Schwarzfleckigkeit beim Feuerverzinken: Wie man Sie entfernt oder vermeiden kann

Stähle und vor allem der in Bauwerken zur Verstärkung eingesetzte Bewehrungsstahl ist vielfältigen Witterungseinflüssen ausgesetzt. Korrosion ist damit eine der größten Gefahren für Bauwerke. Diese reicht von kleinen Beeinträchtigungen wie Rostflecken oder Weißrost bis hin zu größeren Schäden, die am Ende sogar zum statischen Versagen einer gesamten Konstruktion führen können. Daher ist es nicht verwunderlich, dass allein in Deutschland pro Jahr zwischen fünf und zehn Millionen Euro ausgegeben werden, um Korrosionsschäden an der Bewehrung von Gebäuden zu verbessern und instandzuhalten. Es lohnt sich daher, von Beginn an in einen guten Korrosionsschutz zu investieren. Zu einem der besten Verfahren, um Metall langfristig vor Korrosion zu schützen, gehört das Feuerverzinken – vorausgesetzt man trifft einige Vorkehrungen vor dem eigentlichen Feuerverzinken. Ansonsten kann es zu Fehlerscheinungen kommen, wie beispielsweise der Schwarzfleckigkeit an verzinkten Stahlteilen.

Feuerverzinken – ein Verfahren für den optimalen und nachhaltigen Schutz von Stählen

Beim Feuerverzinken wird das zu schützende Werkteil aus Stahl oder Eisen in ein Bad mit geschmolzenem Zink eingetaucht. An der Oberfläche des Metalls bildet sich eine Legierung aus Zink und Eisen, welche sehr widerstandsfähig ist und eine sehr hohe Härte aufweist. Diese liegt sogar deutlich über der Härte von “normalen” Baustählen. Über dieser Legierung bildet sich eine Schicht aus reinem Zink, welche ebenfalls sehr widerstandsfähig ist.

Die Kombination dieser beiden Schichten führt dazu, das feuerverzinkte Bauteile gegen mechanische Belastungen, wie Stöße und Schläge, aber auch gegen Abrieb sehr gut geschützt sind. Das Institut für Korrosionsschutz in Dresden kommt zu dem eindrücklichen Ergebnis, dass “eine Feuerverzinkung gegenüber anderen Beschichtungen zwanzigmal härter, viermal haftfester, achtmal steinschlagbeständiger und zehnmal abriebbeständiger ist als eine durchschnittliche organische Beschichtung.” Dazu kommt, dass die Zinkschicht auf der Legierungsschicht sehr witterungsbeständig sowie langlebig ist.

An der Luft bildet Zink, welches ein unedles Metall ist, basische Zinkverbindungen aus Zinkoxiden und Zinkcarbonaten aus, die die darunter liegenden Schichten schützen. Zwar werden diese Schichten durch Witterung allmählich abgetragen, aber dies erfolgt erstens linear und zweitens kann in Abhängigkeit von den Witterungseinflüssen abgeschätzt werden, wie lange eine Feuerverzinkung hält.

Als Faustregel wird ein Abtrag von 1µm pro Jahr angenommen, was bei einer Schichtdicke von 45µm einem Schutz von 45 Jahren entspricht.

Die Mindestschichtdicken für stückverzinkte Werkteile aus Metall werden in der ISO 1461 geregelt und reichen, je nach Materialdicke des Werkteils von 45µm bis zu 85µm für Stahlteile und von 70µm bis 80µm für Gussteile. In der Praxis sind die Schichtdicken meistens höher und liegen zwischen 50µm bis zu 150µm. Neben der Langlebigkeit werden beim Feuerverzinken auch weniger Ressourcen im Vergleich zu anderen Korrosionsschutzverfahren verbraucht, wie die TU Berlin in einer Lebenszyklusanalyse berechnet hat.

Kontinuierlich oder diskontinuierlich verzinken

Für das Feuerverzinken stehen zwei Verfahren zur Verfügung: das diskontinuierliche Verfahren für einzelne Werkstücke sowie das kontinuierliche Bandverfahren für Halbzeuge aus Stahl, die anschließend mit verschiedenen Methoden der Metallbearbeitung weiterverarbeitet werden. Dazu zählt das Umformen oder Stanzen der verzinkten Halbzeuge.

Diskontinuierliches Feuerverzinken

In der diskontinuierlichen Variante werden die einzelnen Werkstücke zunächst in verschiedenen Bädern vorbehandelt, bevor das eigentliche Feuerverzinken erfolgt. Um eine gute Verzinkung zu gewährleisten, muss die Metalloberfläche metallisch blank und sauber sein. Fette, Öle, Staub und andere Rückstände aus vorhergegangenen Schritten der Metallbearbeitung müssen vollständig entfernt werden, um eine komplette Benetzung der Oberfläche zu gewährleisten. Für eine metallisch blanke Oberfläche muss diese frei von Rost und Zunder sein.

Verschiedene Schritte garantieren ein lückenloses Verzinken

Im ersten Schritt werden Öle und Fette in einem Entfettungsbad entfernt. Vor dem nächsten Schritt, dem Beizbad, werden die Werkteile kurz in ein Wasserbad getaucht, um ein Verschleppen des Entfettungsmittels in das nachfolgende Beizbad zu verhindern. In diesem werden Verunreinigungen wie Rost oder Zunder mit der Hilfe einer verdünnten Mineralsäure, üblicherweise Mineralsäure, abgelöst. Auch hier schließt sich ein Tauchbad in Wasser an, um Säure- und Salzreste zu entfernen. Als letztes vorbereitendes Bad folgt das Flussmittelbad. Dieses hat die Aufgabe, die Benetzungsfähigkeit zwischen der Stahloberfläche und der flüssigen Zinkschmelze zu erhöhen. Als Flussmittel wird häufig eine Mischung aus Ammoniumchlorid und Zinkchlorid eingesetzt. Diese legt sich als dünner Film auf die Metalloberfläche. Nach diesem letzten vorbereitetenden Bad wird das Werkteil getrocknet, bevor es in die Zinkschmelze getaucht wird.

Bei Temperaturen zwischen 440°C und 460°C kommt es zu verschiedenen, wechselseitigen Diffusionsvorgängen an der Stahloberfläche. Nun finden die eigentlichen chemischen Reaktionen statt, die zur Ausbildung von Legierungsschichten aus Zink und Eisen führen. Wichtig ist, dass das Werkteil so lange im Zinkbad verbleibt, bis es dessen Temperatur erreicht hat. Vor dem Herausziehen des Werkteils werden an der Oberfläche noch vorhandene Oxide und Reste des Flussmittels entfernt, die sich während des Verzinkens abgelöst haben. Nun wird das Werkteil aus dem Schmelzbad genommen, wobei auf der Legierungsschicht noch eine Schicht aus reinem Zink haften bleibt. Der letzte Schritt ist das Abkühlen. Dieser erfolgt entweder in einem Wasserbad oder an der Luft.

Kontinuierliches Feuerverzinken

Stahlbänder werden im kontinuierlichen Verfahren verzinkt. Diese durchlaufen keine Bäder, sondern Verunreinigungen an den Oberflächen werden durch Oxidations- und anschließende Reduktionsvorgänge entfernt. Das Metall wird zunächst auf Temperaturen zwischen 450°C und 650°C erhitzt, um durch Oxidation Reste auf der Oberfläche zu entfernen.

Anschließend wird das Metall unter reduzierenden Bedingungen weiter erwärmt auf Temperaturen um 800°C, was noch vorhandene Eisenoxide an der Oberfläche reduziert und zu einer Rekristallisation im Stahl führt. Dadurch können die Materialeigenschaften gesteuert werden.

Das Metallband wird abgekühlt auf 460°C und über eine Rolle in das Zinkbad geführt. Auch hier bilden sich die Legierungsschichten aus und beim Verlassen der Zinkschmelze wird reines Zink auf der Oberfläche mitgerissen. Abschließend wird die Dicke der Zinkschicht über Düsen, die überflüssiges Zink entfernen, bestimmt und das verzinkte Metall getrocknet.

Eine gute Vorbereitung vermeidet Fehler

Oberflächenbeläge auf den Werkteilen führen zu Fehlstellen und Flecken. Die Zinkschmelze kann die Stahloberfläche an diesen Stellen nicht benetzen und die für den Korrosionsschutz notwendige Eisen-Zink-Legierung wird nicht gebildet. Daher ist vor dem Feuerverzinken darauf zu achten, ob schwer zu entfernende Beläge auf der Oberfläche sind. Dazu gehören Teer, Ölkreide, Farbe oder schwer zu entfernende Fette und Öle.

Auch Schweißschlacken, die durch Schweißen entstehen, können nicht immer durch Beizbäder vollständig entfernt werden. Schließlich schwarze Flecken, die als sogenannte Schwarzfleckigkeit bekannt ist. Diese Fehlstellen sind nicht nur unansehnlich, sondern verhindern einen durchgängigen Korrosionsschutz.

Gründe für Schwarzfleckigkeit, deren Vermeidung und Entfernung

Schwarzfleckigkeit entsteht, wenn auf der Oberfläche des Stahls noch Rückstände, wie Schweißschlacken oder Zunderreste, eingebrannte Formsande, Fette oder Farben vorhanden sind. Weder durch das Beiz- noch durch das Entfettungsbad werden diese Reste vollständig vor dem Verzinken entfernt. Die Folge sind schwarze, unansehnliche Flecken an den Stellen, die durch die Zinkschmelze nicht benetzt wurden. Um dies zu vermeiden, sollte vor dem eigentlichen Verzinken genügend Information über mögliche Verunreinigungen und die Vorbehandlungen der zu verzinkenden Teile vorhanden sein. Ist dies der Fall, kann das Feuerverzinken angepasst werden.

Hartnäckige Verunreinigungen, wie Schweißschlacken, Zunderreste oder eingebrannte Formsande können durch Strahlen entfernt werden.

Das sich anschließende Beizbad reicht nun aus, um noch vorhandene Reste vollständig abzulösen. Gleiches gilt für hartnäckige Fett- und Ölschichten. Hier bieten sich spezielle Entfettungsmittel oder Emulsionen an, die wiederum vor dem eigentlichen Entfettungsbad eingesetzt werden. Die gute Vorbereitung ist damit das A und O, um nicht nur hässliche Flecken, sondern vor allem die damit einhergehende Korrosion zu vermeiden.

Für die Entfernung stehen verschiedene Ausbesserungsverfahren zur Verfügung, die in der DIN EN ISO 1461 festgeschrieben sind. Dazu gehört das thermische Spritzen mit Zink oder das Auftragen von Zinkstaubbeschichtungen mit einem Pinsel. Allerdings dürfen die Fehlstellen auf dem Metall nicht größer als 10cm² sein und insgesamt dürfen auf nur maximal 0,5% der Oberfläche Fehlstellen überhaupt auftreten. Die gute Vorbereitung ist damit in jedem Fall der Nachbesserung vorzuziehen.