miniatur|Feuerverzinkte geschraubte Stahlbaukonstruktion mini|Feuerverzinkte Stahl-Verbund-Brücke miniatur|Kristalline Oberfläche eines noch wenig oxidierten, feuerverzinkten Stahlgeländers mini|Schutzwirkung: völlig verrosteter, unverzinkter Briefkasten montiert an feuerverzinkter Wand Das Feuerverzinken ist ein Verfahren, um Stahl vor Korrosion (Rost) zu schützen. Durch Feuerverzinken wird ein metallischer Zinküberzug auf Eisen oder Stahl durch Eintauchen in geschmolzenes Zink oder eine Zinklegierung (bei etwa 450 °C) aufgebracht. Dabei bildet sich an der Berührungsfläche eine widerstandsfähige intermetallische Phase aus Eisen und Zink (und ggf. weiteren Legierungsbestandteilen der Zinkschmelze, z. B. Aluminium oder Magnesium) und darüber eine sehr fest haftende reine Zinkschicht. Feuerverzinken ist eine von mehreren Verzinkungsmethoden. Bei der Feuerverzinkung wird zwischen (diskontinuierlicher) Stückverzinkung und Dünnschichtverzinkung sowie (kontinuierlicher) Bandverzinkung unterschieden. Sowohl das Stückverzinken, das Dünnschichtverzinken als auch das Bandverzinken sind genormte Verfahren. Das Stückverzinken ist in EN ISO 1461 geregelt, das Dünnschichtverzinken in DIN 50997 und das Bandverzinken von Blechen in EN 10143 und EN 10346.
Kontinuierlich verzinkter Stahl ist ein Vorprodukt (Halbzeug), das nach dem Verzinken durch Umformen, Stanzen und Zuschneiden weiterverarbeitet wird. Hierdurch wird an den Schnitt- und Stanzkanten die schützende Zinkschicht zerstört. Im Gegensatz dazu werden bei den diskontinuierlichen Feuerverzinkungsverfahren des Stück- und Dünnschichtverzinkens Bauteile wie zum Beispiel Treppenkonstruktionen oder Fahrwerkskomponenten erst gefertigt und anschließend feuerverzinkt. Hierdurch sind die Bauteile rundum vor Korrosion geschützt. Stück-, Dünnschicht- und Bandverzinken unterscheiden sich zudem hinsichtlich der verwendeten Zusammensetzung der Zinkschmelze sowie der Zinkschichtdicke, wodurch sich unterschiedliche Schutzdauern ergeben können. Bei der Stückverzinkung wird gemäß EN ISO 1461 eine Zinkschmelze mit einem Mindest-Zinkgehalt von 98 % verwendet, wohingegen die Dünnschichtverzinkung auf einer Zink-Aluminium-Legierung mit einem mittleren Zinkgehalt von 95 % (zulässig 94–96 %) und einem mittleren Aluminium-Gehalt von 5 % (zulässig 4–6 %) basiert. Bei der kontinuierlichen Feuerverzinkung kommen sowohl Zink-, Zink-Aluminium- als auch Zink-Aluminium-Magnesium-Schmelzen zur Anwendung. Die Überzugsdicke von kontinuierlich feuerverzinkten Band und Blechen liegt zwischen 7 und 42 µm, die durch Dünnschichtverzinken aufgebrachten Zink-Aluminiumüberzüge haben eine durchschnittliche Dicke von 5 bis 15 µm. Die Zinkschichtdicken von stückverzinkten Stahlteilen liegen üblicherweise zwischen 50 und 150 µm.
Eigenschaften miniatur|Verzinkter Stahlbau mit feuerverzinkten Stahlträgern und Gitterrosten
Die Zinkschicht ist im frischen Zustand in der Regel hellglänzend. Im Laufe der Zeit bildet sie infolge der Korrosion des Zinks eine Patina aus und wird in ihrem Erscheinungsbild dunkler und matter. Die Patina ist eine witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkoxid und Zinkcarbonat. Ist der Luft- und damit der Kohlendioxid-Zutritt beispielsweise durch nicht fachgerechte Verpackung, Lagerung oder nicht fachgerechten Transport eingeschränkt, entsteht an frisch verzinkten Bauteilen der unerwünschte Weißrost.
Eine Feuerverzinkung bietet sowohl einen aktiven als auch passiven Korrosionsschutz. Der passive Schutz erfolgt durch die Barrierewirkung des Zinküberzuges. Der aktive Korrosionsschutz entsteht aufgrund der kathodischen Wirkung des Zinküberzuges: 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. Die anodische Wirkung schützt bis zu einer gewissen Entfernung von der angrenzenden Zinkfläche auch bloßliegende Schadstellen oder nicht verzinkte Schnittkanten. Hierdurch beschleunigen sich jedoch Korrosion und Abtrag der angrenzenden Zinkschicht selber.
mini| Duplexsystem: Feuerverzinkte und anschließend beschichtete Stahlbauteile
Abhängig von der Dicke des Zinküberzuges kann eine Feuerverzinkung eine unterschiedlich lange Schutzdauer erreichen. Im Stückverzinkungsverfahren hergestellte Zinküberzüge zeichnen sich durch dickere Zinkschichten als im Bandverzinkungsverfahren hergestellte Zinküberzüge aus, welche wiederum einen besseren Korrosionsschutz bieten, als galvanisch aufgetragene Zinkschichten. „Stückverzinkte“ Überzüge erreichen deshalb einen jahrzehntelangen wirtschaftlichen Korrosionsschutz ohne Wartungsaufwand. Laut der vom deutschen Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung herausgegebenen Tabelle „Nutzungsdauern von Bauteilen zur Lebenszyklusanalyse des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB)“ erreichen stückverzinkte Bauteile eine Nutzungsdauer von zumeist mehr als 50 Jahren. Hinweise zur Schutzdauer feuerverzinkter Überzüge in unterschiedlichen Korrosivitätskategorien gibt auch Tabelle 2 der EN ISO 14713-1.
Nach ISO 14713, Teil 1, Tabelle 2, Anmerkung 7 haben Zink-Aluminium-Überzüge eine höhere Korrosionsbeständigkeit als Zink-Überzüge, jedoch quantifiziert die Norm dies nicht. Die Fachliteratur zeigt, dass Zink-Aluminium-Überzüge lediglich in extrem Chlorid-reicher Umgebung, beispielsweise in Küstenbereichen mit Salzwasserkontakt, eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit erreichen.Xian Zhang, Christofer Leygraf, Inger Odnevall Wallinder: Atmospheric corrosion of Galfancoatings on steel in chloride-rich environments, Corrosion Science 73 (2013). In ländlichen, städtischen oder industriellen Bereichen bestehen hingegen keine oder nur marginale Unterschiede zwischen den beiden Überzugsarten.B. Schuhmacher, D. Wolfhard: Korrosionsbeständigkeit metallisch und organisch veredelter Stahlfeinbleche in der Freibewitterung, in Materials and Corrosion 49, 725–735 (1998).
Die Schutzdauer einer Feuerverzinkung kann durch einen zusätzlichen Farbanstrich („Duplexsystem“) weiter verbessert werden.
Seit kurzem wird die Stückverzinkung auch zur Verbesserung des Brandschutzes eingesetzt. Ein 2019 abgeschlossenes Forschungsvorhaben der TU München hat belegt, dass durch Feuerverzinken die Feuerwiderstandsdauer von Stahl verbessert wird. Die Verbesserung des Feuerwiderstands basiert auf einer verringerten Emissivität von feuerverzinkten Stählen im Vergleich zu blankem Stahl. Mit dem Emissionsgrad sinkt auch der Absorptionsgrad, im Brandfall unter Wärmestrahlung wird also Wärmeenergie langsamer aufgenommen. Hierdurch ist eine Brandschutzdauer von 30 Minuten vielfach mit ungeschützten, feuerverzinkten Stahlkonstruktionen möglich.
Stückverzinkung miniatur|Feuerverzinktes Treppengeländer Unter Stückverzinken nach ISO 1461 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. Das Verfahren des Dünnschichtverzinkens wird analog zum klassischen Stückverzinken, wie es den Zinküberzügen gemäß DIN EN ISO 1461 zugrunde liegt, betrieben.
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. 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 festgelegten 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 mini|Spülbad 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 einem 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 Zinkchlorid (ZnCl2) und Ammoniumchlorid (NH4Cl).
Trocknen