Verzinken

Stahl wird verzinkt, um ihn vor Korrosion zu schützen.

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.

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.

Die Haltbarkeit zeichnet das Feuerverzinken aus. Schutzzeiträume von über 50 Jahren sollen möglich sein. 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.

Kontinuierliche Bandverzinkung

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 wir 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 180 m/min., somit erreichen Feuerverzinkungsanlagen eine Tonnenleistung von über 1000 t 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.

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 für die typische, große Zinkblume sorgt, aber heute nur noch wenig eingesetzt wird
• Silizium

Galvanische Verzinkung

Die meisten Kleinteile und alle ästhetisch anspruchsvolleren mittelgroßen Stahlteile 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.

Weiters 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.

Zink aus galvanischen Prozessen wird in der Regel mit einer zusätzlichen, sehr dünnen chromathaltigen 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 (Dickschichtpassivierung wird auch des öfteren Transparentpassivierung genannt). Die Gelbchromatierung hat die stärkste Korrosionsschutzwirkung, weil sie bei mechanischen Verletzungen einen gewissen "Selbstheilungseffekt" hat.

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.

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 2x beschichtet und neuerdings zusätzlich silikatisch versiegelt.