Feuerverzinken


Feuerverzinken
Kristalline Oberfläche eines noch wenig oxidierten feuerverzinkten Eisengeländers im Straßenverkehr

Feuerverzinken ist das Aufbringen eines metallischen Zinküberzugs auf Eisen oder Stahl durch Eintauchen in geschmolzenes Zink (bei ca. 450 °C). Dabei bildet sich an der Berührungsfläche eine widerstandsfähige Legierungsschicht aus Eisen und Zink und darüber eine sehr fest haftende reine Zinkschicht. Feuerverzinken ist eine von mehreren Methoden, um zu verzinken. Bei der Feuerverzinkung wird zwischen (diskontinuierlicher) Stückverzinkung und kontinuierlicher Bandverzinkung unterschieden.

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften

Die Zinkschicht sieht im frischen Zustand hellglänzend und danach eine Zeit lang metallisch-kristallin aus; sie wird im Laufe der Zeit dunkelgrau infolge der Korrosion des Zinks, das an der Luft eine witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkoxid und Zinkcarbonat bildet. Ist der Luft- und damit der Kohlendioxid-Zutritt eingeschränkt, entsteht der unerwünschte Weißrost.

Gegenüber edleren Metallen wie Eisen (siehe Spannungsreihe) dient Zink als Opferanode, die das darunter liegende Eisen solange vor Korrosion schützt, bis sie selbst vollständig korrodiert ist. Infolge dieser beiden Materialeigenschaften kann eine entsprechend dicke Zinkschicht einen jahrzehntelangen wirtschaftlichen Korrosionsschutz ohne Wartungsaufwand bieten.

Das gilt selbst bei starker Korrosionsbelastung (zum Beispiel C4 gemäß den Korrosivitätskategorien nach DIN EN ISO 14713), die in Deutschland kaum vorkommen; hier ist im Durchschnitt mit C2 bis C3 zu rechnen.

Die Schutzdauer einer Feuerverzinkung kann durch einen zusätzlichen Farbanstrich („Duplexsystem“) weiter verbessert werden.

Stückverzinkung

Feuerverzinktes Treppengeländer

Unter Stückverzinken versteht man das Feuerverzinken von (meist) größeren Stahlteilen und -konstruktionen. Dabei werden Rohlinge oder fertige Werkstücke nach einer Vorbehandlung einzeln in das Schmelzbad getaucht. Durch das Tauchen werden auch Innenflächen, Schweißnähte und unzugängliche Stellen gut erreicht. Beispiele für Stückverzinken: Schutzplanken (Leitplanken), Geländer, Außentreppen, PKW-Anhänger, LKW-Auflieger, Teile für Stahlhallen, Stahl-Glas-Gebäude und Parkhäuser.

Verfahrensschritte beim Stückverzinken

Die nachstehend beschriebenen Verfahrensschritte stellen nur eine beispielhafte Erläuterung dar. Nach den jeweiligen betrieblichen Gegebenheiten können Abweichungen auftreten. Bei Anlagen zum Feuerverzinken von Kleinteilen können teilweise erhebliche Änderungen des Verfahrensablaufs auftreten.

Vorbereitende Arbeitsschritte

Außer in großen industriellen Anlagen (zum Beispiel Karosserieverzinkung) findet die Feuerverzinkung meist in Lohnverzinkereien statt. Hierfür muss eine grobe Oberflächenvorbehandlung durchgeführt worden sein, sonst verweigert die Verzinkerei die Annahme. Die Teile müssen frei von losem Rost und alten Farben sein. Gegebenenfalls ist vorheriges Sandstrahlen erforderlich. Hohlprofile müssen angebohrt sein (10 mm und größer). Aus diesen Bohrungen müssen alle Flüssigkeiten restlos auslaufen können. Spitze Innenecken sollten ausgerundet sein.

Nach der Anlieferung der zu verzinkenden Teile in der Feuerverzinkerei und einer notwendigen Eingangsprüfung werden die Werkstücke zunächst zu Chargen möglichst gleichartiger oder ähnlicher Bauteile zusammengestellt, damit ein wirtschaftliches Verzinken möglich ist. Die Teile werden vorher oder nachher gewogen. Bei der sogenannten Schwarzverwiegung (vor der Verzinkung) wird ein vorher festgelegter Prozentsatz als Zinkannahme hinzu gerechnet. Das resultierende Gewicht geht dann in die Rechnungserstellung ein. Bei der sogenannten Weißverwiegung (nach dem Verzinkungsvorgang) wird das Endgewicht mit einem festgelegtem Eckpreis (gemäß einer materialbezogenen Tarifgruppe) multipliziert. Das Produkt aus Gewicht und Tarifgruppe ergibt dann die Rechnungsendsumme zuzüglich der gültigen Mehrwertsteuer.

Eine Differenzverwiegung erfolgt meist nicht.

Entfetten/Spülen

Teile, die Rückstände von Fetten und Ölen aufweisen, werden in einem Entfettungsbad gereinigt. Als Entfettungsmittel kommen üblicherweise wässrige alkalische oder saure Entfettungsmittel zur Anwendung. Nach einem alkalischen Entfettungsbad folgt ein kurzes Eintauchen in ein Wasserbad, um das Verschleppen von Entfettungsmitteln mit dem Verzinkungsgut zu vermeiden.

Bei einer sauren Entfettung wird meistens verdünnte Salzsäure als Basis verwendet. Hier kann auf das Spülen nach dem Entfetten verzichtet werden, wenn in der nachfolgenden Beize ebenfalls Salzsäure als Betriebsmedium verwendet wird.

Beizen

Der nächste Schritt ist eine Beizbehandlung zur Entfernung von arteigenen Verunreinigungen (zum Beispiel Rost und Zunder) von der Stahloberfläche. Das Beizen erfolgt üblicherweise in verdünnter Salzsäure. Die Dauer des Beizvorgangs richtet sich nach dem Verrostungsgrad des Verzinkungsgutes und der Arbeitskonzentration der Beize. Die Beizbäder werden im Regelfall bei Raumtemperatur betrieben, es können aber auch Badtemperaturen bis 40 °C vorkommen.

Spülen

Nach dem Beizen erfolgen zwei Spülvorgänge in Wasser, um die Verschleppung von Säure- und Salzresten mit dem Verzinkungsgut so weit wie möglich zu minimieren.

Beizen von verzinkten Teilen

Nach einer fehlerhaften Verzinkung oder nach einer Konstruktionsänderung an einem verzinkten Teil kann der Zinküberzug wieder entfernt werden. Dazu darf aber nicht das oben genannte Beizbad benutzt werden, sondern ein spezielles Beizbad mit verdünnter Salzsäure. Hierbei kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der sich Wasserstoff (H2) bildet. Dieses Gas wird in einen Schaumfilm gebunden. Das Hantieren mit Zündquellen ist in der Nähe dieses Bades zu vermeiden, da es zur Explosion kommen kann. Die entzinkten Teile werden anschließend gefluxt und neu verzinkt.

Fluxen

Dem Spülbad schließt sich ein Flussmittelbad an. Aufgabe des Flussmittels ist es, bei der Reaktion mit dem schmelzflüssigen Zink eine letzte intensive Feinstreinigung der Stahloberfläche vorzunehmen und die Oxidhaut der Zinkoberfläche aufzulösen, sowie eine erneute Oxidation der Stahloberfläche während der Wartezeit bis zum Verzinkungsvorgang kurzzeitig zu verhindern. Ähnlich wie zum Beispiel bei Lötverbindungen, bei denen in der Regel auch Flussmittel eingesetzt werden, erhöht das Flussmittel die Benetzungsfähigkeit zwischen der Stahloberfläche und dem schmelzflüssigen Zink. Das Flussmittel besteht meistens aus einer wässrigen Lösung von Chloriden, am häufigsten einer Mischung aus Zink- und Ammoniumchlorid.

Trocknen

In den meisten Fällen folgt eine Trockenstation, in der der Flussmittelfilm mittels Wärme aufgetrocknet. Zur Erwärmung von Entfettungsbädern und Trockenöfen wird in vielen Feuerverzinkereien die Abwärme aus der Beheizung des Verzinkungskessels mitgenutzt. Die Erwärmung / Trocknung der Bauteile hat einzig den Sinn, anhaftendes Wasser (Feuchtigkeit) zu verdunsten, so dass unerwünschte Reaktionen (Bildung von Wasserdampf) im 450 °C heißen Zink vermieden werden. Ein Entspannen der Bauteile (Vermeiden von thermischem Verzug) kann bei der vorherrschenden Trockentemperatur von max. 90 °C technisch und physikalisch nicht erfolgen.

Verzinken

Nach der Flussmittelbehandlung bzw. dem Trocknen wird das Verzinkungsgut in die flüssige Zinkschmelze getaucht. Zink hat eine Schmelztemperatur von etwa 419 °C; die Betriebstemperatur eines Verzinkungsbades liegt in den meisten Betrieben zwischen 440 und 460 °C, in besonderen Fällen auch bei mehr als 530 °C (Hochtemperaturverzinkung). Der Zinkgehalt der Schmelze liegt gemäß DIN EN ISO 1461 bei mindestens 98,5 %.

Nach dem Eintauchen des Verzinkungsgutes in das geschmolzene Zink verbleiben die Teile im Zinkbad, bis sie dessen Temperatur angenommen haben. Nachdem das Flussmittel nun „abgekocht" ist, wird die Oberfläche des Zinkbades von Oxiden und Flussmittelresten gereinigt, bevor dann das Verzinkungsgut wieder aus der Zinkschmelze herausgezogen wird.

Beim Verzinkungsvorgang bildet sich als Folge einer wechselseitigen Diffusion des flüssigen Zinks mit der Stahloberfläche auf dem Stahlteil ein Überzug verschiedenartig zusammengesetzter Eisen-Zink-Legierungsschichten. Beim Herausziehen der feuerverzinkten Gegenstände bleibt auf der obersten Legierungsschicht noch eine – auch als Reinzinkschicht bezeichnete – Schicht aus Zink haften, die in ihrer Zusammensetzung der Zinkschmelze entspricht.

Verputzen oder Entgraten

Die beim Herausziehen noch heißen feuerverzinkten Stahlteile kühlen an der Luft oder in einem Wasserbad ab. Sobald die Temperatur der Bauteile dieses zulässt, werden die Anschlagmittel oder auch Anbindedrähte entfernt und die sich ergebenen Klebestellen normgerecht nachgearbeitet. Sollten sich unverzinkte Stellen an den Bauteilen zeigen, so dürfen diese in engen Grenzen und nach festgelegten Regeln nachgearbeitet werden. Als maximal zulässige Größe pro Einzelfehlstelle gelten 10 cm², wobei alle an einem Bauteil befindlichen Fehlstellen in Gesamtheit der Fläche 0,5 % der Bauteiloberfläche nicht überschreiten dürfen. Die Nacharbeit kann durch Spritzverzinken oder durch eine Zinkstaubbeschichtung erfolgen. Welches der vorgenannten Verfahren zum Einsatz kommt, ist vom Bauteil und den technischen Gegebenheiten in der Verzinkerei abhängig. In einem letzten Schritt wird das fertig verzinkte Material gewogen, da im Regelfall das verzinkte Gewicht die Basis für die Preisermittlung des Unternehmens bildet. Vor der Auslieferung wird die Güte der Feuerverzinkung kontrolliert. Bei Bedarf erfolgt noch ein Verputzen der Teile, das heißt Zinkspitzen und Unsauberkeiten auf dem Zinküberzug werden beseitigt.

Ergebnis

Logo des Deutschen Instituts für Normung DIN EN ISO 1461
Bereich Korrosionsschutz
Titel Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge (Stückverzinken) - Anforderungen und Prüfungen
Letzte Ausgabe 2009-10
ISO 1461

Ein wesentliches Kriterium für die Güte einer Feuerverzinkung ist die Dicke des Zinküberzuges in µm (Mikrometer, ein tausendstel Millimeter). In der Norm EN ISO 1461 „Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge (Stückverzinken)“ (früher in Deutschland in der DIN-Norm DIN 50976 genormt) sind die Mindestwerte der geforderten Überzugsdicken angegeben, wie sie je nach Materialdicke beim Stückverzinken zu liefern sind.

Mindestschichtdicke von Zinküberzügen gemäß DIN EN ISO 1461:

Materialdicke 0 bis 1,5 mm: Überzugsdicke > 45 µm
Materialdicke 1,5 bis 3,0 mm: Überzugsdicke > 55 µm
Materialdicke 3,0 bis 6,0 mm: Überzugsdicke > 70 µm
Materialdicke > 6,0 mm: Überzugsdicke > 85 µm

In der Praxis liegen die Schichtdicken deutlich über den in DIN EN ISO 1461 angegebenen Mindestschichtdicken. In der Regel haben durch Stückverzinken hergestellte Zinküberzüge eine Dicke von 50 bis 150 µm.

Kleinteileverzinken

Bei kleinen Stahlteilen ist das Stückverzinken oft zu teuer. In diesem Fall werden die Kleinteile als Schüttgut in einen Metallkorb gefüllt und der Metallkorb wird komplett in das schmelzflüssige Zink eingetaucht. Gegenüber dem Stückverzinken bestehen folgende Unterschiede:

  • Die Bad-Temperatur wird hierbei über 530 °C eingestellt.
  • Als zusätzlicher Verfahrensschritt nach dem Verzinken werden die Kleinteile meistens durch Rotation des Metallkorbes zentrifugiert. Man spricht dann von Schleuderware.
  • Durch das Zentrifugieren wird die Zink-Schichtdicke vermindert. Die Verminderung der Zink-Schichtdicke ist besonders wichtig bei Teilen mit Gewinde oder bei Teilen mit genauen Maßtoleranzen. Gewinde wären ohne das Zentrifugieren oft nicht mehr gängig.
  • Die Farbe von fertig verzinkter Schleuderware ist meistens weniger hell glänzend als die Farbe von stückverzinkten Teilen, sondern eher grau. Dies ist eine Folge des Zentrifugierens, weil das Reinzink von der Oberfläche abgeschleudert wird.

Beispiele für das Kleinteileverzinken: Schrauben, Muttern und Verbindungselemente.

Wirtschaftliche Bedeutung des Stückverzinkens

Durch Stückverzinken werden in Deutschland pro Jahr rund 1,9 Mio. Tonnen Stahl gegen Korrosion geschützt. Dies entspricht einem Umsatz von ca. 700 Mio. Euro. Rund 85 Prozent der Tonnage wird im Lohnauftrag veredelt. Zu den Kunden von Feuerverzinkereien zählen vor allem Stahl- und Metallbauunternehmen, Serienteilehersteller und der Stahlhandel. Rund die Hälfte der feuerverzinkten Tonnage wird im Bauwesen verwendet. Weitere wichtige Verwendungsbereiche sind Industrieausrüstungen, Transportwesen, Fahrzeugbau, Landwirtschaft, Straßenausrüstung, Ver- und Entsorgung sowie Kleinteile. Typische Produkte sind Schutzplanken (Leitplanken), Balkongeländer, Treppenanlagen mit Gitterrosten, PKW-Anhänger, LKW-Auflieger, Stahlbaukonstruktionen (z.B. Stahlhallen, Moderne Stahl-Glas-Architektur, Parkhäuser).

Kontinuierliche Bandverzinkung (Sendzimirverfahren)

Die Kontinuierliche Bandverzinkung ist auch unter der Bezeichnung Sendzimirverfahren (benannt nach Tadeusz Sendzimir) bekannt. Bandverzinkungsanlagen bestehen aus dem Einlaufteil, dem eigentlichen Behandlungsteil und dem Auslaufteil.

Ausgangsmaterial ist in der Regel ungeglühtes kaltgewalztes Stahlband (0,4 bis 4 mm dick, 400 bis 1800 mm breit), das zu einem Coil (Bund) aufgewickelt ist. Die Bandlänge eines solchen Coils kann bis zu 3000 m betragen. Im Einlaufteil wird das Stahlband vom Coil abgewickelt. Zwei Abwickelhaspeln und eine Schweißmaschine ermöglichen die Herstellung von Endlosbändern, so dass die Anlage kontinuierlich gefahren werden kann.

Der eigentliche Behandlungsteil besteht aus dem Durchlaufofen, dem Schmelzbad, einer Vorrichtung zur Einstellung der Zinkauflage und der Kühlung. Der Durchlaufofen ist unterteilt in die direkte beheizte Vorwärmzone, die indirekt beheizten Reduktions- und Haltezonen, sowie die Kühlzone. In der Vorwärmzone wird das Band schnell auf etwa 450-650 °C erwärmt. Dieser Teil wird auch Oxidationszone genannt. Hier erfolgte eine oxidative Reinigung des Bandes, beispielsweise durch Abbrennen von Emulsionsrückständen aus dem Kaltwalzen. In der Reduktions- und Haltezone wird das Band weiter in einer reduzierenden Schutzgasatmosphäre (Formiergas: etwa 25 bis 28 % Wasserstoff in Stickstoff) auf etwa 800 °C erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten. Das Band wird kontinuierlich geglüht, dabei werden durch Rekristallisation des Stahls die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs eingestellt. Daneben werden in der Vorwärmzone gebildete Eisenoxide reduziert. Die nachfolgende Kühlzone ist durch eine Schleuse (Rüssel) mit dem Schmelzbad verbunden. In der Kühlzone wird das Band unter Schutzgas auf eine Temperatur nahe der Schmelzbadtemperatur abgekühlt.

Das Band taucht schräg nach unten in das Schmelzbad (Badtemperatur bei Zink etwa 460 °C) ein, wird durch eine Rolle im Bad nach oben umgelenkt und verlässt das Schmelzbad wieder. Beim Austritt aus dem Bad reißt das Band eine von der Bandgeschwindigkeit abhängige Metallmenge mit sich, die weit über der gewünschten Überzugsdicke (Auflage) liegt. Das noch flüssige überschüssige Überzugsmetall wird im sogenannten Düsenabstreifverfahren mit einem gerichteten Luftstrahl aus einer breiten Flachdüse auf der Vorder- und Rückseite abgestreift. Die so einstell- und regelbare Überzugsdicke hängt von der Bandgeschwindigkeit, dem Abblasdruck und dem Düsenabstand vom Band ab (Hierzu siehe auch: Elektromagnetische Bandstabilisierung). Danach wird das Band durch Jetkühler mit Luft abgekühlt, wobei der metallische Überzug auf der Bandoberfläche erstarrt. Die dabei gebildete Kristallstruktur und deren Aussehen hängt von der Art des Überzugs und den Bedingungen des Erstarrungsvorgangs ab.

Das schmelztauchveredelte Stahlband kann bei Bedarf noch in der Feuerverzinkungsanlage nachgewalzt (dressiert), gerichtet und eventuell chemisch nachbehandelt (phosphatiert, passiviert) werden. Danach wird das Band wieder zu einem Coil aufgewickelt.

Die Bandgeschwindigkeiten in kontinuierlichen Feuerverzinkungsanlagen liegen je nach Banddicke bei bis zu 220 m/min., somit erreichen Feuerverzinkungsanlagen eine Tonnenleistung von über 2000 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 zu einer Platine geschnitten 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.

Zinkbäder für die kontinuierliche Bandverzinkung enthalten (neben Zink) ca. 0,2 % Aluminium, um die Ausbildung einer ZnFe-Phase zu unterbinden und die Bildung von Zinkblumen zu fördern. Da ZnFe-Phasen spröde sind, würden diese beim folgenden Umformen eines verzinkten Blechs brechen, das Zink würde die Haftung verlieren und sich ablösen. Auch wird durch Aluminium die Oxidation der Oberfläche der Zinkschmelze durch Luft verlangsamt, wodurch weniger Oberflächenschlacke auf der Zinkschmelze entsteht. Zusätzlich wird durch die geringe Menge von Aluminium im Zinkbad die spätere Zink-Schicht heller und glänzender.

Galfanbäder 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 verhindert, dass sich eine Hartzinkschicht auf dem Boden der Wanne bildet,
  • Silizium.

Siehe auch

Literatur

  • Stahl-Informations-Zentrum (Hrsg.): Charakteristische Merkmale 094 - Feuerverzinkter Bandstahl. 1. Auflage, 2001, ISSN 0175-2006, (PDF; 1,49; MB).
  • Stahl-Informations-Zentrum (Hrsg.): Charakteristische Merkmale 095 - Schmelztauchveredeltes Band und Blech. Ausgabe 2005, ISSN 0175-2006, (PDF; 0,57; MB).
  • Stahl-Informations-Zentrum (Hrsg.): Merkblatt 329 - Korrosionsschutz durch Feuerverzinken (Stückverzinken). 1. Auflage, 2001, ISSN 0175-2006, (PDF; 0,68; MB).

Weblinks

 Commons: Feuerverzinken – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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