Um kein anderes Verfahren ranken so viele Mythen, Märchen und Halbwahrheiten wie um den mehr als 250 Jahre alten Korrosionsschutz durch Feuerverzinken. Einige Anbieter neuerer Korrosionsschutzverfahren nutzen dies geschickt für sich und versuchen dem bewährten Verfahren Schwächen anzudichten, in dem sie gelöste Probleme von gestern und vorgestern neu aufkochen. Das nachfolgende Wissens-Update räumt mit Halbwahrheiten auf und ersetzt diese durch Fakten.
Beim Stückverzinken werden bekanntermaßen zu verzinkende Stahlteile in Bädern nasschemisch von Verunreinigungen wie Fetten, Ölen, Rost und Zunder befreit und anschließend mit Flussmittel behandelt. Danach erfolgt das eigentliche Feuerverzinken. Das Verzinkungsgut wird hierbei in eine flüssige Zinkschmelze getaucht. Beim Verzinkungsvorgang bildet sich als Folge einer wechselseitigen Diffusion des flüssigen Zinks mit der Stahloberfläche ein Überzug verschiedenartig zusammengesetzter Eisen-Zink-Legierungsschichten. Beim Herausziehen der feuerverzinkten Gegenstände bleibt auf der obersten Legierungsschicht zumeist noch eine Schicht aus reinem Zink haften (Abb. 1).
Feuerverzinken – noch langlebiger als früher
Zink hat die positive Eigenschaft infolge von Bewitterung schützende Deckschichten auszubilden. Die Deckschichten werden durch Wind und Wetter geringfügig abgetragen und erneuern sich von selbst. Der Einfluss der Atmosphäre hinsichtlich des jährlich zu erwartenden Abtrags ist entscheidend. Die Abtragung von Zinküberzügen erfolgt im Wesentlichen linear. Kennt man die zu erwartende Korrosionsbelastung des Zinküberzuges am Objektstandort und die Dicke des vorhandenen Zinküberzuges, so lässt sich die zu erwartende Schutzdauer ermitteln. Ein 80 Mikrometer dicker Zinküberzug erreicht bei einem jährlichen Abtrag von einem Mikrometer eine Schutzdauer von 80 Jahren. Aus Tabelle 1, die praxistypische Zinkschichtdicken darstellt und der Tabelle 2, die die Korrosionsbelastung und Korrosivitätsraten von Zinküberzügen zeigt, lässt sich die Schutzdauer bei atmosphärischer Belastung bestimmen. Die durchschnittliche Korrosionsgeschwindigkeit von Zink bei atmosphärischer Belastung beträgt in Deutschland ca. 1 Mikrometer pro Jahr. Rund 95 Prozent der Fläche Deutschlands hat eine geringe bis mäßige atmosphärische Korrosionsbelastung (bis C3). Diese Situation sah vor rund zwanzig Jahren noch deutlich anders aus. Durch Umweltschutzmaßnahmen wie z. B. der Einführung des Katalysators beim Auto oder die Rauchgasentschwefelung von Kraftwerken ist die Atmosphäre deutlich sauberer geworden und damit die Lebensdauer einer Feuerverzinkung in den letzten 20 Jahren deutlich gestiegen [1], während Beschichtungen nicht oder nur ansatzweise von diesen Maßnahmen profitieren konnten. Eine Schutzdauer von 5 Jahrzehnten oder länger ist heute für eine Feuerverzinkung die Regel.
Mechanisch belastbar wie kein anderes Verfahren
Beim Feuerverzinken geht ein Zinküberzug eine feste, unlösbare Verbindung in Form einer Legierung mit dem Stahl ein. Die Härte der Eisen-Zink-Legierungsschicht liegt deutlich über der Härte normaler Baustähle. Aus diesem Grund bietet eine Feuerverzinkung einen zuverlässigen Schutz gegen mechanische Belastungen wie Schläge, Stöße und Abrieb, die beim Transport, bei der Montage oder bei der Nutzung auftreten können. Das Institut für Korrosionsschutz Dresden hat die mechanische Beständigkeit der Feuerverzinkung mit Beschichtungen verglichen. Das Ergebnis ist eindeutig – eine Feuerverzinkung ist bis zu
- 20 Mal härter
- 4 Mal haftfester
- 8 Mal Steinschlag beständiger und
- 10 Mal Abrieb beständiger
als eine durchschnittliche organische Beschichtung und bietet einen 20-fach besseren Kantenschutz [2].
Auch neuere Beschichtungsverfahren wie die Zinklamellenbeschichtung können hinsichtlich ihrer mechanischen Belastbarkeit das Qualitätsniveau der Feuerverzinkung bei weitem nicht erreichen. Dies zeigt sich in der Praxis insbesondere an Produkten wie Fahrzeugbauteilen (Abb. 2) oder Schrauben. Während feuerverzinkte Schrauben als Schüttgut distributiert werden (Abb. 3), müssen die deutlich weniger robusten zinklamellenbeschichteten Schrauben kostenaufwendig bereits vor der eigentlichen Nutzung durch Kunststoff-Überzieher vor mechanischen Beschädigungen geschützt werden.
Rissbildung – ein Problem von gestern
In der ersten Hälfte dieses Jahrzehnts sind vereinzelt sicherheitsrelevante Rissschäden an feuerverzinkten Stahlkonstruktionen aufgetreten. Um diesem Phänomen auf den Grund zu gehen, wurden umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen zur Erforschung der Ursachen und zur zukünftigen Vermeidung dieses Phänomens durchgeführt [8], [9].
Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen konnten verschiedene Maßnahmen abgeleitet werden, die unter anderem in der DASt-Richtlinie 022 „Feuerverzinken von tragenden Stahlkonstruktionen“ dargestellt werden. Hierzu gehört insbesondere eine bessere Verzahnung der konstruktiven und stahlbautechnischen Anforderungen mit den Anforderungen und Einflüssen des Feuerverzinkungsprozesses. Es werden einzusetzende Stahlgüten, konstruktive Ausführungen, Fertigungsparameter im Stahlbau sowie Verzinkungsparameter, wie z. B. die Zusammensetzung der Zinkschmelze, geregelt. Mit der Umsetzung dieser Maßnahmen wurde das Problem der Rissbildung erfolgreich gelöst.
Unschlagbar nachhaltig
Korrosionsschutz trägt zwar generell zur Ressourcenschonung bei, doch ist die Nachhaltigkeit von Korrosionsschutzsystemen sehr unterschiedlich. Wissenschaftliche Untersuchungen ergaben, dass eine Feuerverzinkung im Vergleich mit Beschichtungen 3 Mal weniger Ressourcen verbraucht. Auch hinsichtlich des CO2-Verbrauchs ist eine Feuerverzinkung vorbildlich und spart im Vergleich zu Beschichtungen bis zu 114 kg CO2 pro Tonne Stahl. Eine Studie der TU Berlin errechnete: Bei einem typischen Parkhaus an dem rund 500 t Stahl verwendet werden, ergibt sich eine Ersparnis von 50 Tonnen CO2 im Vergleich zu Farbbeschichtungen [10]. Dies entspricht dem CO2-Verbrauch von 20.000 Litern Benzin.
Feuerverzinkter Stahl wird bereits heute in hohem Maße recycelt. Das Zink wird dabei aus den Filterstäuben bei der Stahlherstellung zurückgewonnen. In 2006 hat die Europäische Stahlindustrie (EU27) 1.290.750 Tonnen Elektrostahl-Filterstäube produziert, die rund 23 Prozent Zink enthielten. 93% dieses Zinks wurden recycelt. Zink kann als Basismetall ohne Qualitätsverlust (Downcycling) beliebig oft recycelt werden.
Auch Feuerverzinkereien agieren ökologisch zeitgemäß. Durch moderne Anlagentechnik konnte der Energieverbrauch in den letzten Jahren deutlich gesenkt werden. Die abwasserfreie Vorbehandlung arbeitet vorbildlich – Prozesslösungen werden in Kreisläufen betrieben und regeneriert. Nebenprodukte des Verzinkungsprozesses werden recycelt oder für die Herstellung von Zinkpräparaten verwendet. Emissionen, die beim Feuerverzinken entstehen, werden gefiltert. Typische Prozess-Verbrauchsstoffe werden recycelt oder wieder aufbereitet, z. B. werden „verbrauchte“ Salzsäurelösungen in regionalen Kreisläufen zur Produktion von Eisenchlorid verwendet, das bei der Aufbereitung von städtischem Abwasser genutzt wird.
Fragwürdige Ergebnisse von Kurzzeit-Korrosionstests
Zinküberzüge beweisen ihre Langlebigkeit seit vielen Jahrzehnten. In Kurzzeit-Korrosionstests wie dem Salzsprühtest nach DIN EN ISO 9227 [11] schneiden sie weniger positiv ab, was immer wieder zu Verunsicherungen bei den Verzinkerkunden führt. Dies ist nicht verwunderlich, da Zinküberzüge in der Praxis schützende Deckschichten bilden. Bei typischen Kurzzeittests wird die Bildung dieser Deckschichten verhindert und der Zinküberzug wird relativ stark angegriffen und abgetragen. Derartige Testbedingungen sind deshalb praxisfern und für Zinküberzüge hinsichtlich einer Aussage der Schutzdauer in der Praxis nicht sinnvoll anzuwenden. Aus diesem Grunde scheiden Korrosions-Kurzzeittests für die Überprüfung der zu erwartenden Schutzdauer von Zinküberzügen in aller Regel aus. Informationen über die zu erwartende Schutzdauer von Zinküberzügen liefern DIN EN ISO 9223 [12] und DIN EN ISO 14713 [13].
Langlebigkeit minimiert Kosten
Kostenvergleiche mit anderen Korrosionsschutzverfahren ergaben, das eine Feuerverzinkung zumeist bereits bei den Erstkosten günstiger ist als vergleichbare Beschichtungen. Aufgrund ihrer Langlebigkeit verursacht eine Feuerverzinkung jahrzehntelang keine Folgekosten. In dieser Zeit fallen bei anderen Verfahren in der Regel kostenintensive Instandsetzungsarbeiten an, die nicht selten mit Betriebsunterbrechungen verbunden sind.
Logistik
Ein dichtes Netz an Feuerverzinkungsanlagen aller Größen garantiert im Vergleich mit anderen, insbesondere mit exotischen Verfahren eine Versorgung der ganz kurzen Wege, wobei die Mehrzahl der Verzinkereien für ihre Kunden ein breites Logistikangebot vorhält, das beispielsweise Transportleistungen, auch Just-in time, Lagerung oder Montagearbeiten beinhaltet. Die Feuerverzinkungstechnologie kommt ohne zeitintensive Arbeitschritte wie Trocknung und Aushärtung aus. Es wird in wenigen Stunden ein Korrosionsschutz für Jahrzehnte geschaffen.
Fazit
Korrosion impossible. Wer von einem Korrosionsschutz kompromisslose Langlebigkeit und Robustheit gegenüber mechanischen Einflüssen fordert, der findet zu einer Feuerverzinkung keine echten Alternativen. Das in der ersten Hälfte dieses Jahrzehnts vereinzelt aufgetretene Phänomen der Rissbildung wurde erfolgreich gelöst. In Punkto Nachhaltigkeit ist eine Feuerverzinkung vorbildlich und von anderen Verfahren nicht zu toppen. Das Feuerverzinken ist und bleibt der Platzhirsch für Korrosionsschutz in Segmenten wie Stahl- und Metallbau, Verbindungstechnik und Trailerbau. Auch neuere Verfahren wie die Zinklamellenbeschichtung können hieran nichts ändern.
Stimmen aus der Praxis und Wissenschaft zum Thema Feuerverzinken und Verbindungsmittel
Dr. Uwe Hasselmann, Vertriebsleiter PEINER Umformtechnik und Obmann des DIN-Ausschusses zur Normung von Stahlbauschrauben:
„Im Stahlbau und bei der Errichtung von Windenergieanlagen ist ein sehr leistungsfähiger Korrosionsschutz nötig, da diese Bauwerke über mehrere Jahrzehnte genutzt werden. Diese Anforderung geht weit über die Forderungen der Automobilindustrie hinaus. Hier hat sich die Feuerverzinkung von Strukturbauteilen und Verbindungselementen über Jahrzehnte bewährt und hat eine sehr hohe Marktakzeptanz. Brückenbauwerke, Industriebauten, Verkehrsbauten wie Flughäfen und Bahnhöfe, sowie die schweren Stahlbaustrukturen von Kraftwerken werden seit Jahrzehnten mit feuerverzinkten und hochfesten HV-Schraubengarnituren ausgeführt. Hinsichtlich der hochfesten HV-Schrauben ist die Feuerverzinkung ein bewährter und zuverlässiger Korrosionsschutz. Im Gemeinschaftsausschuss Verzinken e.V. und im Deutschen Schraubenverband e.V. werden seit Jahrzehnten in Zusammenarbeit mit Universitäten kontinuierliche Forschungen zu den Verzinkungsprozessen hochfester Schrauben betrieben. Diese haben zu einer von den beiden o. g. Verbänden getragenen Richtlinie zur Herstellung feuerverzinkter Schrauben geführt, die den Stand der Technik beschreibt und damit eine prozesssichere Verzinkung gewährleistet. Vor dem Hintergrund des erwarteten Wachstums, insbesondere im Bereich der Windenergieanlagen, erwarten wir zukünftig eine weitere erfolgreiche Verbreitung der Feuerverzinkung als langlebigem und zuverlässigem Korrosionsschutz.“ [6].
Forschung im Dienste der Sicherheit von feuerverzinkten HV-Schrauben
Prof. Dr.-Ing. C. Berger, Dr.-Ing. R. Landgrebe, Dipl.-Ing. J. Adelmann
„Für den Korrosionsschutz von atmosphärisch beanspruchten Schraubenverbindungen hat sich das Feuerverzinken bewährt, eine Korrosionsschutzdauer von vielen Jahrzehnten ohne Wartungs- und Instandhaltungszwang ist die Regel. Daher stimmen bei vielen feuerverzinkten Bauwerken Schutzdauer und Nutzungsdauer überein. Unter Einbeziehung der Lebensdauer stellt die Feuerverzinkung die wirtschaftlichste Korrosionsschutzmaßnahme dar. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Stahlkonstruktion für eine Instandhaltungsmaßnahme nur noch schwer oder gar nicht zugänglich ist wie z.B. bei Offshore-Windenergieanlagen oder durch die Instandhaltungsmaßnahme die Nutzung des Bauwerks selber eingeschränkt wird.
Aus diesem komplexen Beanspruchungsprofil haben sich sowohl in der Vergangenheit als auch in der Gegenwart für die Forschung fortlaufend neue Herausforderungen ergeben. Vor diesem Hintergrund wird im Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde und der Staatlichen Materialprüfungsanstalt der Technischen Universität Darmstadt seit nahezu 80 Jahren eine intensive Schraubenforschung betrieben.
Die Eignung und Gebrauchseigenschaften unter statischer und zyklischer Beanspruchung sowie die Sicherheit feuerverzinkter HV-Schraubenverbindungen wurde in zahlreichen Forschungsarbeiten, die fallweise auch in Zusammenarbeit mit anderen Universitätseinrichtungen durchgeführt wurden, untersucht.
Ein Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten bildeten dabei diffusionsgesteuerte Schädigungsmechanismen, wie die wasserstoffinduzierte Sprödbruchbildung („Wasserstoffversprödung“) infolge fertigungsbedingter Einflüsse z.B. einer Salzsäurebeizung und die flüssigmetallinduzierte Rissbildung bei der Hochtemperaturverzinkung von HV-Schrauben großer Abmessung (>M27). In allen Fällen konnten die Ursachen geklärt und wirkungsvolle Abhilfemaßnahmen, die z. T. Eingang in die Richtlinienarbeit erfahren haben, erarbeitet werden. Auf der Grundlage dieser Forschungsarbeiten und unter stringenter Einhaltung der daraus entstandenen Regelwerke lassen sich die vorgenannten Schädigungsarten vermeiden [7].
Literatur
[1] Hullmann, H.: Natürlich oxidierende Metalloberflächen, Fraunhofer IRB Verlag, 2003
[2] Gackenheimer, H.: Die Feuerverzinkung im Leistungsvergleich, in GAV-Forschungskolloquium „Feuerverzinken – moderner Korrosionsschutz mit Perspektiven“; 6. und 7. November 2003 in Wiesbaden, Gemeinschaftsausschuss Verzinken e. V., Düsseldorf 2003
[3] DIN EN ISO 10684, Verbindungselemente - Feuerverzinkung (ISO 10684:2004); Deutsche Fassung EN ISO 10684:2004
[4] DAST-Richtlinie 021; Schraubenverbindungen aus feuerverzinkten Garnituren M 39 bis M 64
entsprechend DIN 6914, DIN 6915, DIN 6916 von: Deutscher Ausschuss für Stahlbau, 2007
[5] DSV-GAV-Richtlinie: „Herstellung feuerverzinkter HV-Schrauben“, Deutscher Schraubenverband e. V. und Gemeinschaftsausschuss Verzinken e. V., Hagen, Düsseldorf, 2002
[6] Persönliche Mitteilung Dr. Uwe Hasselmann
[7] Schriftliche Mitteilung aus dem Zentrum für Konstruktionswerkstoffe, Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, 2009
[8] Feldmann, M., Pinger, T., Tschickardt, D., Bleck, W., Völling, A., Langenberg, P.: Vermeidung von Rissen beim Feuerverzinken von großen Stahlkonstruktionen mit hochfesten Stählen;, GAV- AiF- Forschungsvorhaben 14545 N/1, Forschungsstellen: Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau und Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen, 2008
[9] AiF-ZUTECH-Projekt P766: Technologie- und Sicherheitsgewinn beim Feuerverzinken zum Ausbau der Marktposition des verzinkten Stahlbaus, (P 766/20/2007 / IGF-Nr. 265 ZBG) –
In Bearbeitung
[10] Ackermann, R; Matyschik, J.: Ökologischer Vergleich zwischen Feuerverzinkung und Beschichtung, in GAV-Forschungskolloquium „Feuerverzinken – moderner Korrosionsschutz mit Perspektiven“; 1. und 2. Februar 2007 in Hannover, Gemeinschaftsausschuss Verzinken e. V., Düsseldorf 2007
[11] DIN EN ISO 9227, Korrosionsprüfungen in künstlichen Atmosphären - Salzsprühnebelprüfungen (ISO 9227:2006); Deutsche Fassung EN ISO 9227:2006
[12] DIN EN ISO 9223, Korrosion von Metallen und Legierungen; Korrosivität von Atmosphären; Klassifizierung, 1992
[13] DIN EN ISO 14713, Schutz von Eisen- und Stahlkonstruktionen vor Korrosion - Zink- und Aluminiumüberzüge - Leitfäden (ISO 14713:1999); Deutsche Fassung EN ISO 14713:1999
Backgrounder:
Der Industrieverband Feuerverzinken e.V. und seine Serviceorganisation, das Institut Feuerverzinken GmbH, vertreten mit 114 Mitgliedern rund 75% des deutschen Feuerverzinkungsmarktes, die im Jahr 2008 ca. 1,4 Mio. t Stahl stückverzinkt haben. Wichtige Anwendungsbereiche des Korrosionsschutzes durch Feuerverzinken sind u. a. Architektur und Bauwesen sowie die Verkehrstechnik und der Fahrzeugbau. Weitere Informationen zum Feuerverzinken unter: www.feuerverzinken.com.
