Verzinken
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Stahl wird verzinkt, um ihn vor Korrosion zu schützen.
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[Bearbeiten] Verzinkungsverfahren
Um ein Bauteil aus Stahl mit einer Zink- oder Zinklegierungsschicht zu überziehen, stehen mehrere verschiedene Verfahren zur Verfügung:
- Feuerverzinkung (Schmelztauchverzinkung)
- galvanische (elektrolytische Verzinkung)
- mechanische Verzinkung
- Zinklamellen/Binder-Systeme
Überzüge, die durch ein Zinkspray oder ähnliches erzeugt wurden, gehören nicht zur Verzinkung, sondern stellen den Spezialfall eines Lackes dar.
[Bearbeiten] Feuerverzinkung (Stückverzinkung)
Das Stückverzinken wird unter anderem für folgende Anwendungen eingesetzt: Schutzplanken (Leitplanken), Balkongeländer, Treppenanlagen, PKW-Anhänger, LKW-Auflieger, Stahlhallen, Moderne Stahl-Glas-Architektur, Parkhäuser.
Unter Feuerverzinken (Stückverzinken) versteht man das Überziehen von Stahlteilen mit einem massiven, metallischen Zinküberzug durch Eintauchen der vorbehandelten Stahlteile in eine Schmelze aus flüssigem Zink, dessen Temperatur bei ca. 450 °C liegt.
Der gesamte Verzinkungsprozess besteht aus mehreren Teilschritten:
- Entfetten & Spülen: Die Teile werden in einem Entfettungsbad von Öl und Fett gereinigt.
- Beizen: Hier wird Rost und Zunder entfernt. Üblicherweise wird ein Bad aus verdünnter Salzsäure verwendet.
- Spülen: In einem Wasserbad werden Säurereste entfernt
- Fluxen: Aufgabe des Flußmittels ist es, die Benetzungsfähigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und dem Zink zu erhöhen. Das Flußmittel besteht meistens aus einer wässrigen Lösung von Chloriden, am häufigsten einer Mischung aus Zink- und Ammoniumchlorid.
- Trocknen: Nach dem Fluxen werden die Werkstücke getrocknet und aufgeheizt.
- Feuerverzinken: Es folgt der eigentlich Verzinkungsschritt durch Eintauchen in die Zinkschmelze.
- Auskühlen & Kontrolle: Die verzinkten Teile kühlen aus und werden einer Kontrolle unterzogen. Mangelhaft verzinkte Stellen werden ausgebessert.
Die Haltbarkeit zeichnet das Feuerverzinken aus. Mit Schutzzeiträumen von 50 Jahren und mehr kann gerechnet werden. Beim Feuerverzinken läuft im Gegensatz zu anderen Verfahren eine metallurgische Reaktion ab, bei der Stahl und Zink gemeinsame Eisen-Zink-Legierungsschichten bilden, über die sich in der Regel noch eine Reinzinkschicht legt. Allerdings sind diese Legierungsschichten spröde (siehe unten), weshalb das Werkstück anschließend nicht mehr verformt werden kann. Die Schichtdicke einer Stückverzinkung liegt zwischen 50 und 100 µm.
Das Tauchverfahren Feuerverzinken bietet eine Reihe weiterer Vorteile:
- Perfekter Rund-um-Schutz außen und auch innen, selbst an unzugänglichen Stellen. Hohlkonstruktionen wie Rohre werden nicht nur außen, sondern auch innen gegen Korrosion geschützt.
- Feuerverzinkter Stahl ist problemlos recycelbar
Die Schutzdauer einer Feuerverzinkung kann nur durch ein „Duplexsystem“ übertroffen werden. Hierbei handelt es sich um eine Feuerverzinkung, die zusätzlich mit Farbe beschichtet wurde. Die Farbe schützt die Feuerverzinkung vor Umwelteinflüssen, die auf sie wirken. Die Feuerverzinkung verhindert das für Farbbeschichtungen typische Unterrosten.
Bei der Auswahl des Stahlwerkstoffes ist zumindest bei der normalen Feuerverzinkung die Möglichkeit des Auftretens des sog. "Sandelineffektes" zu beachten: Durch zu hohen (über 0,30 %) oder zu niedrigen (0,03 - 0,12 %) Silizium- und Phosphorgehalt im Stahl kann es bei der Feuerverzinkung zu einer sehr hohen Zinkschichtdicke am Werkstück kommen. Ferner zeigt der Zinküberzug eine graue Farbe. Neben der möglicherweise auftretenden Problematik von nicht mehr maßgerechten Bauteilen können extrem dicke Zinkschichten auch empfindlich gegen Schlag- und Druckbelastungen sein und zu Abplatzungen neigen.
[Bearbeiten] Kontinuierliche Bandverzinkung
Wird auch "Sendzimir verzinkt" genannt.
In kontinuierlichen Bandverzinkungsanlagen wird das Stahlband (0,4 bis 3 mm dick, 400 bis 1800 mm breit und etwa 3 km lang, zu einem Bund mit etwa 1,7 m Durchmesser aufgewickelt) vom Bund abgewickelt und zuerst in Schutzgasatmosphäre (5 % Wasserstoff in Stickstoff) kontinuierlich bei etwa 800 °C geglüht, damit sich die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Stahls durch Rekristallisation des Stahls einstellen. Nach dem Abkühlen des Bandes mit rückgekühltem Schutzgas auf 460 °C Bandtemperatur tritt das Stahlband schräg nach unten in das Zinkbad (Badtemperatur etwa 460 °C) ein (immer noch unter Schutzgas), wird im Zinkbad durch eine Rolle nach oben umgelenkt und verlässt nach etwa 3 s senkrecht nach oben das Zinkbad wieder (ab jetzt in Luft). Mit Hilfe spezieller Abblasdüsen (Air Knifes) wird das mitgeschleppte, überschüssige, flüssige Zink auf eine Dicke von weniger als 7 µm abgestreift. Danach wird das verzinkte Stahlband durch Jetkühler mit Luft abgekühlt, wobei auch das noch flüssige Zink auf der Bandoberfläche erstarrt. Das so verzinkte Stahlband wird noch in der Feuerverzinkungsanlage dressiert und eventuell chemisch nachbehandelt (phosphatiert, passiviert). Danach wird das Band wieder zu einem Bund (coil) aufgewickelt.
Die Bandgeschwindigkeiten in kontinuierlichen Feuerverzinkungsanlagen liegen je nach Banddicke bei bis zu 220 m/min., somit erreichen Feuerverzinkungsanlagen eine Tonnenleistung von über 1000 t verzinktem Stahlband pro Tag. Vom Aufheizen des Bandes bis zum Austauchen des Bandes aus dem flüssigen Zink muss darauf geachtet werden, dass nicht die geringsten Spuren von Sauerstoff auf das Stahlband gelangen, ansonsten benetzt das Zink die Stahloberfläche nicht und ein Verzinken ist nicht mehr möglich (Zink perlt ab). Stahlbänder können in so guter Qualität feuerverzinkt werden, dass diese sogar in Automobilen für Aussenhautteile (Dach, Kotflügel, ...) eingesetzt werden. Dazu wird das beschichtete Band platiniert (zu einer Platine zugeschnitten) und in mehreren Schritten tiefgezogen. Das Zink haftet so gut, dass es bei diesem Tiefziehen nicht abblättert. Das so geformte Bauteil (Kotflügel, Motorhaube, Kühlschranktüre, ...) wird lackiert und verbaut.
Herkömmliche Zinkbäder für die kontinuierliche Bandverzinkung enthalten (neben dem Zink) noch etwa 0,2 % Aluminium, hauptsächlich um die Ausbildung von ZnFe-Phasen zwischen Stahl und Zinkschicht zu unterbinden. Diese ZnFe-Phasen sind spröde und würden später beim Umformen des verzinkten Blechs zu einem Bauteil brechen, das Zink würde die Haftung verlieren und sich ablösen. Auch wird durch dieses Aluminium die Oxidation der Oberfläche der Zinkschmelze durch Luft verlangsamt, wodurch weniger Oberflächenschlacke auf der Zinkschmelze entsteht.
Galvanbäder enthalten (neben dem Zink) noch 4 bis 5 % Aluminium und geringe Mengen an Lanthan und Cer. Galfan wird heute nur mehr wenig verwendet.
Neben Aluminium sind manchmal unter anderem folgende Elemente in unterschiedlichen Mengen dem Zink zugesetzt:
- Blei, das für die typische, große Zinkblume sorgt, aber heute nur noch wenig eingesetzt wird
- Silizium
Zusatzinfo:
Die Produkte aus diesem fertigen Band werden auch als "Sendzimir verzinkt" bezeichnet. Nach dem gleichnamigen Erfinder dieses Verfahrens.
Mehrrollen Gerüst (bei ThyssenKrupp Stainless 20 Rollen) zum Kaltwalzen von breiten Stahlbändern, das nach seinem Erfinder Professor Tadeusz Sendzimir benannt worden ist. Die beiden dünnen Arbeitswalzen werden durch zahlreiche Stützwalzen im Gehäuse gehalten. Die geringen Arbeitswalzendurchmesser in Verbindung mit den Abstützwalzen lassen hohe Dickenabnahmen und engere Toleranzen auch bei schwer verformbaren Werkstoffen zu. Quelle: thyssenkrupp steel com aus dem Glossar
[Bearbeiten] Galvanische Verzinkung
Die meisten Kleinteile (Verzinkung erfolgt in einer Trommel) und alle ästhetisch anspruchsvolleren mittelgroßen Stahlteile (zu verzinkende Teile werden hierbei auf ein Gestell aufgesteckt) werden nicht in der Schmelze, sondern in einer wässrigen Salzlösung elektrolytisch beschichtet. Das zu verzinkende Werkstück wird als Kathode geschaltet; im Gleichstrom bei etwa 0,5-2,5 A/dm2 scheidet sich dann eine feinkristalline Zinkschicht auf der Oberfläche ab.
Weiterhin können in kontinuierlichen elektrolytrischen Verzinkungsanlagen Stahlbänder (Bandstahl) für anspruchsvolle Anwendungen (Automobil, Haugeräteindustrie) verzinkt werden (etwa mit dem Gravitel-Verfahren).
Nach ihrer Elektrolytzusammensetzung unterscheidet man zwischen
- schwachsauren Zinkelektrolyten (das Leitsalz ist üblicherweise Kaliumchlorid, der pH-Wert wird mit Borsäure gepuffert)
- cyanidischen Zinkelektrolyten (auf der Basis von Kalium- oder Natriumcyanid und Hydroxid)
- alkalischen (cyanidfreien) Zinkelektrolyten (das Leitsalz ist Natrium- oder Kaliumhydroxid)
Für viele galvanischen Verzinkungsverfahren gilt, dass sie organische Additive benötigen, damit sich nicht eine pulvrig-schwarze, sondern eine haftfeste und glänzende Schicht bildet. Diese Glanzzusätze sind polare Substanzen, die sich im elektrischen Feld auf der Oberfläche anlagern und dort als Inhibitoren wirken, also das Kristallwachstum hemmen und so sehr feinkristalline Strukturen erzeugen. Im schwachsauren Elektrolyten werden zusätzlich Tenside benötigt, die die Oberfläche benetzen und die Glanzzusätze emulgieren.
Für die Verzinkung von Bandstahl werden saure Sulfatelektrolyte verwendet, die mit oder ohne Additiv betrieben werden.
Chromatieren/Passivieren von elektrolytisch verzinkten Oberflächen: Zink aus galvanischen Prozessen wurde früher sehr oft mit einer zusätzlichen, sehr dünnen chromathaltigen (also Lösungen auf Basis von sechswertigen Chromverbindungen) Schicht passiviert. Diese Chromatierung genannte Schicht ist eine Konversionsschicht, die durch Reaktion der Zinkoberfläche mit einem chromathaltigen Bad entsteht. Sie kann den direkten Korrosionsangriff auf die darunter liegende Zinkschicht stark verzögern. Nach ihrer Farbe wird die Chromatierung Blau-, Gelb-, Schwarz- oder Olivchromatierung genannt. Heute sind jedoch aufgrund der Gesetzesrichtlichien EU-Altfahrzeugverordnung und RoHS-Richtlinie Chromatierungen mit krebserregenden Chrom-6-Verbindungen in vielen Bereichen nicht mehr zulässig, so dass diese durch Passivierungen mit Chrom-3-Verbindungen substituiert werden. Auch bei Chrom-3-Passivierungen lassen sich unterschiedliche Farbtöne realisieren, i.Allg. werden hier bläulich-transparente oder schwarze Schichten erzeugt. Abhängig von der Dicke der erhaltenen Passivierungsschicht wird der Begriff "Dünnschichtpassivierung" bzw. "Dickschichtpassivierung" verwendet. Chrom-3-passivierte Oberflächen zeigen im Salzsprühtest nach ISO 9227 oft gute Ergebnisse, versagen aber oft in zyklischen Korrosionstests wie VDA-Wechselklimatest 621-415 und es fehlt ihnen i.Allg. der bei Chromatierungen übliche "Selbstheileffekt". Dieser wird von der Industrie oft gewünscht, z.B. damit die beim Transport oder beim Einbau der vergüteten Teile teilweise auftretenden geringfügigen Beschädigungen nicht zu einem beschleunigten Korrosionsverlauf führen. Dieser bei Cr3-Passivierungen eigentlich fehlende "Selbstheileffekt" kann jedoch durch das nachträgliche Aufbringen einer geeigneten silikatischen Versiegelung erzeugt werden, auch die Beständigkeit in zyklischen Tests wird hiermit signifikant gesteigert.
Die wesentlichen Aussagen des Absatzes "Chromatieren/Passivieren von elektrolytisch verzinkten Oberflächen" gelten ebenfalls für die oben beschriebene Bandverzinkung in Kontianlagen. Doch hier wie dort macht die EU-Gesetzgebung dem Cr6 den Garaus - schade um die preiswerte, sehr gut korrosionsschützende Nanoschicht. Doch: Cr6 ist Krebs erregend und als Korrosionsschutz bislang im Bausektor nicht verboten. Somit sind Schrauben i.d.R. nach wie vor chromatiert, und je gelber, desto dicker! Durch Feuchtigkeit wird Cr6 sehr mobil, also Hand- und Heimwerker gebt Acht - die Hände vor dem Pausenbrot oder der Zigarette gut waschen und werkelnt auf der Leiter stehend, gehören die Schrauben nicht in den Mund gesteckt!
Die Entwicklung von alternativen Passivierungslösungen geht voran. In verschiedenen Industriebranchen wird mittlerweile sogar die Cr3-Passivierung nur noch als "Interimslösung" angesehen. Üblicherweise sind weitere Schwermetalle und äusserst korrosives Fluorid Anlass zum Unmut über diese Möglichkeit der Passivierung. Anlagenteile werden buchstäblich aufgefressen. Chrom frei ist die angestrebte Richtung der Entwickler. Neuerdings zeichnen sich in der chemischen Industrie innovative Ansätze ab, die die korrosionsschützende Passivierung allein über den Weg der funktionalisierten organischen Chemie zu erreichen sucht. Chrom frei, Schwermetall frei, Fluorid frei - und es passiviert Zink. Na, das klingt ebenfalls recht gut für die Umwelt. Ausserdem könnten sich derartige Beschichtungen durch zusätzliche vorteilhafte Eigenschaften für die Weiterverarbeitkeit der verzinkten Bleche hervortun. Beobachten wir die Entwicklung weiter...
[Bearbeiten] Duplex-System
Unter Duplex-Systemen versteht man gemäß DIN EN ISO 12944-5 ein "Korrosionsschutz-System, das aus einer Verzinkung in Kombination mit einer oder mehreren nachfolgenden Beschichtungen besteht." Verzinkung und Beschichtung ergänzen sich. Die Verzinkung wird durch die darüberliegende Beschichtung vor atmosphärischen und chemischen Einflüssen geschützt. Hierdurch wird die Lebensdauer der Verzinkung erhöht. Umgekehrt haben Beschädigungen an Beschichtungen keine nachteiligen Auswirkungen zur Folge, da die Verzinkung aufgrund ihrer hohen Widerstandsfähigkeit und Abriebfestigkeit hohen Belastungen standhält. Hierdurch können bei Beschichtungen typische Unterrostungen nicht entstehen. Durch diesen sogenannten Synergismus-Effekt zwischen der Verzinkung und der Beschichtung ist die Gesamtschutzdauer eines Duplex-Systems zwischen 1,2 bis 2,5 mal größer als die Summe aus der jeweiligen Einzelschutzdauer von Verzinkung und Beschichtung.
[Bearbeiten] Mechanische Verzinkung
Für gehärtete Teile, die extrem empfindlich gegen Wasserstoffversprödung sind, ist in einigen Spezifikationen die mechanische Beschichtung vorgeschrieben. Hier wird in einem Mischer Zinkstaub mit Glaskugeln unter Wärmeeinwirkung auf die zu beschichtenden Teile quasi aufgehämmert. Da es sich nicht um ein elektrolytisches Verfahren handelt, entsteht kein Wasserstoff, der in das Stahlteil eindringen könnte.
Die Haftfestigkeit und das dekorative Aussehen sind jedoch wesentlich schlechter als bei der galvanischen Verzinkung, weshalb die mechanische Verzinkung sehr selten angewandt wird.
[Bearbeiten] Zinklamellen/Binder-Systeme
Seit einigen Jahren gibt es als Alternative zur mechanischen Verzinkung die Beschichtung in einer Dispersion kleiner Zink- und z.T. auch Aluminiumflocken. Sie werden in einem Tauch/Schleuder-Verfahren aufgebracht, getrocknet und verfahrensabhängig bei 250-350 °C eingebrannt. Mit einem Beschichtungsvorgang wird eine Schichtdicke von etwa 4-5 µm erreicht, außerdem ist die Schicht nicht porendicht. Daher wird üblicherweise zweimal beschichtet und neuerdings zusätzlich silikatisch versiegelt.
[Bearbeiten] Spritzverzinken
Spritzverzinken ist eine Variante des Flammspritzens, bei der ein Zinkdraht durch eine Flamme oder Lichtbogen aufgeschmolzen und durch Druckluft zerstäubt auf das Werkstück aufgebracht wird. Das noch flüssige Zink bildet auf dem durch Sandstrahlen vorbehandelten Werkstück eine poröse Schicht, die ähnlich gute Korrosionsschutzeigenschaften aufweist wie die durch Feuerverzinken erzeugte. Diese Schicht ist durch die hohe innere Oberfläche sehr saugfähig. Bei einer anschließenden Lackierung sind daher ungewöhnlich große Mengen Grundierung oder Füller notwendig.
Vorteile des Verfahrens im Vergleich zum Feuerverzinken sind, daß die thermische Belastung des Werkstückes sehr gering ist und auch bei großen Flächen ein Verzug ausgeschlossen werden kann. Nachteilig ist, daß Hohlräume oder schwer zugängliche Stellen (Behälter-Innenräume, Falze etc.) nicht erreicht werden können.
[Bearbeiten] Weblinks
- http://www.feuerverzinken.com (Informationsportal zum Korrosionsschutz durch Feuerverzinken)
