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(1)
Elektochemische Spannungsreihe (schematisch)
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(2)
Kathodische Schutzwirkung bei Zinküberzügen
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(3)
Kathodischer Schutz an beschädigten Oberflächenbereichen eines Zinküberzuges
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(4)
Kantenflucht/Kantenschutz (schematisch)
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(5)
Zinküberzug an einer Bauteilkante (Mikroschliff)
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Arbeitsblätter Feuerverzinken
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2.15
Kathodischer Schutz, Kantenschutz
1. Allgemeines
Bei allen Korrosionsschutzverfahren muß darauf geachtet werden, daß das System keine Schwachstellen aufweist. Das alte Sprichwort "Eine Kette ist nur so stark wie das schwächste Glied" gilt hier in besonderem Maße.
Ein Bereich, der erfahrungsgemäß problematisch sein kann, sind kleine Schäden, die beim Transport oder der Montage von Stahlteilen entstehen (z.B. Kratzer und Schrammen). Ein weiteres Problem sind Werkstückkanten, die einerseits stets besonderen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind und andererseits aufgrund ihrer Geometrie auch einer erhöhten Korrosionsbelastung. Kommt dann noch an Werkstückkanten eine eingeschränkte Wirksamkeit des Korrosionsschutzsystems hinzu, kann es Probleme mit dem Korrosionsschutz geben.
Zu beiden Problembereichen hat die Natur Zinküberzüge mit günstigen Eigenschaften ausgestattet.
2. Kathodischer Schutz
Alle Metalle besitzen ein sogenanntes Normalpotential, das ihre Bereitschaft charakterisiert, zu oxidieren und dabei positive Ionen abzugeben. Da diese Eigenschaft bei den Metallen sehr unterschiedlich ausgeprägt ist, läßt sich das unterschiedliche Verhalten der Metalle in einer elektrochemischen Spannungsreihe darstellen (Abb. 1). In dieser Tabelle stehen edle Metalle (z.B. Gold, Silber) mit ihrem positiven Potential auf der rechten Seite und relativ unedle Metalle (z. B. Magnesium, Aluminium und Zink) mit ihrem negativen Potential auf der linken Seite.
Aufgrund dieser Tabelle wird deutlich, daß Zink elektrochemisch gesehen unedler ist als Eisen. Diese Eigenschaft des Zinks macht sich jedoch in einer sehr positiven Weise bemerkbar. Wenn es nämlich bei Stahlteilen mit einem Zinküberzug zu einer Beschädigung kommt, die den Überzug lokal so weit zerstört, daß der Grundwerkstoff Stahl freiliegt, so kommt es beim Vorhandensein einer ausreichenden Feuchtigkeitsmenge (Elektrolyt) zur Bildung eines galvanischen Elementes (Abb. 2).
Die Werkstoffpaarung Eisen-Zink, wie sie an feuerverzinkten Stahlteilen anzutreffen ist, bewirkt im Fall einer Oberflächenverletzung die Ausbildung kathodischer und anodischer Bereiche. Dabei wird in aller Regel Zink als anodischer und Stahl als kathodischer Bereich ausgebildet. Aufgrund der unterschiedlichen Potentiale gibt das negative Zink als Anode laufend Zinkionen ab, die sich auf der edleren Kathode, dem Eisen, anlagern.
Es sind Abbauprodukte dieser elektrochemischen Reaktion, die dazu führen, daß sich an Kratzern und Schrammen der Rost nicht festsetzt oder gar ausbreitet. Treten Beschädigungen des Zinküberzuges auf, ist es das Zink aus der intakten "Nachbarschaft" einer solchen Schadstelle, das per Fernschutzwirkung vor Korrosion schützt.
Allerdings darf die Wirksamkeit dieses Schutzmechanismus nicht überschätzt werden. Je nach den Umgebungsbedingungen, der Feuchtigkeit und der Leitfähigkeit des Elektrolyten ist die Wirksamkeit dieses sogenannten kathodischen Schutzes sehr unterschiedlich. In der Praxis reicht er selten über Distanzen von 2-3 mm hinaus; d.h., die Länge eines Kratzers ist zwar nicht beschränkt, aber seine Breite darf die vorstehende Größenordnung nicht überschreiten. Auch Schnittkanten an verzinkten Blechen, die erst nach dem Verzinken erzeugt werden, also nicht verzinkt sind, profitieren von diesem elektrochemischen Schutz.
Eine braune Verfärbung der Schadstelle deutet zwar darauf hin, daß eine zeitweise Hemmung der elektrochemischen Reaktion vorhanden ist (z. B. aufgrund einer zu geringen Menge an Elektrolyt) trotzdem ist diese Erscheinung aber relativ unbedeutend und nicht mit einem generellen Versagen des kathodischen Schutzes gleichzusetzen. Größere Beschädigungen müssen jedoch in konventioneller Weise ausgebessert werden (z. B. durch thermisches Spritzen mit Zink oder durch spezielle Zinkstaubbeschichtungen).
Kleine Ursache, große Wirkung. Der kathodische Schutz ergibt sich aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten bei feuerverzinktem Stahl. Er bietet ohne zusätzlichen Aufwand einen Effekt, der dafür sorgt, daß sich kleine Beschädigungen im System (die oft und gern übersehen werden) nicht zu einem Problem entwickeln.
3. Kantenschutz
Korrosionstechnisch sind Bauteilkanten stets problematischer als glatte Flächen einer Konstruktion. An Bauteilkanten können korrosive Medien intensiver angreifen. Sie sind durch mechanische Einflüsse stets stärker gefährdet als andere Bereiche. Aus diesem Grunde muß an Bauteilkanten für herkömmliche Korrosionsschutzsysteme mit einer deutlichen Beeinträchtigung der Schutzwirkung gerechnet werden (Tab. I), wenn nicht besondere Maßnahmen ergriffen werden (z.B. gesonderte Kantenschutzbeschichtungen).
Auslöser ist der physikalische Effekt der "Kantenflucht", der bewirkt, daß Flüssigkeiten sich aufgrund ihrer Oberflächenspannung stets von Bauteilkanten zurückziehen, um einer Tropfenform nahezukommen.
Dieses hat zur Folge, daß eine flüssige Beschichtung an Werkstückkanten stets deutlich dünner ausfällt, als auf den benachbarten glatten Flächenbereichen. Da die Wirksamkeit eines Korrosionsschutzes jedoch im wesentlichen auch von seiner vorhandenen Schichtdicke abhängt, kann sich hieraus ein Problem entwickeln.
Beim Feuerverzinken ist zwar auch das Zink flüssig, es wird jedoch nicht einfach aufgepinselt oder lackiert, sondern baut zusammen mit dem Grundwerkstoff Legierungsschichten auf. Diese Eisen-Zink-Legierungen wachsen parallel zur Bauteiloberfläche. An Bauteilkanten fächert diese Legierungsschicht auf, und die vorhandenen Zwischenräume werden durch metallisches Zink ausgefüllt. Hierdurch wird erreicht, daß Zinküberzüge an Ecken und Kanten keine geringeren Dicken aufweisen als auf glatten Flächen (Abb. 4, 5).
Hier macht es also die Physik, daß Zinküberzüge keine Schwachstellen haben.
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