luftfeutigkeit. und die Temperatur.
Sauerstoffgehalt und Schadstoffe sowie eventuell andere Bestandteile der Luft wie Salze, Sandstaub. Die Hauptschadstoffe in der Atmosphäre zur heutigen Zeit sind:
+ H2O
Schwefeldioxyd S02 → H2 SO4
Schwefelsäure
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwefeldioxid
Chem. Ablauf der Reaktion von SO2 in der Luft
Diese Reaktion bildete einen sauren PH-Wert und beschleunigt so den Korrosionsprozess.
auf Kupfer und seinen Legierungen:
durch Kupfersulfate
- Kupfersulfat Cu3(OH)4 SO4 ein Anhydrit früher Cuvitriol (grün)
http://de.wikipedia.org/wiki/Kupfersulfat
- Cu4(OH)6 SO4 Brochantite (OH-Gruppe zeigt den Basengehalt an)
http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/MineralData?mineral=Brochantit
Sie sind von mehr oder weniger grünen Farbe. Wenn die natürliche Patina als Schutzschicht vorhanden ist, wird daran nicht restauriert um den Schutz nicht zu beschädigen.
Kupfersulfide
- Cu2S Chalkosin (schwarz)
http://de.wikipedia.org/wiki/Chalkosin
- CuS Covellite (schwarz)
http://de.wikipedia.org/wiki/Covellin
Kupferchloride
- CuCl Nantokite (weissgrau)
http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/MineralData?m ineral=Nantokit
- Cu2(OH)3 Cl Atacamit (hellgrün)
http://de.wikipedia.org/wiki/Atacamit
Darüberhinaus auch noch Kupferoxalate
Grüne Farbe gibt uns zu erkennen, dass es kein Kupferoxyd sein kann.
auf Eisen und seinen Legierungen:
- Schwefeldioxyd SO2 bildet Eisenhydrooxyd Fe(OH)2
+ H20 bildet sich Schwefelsäure H2S2
- Eisenoxyd 2Fe2O3 + 3H2O (Wasser) = Rost (größere Struktur als das Eisenoxyd da bei dieser die Struktur kompakter ist, ist bedingt durch das vorhandene Wasser)
Einschub: warum sehen wir unterschiedliche Farben auf Metallen?
Licht kann man als elektromagnetische Welle erfassen.
sichtbare farbige Metalloberfl.
Lichteinfall
Metalloberfläche
Es funktioniert ähnlich den Regenbogenfarben.
Unterschiedliche chemische Zusammensetzung
Korrosion an der Luft
Darunter verstehen wir eine zusammenfassung von trockener und nasser (elektrolytische → wenn Salze vorhanden sind) Korrosion. Sie hängt mit dem Sauerstoff der Luft und der rel. Luftfeuchtigkeit zusammen.
Luftkorrosion nach Tomashov
Er unterschied zwischen diesen beiden Korrosionsarten aufgrund einer Zwischenschicht. Und er unterscheidet die zwei Korrosionen je nach der Dichte der Kondenswasserschicht auf der Metalloberfläche.
Tabelle nach Tomashov (1 Ȧngstrom = 10 Mikrometer)
10 – 100 Ȧ → werden die Wassermoleküle von der Oberfläche abgewiesen
(entspricht einer Metalloxydation oder Luftkorrosion)
100 Ȧ - 1 Mikron → elektrochemische Nasskorrosion od. noch Luftkorrosion
1 Mikron – 1 Millimeter → elektrochem. Nasskorrosion od. Korrosion unter Wasserschicht
> 1 mm → wird es als Eintauchen in ein elektrochem. Mittel betrachtet
von Tomashov gibt es auch noch eine Tabelle der LuftKorrosionsfaktoren:
1. natürliche Faktoren:
Metallart und/oder Legierung
Struktur der Korrosionsprodukte
2. die Umweltfaktoren:
Stadt – oder Landgebiet
Witterung
3. Aufstellungs- / Aussetzungsfaktor:
Aussen- oder Innenraum mit Luft und Regen
Vertikal od. horizontal
Zeitdauer der Aussetzung
Grundsätzlich gibt es nach Tomashov drei Korrisonstufen:
- Wasserkondensation auf der Metalloberfläche (Wasserfilm bildet sich)
- Freisetzung des im Wasser enthaltenen O2 → Sauerstoffentzug aus dem Wasser
- elektrochemischer Angriff
SO2 S O2 CL
Die „Rostformel“
a) Fe´(neutral) → Fe++ (löst sich auf und hat 2fach pos. Ladung) + 2 e-
b) ½ O2 (Luftsauerstoff) + H2O (Wasser) + 2 e-
bilden zwei negative 2 OH-
O2 wirkt als Atom und nicht als Molekül
c) Fe++ + 2OH- → Fe(OH)2
d) 2 Fe(OH)2 + 1/2 O2 + H2O → 2Fe(OH)3 (Eisenoxyd)
So bildet sich auch der Rost wenn Stahl in Wasser eingetaucht wird.
Ein interessanter Punkt ist die
Entwicklung des korrosiven Prozesses.
Unter dem Aspekt der Gewichtserhöhung:
Grafisch stellt sie die Gewichterhöhung zur Zeit (t) dar.
Daraus sind drei Arten der Korrosionsentwicklung entstanden:
1) Lineare Entwicklung → A
Immer wenn Sauerstoff im Kontakt mit dem Metall ist
das Korrosionsprodukt sieht dann porös aus.
bei Alkali-Metallen
2) Parbolische Korrosionsentwicklung, Passivschichtbildung → B
Das Gewicht nimmt in kurzer Zeit schnell zu. Dh. das sich auf der Oberfläche ein fester Schutz bildet / Trockenkorrosion
Dadurch ist der Kontakt zw. Metall und Luft schwierig weil es als Schutzfilm wirkt. Die Passivschichtbildung ist bei Kupfer ganz stark.
Bei Kupfer bildet sich Schicht auf Schicht und es ist eine Art Verfall
siehe auch: Pilling-Bedworth-Verhältnis
siehe auch: Pilling-Bedworth-Verhältnis
3.) logarithmische Korrosionsentwicklung → C
Der oxydische Schutzfilm wird schon ganz schnell am Anfang gebildet und ist der Fall bei Aluminium
Eine weitere Verfallsursache ist
die Ablagerungen von Schichten / Krustenbildung
Diese bestehen aus Luftbestandteile (Staub, Russ, Verbrennungsrückstände, Calziumsulfat, WasserKohlenstoffprod.). Sie verändern das Aussehen und wirken als Katalysatoren für Salze und schädliche Gase.
Diese Schadstoffe nehmen nicht mittelbar an einem Korrosionsprozess teil sondern ermöglichen und / oder beschleunigen ihn.
Beipiel wie es in einem sauben Raum und einem verschmutzten Raum anhand der vorhandenen rel. Luftfeuchtigkeit stattfindet.
Bei 40% rel. Luftfeucht. wird das Metall korrosiv angegriffen.
Es besteht ein Unterschied zwischen reiner Luft (Aria pura) und verschmutzter Luft (0,01 % SO2 hältig).
Verkrustungen sieht man z.B. bei Brunnen. Kalkverkrustungen
Weitere Schäden sind durch vorgegangene Restaurierungen vorhanden. Wenn ungeeignete Schutzmittel zur Konservierung verwendet wurde. Oder Verfall wegen mangelhafte Wartung des Objektes.
Verfallsursachen → natürliche Alterung nat. Abnutzung
→ traum. Ereignisse Sturz, Riss
→ Korrosionsprozesse trock. Korr.
lt. Tomashov + nass. Korr.
→ Ver. durch Ablagerung aus d. Luft / Kalkablag.
→ Schäden aus vorang. Restaurationsarbeiten
aus mangelh. Bemühungen
Morphologie der Korrosionsarten
Beispiel einer gleichmässigen Korrosion anhand der Kristallstruktur.
Oberflächenkorrosion
Die Korrosion folgt der Oberflächenform und ist damit gleichmässig.
Lochfrasskorrosion
Es bilden sich Krater mit Korrosion an der Metalloberfläche.
Druch diskrete Kondenswasserstellen auf der Metalloberfläche
Interkristalline Korrosion
An den Randflächen der Kirstallgrenzflächen
Transkristalline Korrosion
Die Korrosion geht durch die Kristallstruktur hindurch
Mischkristallkorrosion
Bei Legierungen aus zu verschiedenen Metallen
Ein Metall davon korrodiert eher als das/die anderen Metalle
Intergranulare Korrosion
Zwischen den einzelnen Metallkristallen im Inneren
Dentritische Korrosion
Tritt bei gegossenen Metallen oft auf
Korrosion zwischen den Schichten
Hängt mit der Belastung z.B. durch Temperatur u. Reibung zusammen.
Die Reinigung von Metallen
Vorbereitungsarbeiten
1) Aufnahmen u. Dokumentieren mit Skizze und vermasstes Ortho- & Detail-Foto (auf die Belichtung achten als Referenz / EXIF Datei) Röntgen und CRT-Aufnahmen
2) Demontage des zu restaurierenden Objektes
3) Vorreinigung mit trockenem Pinsel u. destilliertem Wasser (ohne Salze)
4) Abtrockenen
Entfettung findet mit Lösungsmittel (Alkohol, Aceton) statt durch Eintauchen oder tamponieren statt.
Vorsichtige Reinigung durch chemische und/oder mechanische Mittel.
Auf Färbelung, Vergoldung oder sonstige Oberflächenveredelung achten.
Sowenig aggressiv als möglich reinigen.
Das Reinigen von Bronze
Mechanisch ...
Chemisch ...
Reinigung von Eisen
Die gleichen Mittel wie bei Bronze oben, dazu noch folgendes...
Das Kleben von Objekten
sollten einfach zu verwenden sein. Dünnflüssig um gut eindringen zu können. Keine chemischen Reaktionen auslösen, lichtecht und temperatur-, wasser-beständig und ggf. reversibel sein. Dazu eignen sich Epoxdharze.
Dies sollte nicht durch Schweissen gelöst werden – weil dadurch ggf. eine völlig neue Situation entsteht.
Korrossionsschutzmittel
Kupfer und seinen Legierungen...
Eisen und seinen Legierungen...
Konservierung - Schutzbehandlung
verlangsamen - vorbeugend wirkend
- sollten hydrophob sein
- luftabschliessend
- reversibel
- transparent
- matt
- chemisch neutral gegenüber dem Objekt
- elastisch und gut haftend
- hitzebeständig
- alterungsbeständig
Schutz von Metallen im Freien
Bis jetzt gibt es noch kein allzeit wirksames Schutzmittel.
Die Oberfläche immer gut reinigen und sorgfältig mit Pinsel oder spritzen auftragen. Besser mehrer dünne Schichten hintereinander als eine dicke Schicht.
Als Schutzmittel können auch Wachse oder wachshaltige Stoffe wie reines Bienenwachs oder Wachse verwendet werden
Produkte die nicht empfohlen werden:
z.B. Paraffin, Vasolin – werden hart im Lauf der Zeit
Fette und Öle oxydieren auch im Lauf der Zeit und die Luftschadstoffe bleiben darauf haften.
Frage:
Erhaltungsregeln:
Leider ist ein Wartungsplan sehr aufwändig und es ist schwierig alle Eventualitäten vorherzusehen. Besser ist es Metallobjekte im Inneraum aufzustellen um es zu erhalten und konservieren.
Mit Klimatiserung des Raumes mit ca. 40% - 45% rel. Luftfeuchtigkeit und Schutz vor Staub ist eine einfache und wirkungsvolle Bedingung für Erhalt gegeben. In einem Museum wäre auch der Schutz vor den Besuchern einzuplanen.
Die heute erwähnen Verfallserscheinungen sind auf Metalle bezogen und sind auch die Schutzmittel darauf bezogen.
siehe auch:
