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Zink als effektiver Korrosionsschutz
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Zink fürs Leben
Texte vom Institut Feuerverzinken GmbH
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Feuerverzinken von Einzelteilen aus Stahl
Zink und Stahl: eine Verbindung von Dauer
1. Der Zinküberzug
Der Ablauf der Reaktionen zwischen Eisen und flüssigem Zink ist äußerst kompliziert. Nachstehend werden deshalb nur die wesentlichen technologischen Vorgänge in stark vereinfachter Form erläutert. Detailliertere Angaben können dem einschlägigen Schrifttum entnommen werden.
Während des Tauchvorgangs im Zinkbad wird das Verzinkungsgut auf die Zinkbadtemperatur von ca. 723 K (450°C) erwärmt. Dabei bilden sich auf der Oberfläche durch wechselseitige Diffusion Eisen-Zink-Legierungsschichten. Beim Herausziehen der Teile aus dem Zinkbad überziehen sich diese Legierungsschichten üblicherweise noch mit einer Reinzinkschicht. Dadurch entsteht ein glänzender Überzug - häufig mit ausgeprägtem Zinkblumenmuster.
Die Schutzdauer eines Zinküberzuges wird primär durch seine Schichtdicke bestimmt. Die Norm DIN EN ISO 1461 "Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge (Stückverzinken)" legt u.a.
Mindestschichtdicken für Zinküberzüge fest. In der Praxis werden jedoch Zinküberzüge erzeugt, deren Schichtdicken deutlich oberhalb der Mindestanforderungen der Norm liegen. Dies bedeutet, dass die tatsächliche Schutzdauer eines Zinküberzuges in der Regel deutlich länger ist als die theoretisch ermittelte Schutzdauer, die auf der Mindestschichtdicke gemäß Norm basiert. Es werden also zusätzliche Sicherheitsreserven geliefert.
Die Bildung von Eisen-Zink-Legierungsschichten kann mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit ablaufen. Entscheidend ist hierbei die chemische Zusammensetzung des Stahls. Bei reaktionsfreudigen Stählen kann es vorkommen, dass die Wechselwirkung Eisen-Zink besonders rasch abläuft. Es wird dann ein Überzug erzeugt, bei dem der Anteil der Eisen-Zink-Legierungsschichten größer als normal ist. Im Extremfall kann der gesamte Zinküberzug aus Eisen-Zink-Legierungsschichten bestehen. Er ist dann nicht mehr blumig glänzend, sondern blumenlos und mattgrau.
Insbesondere wird diese Erscheinung bei Stählen mit Siliciumgehalten von etwa 0,003% bis 0,12% beobachtet (sogenannter Sandelin-Effekt) sowie bei Gehalten über 0,30% Si.
Höhere Phosphorgehalte können, additiv zu den Siliciumgehalten, zur Verstärkung der Eisen-Zink-Reaktionen beitragen.
Das Aussehen eines Zinküberzuges hängt also in erster Linie von der chemischen Zusammensetzung des Stahls ab. Qualitativ besteht zwischen der glänzenden und der grauen Verzinkung kein signifikanter Unterschied. Das Korrosionsverhalten (Zinkabtrag in µm/Jahr) ist bei beiden Überzugsarten fast gleich.
Die Härte der Eisen-Zink-Legierungsschichten liegt erheblich über der Härte normaler Baustähle. Hierauf beruht die hohe Verschleiß- und Abriebbeständigkeit von Zinküberzügen, die beim Transport und bei der Montage so geschätzt wird.
An dieser Stelle sei auf ein anderes positives Phänomen beim Feuerverzinken hingewiesen: Die einzelnen Kristalle der Eisen-Zink-Legierungsschichten wachsen senkrecht zur Stahloberfläche. An Ecken und Kanten öffnen sich die Legierungsschichten deshalb fächerförmig, und die Zwischenräume füllen sich mit Zink. Durch Stückverzinken hergestellte Zinküberzüge sind deshalb im Regelfall an Ecken und Kanten mindestens ebenso dick wie auf den angrenzenden Flächen; bei reaktionsfreudigen Stahlsorten sind sie dort häufig sogar dicker.
Die Dicke von Zinküberzügen wird in µm (1 µm = 1/1000 mm) gemessen und angegeben. In DIN EN ISO 1461 sind die Mindestüberzugsdicken angegeben, wie sie je nach Materialdicke bei der Stückverzinkung zu liefern sind. In der Praxis werden aus den eingangs dargelegten Gründen höhere Zinkauflagen erzeugt.
2. Korrosionsverhalten von Zinküberzügen
Zink ist ein nicht sehr beständiges Metall. Es hat jedoch eine positive Eigenschaft: Es bildet in Folge der Bewitterung Deckschichten. Diese vorwiegend basischen Zinkverbindungen übernehmen den Schutz des Zinks und damit der Stahloberfläche. Die Deckschichten werden zwar im Laufe der Zeit durch Wind und Wetter abgetragen, erneuern sich jedoch ständig durch das darunter befindliche Zink. Das beduetet also, dass Zinküberzüge im Laufe der Zeit langsam dünner werden, wobei der Einfluß der Atmosphäre hinsichtlich des jährlich zu erwartenden Abtrags einen entscheidenden Einfluß ausübt.
Die Abtragung von Zinküberzügen erfolgt im wesentlichen linear. So läßt sich aus der Kenntnis der zu erwartenden Korrosionsbelastung des Zinküberzuges, die primär von den Bedingungen am Standort des Objektes abhängig ist, und der Dicke des vorhandenen Zinküberzuges die zu erwartende Dauer der Korrosionsschutzwirkung ermitteln.
Durch umweltpolitische Maßnahmen hat sich die Belastung der Atmosphäre mit korrosiven Verunreinigungen in den vergangenen zehn Jahren deutlich verringert. Die SO2-Konzentration ist erheblich zurückgegangen. Der sogenannte "saure Regen", der auch die Korrosion des Zinks wesentlich beeinflußt, ist heute weniger sauer als vor zehn Jahren. Nach neueren Untersuchungen beträgt die mittlere Korrosionsgeschwindigkeit von Zink in Deutschland nur noch ca. 1-2 µm pro Jahr. Für die Zukunft wird ein weiterer Rückgang der Korrosionsgeschwindigkeit erwartet.
Die Korrosionsgeschwindigkeit von Zink ist entscheidend für die Schutzdauer von Zinküberzügen. Diese nachgewiesene Reduzierung der Korrosionsgeschwindigkeit hat bedeutsame Auswirkungen:
1. Die Schutzdauer von Zink hat sich als Folge der verringerten Korrosionsbelastung deutlich erhöht. Dies macht eine Feuerverzinkung noch wirtschaftlicher, als bisher angenommen wurde. Der Zinküberzug bietet in den meisten Fällen einen Schutz von 30 Jahren und darüber hinaus.
2. Fachleute müssen sich von alten Erfahrungswerten zum Zink-Abtrag verabschieden, da diese Werte aus alter Zeit um ein Vielfaches zu hoch liegen. Dies bedeutet auch, älteren Literaturquellen zu misstrauen.
Ein Blick auf die Spannungsreihe der Metalle zeigt, dass Zink im Vergleich mit Eisen das unedlere Metall ist und somit bei leitender Vebindung mit Eisen und Anwesenheit eines Elektrolyten in Lösung geht. Zink fungiert hier als Opfermetall. Das bedeutet, dass sich bei einem verzinkten Bauteil, das beschädigt wurde, an der beschädigten Stelle das umgebende Zink "opfert" und den Stahl schützt. Man nennt diesen Effekt den "kathodischen" Schutz.
Die Korrosionsbeständigkeit feuerverzinkten Stahls ist bei normaler atmosphärischer Beanspruchung auf Jahrzehnte sichergestellt. Bei extremer Beanspruchung bietet ein Duplexsystem, d.h. eine zusätzlich beschichtete Feuerverzinkung, einen optimalen Korrosionsschutz.
Wird eine Verzinkung durch Wasser und wässrige Medien beansprucht, gibt der pH-Wert erste Hinweise. Zink hat normalerweise im Bereich von pH 6 bis pH 13 eine gute Beständigkeit, während die Korrosionsgeschwindigkeit außerhalb dieses Bereiches rapide ansteigt.
Der pH-Wert ist aber bei weitem nicht der einzige Einflussfaktor. Aus diesem Grund ist das Abschätzen des Korrosionsverhaltens von feuerverzinktem Stahl gegenüber Wassern eine praxisgerechte Lösung zur Bestimmung der Schutzdauer.
Für eine umfangreiche Beurteilung müssen die Wasserzusammensetzung, die zu erwartenden Betriebsbedingungen und die Art der Konstruktion bekannt sein. Die hierbei unter praktischen Gegebenheiten auftretenden Wechselwirkungen sind jedoch häufig schwer zu übersehen und lassen dann nur Wahrscheinlichkeitsaussagen zu.
Bei Beanspruchung durch Erdböden können in Folge der vielgestaltigen Bodenverhältnisse die unterschiedlichsten Korrosionsbedingungen vorliegen. Während die Feuerverzinkung in nicht aggressiven Bodenarten Standzeiten von 60 bis 70 Jahre erreicht hat, können bedingt aggressive oder aggressive Böden zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich machen.
Über die Beanspruchung durch Produkte der chemischen Industrie kann an dieser Stelle nicht erschöpfend berichtet werden. Es sei deshalb auf die ausführlichen Korrosionstabellen verwiesen. Erfahrungsgemäß ist die Feuerverzinkung jedoch gegenüber den meisten Kohlenwasserstoffen, organischen Monohalogeniden, Estern, Phenolen, Aminen und Amiden gut beständig.
3. Duplex-Systeme
Ein Duplex-System kombiniert eine Feuerverzinkung mit einer zusätzlichen Farbbeschichtung. Die Schutzdauer eines Duplexsystems ist durch den "Synergieeffekt" ungefähr 1,8 bis 2,5 mal größer als die Summe der Einzelschutzdauer für den Zinküberug und das Beschichtungssystem. Der Zinküberug verhindert ein Unterrosten der Farbbeschichtung. Die Farbbeschichtung verhindert einen Abtrag des Zinküberzuges durch die Atmosphäre.
Duplex-Systeme werden nicht nur aus Korrosionsschutzgründen bei extremer atmosphärischer Beanspruchung eingesetzt. Oft verwendet man sie auch unter gestalterischen Aspekten oder da, wo eine signalgebende Kennzeichnung eine wichtige Rolle spielt.
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