Prozess der Bildung verzinkter Schichten: Metallurgie von Schmelzzinkbeschichtungen

Überblick über die Galvanisierungsreaktion

Beim Feuerverzinkungsprozess entsteht durch eine Reihe von Diffusionsreaktionen zwischen Eisen und geschmolzenem Zink eine metallurgisch gebundene Zinkbeschichtung auf Stahl. Wenn das Stahlwerkstück bei etwa 450 Grad in geschmolzenes Zink eingetaucht wird, benetzt das Zink zunächst die saubere Stahloberfläche und löst eine kleine Menge Eisen auf, dann diffundieren Eisen und Zink miteinander, um eine Folge intermetallischer Eisen-Zinkschichten zu bilden. Darauf wächst die äußere Schicht aus nahezu reinem Zink, die verzinkten Produkten ihr charakteristisches Aussehen verleiht.

Stufe 1: Bildung der festen Eisen-Zink-Lösung

Beim Eintauchen lösen sich Zinkatome in der Oberfläche des Stahls auf und bilden eine feste Alpha-Eisenlösung, in der Zink im körper-zentrierten kubischen Eisengitter gelöst ist. Diese dünne Schicht ist die Grundlage der Beschichtung: Die Verschmelzung der beiden Metalle ist keine einfache mechanische Verbindung, sondern eine echte metallurgische Verbindung, weshalb die Beschichtung so stark haftet und Biegungen und Stöße übersteht.

Stufe 2: Wachstum intermetallischer Phasen

Sobald die feste Lösung mit Zink gesättigt ist, erfolgt die weitere Reaktion durch Diffusion. Zinkatome wandern in das Eisengitter, während Eisenatome nach außen in die Zinkschmelze diffundieren und an der Grenzfläche eine Reihe intermetallischer Verbindungen entstehen. Bei einer normalen Schmelztauchbeschichtung besteht die Struktur aus den Gamma- und Delta-Phasen in der Nähe des Stahls (reich an Eisen) und der Zeta-Phase weiter draußen, jeweils mit einer charakteristischen Härte und Zusammensetzung. Die gesamte intermetallische Schicht ist hart und verschleißfest, während die äußere Schicht weich und duktil bleibt.

Stufe 3: Bildung der reinen Zinkschicht

Wenn das Werkstück aus dem Bad genommen wird, trägt es eine Schicht geschmolzenen Zinks, die zur äußeren Eta-Phase erstarrt: eine hexagonal dicht gepackte Struktur aus nahezu reinem Zink mit einem Eisengehalt von nicht mehr als etwa 0,003 %. Die Eta-Schicht ist die sichtbare, reflektierende Oberfläche der Beschichtung. Seine Dicke wird durch die Abzugsgeschwindigkeit und durch das Abstreifen des Gases in kontinuierlichen Linien gesteuert; Bei der Stückverzinkung wird sie durch die Eintauchzeit, die Badtemperatur und die Stahlchemie bestimmt.

Bildung von Zinkschlacke

Nicht das gesamte Eisen, das sich im Bad löst, gelangt an die Oberfläche des Werkstücks. Ein Teil reagiert mit Zink in der Schmelze und bildet intermetallische Partikel, die dichter als das geschmolzene Zink sind und auf den Boden des Verzinkungstopfes sinken, wo sie sich als Bodenschlacke ansammeln. Oberschlacke entsteht durch Oxidation an der Badoberfläche. Beide Formen entfernen Zink aus dem nützlichen Kreislauf. Daher ist die Badverwaltung, einschließlich Temperaturkontrolle, Aluminiumzugabe und regelmäßiges Abschäumen, unerlässlich, um die Beschichtungsqualität stabil und den Zinkverbrauch wirtschaftlich zu halten.

Einfluss der Stahlchemie und Prozessvariablen

Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt stark vom Silizium- und Phosphorgehalt des Stahls ab, da diese Elemente die Eisen-{0}}Zink-Interdiffusion beschleunigen. In der modernen Praxis wird dem Bad eine kleine Menge Aluminium zugesetzt, typischerweise 0,1-0,3 % bei Batch-Arbeiten, wodurch eine dünne Hemmschicht entsteht, die die Eisen-Zink-Reaktion verlangsamt und eine dünnere, duktilere Beschichtung erzeugt. Badtemperatur, Eintauchzeit, Entnahmegeschwindigkeit und die Rauheit der Stahloberfläche beeinflussen alle die endgültige Schichtdicke und -struktur.

Beschichtungsstruktur und -eigenschaften

Die gesamte Beschichtung ist daher ein Schichtverbund: eine dünne feste Alpha--Eisenlösung, ein harter intermetallischer Bereich (Gamma-, Delta- und Zeta-Phasen), der für Haftung und Verschleißfestigkeit sorgt, und eine weiche reine -Zink-Eta-Schicht, die für Korrosionsschutz und Aussehen sorgt. Dieser Verbundwerkstoff verhält sich anders als eine einphasige Beschichtung: Die intermetallischen Schichten sind hart und spröde, während sich die Eta-Schicht zusammen mit dem Stahl biegt und verformt. Für Blechprodukte wird aus Gründen der Formbarkeit eine dünne Beschichtung mit einem geringen intermetallischen Anteil bevorzugt; Für Strukturabschnitte wird eine dicke Beschichtung gewählt, um eine maximale Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.

Standards und Verifizierung

Beschichtungsdicke und -masse werden anhand der Produktnormen überprüft: ISO 1461 für feuerverzinkte Beschichtungen auf verarbeiteten Eisen- und Stahlartikeln, GB/T 13912 als chinesisches Äquivalent und EN 10346 oder ISO 3575 für durchgehend verzinktes Blech. Die Schichtdicke wird mit magnetischen Messgeräten oder der gravimetrischen Methode gemessen und die Haftung wird durch Biege- und Schlagversuche beurteilt. Die Schichtstruktur kann metallographisch untersucht werden, um zu bestätigen, dass alle Phasen im richtigen Verhältnis vorhanden sind.

FAQ

Warum hat verzinkter Stahl ein glitzerndes Aussehen?

Die Pailletten bilden sich, wenn die geschmolzene Zinkschicht erstarrt und Zinkkristalle von den Keimbildungspunkten nach außen wachsen. Die Glitzergröße hängt von der Zusammensetzung des Bades, der Abkühlgeschwindigkeit und dem Vorhandensein glitzernder -fördernder Elemente in herkömmlichen Bädern ab.

Was ist der Unterschied zwischen der Eta-Schicht und den Legierungsschichten?

Die Eta-Schicht besteht nahezu aus reinem Zink, ist weich und duktil. Die darunter liegenden Legierungsschichten sind intermetallische Phasen aus Eisen-Zink, die härter und spröder sind und für die metallurgische Verbindung zum Stahl sorgen.

Warum wird dem Verzinkungsbad Aluminium zugesetzt?

Aluminium bildet auf der Stahloberfläche eine dünne Hemmschicht, die die Eisen-Zink-Reaktion verlangsamt und so eine dünnere, gleichmäßigere und duktilere Beschichtung erzeugt. Dies ist wichtig für verzinktes Blech, das roll-geformt oder tief-gezogen werden muss.

Wie wird Zinkschlacke aus dem Topf entfernt?

Bei der Wartung des Topfes wird die untere Schlacke regelmäßig durch Abschäumen oder Pumpen entfernt, während die obere Schlacke während der Produktion regelmäßig abgeschöpft wird. Eine gute Temperaturkontrolle reduziert die Krätzebildung.

Kann die Dicke der verzinkten Beschichtung vom Kunden vorgegeben werden?

Ja. Produktnormen definieren Beschichtungsklassen nach Masse pro Quadratmeter, und der Kunde gibt die Klasse an, die der Umgebung und der Lebensdauer entspricht, zum Beispiel Z275 für die allgemeine Verwendung im Außenbereich von Gebäuden.

Warum sieht die Beschichtung auf feuerverzinktem Stahl dicker aus als auf Blech?

Bei der Chargenverzinkung gefertigter Artikel werden längere Eintauchzeiten ohne Abwischen benötigt, sodass die intermetallischen und ETA-Schichten dicker werden. Kontinuierliche Blechlinien steuern die Dicke präzise mit Luftmessern und sorgen so für eine dünnere, gleichmäßigere Beschichtung.