Feuerverzinken

Beim Feuerverzinken wird ein Rohling oder ein fertiges Werkstück aus Eisen oder Stahl in geschmolzenes Zink (ca. 450 °C) getaucht oder hindurch gezogen. Durch das Tauchen werden auch Innenflächen, Schweißnähte und unzugängliche Stellen gut erreicht. Bei dieser Temperatur bildet sich an der Berührungsfläche eine widerstandsfähige Legierungsschicht aus Eisen und Zink und darüber eine sehr fest haftende reine Zinkschicht. Diese ist (im Vergleich zum Galvanisieren d. h. elektrochemischen Abscheiden) relativ dick (zwischen 50 und 150 µm). Das Feuerverzinken ist nur eine von mehreren Methoden, um ein Stahlteil mit einem Zinküberzug zu versehen.

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 relativ witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkoxid und Zinkcarbonat bildet. Darüber hinaus ist Zink gegenüber Eisen das unedlere Metall (siehe Spannungsreihe) und dient 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 (z. B. 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.

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Verfahrensschritte beim Feuerverzinken

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.

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.

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.

Beizen

Der nächste Schritt ist eine Beizbehandlung zur Entfernung von arteigenen Verunreinigungen (z.B. 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.

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. Die entzinkten Teile werden anschließend gefluxt und neu verzinkt.

Fluxen

Dem Spülbad schließt sich ein Flußmittelbad an. Aufgabe des Flußmittels ist es, eine letzte, intensive Feinreinigung der Stahloberfläche vorzunehmen. Und Oxide zu lösen, sowie eine erneute Oxidation kurzzeitig zu verhindern. Ähnlich wie z. B. bei Lötverbindungen, bei denen in der Regel auch Flußmittel eingesetzt werden, erhöht das Flußmittel auch 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 dann eine Trockenstation, in welcher der Flußmittelfilm mittels Wärme aufgetrocknet wird. Zur Erwärmung von Entfettungsbädern und Trockenöfen wird in vielen Feuerverzinkereien die Abwärme aus der Beheizung des Verzinkungskessels mitgenutzt.

Feuerverzinken

Nach der Flußmittelbehandlung bzw. dem Trocknen wird das Verzinkungsgut in die flüssige Zinkschmelze getaucht. Zink hat eine Schmelztemperatur von ca. 419 °C; die Betriebstemperatur eines Verzinkungsbades liegt in den meisten Betrieben zwischen 440° bis 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.

Kühlen, Kontrollieren

Die nun noch sehr heißen feuerverzinkten Stahlteile kühlen an der Luft, im Trockenofen oder selten auch im Wasserbad ab. In einem letzten Schritt wird dann 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 dann noch ein Verputzen der Teile, d.h. Zinkspitzen und Unsauberkeiten auf dem Zinküberzug werden beseitigt.

Ergebnis

Ein wesentliches Kriterium für die Güte einer Feuerverzinkung ist die Dicke des Zinküberzuges: sie wird in µm gemessen (1 µm = 1/1 000 mm) In DIN EN ISO 1461 "Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge (Stückverzinken)" sind die Mindestwerte der geforderten Überzugsdicken angegeben, wie sie je nach Materialdicke beim Stückverzinken zu liefern sind. In der Regel haben Zinküberzüge eine Dicke von 50 bis 150 µm (Mikrometer).

Stückverzinken

Unter Stückverzinken versteht man das Feuerverzinken von (meist) größeren Stahlteilen und -konstruktionen. Die einzelnen Stahlteile werden z.B. mit Draht an einem Gehänge befestigt und durchlaufen die oben beschriebenen Verfahrensschritte. Das Stückverzinken gilt als Standardverfahren beim Feuerverzinken.

Beispiele für Stückverzinken: Schutzplanken (Leitplanken), Geländer, Außentreppen, PKW-Anhänger, LKW-Auflieger; Teile für Stahlhallen, Stahl-Glas-Gebäude und Parkhäuser.

Kleinteileverzinken

Bei kleinen Stahlteilen ist das Stückverzinken oft zu kostenintensiv. 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 Temperatur des Zinkbades ist etwas höher
• 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.

Kontinuierliche Bandverzinkung

Die Kontinuierliche Bandverzinkung ist auch unter der Bezeichnung Sendzimirverfahren (benannt nach Tadeusz Sendzimir) bekannt. In kontinuierlichen Bandverzinkungsanlagen wird das Stahlband (0,4 bis 4 mm dick, 400 bis 1800 mm breit und bis zu 3 km langen, zu einem Bund(Coil) mit bis zu 2  m Durchmesser aufgewickelt) vom Bund(Coil) 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 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 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

Siehe auch

• Verzinkung
• Feuervergoldung