Fachwörter-Lexikon
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Feuerverzinken
Durch Feuerverzinken werden Korrosionsschutzschichten mit den höchsten Beständigkeitswerten erzielt. Die Auftragung erfolgt durch Tauchen der gereinigten und in Salzsäure gebeizten Teile. Beschichtbar sind Eisenlegierungen und Stähle in verschiedenen Zusammensetzungen, wobei zur Erzielung der besten Ergebnisse bezüglich Haftung die Bildung einer Übergangszone zwischen den Grundwerkstoff und der Zinkschicht erforderlich ist. Gut für das Feuerverzinken geeignet sind Stähle mit den Elementen Silizium und Phophor. Bei dem aufgebrachten Zink handelt es sich in der Regel um eine Zinklegierung mit geringen Anteilen an Fremdmetallen, durch die sich der Schmelzpunkt der Legierung verändert.
Zusammensetzung der Zinkschmelze
| Anteil in Massen% | |
| Zink | ca. 99 |
| Blei | 0 bis ca. 1 |
| Bismut | <0,1 |
| Zinn | <1,2 |
| Nickel | <0,06 |
| Titan | <0,3 |
| Vanadium | <0,05 |
| Aluminium | <0,03 |
Die Schmelzpunkte der unterschiedlichen Zinklegierungen liegen zwischen etwa 430 °C und etwa 640 °C. Die Beschichtungszeiten hängen deutlich vom Volumen des zu beschichtenden Teils ab, da dieses nur dann eine brauchbare Schicht erhält, wenn die Schmelztemperatur erreicht wird. Üblich sind Zeiten zwischen 5 Minuten und etwa 20 Minuten. Ein weiterer Faktor, bei dem die Zusammensetzung der Zinkschmelze eine Rolle spielt, ist die herstellbare Schichtdicke, die je nach Einsatzfall und Zinklegierung zwischen etwa 50 µm und etwa 200 µm liegen kann.
Zinkschicht auf vernickeltem (<0,1 µm) Stahl, wobei sich intermetallische Phasen in der Übergangszone bilden / Bildquelle: M. Blumenau
Damit werden je nach Standort und Kombination mit weiteren Beschichtungsarten wie beispielsweise einer zusätzlichen Pulverlackierung Beständigkeitsdauern von mehr als 50 Jahren erreicht. Die stärksten Belastungen im Hinblick auf die Korrosion stellen marine Umgebungen dar. Hier werden seit einigen Jahren im Bereich der Feuerverzinkung sogenannte Duplexschichten eingesetzt. Duplexsysteme bestehen aus einer durch Feuerverzinken aufgebrachten Zinkschicht sowie einer zusätzlichen Lackierung, entweder als Nasslack oder als Pulverlack. Die Art der Lackierung richtet sich beispielsweise nach der Belastung im Einsatz (z.B. marine oder urbane Umgebung), der gewünschten Farbgebung oder den zulässigen Kosten für die Beschichtung. Zu berücksichtigen ist, dass die durch Feuerverzinken aufgebrachte Schicht relativ spröde ist, weshalb nur Fertigteile vor dem Einsatz verzinkt werden sollten.
Phasen einer Zinkschicht aus der Feuerverzinkung gemäß DIN EN ISO 1461 / Bildquelle: Fontaine Technologie GmbH
Feuerverzinken eines Fahrzeugrahmens / Bildquelle: Fontaine technologie GmbH
Stahl
Die als Stahl bezeichneten Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit 0,02 bis 2,06 % Kohlenstoff (unlegierter Stahl) oder zusätzlich mit metallischen oder nichtmetallischen Komponenten legiert, sind die wichtigsten Gebrauchsmetalle überhaupt. Die physikalischen Eigenschaften des Eisens sind durch Legierungen stark variierbar, wobei das wichtigste Legierungselement der Kohlenstoff ist, der die Festigkeit erheblich erhöht und dabei die Verformbarkeit und Zähigkeit herabsetzt.Die Vielseitigkeit der Stähle als Konstruktionswerkstoffe beruht auf der Möglichkeit, die Eigenschaften der Stähle in weiten Grenzen verändern zu können. Außerdem lassen sich die Stähle mit allen bekannten Fertigungsverfahren bearbeiten.
Schichtdicke - Schliffmethoden
Das mikroskopische Schichtdickenmessverfahren an Querschliffen ist eine der am weitesten verbreitete, zerstörende Verfahren zur Untersuchung von Schichtdicken (in der Regel ≥ 3 µm). Mit ihr können nahezu alle Schichtarten (z.B. Metall-, Oxid-, Lack-, Spritzschichten) untersucht werden. Abhängig von dem zu untersuchenden Werkstoff ist zur Herstellung einwandfreier Querschliffe ein individuelles Präparationsrezept nötig.
Ein Probenstück mit wenigen Zentimeter Kantenlänge (evtl. Entnahme aus dem zu untersuchenden, größeren Objekt) wird gereinigt und mittels Warm- oder Kalteinbettmethode in einem passenden Einbettmittel fixiert. In mehreren Schleif- und Poliervorgängen unter Zugabe geeigneter Suspensionen wird die Probe geschliffen und poliert und dadurch ein Querschliff durch die zu untersuchende Zone der Schicht hergestellt. Am Querschliff kann die Beschichtung mit einem Lichtmikroskop oder Rasterelektronenmikroskop untersucht werden. Zusätzlich können durch Anätzen der polierten Querschliffoberfläche die Schichten sowie das darunter liegende Gefüge kontrastiert und dadurch besser sichtbar gemacht werden.
Aufgrund der hohen Präzision wird das Verfahren oftmals als Referenzmethode herangezogen. Nachteilig ist die relativ lange Dauer zur Schliffherstellung (speziell bei der Kalteinbettung).
Das Schrägschliffverfahren ist eine abgeänderte Variante der Querschlifftechnik, bei dem durch eine schräge Schliffpräparation die Analysefläche vergrößert und die Schichtdicke optisch verbreitert wird. Unter Berücksichtigung des Probenneigungswinkels wird anschließend durch geometrische Verhältnisse die wahre Schichtdicke berechnet. Aufgrund der vergrößerten Projektionsebene fällt die Messunsicherheit im Vergleich zum herkömmlichen Querschliffverfahren entsprechend geringer aus, sodass sich die Schrägschliffmethode vorwiegend für Schichten ≤ 1 µm anbietet.
Mit dem Kalottenschliffverfahren lässt sich neben der Verschleißbeständigkeit auch die Schichtdicke bestimmen. Hierfür wird eine gehärtete Stahlkugel gegen die Probenoberfläche gedreht, so dass anschließend nach einer gewissen Zeit eine Kalotte in die Schicht eingeschliffen wird (Abb. 1). Für eine Schichtdickenbestimmung muss die Kalotte durch die Schicht bis zum Grundmaterial eingeschliffen werden. Im Allgemeinen wird beim Schleifvorgang eine abrasive Diamantsuspension zugegeben. Die Kalotte weist einen vergleichsweise flachen Schleifwinkel auf, wodurch die Projektionsebene und die Schicht um bis zu einem Faktor 100 verbreitert werden kann.
Abb. 1: Prinzip des Kalottenschliffverfahrens
Abhängig von der verwendeten Probengeometrie ergeben sich bei der Betrachtung mit einem Mikroskop konzentrische Kreise für ebene und elliptisch geformte für gekrümmte Oberflächen. Aus den Durchmessern dieser Kreise bzw. Kreisringe lässt sich die Schichtdicke berechnen. Das Verfahren ist für PVD/CVD- sowie galvanische Schichten mit einer Dicke zwischen 0,3 µm und 30 µm geeignet.
Beim Keilschnittverfahren wird mithilfe einer Schneide unter einem vorgegebenen Winkel die Beschichtung auf der Probe durch keilförmiges Einschneiden verletzt (Abb. 2). Auf Basis geometrischer Beziehungen kann die Schichtdicke durch den Schnittwinkel und die mit einem Mikroskop ermittelte Schichtdicke an der Schnittflankenprojektion berechnet werden.
Abb. 2: Keilschnittprinzip