DE102021123320A1

DE102021123320A1 - Verfahren zum Hochtemperaturverzinken von Eisenwerkstoffteilen

Info

Publication number: DE102021123320A1
Application number: DE102021123320.8A
Authority: DE
Inventors: Paul Niederstein
Original assignee: Coatinc Prega & Co Kg GmbH
Current assignee: Coatinc Prega & Co Kg GmbH
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2023-03-09
Also published as: WO2023036912A1; CA3230982A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hochtemperaturverzinken von Eisenwerkstoffteilen (10). Das Verfahren umfasst ein Erzeugen einer Zinkschmelze (12). Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Sättigen der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12), sodass diese eisengesättigt ist. Außerdem umfasst das Verfahren ein Herstellen einer Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12), sodass diese eisenuntersättigt ist. Ferner umfasst das Verfahren ein Tauchen der Eisenwerkstoffteile (10) in die eisenuntersättigte Zinkschmelze (12), wobei eine Verzinkungsschicht (14) auf den Eisenwerkstoffteilen (10) gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hochtemperaturverzinken von Eisenwerkstoffteilen. Ferner betrifft die Erfindung eine zugehörige Verzinkungsanlage sowie eine entsprechende Steuereinheit für eine solche Verzinkungsanlage.
Eisenwerkstoffe und insbesondere Stahl gehörten zu den wichtigsten Werkstoffen und kommen als Material für Bauteile in den unterschiedlichsten technischen Gebieten zum Einsatz. In vielen Bereichen ist es erforderlich, Eisenwerkstoffteile, also Teile aus einem Eisenwerkstoff wie insbesondere Stahl oder Gussteile, vor Korrosion zu schützen. Vielfach wird hierfür eine Verzinkungsschicht verwendet, mit der die Eisenwerkstoffteile überzogen werden bzw. das Bauteil in Diffusionsprozessen durch die Reaktion mit Zink eine Zinklegierungsschicht erhält. Beim sogenannten Feuerverzinken wird eine Zinkschmelze erzeugt, in die nach geeigneter Vorbehandlung zu schützende Eisenwerkstoffteile getaucht werden. Dabei bildet sich eine Verzinkungsschicht, die typischerweise unterschiedliche Eisen-Zink-Phasen, sowie reines Zink umfasst. Die Schutzwirkung der Verzinkungsschicht kann dabei mehrfach sein, sie basiert auf unterschiedlichen Reaktionen des Zinks, je nach Einfluss der Umwelt. Zum einen bildet sich an Luft an der Oberfläche der Verzinkungsschicht eine witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkoxid und Zinkcarbonat. Zum anderen ist Zink unedler als Eisen, d. h. sein Elektropotential unter Standardbedingungen ist negativer als das von Eisen. Zink kann für Eisen daher als Opferanode dienen. Ist die Verzinkungsschicht lokal beschädigt und das darunterliegende Eisen freigelegt, führt dies dazu, dass dennoch anstelle des Eisen Zink oxidiert wird, da das elementare Zink Elektronen an temporär gebildete Eisenionen abgeben kann, wodurch netto elementares Eisen erhalten bleibt, während Zinkionen gebildet werden. Die dabei entstehenden Zinksalze wie Zinkoxid und Zinkcarbonat füllen im Idealfall die lokalen Beschädigungen auf, sodass ein gewisser selbstheilender Effekt zu beobachten ist, durch den die ursprünglich freigelegten Stellen wieder verschlossen werden können. Hier ist die Volumenzunahme des Zinks bei der Reaktion frischen Zinks mit Wasser ein positiver Effekt, da er eben diese Stellen verschließt.
Üblicherweise erfolgt das Feuerverzinken in einer Zinkschmelze mit einer Temperatur von etwa 450 °C. Allerdings gibt es auch Verfahren, bei denen deutlich höhere Temperaturen verwendet werden, insbesondere Temperaturen von wenigsten 520 °C und mehr. Man spricht dann vom sogenannten Hochtemperaturverzinken.
Aufgrund der höheren Temperatur ist die Zinkschmelze beim Hochtemperaturverzinken deutlich fließfähiger bzw. weniger viskos. Werden die zu beschichteten Eisenwerkstoffteile aus der Schmelze gezogen, fließt das flüssige Zink schneller und vollständiger von den Eisenwerkstoffteilen ab. Auch kann hierdurch eine Akkumulation von flüssigem Zink an engen Strukturen wie Vertiefungen, innenliegenden Kanten, kleinen Durchgangsöffnungen, Gewinden etc. weitgehend vermieden werden, sodass eine Nachbearbeitung der verzinkten Eisenwerkstoffteile allenfalls in geringerem Umfang erforderlich ist. Das Zink bleibt länger flüssig und kann vom Bauteil zurück in die Schmelze fließen. Dieser Vorgang kann zum Beispiel durch den Einsatz von Rüttlern oder Druckluftlanzen unterstützt werden. In sogenannten Schleuderanlagen wird die überschüssige flüssige Zinkschmelze dadurch entfernt, dass die Bauteile in einem Korb liegen und dieser zentrifugiert wird. Durch die starken Zentrifugalkräfte wird das Zink abgeschleudert. Neben den vorteilhaften Zinkablaufeigenschaften zeichnet sich die Hochtemperaturverzinkung auch dadurch aus, dass dabei nicht zu dicke Schichten, aber harte und entsprechend abrieb- und verschleißfeste Eisen-Zink-Schicht gebildet wird. Das ungewünschte teilweise extreme Schichtdickenwachstum in der Normaltemperaturfeuerverzinkung (NTV) wird durch bestimmte Konstellationen der Legierungsbestandteile des Eisenwerkstoffs ausgelöst (primär Silicium und Phosphor), insbesondere im Fall von Stahl, die bei der Hochtemperaturfeuerverzinkung weniger Bedeutung haben, da die in der NTV hierdurch entstehende Eisen-Zink-Phase bei Temperaturen oberhalb der 520°C flüssig vorliegt und somit kein zusätzlicher Zinkaufbau stattfindet.
Allen bekannten Verfahren zum Feuerverzinken gemein ist die Verwendung einer eisengesättigten Zinkschmelze. Die Eisensättigung ist häufig bereits dadurch erreicht, dass in eisenhaltigen Kesseln gearbeitet und eisenhaltige Bauteile verzinkt werden. Eisen aus dem Material der Kesselwände, die zum Beispiel aus Stahl gefertigt sein können, wandert dabei in die Zinkschmelze, bis diese mit Eisen gesättigt ist. Wird ein Verzinkungskessel über mehrere Jahre verwendet, reduziert sich durch diesen Effekt langsam seine Wandstärke, die deshalb in regelmäßigen Abständen überprüft wird. Dieser Verlust von Kesselmaterial wird in Kauf genommen, da ohne ihn die Zinkschmelze die Eisenwerkstoffteile selbst noch stärker angreifen würde. Während des Verzinkens geht von der Kesselwand und vorrangig von den Bauteilen kontinuierlich Eisen in die Zinkschmelze über. Hierdurch wird die Schmelze lokal übersättigt und es bilden sich Eisen-Zink-Partikel in der Schmelze. Diese sind schwerer als die Schmelze und setzten sich am Boden ab. Das so entstehende Hartzink wird regelmäßig vom Boden mittels Hartzinkgreifern entfernt. Weil die zu verzinkenden Eisenwerkstoffteile selbst eisenhaltig sind, würden diese durch eine eisenfreie Zinkschmelze teilweise abgebaut. Eisen würde aus den Eisenwerkstoffteilen in die Zinkschmelze wandern. Erst in der eisengesättigten Schmelze ist sichergestellt, dass diese Zersetzung der Eisenwerkstoffteile und insbesondere die des Kessels nicht erfolgt. Durch die Eisensättigung ist der Prozess verlangsamt.
Beim Hochtemperaturverzinken ist jedoch die Sättigungskonzentration von Eisen in der Zinkschmelze aufgrund der höheren Temperatur deutlich größer, weshalb Kessel aus eisenhaltigem Material nicht verwendet werden können. Zum Herstellen einer Zinkschmelze, die zum Hochtemperaturverzinken geeignet ist, muss außerdem der Temperaturbereich zwischen 470°C und 520°C durchfahren werden. In diesem Bereich ist das flüssige Zink derart reaktionsfreudig, dass ein Stahlkessel bereits während des Durchlaufens des Bereichs in beträchtlichem Maße beschädigt würde. (Diese würden in vergleichsweise kurzer Zeit zersetzt, weil der Kessel stärker angegriffen würde als beim herkömmlichen Feuerverzinken, was den Betrieb einer Anlage aufgrund des in kurzen Zeitabständen erforderlichen Kesselaustausches unwirtschaftlich machen würde. Daher werden beim Hochtemperaturverzinken regelmäßig keramische Kessel verwendet, deren Material sich in der Zinkschmelze nicht oder nicht nennenswert zersetzt. Um zu vermeiden, dass sich die Eisenwerkstoffteile aufgrund der erwähnten höheren Sättigungskonzentration von Eisen in der Zinkschmelze innerhalb kurzer Zeit zersetzen, wird der Zinkschmelze beim Erstansatz der Schmelze Eisen zugesetzt. Neben dem natürlichen Eisenverlust der zu verzinkenden Eisenwerkstoffteile erfolgt dies beispielsweise auch durch den Eisenverlust von Aufhängungen an Traversen, die zusammen mit den daran aufgehängten Eisenwerkstoffteilen in die Schmelze getaucht werden. Beim Erstansatz kann absichtlich Hartzink zugegeben werden, um einen Grundeisengehalt zu erhalten.
Die Verwendung eisengesättigter Zinkschmelzen ist folglich derzeit unerlässlich, unabhängig von der Temperatur der Schmelze.
Die Zinkschmelze ist somit bereits aufgrund des erläuterten Eisengehalts eine Legierung. Regelmäßig werden zusätzlich weitere Metalle in geringen Mengen zugesetzt, wie beispielsweise Blei oder Bismut. Solche Zusätze dienen etwa dazu, die Oberflächenspannung der Schmelze zu verringern, was die Benetzung mit Zink sowie dessen Ablaufen beim Herausziehen der Eisenwerkstoffteile verbessert. Weitere bekannte Zusätze sind beispielsweise Nickel, Zinn und Aluminium.
Um die Dicke der Verzinkungsschicht beim Hochtemperaturverzinken zu variieren, können gemäß bekannten Verfahren die Temperatur der Schmelze sowie die Tauchdauer verändert werden. Grundsätzlich können kurze Tauchdauern zu geringen Schichtdicken führen. Allerdings ist eine Schichtdickenkontrolle durch Ändern der Tauchdauer nur bedingt möglich. Zunächst ist beim üblichen Eintauchen und Herausziehen von Eisenwerkstoffteilen, also bei der Stückverzinkung, die Tauchdauer nicht für alle Eisenwerkstoffteile gleich. Zu unterst hängende Eisenwerkstoffteile befinden sich beim Eintauchen von oben länger in der Schmelze als ganz oben hängende Eisenwerkstoffteile. Auch werden längere Bauteile schräg eingetaucht, so dass bei einem einzigen Bauteil die Tauchdauer je nach Lage an der Traverse differieren kann. Auch ist eine gewisse Mindesttauchdauer erforderlich, um zu gewährleisten, dass sich beim Eintauchen die Temperatur der Eisenwerkstoffteile vollständig der Temperatur der Zinkschmelze angleichen kann.
Generell ist eine Schichtdickenkontrolle daher nur bedingt möglich.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum kontrollierten Hochtemperaturverzinken anzugeben, das eine gute Kontrolle über die Eigenschaften der erzeugten Verzinkungsschicht gestattet, insbesondere bezüglich deren Schichtdicke.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß kann ein Verfahren zum Hochtemperaturverzinken, insbesondere mit einstellbaren Schichtdicken, von Eisenwerkstoffteilen, beispielsweise von Teilen aus einem Eisenwerkstoff wie Gussteilen und/oder von Stahlteilen, ein Erzeugen einer Zinkschmelze umfassen. Ferner kann das Verfahren ein Sättigen der Eisenkonzentration der Zinkschmelze umfassen, sodass diese eisengesättigt ist. Das Sättigen kann ein Einstellen der Eisensättigung in der Schmelze sein. Das Verfahren kann, insbesondere nach dem Sättigen, ein Herstellen einer Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze umfassen, sodass diese eisenuntersättigt ist. Zudem kann das Verfahren ein Tauchen der Eisenwerkstoffteile in die eisenuntersättigte Zinkschmelze umfassen, wobei eine Verzinkungsschicht auf den Eisenwerkstoffteilen gebildet wird. Bei den Eisenwerkstoffteilen kann es sich um zu verzinkende Eisenwerkstoffteile handeln, die sich beispielsweise von Stahltraversen, Trommeln oder anderen Teilen aus Stahl und/oder Eisenwerkstoff unterscheiden, die sich beim Prozess vorübergehend in der Zinkschmelze befinden, etwa um als Halterung, Haken oder Behälter zu dienen, deren Verzinkung aber nicht das Ziel des Prozesses ist.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich das Hochtemperaturverzinken durch ein gezieltes Untersättigen der Zinkschmelze kontrollieren lässt. Entgegen der weitverbreiteten Vorstellung, wonach die Zinkschmelze stets eisengesättigt sein muss, hat sich gezeigt, dass sich beim Hochtemperaturverzinken in eisenuntersättigter Schmelze die Schichtdicke der Verzinkungsschicht gezielt beeinflussen lässt. Dabei wird die Reaktionskinetik der Prozesse, die zur oben erläuterten Zersetzung von Stahl und anderen eisenhaltigen Materialien in unkontrolliert ungesättigten Zinkschmelzen führen, zielgerichtet nutzbar gemacht. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert in Form der Untersättigung einen bisher nicht verwendeten Parameter, mittels dessen sich dich Schichtdicke der Verzinkungsschicht einstellen lässt, insbesondere weitgehend unabhängig von der konkret verwendeten Schmelzentemperatur und Tauchdauer, sowie der Materialzusammensetzung der Bauteile.
Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass in der Zinkschmelze zwei zentrale Prozesse ablaufen, deren Zusammenspiel die Beschaffenheit der Verzinkungsschicht beeinflusst, sofern in geeignetem Abstand von der Eisensättigungskonzentration gearbeitet wird. Zum einen erfolgt ein Eisenverlust von den Eisenwerkstoffteilen in die aufwachsende Verzinkungsschicht. Es bilden sich in bekannter Weise verschiedene Eisen-Zink-Phasen, wie beispielsweise eine Alpha-Phase, eine Delta-1-Phase und eine Gamma-Phase. Die beim regulären Feuerverzinken auftretende Zeta-Phase tritt hingegen beim Hochtemperaturverzinken nicht auf. Sie ist bei Temperaturen über 520°C nicht solide. Zum anderen erfolgt ein Eisenverlust aus der Verzinkungsschicht, also aus der temporär gebildeten Eisen-Zink-Schicht, in die Zinkschmelze. Dieser zweite Prozess ist vorranging dem Unterschied in der Eisenkonzentration zwischen Bauteil und der Zinkschmelze geschuldet. Der zweite Prozess kann ablaufen, weil die Zinkschmelze aufgrund ihrer Untersättigung noch Eisen aufnehmen kann. Somit kann sich für eine gegebene bestimmte Untersättigung wenigstens näherungsweise ein Gleichgewicht einstellen, bei dem die Verzinkungsschicht mit ungefähr gleicher Rate aufwächst und abgebaut wird. Hierdurch kann die erwähnte weitgehende Unabhängigkeit von der Tauchzeit erzielt werden.
In anderen Worten kann die Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze derart eingestellt werden, dass sich nach einer anfänglichen Bildung einer Verzinkungsschicht auf den Eisenwerkstoffteilen während des Tauchens der Eisenwerkstoffteile in die Zinkschmelze eine Rate, mit der die Verzinkungsschicht aufwächst, und eine Rate, mit der die gebildete Verzinkungsschicht abgetragen wird, im Wesentlichen entsprechen. Dies kann beinhalten, dass die beiden Raten sich um nicht mehr als 50 %, insbesondere nicht mehr als 40 %, in einigen Fällen nicht mehr als 30 % und in einigen Ausführungsformen nicht mehr als 20 % voneinander unterscheiden. Diese Angaben können sich dabei auf die größere der beiden Raten beziehen. Wird die Verzinkungsschicht auf diese Weise hergestellt, führt eine längere Tauchzeit im Wesentlich nur zu einem größeren Eisenverlust der Eisenwerkstoffteile und/oder einem größeren Anfall von Hartzink, letzteres vor allem nach erneutem Erreichen und Überschreiten der Eisensättigungskonzentration, was zum Ausfall von Hartzink führen kann. Der Eisenverlust findet jedoch in einem so geringen Maße statt, dass die eigentlichen Bauteileigenschaften nicht wesentlich berührt werden.
Es versteht sich, dass die Zinkschmelze neben Zink und Eisen weitere Bestandteile umfassen kann, wie beispielsweise Blei, Bismut oder Aluminium. Der Begriff „Zinkschmelze“ kann sich somit eher auf die prozesstechnische Bedeutung als auf eine rein chemische oder physikalische Bedeutung beziehen.
Das Verfahren wird insbesondere im industriellen Maßstab durchführt. Die Eisenwerkstoffteile können großformatig sein, es kann sich aber auch um Kleinteile handeln. Insbesondere weist die Zinkschmelze eine Gesamtmasse von wenigstens 10.000 kg, in vielen Fällen von wenigstens 15.000 kg, und in einigen Fällen von wenigsten 20.000 kg auf, wobei auch deutlich größere Massen bzw. Volumina erfindungsgemäß möglich sind.
Die Untersättigung der Eisenkonzentration kann wenigstens 1 %, in vielen Fällen wenigstens 2 %, in einigen Fällen wenigstens 5 % aber auch wenigstens 10 % oder noch mehr betragen, bezogen auf die Sättigungskonzentration. Liegt die Sättigungskonzentration von Eisen in der Zinkschmelze beispielsweise bei 0,5 wt% (Gewichtsprozent), ist unter einer Untersättigung um 5 % zu verstehen, dass die tatsächliche Eisenkonzentration 5 % geringer ist als die Sättigungskonzentration, was im genannten Beispiel einer Konzentration von Eisen in der Zinkschmelze von 0,475 wt% entsprechen würde. Die Schichtdicke der Verzinkungsschicht kann vorteilhaft über den Grad der Untersättigung gesteuert werden. Zumindest in einem Bereich leichter Untersättigung kann dabei der Zusammenhang derart sein, dass ein höherer Grad an Untersättigung zu dünneren Verzinkungsschichten führt, insbesondere im Wesentlichen unabhängig von einer Tauchdauer.
Die Untersättigung wird vorzugsweise ausgehend von einem vollständig gesättigten Zustand der Zinkschmelze hergestellt. Hierdurch kann das Untersättigen in kontrollierter Weise erfolgen. Das Herstellen der Untersättigung beinhaltet dann, dass sich die Zinkschmelze von der Eisensättigungskonzentration weg bewegt. Grundsätzlich kann erfindungsgemäß aber auch ein, insbesondere kontrolliertes, Herstellen der Untersättigung ausgehen von einem vollständig und/oder stärker untersättigten Zustand erfolgen. In diesem Fall kann die Erfindung das Sättigen der Eisenkonzentration der Zinkschmelze als nachgeschalteten Verfahrensschritt oder auch gar nicht umfassen. Auch lässt sich das System umdrehen, indem bei einer Übersättigung dickere Schichten erzeugt werden können.
Das Erzeugen der Zinkschmelze umfasst ein Schmelzen von Zink sowie ggf. ein Schmelzen weiterer Bestandteile der Zinkschmelze, die gezielt zugegeben werden können. Hierbei kann generell ein Kessel vorgesehen sein, der die Zinkschmelze aufnimmt. Vorzugsweise wird die Zinkschmelze in einem keramischen Kessel erzeugt. Andere Kesselmaterialien können alternativ oder zusätzlich verwendet werden, insbesondere solche, die wenig oder kein Eisen enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Tauchen der Eisenwerkstoffteile ein Absenken derselben in die Zinkschmelze, insbesondere in den Kessel hinein. Nach Ablauf einer vorgegebenen Tauchdauer können die Eisenwerkstoffteile wieder aus der Zinkschmelze bzw. dem Kessel herausgezogen werden. Eintauchen und Herausziehen erfolgen dabei beispielsweise senkrecht zu einer Oberfläche der Zinkschmelze. Es kann sich somit um eine Stückverzinkung handeln. Die Eisenwerkstoffteile können zum Tauchen und/oder Herausziehen an Trägern, wie beispielsweise an geeigneten Traversen, aufgehängt und/oder befestigt sein, die in die Zinkschmelze hinein und/oder aus dieser heraus bewegbar sind. Je nach Beschaffenheit der Eisenwerkstoffteile können auch Trommeln oder andere Behälter zum Einsatz kommen, in die die Eisenwerkstoffteile vor dem Tauchen in die Zinkschmelze eingefüllt werden. Dies bietet sich beispielsweise für Kleinteile an, ist aber hierauf nicht beschränkt.
In anderen Ausführungsformen kann das Tauchen eine kontinuierliche Bewegung der Eisenwerkstoffteile umfassen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Eisenwerkstoffteile sich durch die Zinkschmelze hindurch bewegen, wobei eine Tauchdauer durch die Zeitdauer festgelegt ist, die die Bewegung entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn durch die Zinkschmelze definiert sein kann. Es kann sich dabei zum Beispiel um eine Bandverzinkung handeln. Bei den Eisenwerkstoffteilen kann es sich entsprechend um Bleche handeln, die etwa in Gestalt eines Stahlbands vorliegen. Auch Mischformen können erfindungsgemäß möglich sein, bei denen zunächst ein Absenken in die Zinkschmelze und dann ein Bewegen in der Zinkschmelze durchgeführt werden.
Die Zinkschmelze kann eine Temperatur von wenigstens 500 °C, insbesondere von wenigstens 540°C und optional von wenigstens 560°C und/oder eine Temperatur von höchstens 700°C, insbesondere von höchstens 650°C und optional von höchstens 620°C aufweisen. Die Temperatur der Zinkschmelze kann in anderen Worten so gewählt sein, dass ein Hochtemperaturverzinken durchgeführt wird. Die Zinkschmelze kann somit als Hochtemperaturzinkschmelze bezeichnet werden.
Die zum Erzeugen der Zinkschmelze und/oder zum Aufrechterhalten oder Erhöhen deren Temperatur erforderliche Wärme kann erfindungsgemäß durch Gasbrenner zugeführt werden, die beispielsweise auf eine Oberfläche der Zinkschmelze gerichtet sein können.
In anderen Ausführungsformen können Brennstäbe oder andere im Kessel angeordnete Heizelemente vorgesehen sein. Der Kessel kann auch über wenigstens eine Wandung mit integrierten Heizelementen verfügen, die insbesondere in ausgeformten Taschen, Ausbuchtungen, Heizrippen, Stäben etc. untergebracht sind. Die Heizelemente können elektrisch, mit Gas, induktiv oder anderweitig beheizbar sein. Hierdurch kann Wärme auch von unten und/oder von der Seite des Kessels zuführbar sein.
Die zum Erzeugen der Zinkschmelze und/oder zum Aufrechterhalten oder Erhöhen deren Temperatur erforderliche Wärme kann erfindungsgemäß mittels induktiven Heizens zugeführt werden. Hierfür kann eine induktive Heizvorrichtung verwendet werden, die von der Zinkschmelze durchströmbar ist. Beispielsweise wird die Zinkschmelze beständig oder intermittierend durch die induktive Heizvorrichtung gepumpt, wobei ihr in der Heizvorrichtung Wärme zugeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Heizvorrichtung verwendet werden, die dem ganzen Kessel Wärme zuführt. Dabei können beispielsweise Induktionsschleifen um den Kessel herumgeführt sein. Wahlweise kann dabei eine Vorrichtung vorgesehen sein, die die Zinkschmelze im Kessel bewegt, beispielsweise rührt, umwälzt oder umpumpt.
Die Verzinkungsschicht kann, wie erwähnt, eine oder mehrere Eisen-Zink-Phasen umfassen. Die Verzinkungsschicht kann eine ähnliche oder identische Zusammensetzung wie die Verzinkungsschmelze aufweisen bzw. deren Legierung entsprechen. Ferner kann die Verzinkungsschicht eine im Wesentlichen reine Zinkschicht umfassen, was insbesondere bei sehr dünnen Bauteilen vorkommen kann.
Es versteht sich, dass dem Tauchen der Eisenwerkstoffteile Schritte zur Oberflächenbehandlung oder zur sonstigen Vorbereitung der Eisenwerkstoffteile vorausgehen können. Dies kann zum Beispiel ein Anbringen und/oder Aufhängen an einem Träger und/oder einer Traverse, ein Einfüllen in einen Tauchbehälter, ein Beschicken einer Zuführanlage etc. umfassen. Zudem kann ein Schritt zum Entfetten der Eisenwerkstoffteile vorgesehen sein. Des Weiteren kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Eisenwerkstoffteile vor dem Tauchen in die Zinkschmelze gespült und/oder gebeizt werden. Sie können außerdem in ein Flussmittelbad getaucht werden. Der Begriff „getaucht“ umfasst auch in diesem Zusammenhang sowohl ein Hineinbewegen/Eintauchen und anschließendes Herausziehen als auch ein kontinuierliches Hindurchbewegen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Eisenwerkstoffteile vor dem Tauchen in die Zinkschmelze getrocknet werden, beispielsweise in einem Trockenofen. Auch ein Besprühen wäre denkbar, vorzugsweise solange die Bauteile keine Hohlkörper sind und/oder eine Schattenbildung im Wesentlichen ausgeschlossen ist. Die Vorbehandlung kann verschiedenen Spezifikationen entsprechen, so zum Beispiel der DASt-Richtline 022 oder Vorschriften durch die Endkunden wie zum Beispiel die DBL.
Ebenso wäre eine Vorbehandlung mit einer Strahlanlage und/oder Laserbehandlung denkbar. Auch andere Möglichkeiten zur Erzielung einer metallisch reinen Oberfläche wären erfindungsgemäß möglich.
Ferner versteht es sich, dass das Verfahren nach dem Tauchen weitere Schritte umfassen kann. Dies kann beispielsweise ein Herausbewegen, insbesondere ein Herausziehen oder Herausheben, der Eisenwerkstoffteile aus der Zinkschmelze betreffen. Dabei kann Zink von den Eisenwerkstoffteilen ablaufen. Zu beachten ist, dass die oben beschriebenen Prozesse, bei denen ein Eisenverlust vom Eisenwerkstoffteil in die Verzinkungsschicht sowie von der Verzinkungsschicht in die Zinkschmelze stattfinden, auch nach dem Herausbewegen der Eisenwerkstoffteile aus der Zinkschmelze noch ablaufen können, insbesondere solange sich noch Reste der eisenuntersättigten Zinkschmelze auf den Eisenwerkstoffteilen befinden. Dieser Vorgang kann auch von der Wärme abhängen, die in den Eisenwerkstoffteilen sowie etwaigen Trägern gespeichert ist und die Kühlrate der herausgenommenen Eisenwerkstoffteile beeinflusst. Der gespeicherte Wärmebetrag hängt zum Beispiel maßgeblich von der Materialstärke bzw. der Masse der Eisenwerkstoffteile und ggf. der Träger ab. Denkbar wäre es auch, dass Eisenwerkstoffteile vorrangig deshalb mitgetaucht werden, um die Wärmekapazität zu erhöhen und somit ein Durchwachsen der Schicht und das entsprechende vorherige Abfließen zu begünstigen.
Ferner kann nach oder während des Herausbewegens aus der Zinkschmelze ein Verfahrensschritt zur Entfernung von Resten der Zinkschmelze von den Eisenwerkstoffteilen vorgesehen sein. Dies kann etwa ein Abspülen, Abblasen, Rütteln, Bürsten etc. umfassen.
Generell kann auf das Herausbewegen der Eisenwerkstoffteile aus der Zinkschmelze ein Abkühlen der Eisenwerkstoffteile folgen, insbesondere ein Abkühlen an Luft und/oder durch Tauchen in ein Kühlbad, beispielsweise ein Wasserbad. Eine anschließende Nachbehandlung der Bauteile zur Erzielung zusätzlicher Oberflächeneigenschaften, wie unter Anderem das Chromatieren oder Passivieren, können ebenfalls Bestandteil sein. Alternativ zu einem Tauchvorgang wäre auch ein Bespritzen oder Bestreichen möglich.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich die eisenuntersättigte Zinkschmelze bezüglich ihrer Eisenkonzentration nicht im Gleichgewicht. In anderen Worten hat die eisenuntersättigte Zinkschmelze erfindungsgemäß die Tendenz, sich bei den Bedingungen, die während des Verfahrens herrschen, auf einen eisengesättigten Zustand zuzubewegen. Die Untersättigung kann ein transienter Zustand sein. Hierdurch kann mit hoher Zeiteffizienz gearbeitet werden, indem in kontrollierter Weise ausgenutzt wird, dass sich die Zinkschmelze ausreichend lange aber nicht dauerhaft im untersättigten Zustand befindet. Es kann ein zeitaufwändiges Abwarten vermieden werden, bis sich die Zinkschmelze vollständig ins Gleichgewicht bewegt. Stattdessen kann das Herstellen der Untersättigung mit einer Bewegung aus dem Gleichgewicht verbunden sein, und das Tauchen der Eisenwerkstoffteile kann unmittelbar und kurz nach Herstellen der Untersättigung erfolgen, ohne dass gewartet werden muss, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist.
Diese hohe Zeiteffizienz kann generell insbesondere dann erzielt werden, wenn die eisenuntersättigte Zinkschmelze lediglich vorübergehend eisenuntersättigt ist, sodass sich die Zinkschmelze nach dem Tauchen der Eisenwerkstoffteile in die eisenuntersättigte Zinkschmelze von selbst wieder in einen eisengesättigten Zustand oder zumindest auf einen eisengesättigten Zustand zubewegt, bzw. wenn diese die Tendenz hat, sich von selbst wieder in einen eisengesättigten Zustand oder zumindest auf einen eisengesättigten Zustand zuzubewegen. Anders ausgedrückt, kann die Untersättigung der Eisenkonzentration lediglich vorübergehend hergestellt werden, etwa für die Dauer des Tauchens der Eisenwerkstoffteile oder für einen Zeitraum, der höchstens 10-mal, höchstens 5-mal oder sogar höchsten 2-mal so groß ist wie die Tauchdauer. In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Untersättigung im Wesentlichen konstant gehalten wird, wobei dies ein aktives Einwirken auf die Zinkschmelze beinhalten kann, insbesondere um zu vermeiden, dass sich diese von selbst wieder auf den eisengesättigten Zustand zubewegt. Gleichzeitig kann dieser Zustand auch schnell zurückgenommen werden, da ohne zusätzliche Beheizung der Schmelze durch das Eintauchen von Material mit einer Temperatur, die niedriger ist als die der Schmelze, Energie entzogen wird und somit die Temperatur wieder schnell fällt. Somit kann der Zustand der Untersättigung schnell zurückgenommen werden.
Eine gewünschte Schichtdicke kann insbesondere dann zuverlässig eingestellt werden, wenn das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: Messen einer Schichtdicke der Verzinkungsschicht, die aufgrund des Tauchens in die eisenuntersättigte Zinkschmelze gebildet wurde; Vergleichen der gemessenen Schichtdicke mit einem Schwellenwert, insbesondere einem ersten Schwellenwert; und Vergrößern der Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze, sodass diese stärker eisenuntersättigt ist, falls die gemessene Schichtdicke diesen Schwellenwert überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen: Messen einer Schichtdicke der Verzinkungsschicht, die aufgrund des Tauchens in die eisenuntersättigte Zinkschmelze gebildet wurde; Vergleichen der gemessenen Schichtdicke mit einem Schwellenwert, insbesondere einem zweiten Schwellenwert; und Verringern der Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze, sodass diese weniger stark eisenuntersättigt ist, falls die gemessene Schichtdicke diesen Schwellenwert unterschreitet. Es können folglich auch zwei Schwellenwerte gewählt werden, ein oberer und ein unterer bzw. ein erster und ein zweiter Schwellenwert, die ein Sollintervall definieren können. Befindet sich die gemessene Schichtdicke außerhalb dieses Sollintervalls bzw. über- oder unterschreitet sie den entsprechenden Schwellenwert, kann die Untersättigung angepasst werden. Da die Schichtdicke wie erwähnt über die Untersättigung eingestellt werden kann und weitgehend von der Tauchdauer unabhängig ist, kann hierdurch auf Abweichungen von einer Sollschichtdicke im laufenden Betrieb reagiert werden. Somit wird erreicht, dass oftmals bereits bei einem nächsten Verzinkungszyklus eine Schichtdicke erzielt werden kann, die den gewünschten Spezifikationen genügt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat zudem den Vorteil, dass aufgrund der hohen Temperaturen der Zinkschmelze die Abhängigkeit von der Stahllegierung der Eisenwerkstoffteile sehr gering bzw. vernachlässigbar ist. Es können daher auch Patchwork-Bauteile kontrolliert und gleichmäßig beschichtet werden. Ferner können aus diesem Grund auch Zinkschmelzen verwendet werden, denen Fremdmetalle in nennenswertem Umfang beigesetzt sind, wie beispielsweise Zinn, Nickel oder Aluminium.
Gemäß Weiterbildungen der Erfindung umfasst das Verfahren mehrere Verzinkungsvorgänge, die zeitlich nacheinander durchgeführt werden. Dabei kann nach einer Verzinkung in der eisenuntersättigten Zinkschmelze, bei der beispielsweise dünne Verzinkungsschichten gefertigt werden, ein erneutes oder erstmaliges Sättigen der Eisenkonzentration der Zinkschmelze erfolgen. Anschließend kann ein weiterer Verzinkungsvorgang in der eisengesättigten Zinkschmelze durchgeführt werden, etwa mit anderen Eisenwerkstoffteilen, die mit einer vergleichsweise dickeren Verzinkungsschicht beschichtet werden sollen. Nach dem Herstellen der Untersättigung kann in anderen Worten gezielt die Zinkschmelze wieder in ihren Gleichgewichtszustand gebracht werden, der eine Eisensättigung der Zinkschmelze umfassen kann.
Generell kann das Verfahren ferner ein, insbesondere erneutes, Sättigen der Eisenkonzentration der Zinkschmelze umfassen, sodass diese erneut oder erstmals eisengesättigt ist. Das Verfahren kann außerdem ein Tauchen weiterer Eisenwerkstoffteile in die nunmehr eisengesättigte Zinkschmelze umfassen, wobei eine Verzinkungsschicht auf den weiteren Eisenwerkstoffteilen gebildet wird. Ferner kann das Verfahren ein Herstellen einer Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze umfassen, sodass diese erneut eisenuntersättigt ist. Das Verfahren kann zudem ein Tauchen nochmals weiterer Eisenwerkstoffteile in die nunmehr erneut eisenuntersättigte Zinkschmelze umfassen, wobei eine Verzinkungsschicht auf den nochmals weiteren Eisenwerkstoffteilen gebildet wird. Es können also erfindungsgemäß mehrere Verzinkungszyklen durchlaufen werden. Es versteht sich außerdem, dass mehrere Verzinkungszyklen hintereinander in der eisenuntersättigten Zinkschmelze und/oder mehrere Verzinkungszyklen hintereinander in der eisengesättigten Zinkschmelze durchgeführt werden können.
In vielen Fällen kann es zweckmäßig sein, im Produktionsplan die Verzinkungen nach ihren Schichtdickenforderungen zusammenzustellen, so dass man relativ wenige Temperatursprünge benötigt und so vergleichweise kontinuierlich verzinken kann. Da Bauteile und Stahlsorten/Eisenwerkstoffe inkl. ihrer Dickenverhältnisse sich in ihrem Verzinkungsverhalten geringfügig unterscheiden können, können diese dementsprechend eingeplant werden, um mit den geringsten Veränderungen die jeweiligen Schichtdickenvorgaben zu erzielen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zwischen einigen oder allen der erwähnten Schritte die Temperatur der Zinkschmelze gesenkt wird. Die Temperatur kann dabei auf einen Wert gesenkt werden, bei dem Eisen und/oder Hartzink ausfällt. Ausgefallene Produkte können aus der Zinkschmelze entnommen werden, ehe der nächste Verzinkungszyklus gestartet wird bzw. ehe die Temperatur der Zinkschmelze wieder erhöht wird.
Eine Untersättigung kann insbesondere dann gezielt zu einem gewünschten Grad eingestellt werden, wenn das Herstellen der Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze eine Verringerung der Eisenkonzentration beinhaltet. Das Herstellen der Untersättigung kann grundsätzlich durch gezieltes Zugeben von Zink erfolgen. Indem der Zinkschmelze zusätzliches Zink zugegeben wird, vergrößert sich der Anteil an Zink, wohingegen sich die Anteile anderer Stoffe, insbesondere der Anteil des Eisens, verringern. Das gezielte Zugeben von Zink kann mit einer Entnahme von Zinkschmelze und/oder einer Entnahme von Hartzink einhergehen, sodass deren Gesamtmasse im Wesentlichen unverändert bleibt. Der Eisengehalt kann somit verringert werden, ohne dass sich Masse und Volumen der Zinkschmelze und somit der Füllstand des Kessels nennenswert ändern. Alternativ oder zusätzlich kann ein gezieltes Entziehen von Eisen vorgesehen sein, wodurch die Eisenkonzentration ebenfalls gesenkt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Verringerung der Eisenkonzentration zumindest eine Eisenbindevorrichtung mit der Zinkschmelze in Kontakt gebracht, die selektiv Eisen aus der Zinkschmelze bindet. Die Eisenbindevorrichtung kann am und/oder im Kessel ausgebildet sein. Die Eisenbindevorrichtung kann in die Zinkschmelze bewegbar und aus der Zinkschmelze entfernbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Eisenbindevorrichtung von der Zinkschmelze durchströmbar sein. Beispielsweise kann zum Herstellen der Untersättigung ein Zugang zur Eisenbindevorrichtung selektiv öffenbar sein, durch den die Zinkschmelze in die Eisenbindevorrichtung eindringen kann. Bevorzugt weist die Eisenbindevorrichtung zumindest eine eisenbindende Einheit auf, deren Oberfläche selektiv Eisen aus der Zinkschmelze bindet. Die eisenbindende Einheit kann eine strukturierte, insbesondere mikrostrukturierte, Oberfläche aufweisen. Somit kann eine große Oberfläche auf vergleichsweise kleinem Raum bereitgestellt werden, wodurch Eisen wirksam aus der Zinkschmelze entfernbar ist. Die eisenbindende Einheit kann nach Art eines Filters und/oder nach Art einer Membran ausgebildet sein. Die eisenbindende Einheit kann dazu eingerichtet sein, Eisen elektrochemisch und/oder chemisch zu binden. Beispielsweise kann die eisenbindende Einheit ein Material umfassen, das eisendefizitär ist, etwa einen Kristall mit entsprechenden Fehlstellen. Kommt dieses Material in Kontakt mit dem Eisen aus der Zinkschmelze, kann Eisen in das Material selektiv eingelagert werden. Im Ergebnis verringert sich die Eisenkonzentration der Zinkschmelze, wodurch diese in einen untersättigten Zustand übergeht.
Die Schichtdicke der Verzinkungsschicht kann einfach eingestellt und die Notwendigkeit für Eingriffe in die Zusammensetzung der Zinkschmelze kann vermieden werden, wenn beim Herstellen der Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze die Eisenkonzentration im Wesentlichen konstant ist. Dies kann bedeuten, dass sich die Eisenkonzentration um höchsten 10 %, insbesondere um höchstens 5 %, vorzugsweise um höchstens 1 % und besonders bevorzugt um höchsten 0,5 % ändert, bezogen auf die Eisenkonzentration vor dem Herstellen der Untersättigung bzw. während oder nach dem Schritt des Sättigens der Eisenkonzentration.
Es kann vorgesehen sein, dass beim Herstellen der Untersättigung der Eisenkonzentration eine Eisensättigungskonzentration der Zinkschmelze geändert wird. Hierdurch kann insbesondere bei im Wesentlichen konstanter Eisenkonzentration dennoch eine Untersättigung erzeugt werden. Es ist dann nicht zwingend erforderlich, die Zusammensetzung der Zinkschmelze zu ändern, um diese in einen eisenuntersättigten Zustand zu versetzen. Das Ändern der Eisensättigungskonzentration umfasst insbesondere ein Erhöhen der Eisensättigungskonzentration. Hierdurch liegt nach dem Ändern der Eisensättigungskonzentration die Eisenkonzentration der Zinkschmelze unterhalb der neuen Eisensättigungskonzentration, die Zinkschmelze ist also eisenuntersättigt.
Ein zuverlässig steuerbarer und/oder einfach handhabbarer Ansatz, um die Untersättigung der Eisenkonzentration herzustellen, kann ein Erhöhen einer Temperatur der Zinkschmelze umfassen. Indem die Temperatur gezielt erhöht wird, kann die Eisensättigungskonzentration heraufgesetzt werden. Die vor dem Herstellen der Untersättigung vorliegende Eisenkonzentration ist dann geringer als die neue Eisensättigungskonzentration. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Erhöhen der Temperatur innerhalb einer Zeitdauer erfolgt, die geringer ist als die Zeitdauer, die die Zinkschmelze benötigt, um sich von selbst wieder in einen eisengesättigten Zustand bezüglich der heraufgesetzten Eisensättigungskonzentration zu bewegen.Wie oben erläutert wurde, kann Eisenverlust der Eisenwerkstoffteile, der Träger, angefallenen Hartzinks, das sich in der Zinkschmelze abgesetzt hat, etc. dazu führen, dass die Eisenkonzentration der Zinkschmelze von selbst ansteigt, sobald diese eisenuntersättigt ist. Indem die Rate der Verschiebung der Eisensättigungskonzentration größer gewählt wird als die Rate der Erhöhung der Eisenkonzentration, kann zumindest vorübergehend eine eisenuntersättigte Zinkschmelze erhalten werden.
In anderen Worten kann das Erhöhen der Temperatur der Zinkschmelze schneller erfolgen als eine Nachsättigung der Zinkschmelze mit Eisen im Nachgang des Erhöhens der Temperatur, sodass die Eisenkonzentration aufgrund des Erhöhens der Temperatur zumindest vorübergehend von einer Eisensättigungskonzentration der Zinkschmelze mit erhöhter Temperatur abweicht.
Das Erhöhen der Temperatur der Zinkschmelzen kann stufenweise erfolgen. Insbesondere können nacheinander mehrere unterschiedliche Zieltemperaturen der Zinkschmelze eingestellt werden. Bei mehreren unterschiedlichen Zieltemperaturen der Zinkschmelze können jeweils Eisenwerkstoffteile in die Zinkschmelze getaucht werden, um eine Verzinkungsschicht auf diesen zu bilden. Hierdurch können in zeit- und kosteneffizienter Weise mehrere Verzinkungszyklen durchlaufen werden, wobei mehrfach in einer eisenuntersättigten Zinkschmelze beschichtet werden kann. Durch die stufenweise Erhöhung kann wiederholt die Zinkschmelze bezüglich ihrer Eisenkonzentration aus dem Gleichgewicht gebracht werden, indem ein Abstand zwischen der Eisenkonzentration und der Eisensättigungskonzentration erzeugt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur auch kontinuierlich erhöht werden, wodurch beispielsweise gezielt der Abstand zwischen Eisenkonzentration und Eisensättigungskonzentration im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Beispielsweise kann zunächst sprunghaft die Temperatur um einige K erhöht werden, um eine bestimmte Eisenuntersättigung zu erzeugen. Hierdurch kann ein erster stufenartiger Temperaturanstieg definiert sein. Im Anschluss kann die Temperatur in kleineren Stufen und/oder kontinuierlich weiter erhöht werden, um die Eisensättigungskonzentration gleichlaufend mit einer ansteigenden Eisenkonzentration anzuheben. Dieses gleichlaufende Anheben kann insbesondere umfassen, dass der Abstand zwischen Eisenkonzentration und Eisensättigungskonzentration im Wesentlichen konstant bleibt.
Bedarfsweise kann die Temperatur der Zinkschmelze vorübergehend verringert werden. Hierbei kann es zum Ausfall des Eisens kommen, weil sich die Eisensättigungskonzentration aufgrund der Temperaturerniedrigung verringert. Die Eisenkonzentration liegt dann oberhalb der Eisensättigungskonzentration, was den Ausfall des Eisens nach sich ziehen kann. In diesem Fall kann Hartzink gebildet werden, das sich am Boden des Kessels bzw. unten in der Zinkschmelze absetzen kann. Verantwortlich hierfür ist das höhere spezifische Gewicht des Hartzinks. Bedarfsweise kann das Hartzink aus der Zinkschmelze entfernt werden. Hierdurch kann Eisen aus dem System entfernt werden, das andernfalls nach dem Untersättigen der Zinkschmelze zur Erhöhung der Eisenkonzentration beitragen könnte, weil Eisen aus dem Hartzink in die untersättigte Zinkschmelze gelangen würde.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Erhöhen der Temperatur der Zinkschmelze eine Temperaturänderung von wenigsten 3 K, insbesondere von wenigstens 4 K und optional von wenigstens 5 K und/oder eine Temperaturänderung von höchstens 15 K, insbesondere von höchstens 10 K und optional von höchstens 7 K. Es können auch größere und/oder kleinere Temperaturänderungen verwendet werden. Generell sind solche Temperaturänderungen erfindungsgemäß möglich, die zur temporären Erzeugung einer Untersättigung zweckmäßig sind. Je nach erwartetem Anstieg der Eisenkonzentration in der untersättigten Zinkschmelze, der beispielsweise von der Gesamtmasse von eisenhaltigen Teilen/Produkten/Materialien im Kontakt mit der Zinkschmelze abhängt, können andere Temperaturänderungen zweckdienlich sein, wobei für raschere erwartete Anstiege größere und/oder schneller herbeigeführte Temperaturänderungen vorteilhaft sein können.
Verzinkungsschichten von hoher Qualität können insbesondere dann wirtschaftlich gefertigt werden, wenn die Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze derart eingestellt wird, dass eine resultierende Schichtdicke der beim Tauchen der Eisenwerkstoffteile in die eisenuntersättigte Zinkschmelze gebildeten Verzinkungsschicht zumindest für Gesamttauchdauern, die zwischen einer Mindestdauer und einer Höchstdauer liegen, im Wesentlichen unabhängig von der Gesamttauchdauern ist, wobei die Mindestdauer und die Höchstdauer jeweils in der Größenordnung von Minuten liegen und sich in der Größenordnung von Minuten voneinander unterscheiden. Als Gesamttauchdauer kann dabei eine Zeitdauer betrachtet werden zwischen einem ersten Berühren der Zinkschmelze durch ein die Zinkschmelze zuerst berührendes Eisenwerkstoffteil und einem letzten Berühren der Zinkschmelze durch ein die Zinkschmelze zuletzt berührendes Eisenwerkstoffteil. Diese Angaben beziehen sich insbesondere auf die Zinkschmelze im Kessel und nicht auf Reste der Zinkschmelze, die nach einem Herausnehmen der Eisenwerkstoffteile aus der Zinkschmelze noch an den Eisenwerkstoffteilen verbleiben können. Ein minimaler Wert für die Mindestdauer kann durch eine Zeit definiert sein, die die Angleichung der Temperatur der Eisenwerkstoffteile an die Temperatur der Zinkschmelze in Anspruch nimmt. Die Mindestdauer kann auch größer als diese Zeit gewählt sein, um zu gewährleisten, dass der Beschichtungsprozess stabil abläuft. Etwa für kleine oder dünne Eisenwerkstoffteile wie Bleche kann die Temperaturangleichung bereits nach Sekunden abgeschlossen sein. Die Mindestdauer kann ferner von der Dauer beeinflusst sein, die das Tauchen und ggf. Herausziehen der Eisenwerkstoffteile in die Zinkschmelze in Anspruch nehmen. Zweckmäßigerweise wird eine Mindestdauer von wenigstens 1 Minute, in einigen Ausführungsformen von wenigstens 2 Minuten, in weiteren Ausführungsformen von wenigstens 3 Minuten oder auch von wenigstens 5 Minuten gewählt. Zweckmäßigerweise wird eine Höchstdauer von höchstens 2 Minuten, in einigen Ausführungsformen von höchstens 3 Minuten, in weiteren Ausführungsformen von höchstens 5 Minuten oder auch von höchstens 10 Minuten gewählt. Die Höchstdauer kann aufgrund der allenfalls geringen Abhängigkeit der Schichtdicke der Verzinkungsschicht von der Gesamttauchzeit vergleichsweise gering gewählt werden. Wie oben erwähnt wurde, wird für große Gesamttauchzeiten in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen lediglich mehr Eisen aus den Eisenwerkstoffteilen in die Zinkschmelze austreten, ohne dass die Schichtdicke der Verzinkungsschicht nennenswert beeinflusst würde. Zweckmäßigerweise wird eine Höchstdauer von wenigstens 3 Minuten, in einigen Ausführungsformen von wenigstens 5 Minuten, in weiteren Ausführungsformen von wenigstens 10 Minuten oder auch von wenigstens 15 Minuten gewählt. Zweckmäßigerweise wird eine Höchstdauer von höchstens 5 Minuten, in einigen Ausführungsformen von höchstens 10 Minuten, in weiteren Ausführungsformen von höchstens 15 Minuten oder auch von höchstens 30 Minuten gewählt. Erfindungsgemäß können aber auch noch kleinere Mindestdauern, etwa im Sekundenbereich, und/oder noch größere Höchstdauern, etwa im Bereich von einer oder mehreren Stunden, gewählt werden.
Wie oben erläutert wurde, können die Prozesse, die zur Bildung der Verzinkungsschicht führen, auch nach dem Herausnehmen der Eisenwerkstoffteile aus der Zinkschmelze weiter ablaufen, solange sich noch flüssiges Zink auf den Eisenwerkstoffteilen befindet. Zudem kann es aufgrund der nach dem Tauchen zunächst erforderlichen Temperaturangleichung vorkommen, dass diese Prozesse zu Beginn des Tauchens noch nicht oder noch nicht mit ihren endgültigen Raten ablaufen. Die Gesamttauchdauer kann entsprechend von der Gesamtdauer abweichen, in der diese Prozesse ablaufen.
Eine Schichtdicke der Verzinkungsschicht, die beim Tauchen der Eisenwerkstoffteile in die eisenuntersättige Zinkschmelze gebildet wird, beträgt in einigen Ausführungsformen höchstens 200 µm, höchsten 150 µm oder höchstens 100 µm, kann aber auch höchstens 80 µm oder sogar höchstens 60 µm betragen. Die Schichtdicke kann mindestens 300 µm, mindestens 50 µm, mindestens 80µm oder mindestens 120 µm betragen. Die angegebenen Schichtdicken können sich auf ebenen und/oder gleichmäßige Flächen der Eisenwerkstoffteile beziehen, auf denen die Schichtdicke im Wesentlichen frei von Akkumulationseffekten aufgrund einer Geometrie der Eisenwerkstoffteile ist. Es versteht sich, dass aufgrund solcher Akkumulationseffekte, beispielsweise an innenliegenden Kanten, in kleinen Vertiefungen etc., punktuell womöglich auch größere Schichtdicken auftreten. Auch führt eine Erhöhung der Oberlächenrauheit zu einer dickeren Zinkschicht, wie auch umgekehrt eine sehr glatte Oberfläche zu einer Verringerung der Schichtdicke führt. Dies liegt an der Größe der reaktiven Oberfläche, von der die Bildung der Eisen-Zink-Phasen startet.
Die Erfindung betrifft auch eine Verzinkungsanlage, umfassend einen Kessel, der dazu eingerichtet ist, eine Zinkschmelze, insbesondere eine Hochtemperaturschmelze, aufzunehmen, sowie eine Heizvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, dem Kessel eine zum Erzeugen und Aufrechterhalten der Zinkschmelze erforderliche Wärmemenge zuzuführen, wobei der Kessel und die Heizvorrichtung speziell dazu eingerichtet sind, mit ihnen ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Die Verzinkungsanlage kann eine Tauchvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, Eisenwerkstoffteile in den Kessel zu tauchen. Die Tauchvorrichtung kann eine Halteeinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, die Eisenwerkstoffteile für das Tauchen an ihr anzubringen. Dies kann beispielsweise ein Aufhängen und/oder ein Anbinden und/oder ein Befestigen mit Draht oder dergleichen umfassen. Die Tauchvorrichtung und insbesondere die Halteeinheit kann zumindest einen Träger und/oder zumindest eine Traverse umfassen. Die Tauchvorrichtung kann über einen Antrieb verfügen, mittels dessen eine für das Tauchen erforderliche Bewegung der Eisenwerkstoffteile zumindest teilautomatisiert erzeugbar ist. Beispielsweise kann der Antrieb dazu eingerichtet sein, die Halteeinheit und/oder den zumindest einen Träger und/oder die zumindest eine Traverse in den Kessel hinein und/oder aus diesem heraus zu bewegen, etwa senkrecht zu einer Oberfläche der Zinkschmelze. Hierunter sollen auch Vorgänge zu verstehen sein, bei denen Bauteile in die Zinkschmelze gedrückt werden, wie beispielsweise oben offene Hohlkörper, die lediglich an ihrer Außenseite verzinkt werden sollen. Beispielsweise kommt dies im Fall von Wärmetauschern vor.
Die Heizvorrichtung kann eine induktive Heizvorrichtung sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizvorrichtung zumindest einen Gasbrenner, zumindest einen Brennstab, zumindest ein resistives Heizelement oder dergleichen umfassen. Die Heizvorrichtung kann teilautomatisiert oder automatisiert ansteuerbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Verzinkungsanlage eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, Komponenten der Verzinkungsanlage zur zumindest teilautomatisierten oder automatisierten Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens anzusteuern. Insbesondere kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Temperatur der Zinkschmelze zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuereinheit kann über zumindest einen Prozessor sowie über ein computerlesbares Medium verfügen, auf dem ein Programmcode gespeichert ist, der zumindest eine Funktion der Steuereinheit festlegt. In der Steuereinheit kann beispielsweise zumindest ein Temperaturprogramm hinterlegt sein, das einen bestimmten Zeitverlauf einer Solltemperatur für die Zinkschmelze umfasst. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Heizvorrichtung anzusteuern. Ein Temperaturverlauf gemäß dem Temperaturprogramm kann etwa von der Heizvorrichtung abfahrbar sein. Ferner kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, eine Steuerung und/oder Regelung der Schichtdicke auf der Grundlage zumindest einer Schichtdickenmessung durchzuführen. Eine gemessene Schichtdicke kann nach einer manuellen Messung von einem Benutzer eingebbar sein, beispielsweise über eine Benutzerschnittstelle. Auch eine automatisierte Messung kann erfindungsgemäß vorgesehen sein. Die Steuereinheit kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von einer tatsächlichen Schichtdicke und einer Sollschichtdicke das Temperaturprogramm anzupassen, etwa um im Fall einer zu großen Schichtdicke eine stärkere Untersättigung einzustellen, um im Fall einer zu geringen Schichtdicke eine geringere Untersättigung einzustellen, oder um eine Tauchdauer zu vergrößern oder zu verkleinern. Grundsätzlich ist erfindungsgemäß auch eine Steuereinheit auf Relais möglich.
Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit der beschriebenen Art.
Außerdem kann die Erfindung ein computerlesbares Medium umfassen, auf dem Programmcode gespeichert ist, der dazu eingerichtet ist, dann, wenn er von einem Computer ausgeführt wird, eine zumindest teilautomatisierte Durchführung wenigstens eines der beschriebenen Verfahrensschritte zu bewirken, insbesondere durch Ansteuern entsprechender Komponenten der erfindungsgemäßen Verzinkungsanlage.
Die Erfindung umfasst außerdem auch einen solchen Programmcode.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren beispielhaft beschrieben. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und im Rahmen der Ansprüche sinnvoll in Kombination verwenden. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Verzinkungsanlage;
2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines verzinkten Eisenwerkstoffteils;
3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Hochtemperaturverzinken von Eisenwerkstoffteilen;
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Verzinkungsanlage;
5 ein schematisches Ablaufdiagramm eines alternativen Verfahrens zum Hochtemperaturverzinken von Eisenwerkstoffteilen;
6 ein schematisches Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einer Temperatur einer Zinkschmelze und einer Eisensättigungskonzentration der Zinkschmelze veranschaulicht;
7 ein schematisches Diagramm, das einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur einer Zinkschmelze während des Verfahrens veranschaulicht;
8 ein schematisches Diagramm, das einen zeitlichen Verlauf eines Eisenentsättigungsgrads während des Verfahrens veranschaulicht;
9 ein schematisches Ablaufdiagramm, das das Vorgehen bei einer Schichtdickenmessung illustriert;
10 ein schematisches Diagramm, das einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur einer Zinkschmelze während eines größeren Zeitraums des Verfahrens veranschaulicht;
11 ein schematisches Diagramm, das einen zeitlichen Verlauf eines Eisenentsättigungsgrads während des eines größeren Zeitraums des Verfahrens veranschaulicht;
12 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Verzinkungsanlage; und
13 eine schematische Darstellung einer Steuereinheit für eine Verzinkungsanlag.

In 1 ist eine Verzinkungsanlage 20 dargestellt. Diese umfasst einen keramischen Kessel 18, der dazu eingerichtet ist, eine Zinkschmelze 12 aufzunehmen. Die Verzinkungsanlage 20 ist dazu eingerichtet, eine Hochtemperaturverzinkung durchzuführen.
Die Verzinkungsanlage 20 umfasst eine Tauchvorrichtung 28, mit einer Halteeinheit 30, an der zu verzinkende Eisenwerkstoffteile 10 befestigt sind. Die Halteeinheit 30 verfügt im dargestellten Fall über mehrere Träger, an denen die Eisenwerkstoffteile 10 aufgehängt sind. Die Tauchvorrichtung 28 ist dazu eingerichtet, die Halteeinheit 30 abzusenken und anzuheben, wodurch die Eisenwerkstoffteile 10 zum Verzinken in die Zinkschmelze 12 tauchbar und aus dieser wieder entnehmbar sind.
Die Verzinkungsanlage 20 umfasst ferner eine Heizvorrichtung 22, die lediglich schematisch dargestellt ist. In der beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 umfasst die Heizvorrichtung 22 einen oder mehrere Gasbrenner, die auf eine Oberfläche der Zinkschmelze 12 gerichtet sind. Mittels dieser Gasbrenner ist der Zinkschmelze 12 Wärme zuführbar.
Die Zinkschmelze 12 ist eine Hochtemperaturzinkschmelze und weist im Betrieb eine Temperatur von beispielsweise 580°C auf. Die Temperatur ist im dargestellten Fall einstellbar, indem die Heizvorrichtung 22 geeignet angesteuert wird. Bedarfsweise kann die Temperatur der Zinkschmelze 12 geändert werden.
Generell kann in Ausführungsformen der Erfindung eine Zinkschmelze mit einem Zinkanteil von wenigstens 90 %, in manchen Fällen von wenigstens 95 % oder auch von wenigstens 98 % verwendet werden. Die Zinkschmelze kann in Übereinstimmung mit der DIN EN ISO 1461, DASt 022 oder auch spezifischen Anforderungen von Kunden und/oder Verbänden stehen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Eisenwerkstoffteils 10, das bereits verzinkt wurde. Auf dem Eisenwerkstoffteil 10 ist eine Verzinkungsschicht 14 vorhanden, die während des Verzinkens in der Zinkschmelze 12 gebildet wurde. An der Stelle, die mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet ist, weist die Verzinkungsschicht 14 eine Schichtdicke von etwa 50µm auf, wobei dieser Wert rein exemplarisch zu verstehen ist. Je nach Eisenwerkstoffteil, erwarteten Anforderungen, kundenspezifischen Wünschen etc. können andere Schichtdicken gewählt werden.
Die Schichtdicke der Verzinkungsschicht 16 ist aufgrund des günstigen Ablaufverhaltens des Zinks beim Hochtemperaturverzinken sehr homogen und es treten allenfalls geringfügige Akkumulationseffekte an innenliegenden Kanten, Vertiefungen, in Gewinden etc. auf. Die angegebene Schichtdicke ist somit als allgemeine Schichtdicke der Verzinkungsschicht 14 zu verstehen, bezieht sich im dargestellten Fall aber dennoch auf eine ebene und/oder gleichmäßige Fläche des Eisenwerkstoffteils 10, auf der die Schichtdicke im Wesentlichen frei von derartigen Akkumulationseffekten ist. Lediglich in „Töpfen““ oder an größeren Unebenheiten, wie zum Beispiel nicht eingeebneten Schweißnähten oder Graten aus vorherigen Bearbeitungsschritten, ist das Zink in seinem Ablauf beschränkt und es können sich entsprechende Zinkschichtdickenabweichungen ergeben.
3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Hochtemperaturverzinken der Eisenwerkstoffteile 10. Das Verfahren kann mittels der Verzinkungsanlage 20 durchgeführt werden.
In einem ersten Schritt S1 wird die Zinkschmelze 12 erzeugt. Hierfür werden Zink sowie bedarfsweise Additive geschmolzen. In einem zweiten Schritt S2 wird die Eisenkonzentration der Zinkschmelze 12 gesättigt, sodass diese eisengesättigt ist. Hierfür wird bedarfsweise reines Eisen oder eisenhaltiges Zink in die Zinkschmelze 12 gegeben. Dies kann beispielsweise erfolgen, bis ein Ausfallen von Hartzink einsetzt bzw. das zugegebene Eisen nicht länger in die Zinkschmelze wandert. Zu beachten ist dabei, dass der Schmelzpunkt von Eisen um mehr als 1.000 K über dem von Zink liegt, Eisen also nur bis zu seiner Sättigungskonzentration in die Zinkschmelze gelangt, sich aber keine flüssige Legierung bildet, wie dies der Fall sein kann für Legierungen, deren Temperatur die Schmelzpunkte aller Bestandteile überschreitet, sofern sich nicht aufgrund abweichender Dichten die unterschiedlichen Metalle trennen.
Anschließend wird in einem Schritt S3 eine Untersättigung der Eisenkonzentration hergestellt, sodass die Zinkschmelze 12 eisenuntersättigt ist. In der Ausführungsform gemäß 1 weist die Verzinkungsanlage 20 eine Eisenbindevorrichtung 16 auf, die zu diesem Zweck wahlweise mit der Zinkschmelze in Kontakt gebracht wird. Die Eisenbindevorrichtung 16 umfasst eine eisenbindende Einheit 32. Diese kann beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet sein, dessen Innenraum wahlweise mit der Zinkschmelze 12 in Kontakt gebracht werden kann, beispielsweise durch motorisches Anheben von einer Wandung und/oder einem Boden des Kessels 18. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass Zinkschmelze 12 durch die Eisenbindevorrichtung 16 geleitet und/oder gepumpt wird und hierdurch mit der eisenbindenden Einheit 32 in Kontakt kommt.
Die eisenbindende Einheit 32 weist ein eisenbindendes Material auf, das eine große Oberfläche ausbildet. In 1 ist dies lediglich schematisch angedeutet. Vorzugsweise ist das eisenbindende Material strukturiert, insbesondere mikrostrukturiert, und weist hierdurch eine stark vergrößerte Oberfläche auf, an der sich entsprechend große Mengen von Eisen anlagern können.
Indem die Eisenbindevorrichtung 16 mit der Zinkschmelze 12 in Kontakt gebracht wird, wird der Zinkschmelze 12 Eisen entnommen und so die Eisenkonzentration der Zinkschmelze gesenkt. Die Eisenkonzentration ist dann geringer als die Eisensättigungskonzentration, von der ausgehend der Schritt S3 eingeleitet wird. Die Zinkschmelze 12 ist somit eisenuntersättigt.
Der Grad der Untersättigung ist einstellbar, indem der Kontakt der Zinkschmelze zur Eisenbindevorrichtung 16 gesteuert wird. Hierfür kann eine Kontaktdauer, eine Durchflussmenge, eine in Kontakt gebrachte Oberfläche der eisenbindenden Einheit 32 oder dergleichen variiert werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 umfasst das Verfahren ferner einen Schritt S4, in dem die Eisenwerkstoffteile 10 in die eisenuntersättigte Zinkschmelze 12 getaucht werden, wobei eine Verzinkungsschicht 14 (vgl. 2) an den Eisenwerkstoffteilen 10 gebildet wird.
Die Bildung der Verzinkungsschicht ist dabei durch die oben erläuterten zwei Prozesse bestimmt: den Eisenverlust vom entsprechenden Eisenwerkstoffteil 10 in dessen aufwachsende Verzinkungsschicht 14 sowie den Eisenverlust aus der aufwachsenden Verzinkungsschicht 14 in die Zinkschmelze 12. Je nach gewählter Untersättigung können diese Prozesse mit im Wesentlichen gleicher Rate ablaufen, wodurch die erhaltene Schichtdicke weitgehend unabhängig von der Tauchdauer der Eisenwerkstoffteile 10 wird.
Optional umfasst das Verfahren Vorbehandlungsschritte, die vor dem Tauchen der Eisenwerkstoffteile 10 durchgeführt werden. Dies kann ggf. parallel zu den Schritten S2 und S3 erfolgen.
Ferner umfasst das Verfahren optional einen weiteren Schritt, in dem die Eisenwerkstoffteile 10 nach einer vorgegebenen Tauchdauer wieder aus der Zinkschmelze 12 herausgenommen werden. Die verzinkten Eisenwerkstoffteile 10 können nach dem Tauchen abgekühlt werden. Auch kann ein Chromatieren und/oder Passivieren vorgesehen sein. Außerdem können verschiedene Nachbehandlungsschritte vorgesehen sein, beispielsweise zum Abnehmen der Eisenwerkstoffteile 10 von der Halteeinheit 30 und/oder zum Polieren und/oder Schleifen der verzinkten Eisenwerkstoffteile 10.
In 4 ist eine alternative Verzinkungsanlage 20' dargestellt. Analog zur Verzinkungsanlage 20 gemäß 1 weist die alternative Verzinkungsanlage 20' einen keramischen Kessel 18' auf, der eine Zinkschmelze 12' aufnimmt. Ferner ist eine Tauchvorrichtung 28' vorhanden, an der zu verzinkende Eisenwerkstoffteile 10' befestigt sind. Diesbezüglich wird auf die Beschreibung der Tauchvorrichtung 28 in 1 verwiesen.
Die alternative Verzinkungsanlage 20' weist eine induktive Heizvorrichtung 22' auf. Im dargestellten Fall ist die Heizvorrichtung 22' seitlich am Kessel 18 angebracht und von der Zinkschmelze 12 durchströmbar. Wärme wird der Zinkschmelze 12 somit innerhalb der Heizvorrichtung 22' induktiv zugeführt. Durch das verwendete induktive Heizen kann eine sehr homogene Temperaturverteilung in der Zinkschmelze 12 erzielt werden.
Die alternative Verzinkungsanlage 20' weist ferner eine Temperaturmesseinheit 35' auf. Die Temperaturmesseinheit 35' kann ein oder mehrere Thermoelemente umfassen und/oder als solche ausgebildet sein, ebenso wie eine andere Art geeigneter Temperaturfühler. Die Temperaturmesseinheit 35' kann ein Schutzgehäuse für die Thermoelemente und/oder Temperaturfühler umfassen, die vorzugsweise kontinuierlich ein Signal an eine Steuereinheit der Verzinkungsanlage 20' senden (vgl. 13). In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Temperaturmesseinheit 35' zweckmäßigerweise wenigstens zwei Thermoelemente, damit sich diese gegenseitig überwachen können und bei entsprechenden Abweichungen einen Alarm ausgelöst bzw. die Beheizung gestoppt werden können. Gleiches gilt beim Erreichen festgelegter Prozessgrenzen.
Es versteht sich, dass auch in der Ausführungsform nach 1 eine entsprechende Temperaturmesseinheit vorgesehen sein kann.
5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines alternativen Verfahrens zum Hochtemperaturverzinken von Eisenwerkstoffteilen 10'. Dieses Verfahren kann mittels der alternativen Verzinkungsanlage 20' durchgeführt werden.
Ähnlich wie das oben beschriebene Verfahren umfasst auch das alternative Verfahren einen Schritt S1', in dem die Zinkschmelze 12' erzeugt wird, einen Schritt S2', in dem die Eisenkonzentration der Zinkschmelze gesättigt wird, einen Schritt S3', in dem eine Eisenuntersättigung hergestellt wird, und einen Schritt S4', in dem die Eisenwerkstoffteile 10' in die eisenuntersättigte Zinkschmelze 12' getaucht werden, wobei eine Verzinkungsschicht auf den Eisenwerkstoffteilen 10' gebildet wird.
Unterschiede zum oben beschriebenen Verfahren bestehen aber bezüglich der Art und Weise, wie die Untersättigung im Schritt S3 hergestellt wird. Dies wird anhand der folgenden Beschreibung ersichtlich, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass nicht die reine Erwähnung eines Sachverhalts bedeutet, dass sich dieser vom obigen Verfahren unterscheiden muss.
Gemäß dem alternativen Verfahren befindet sich die eisenuntersättigte Zinkschmelze 12' bezüglich ihrer Eisenkonzentration nicht im Gleichgewicht. Stattdessen ist sie lediglich vorübergehend eisenuntersättigt. Dies wird im vorliegenden Fall über die Temperatur der Zinkschmelze 12' gesteuert.
Zum besseren Verständnis ist zunächst in 6 der Zusammenhang zwischen einer Temperatur einer Zinkschmelze und deren Eisensättigungskonzentration schematisch dargestellt. Auf konkrete Zahlenwerte kommt es dabei für das grundsätzliche Prinzip nicht an, weshalb die Achsen des Diagramms ohne Einheiten dargestellt sind. Entscheidend ist, dass mit zunehmender Temperatur auch die Eisensättigungskonzentration zunimmt. Je heißer die Zinkschmelze, umso mehr Eisen kann sie folglich aufnehmen.
Zur Erläuterung wird nachfolgend auf 7 und 8 Bezug genommen. Die Zeitachsen der beiden darin gezeigten schematischen Diagramme entsprechen einander.
Gemäß dem alternativen Verfahren wird die Temperatur der eisengesättigten Zinkschmelze 12' vergleichsweise sprunghaft erhöht. Dies entspricht der ersten steilen Flanke der Temperaturkurve in 7. Dies erfolgt beispielsweise ausgehend von einer Temperatur der Zinkschmelze von 550°C. Wie in 8 dargestellt ist, führt dieser Temperaturanstieg zu einer Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze 12'. Hierfür wird nochmals auf den in 6 dargestellten Zusammenhang verwiesen. Während die Eisenkonzentration im Wesentlichen konstant ist, entspricht diese Eisenkonzentration vor der Temperaturerhöhung im Wesentlichen der Sättigungskonzentration, liegt nach der Temperaturerhöhung aber deutlich darunter. Hierdurch wird der Entsättigungsgrad der Zinkschmelze 12' erhöht, wie in 8 zu erkennen ist.
Im dargestellten Fall erfolgt eine Temperaturerhöhung beispielhaft um 5 K. Es sind aber auch andere Werte denkbar, wie oben beschrieben wurde. Generell kann die Temperaturerhöhung derart gewählt werden, dass die Eisenkonzentration nach der Temperaturerhöhung um einige Prozentpunkte unterhalb der neuen Eisensättigungskonzentration liegt.
In diese eisenuntersättigte Zinkschmelze 12' können nun die Eisenwerkstoffteile 10' getaucht werden (Schritt S4'). Eine Gesamttauchdauer beträgt zum Beispiel 10 min. Innerhalb der Gesamttauchdauer gleicht sich zunächst die Temperatur der Eisenwerkstoffteile 10' der Temperatur der Zinkschmelze 12' an. Anschließend beginnen die erläuterten Prozesse während der Bildung der Verzinkungsschicht mit annähernd konstanter Rate abzulaufen. Es kann sich dann die Verzinkungsschicht in der beschriebenen Weise weitgehend unabhängig von einer Tauchdauer bilden. Ein entsprechend verzinktes Eisenwerkstoffteil 10' wird etwa dem in 2 gezeigten Eisenwerkstoffteil 10 entsprechen.
Wie in 7 dargestellt ist, kann die Temperatur nach der Erhöhung leicht abfallen. Je nachdem, wie die Temperatur der Zinkschmelze 12' gesteuert und/oder geregelt wird, kann dieser Effekt unterschiedlich stark ausfallen. Eine fallende Temperatur geht aber jedenfalls mit einer sinkenden Eisensättigungskonzentration einher (vgl. 6), was zu einem sinkenden Entsättigungsgrad führt.
Ein weiterer Effekt, der zu einem sinkenden Entsättigungsgrad führen kann, ist der Eisenverlust der Eisenwerkstoffteile 10' sowie ggf. der Tauchvorrichtung 28' in die Zinkschmelze 12'. Auch etwaiges Hartzink kann beitragen. Eisen, das im gesättigten oder übersättigten Zustand der Zinkschmelze 12' in diese gelangt, bildet mit Zink der Zinkschmelze 12' Eisen-Zink-Kristalle, die sich aufgrund ihrer höheren Dichte als Hartzink am Boden des Kessels 18 absetzen. Im untersättigten Zustand der Zinkschmelze 12' gelangt Eisen aus dem Hartzink in die Zinkschmelze 12', wodurch deren Eisenkonzentration allmählich steigt. Dieser Effekt ist dem Effekt leicht sinkender Temperatur überlagert. Selbst dann, wenn die Temperatur nach deren Erhöhung vollständig konstant gehalten wird, wird sich aufgrund dieses Eisenverlusts bzw. des Eiseneintrags aus dem Hartzink allmählich der Entsättigungsgrad verringern, und die Zinkschmelze 12' wird sich folgerichtig auf ihre Eisensättigungskonzentration zubewegen. Es ist daher wichtig für das alternative Verfahren, dass die Temperaturerhöhung rascher erfolgt als eine Nachsättigung der Zinkschmelze 12'.
Nach Ablauf der gewünschten Gesamttauchdauer werden die Eisenwerkstoffteile 10' aus der Zinkschmelze 12' entnommen. Hierfür kann ein Schritt S5' vorgesehen sein.
Es kann sich dann ein weiterer Verfahrensschritt anschließen, in dem die Temperatur der Zinkschmelze 12' erneut rasch erhöht wird. Hierdurch steigt wieder der Eisenentsättigungsgrad und es können weitere Eisenwerkstoffteile 10' verzinkt werden. In 7 und 8 sind mehrere solche Verzinkungszyklen dargestellt, die jeweils ein Verzinken in der temporär eisenuntersättigten Zinkschmelze 12' umfassen. Entsprechend werden die Schritts S3' bis S5' ggf. mehrfach durchgeführt, was durch den gestrichelten Pfeil in 5 angedeutet ist. Es finden somit nacheinander mehrere Verzinkungen in eisenuntersättigter Zinkschmelze statt, wobei die Temperatur stufenweise derart erhöht wird, dass auf jeder Stufe ein Verzinkungsvorgang erfolgen kann.
Um einen geeigneten Entsättigungsgrad bzw. einen geeigneten Temperaturanstieg zu ermitteln, kann nach einem Verzinkungszyklus eine Schichtdicke D der gebildeten Verzinkungsschicht 14 gemessen werden. Das diesbezügliche Vorgehen wird anhand der 9 erläutert. Das dargestellte Ablaufdiagramm kann als Grundlage einer Steuerung bzw. Regelung dienen. Die gemessene Schichtdicke D wird mit einem unteren Schwellenwert T₁ und/oder einem oberen Schwellenwert T₂ verglichen. Beträgt eine Sollschichtdicke beispielsweise 50 µm, kann der untere Schwellenwert 40 µm und der obere Schwellenwert 60 µm betragen, wobei auch andere Werte erfindungsgemäß infrage kommen. Liegt die gemessene Schichtdicke D unter dem unteren Schwellenwert T₁, kann geschlussfolgert werden, dass der Entsättigungsgrad und damit der Eisenverlust in die Zinkschmelze während des Verzinkens zu groß ist. Es kann hierauf reagiert werden, indem ein geringerer Temperaturanstieg verwendet wird, der wiederum einen vergleichsweise geringeren Entsättigungsgrad mit sich bringt. Liegt hingegen die gemessene Schichtdicke D über dem oberen Schwellenwert T₂, kann geschlussfolgert werden, dass der Entsättigungsgrad und damit der Eisenverlust in die Zinkschmelze während des Verzinkens zu gering ist. Um Abhilfe zu schaffen, kann in diesem Fall ein größerer Temperaturanstieg verwendet werden, der wiederum einen vergleichsweise größeren Entsättigungsgrad mit sich bringt.
Es versteht sich, dass im Fall des Verfahrens gemäß 3 bzw. der Steuerung der Untersättigung durch Entzug von Eisen aus der Zinkschmelze anstelle der genannten Änderungen an den Temperaturanstiegen eine Beeinflussung der Zinkschmelze durch die Eisenbindevorrichtung verändert werden kann. Beispielsweise kann eine Kontaktdauer mit der Eisenbindevorrichtung erhöht werden, um den Entsättigungsgrad zu erhöhen, oder entsprechend umgekehrt.
Nachfolgend werden mit Bezug auf 10 und 11 weitere optionale Schritte des alternativen Verfahrens erläutert. Das Verfahren kann grundsätzlich Verzinkungen in eisenuntersättigter Zinkschmelze und Verzinkungen in eisengesättigter Zinkschmelze umfassen. Beispielsweise können zunächst ein oder mehrere Zyklen in eisenuntersättigter Zinkschmelze durchgeführt werden, zum Beispiel dergestalt, wie dies mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben wurde. Anschließend können ein oder mehrere Zyklen in eisengesättigter Zinkschmelze durchgeführt werden, beispielsweise, um andere Eisenwerkstoffteile mit dickeren Schichten zu verzinken, für die ggf. eine genaue Schichtdickenkontrolle auch nicht erforderlich ist.
Das Verfahren kann entsprechend einen Schritt S6' umfassen (vgl. 5), in dem die Eisenkonzentration der Zinkschmelze erneut gesättigt wird. Hierfür wird beispielsweise nach einer letzten Verzinkung in eisenuntersättigter Zinkschmelze länger abgewartet und ggf. Eisen zugegeben, bis die Zinkschmelze nicht länger eisenuntersättigt ist. Dies kann auch ein Einpegeln der Temperatur beinhalten. In 11 entspricht dieser Zustand dem langen unveränderten Verlauf nach den ersten Spitzen im Eisenentsättigungsgrad bzw. dem ersten mehrstufigen Anstieg der Temperatur.
In einem Schritt S7' können weitere Eisenwerkstoffteile 10 in die nunmehr eisengesättigte Zinkschmelze getaucht werden. Es wird dann in herkömmlicher Weise verzinkt, d. h. ohne Eisenuntersättigung. Der Schritt S7' kann mehrere Tauchvorgänge beinhalten, während die Zinkschmelze im Wesentlichen unverändert ist.
Anschließend kann erneut eine Eisenuntersättigung hergestellt werden, um wiederum Eisenwerkstoffteile in einer eisenuntersättigten Zinkschmelze zu verzinken. Entsprechend kann das Verfahren wieder zum Schritt S3' zurückkehren und mehrfach bis zum Schritt S7' durchgeführt werden. Dies ist in 5 durch einen strichpunktierten Pfeil dargestellt.
Es versteht sich zudem, dass die beschriebenen Verfahren bereits vor der anfänglichen Verzinkung in der eisenuntersättigten Zinkschmelze einen oder mehrere Verzinkungsvorgänge in der eisengesättigten Zinkschmelze umfassen können.
An geeigneter Stelle während oder nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Temperatur der Zinkschmelze 12' gezielt vorübergehend verringert werden. Hierdurch wird die Eisensättigungskonzentration soweit herabgesetzt, dass eine aktuelle Eisenkonzentration der Zinkschmelze die neue Eisensättigungskonzentration übersteigt. Dies führt dazu, dass Eisen ausfällt. Es bildet sich Hartzink 34", das in 4 schematisch angedeutet ist. Aufgrund seines höheren spezifischen Gewichts sinkt das Hartzink 34' in der Zinkschmelze 12' ab. Es kann dann herausgenommen werden, wodurch Eisen aus dem System entfernt wird. Anschließend wird die Temperatur der Zinkschmelze 12' wieder erhöht, und es können weitere Verzinkungen durchgeführt werden, in eisengesättigter und/oder in eisenuntersättigter Zinkschmelze. Dies kann bedeuten, dass das in 5 schematisch veranschaulichte Verfahren wieder von Neuem beginnen kann.
Eine weitere alternative Verzinkungsanlage 20'' ist in 12 dargestellt, die ebenfalls einen Kessel 18" aufweist, der eine Zinkschmelze 12" aufnimmt. Die beschriebenen Verfahren sind auch mit der weiteren alternativen Verzinkungsanlage 20'' dargestellt. Diese kann grundsätzlich wie die Verzinkungsanlage 20 oder die alternative Verzinkungsanlage 20' beschaffen sein. Entsprechende weitere Einheiten und Vorrichtungen sind in 12 weggelassen, und es werden im Folgenden nur die Unterschiede dieser Ausführungsform gegenüber den anderen Ausführungsformen beschrieben.
Die weitere alternative Verzinkungsanlage 20'' weist eine Heizvorrichtung 22'' auf, die mehrere Brennstäbe 36'' umfasst. Diese ragen in den Kessel 18'' hinein, wodurch ein gleichmäßiger Wärmeeintrag erreicht werden kann. Eisenwerkstoffteile können beispielsweise zwischen und/oder oberhalb der Brennstäbe 36'' eingetaucht werden. Im Allgemeinen können die Heizstäbe von oben oder, wie dargestellt, von unten in die Schmelze eingebracht werden. In den Brennstäben 36'' können jeweils Heizelemente 38'' angeordnet sein, die in 12 als Spiralen veranschaulicht sind. Hierbei kann es sich um Gasbrenner, induktive Heizelemente, resistive Heizelemente etc. handeln.
13 stellt schematisch eine Steuereinheit 24 dar, die zur Ansteuerung der beschriebenen Verzinkungsanlagen 20, 20', 20" eingerichtet ist. Die Steuereinheit 24 umfasst ein computerlesbares Medium 26 sowie einen Prozessor 40 und ggf. weitere erforderliche elektronische Komponenten wie einen Arbeitsspeicher, Anschlüsse, Leitungen etc. Die Steuereinheit 24 kann auch zur Ansteuerung einer Benutzerschnittstelle eingerichtet sein, über die ein Benutzer beispielsweise eine Solltemperatur, einen vorgegebenen Temperaturverlauf, Schichtdickengrenzwerte, gemessene Schichtdicken und dergleichen eingeben kann.
Das computerlesbare Medium 26 enthält Programmcode, der die teilautomatisierte und in einigen Ausführungsformen die automatisierte Durchführung eines oder aller der beschriebenen Verfahren implementiert.

Claims

Verfahren zum Hochtemperaturverzinken von Eisenwerkstoffteilen (10), umfassend: - Erzeugen einer Zinkschmelze (12); - Sättigen der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12), sodass diese eisengesättigt ist; - Herstellen einer Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12), sodass diese eisenuntersättigt ist; und - Tauchen der Eisenwerkstoffteile (10) in die eisenuntersättigte Zinkschmelze (12), wobei eine Verzinkungsschicht (14) auf den Eisenwerkstoffteilen (10) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die eisenuntersättigte Zinkschmelze (12) bezüglich ihrer Eisenkonzentration nicht im Gleichgewicht befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eisenuntersättigte Zinkschmelze (12) lediglich vorübergehend eisenuntersättigt ist, sodass sich die Zinkschmelze (12) nach dem Tauchen der Eisenwerkstoffteile (10) in die eisenuntersättigte Zinkschmelze (12) von selbst wieder in einen eisengesättigten Zustand oder zumindest auf einen eisengesättigten Zustand zu bewegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Messen einer Schichtdicke der Verzinkungsschicht (14), die aufgrund des Tauchens in die eisenuntersättigte Zinkschmelze (12) gebildet wurde; - Vergleichen der gemessenen Schichtdicke mit einem Schwellenwert; und - Vergrößern der Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12), sodass diese stärker eisenuntersättigt ist, falls die gemessene Schichtdicke den Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Herstellen der Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12) eine Verringerung der Eisenkonzentration beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Verringerung der Eisenkonzentration zumindest eine Eisenbindevorrichtung (16) mit der Zinkschmelze (12) in Kontakt gebracht wird, die selektiv Eisen aus der Zinkschmelze (12) bindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei beim Herstellen der Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12) die Eisenkonzentration im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Herstellen der Untersättigung der Eisenkonzentration eine Eisensättigungskonzentration der Zinkschmelze (12) geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Herstellen der Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12) ein Erhöhen einer Temperatur der Zinkschmelze (12) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Erhöhen der Temperatur der Zinkschmelze (12) schneller erfolgt als eine Nachsättigung der Zinkschmelze (12) mit Eisen im Nachgang des Erhöhens der Temperatur, sodass die Eisenkonzentration aufgrund des Erhöhens der Temperatur zumindest vorübergehend von einer Eisensättigungskonzentration der Zinkschmelze (12) mit erhöhter Temperatur abweicht.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Erhöhen der Temperatur der Zinkschmelzen (12) stufenweise erfolgt, sodass nacheinander mehrere unterschiedliche Zieltemperaturen der Zinkschmelze (12) eingestellt werden, und wobei bei mehreren unterschiedlichen Zieltemperaturen der Zinkschmelze (12) jeweils Eisenwerkstoffteile (10) in die Zinkschmelze (12) getaucht werden, um eine Verzinkungsschicht (14) auf diesen zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Erhöhen der Temperatur der Zinkschmelze (12) eine Temperaturänderung von wenigsten 3 K, insbesondere von wenigstens 4 K und optional von wenigstens 5 K und/oder eine Temperaturänderung von höchstens 15 K, insbesondere von höchstens 10 K und optional von höchstens 7 K umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12) derart eingestellt wird, dass sich nach einer anfänglichen Bildung einer Verzinkungsschicht (14) auf den Eisenwerkstoffteilen (10) während des Tauchens der Eisenwerkstoffteile (10) in die Zinkschmelze (12) eine Rate, mit der die Verzinkungsschicht (14) aufwächst, und eine Rate, mit der die gebildete Verzinkungsschicht (14) abgetragen wird, im Wesentlichen entsprechen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12) derart eingestellt wird, dass eine resultierende Schichtdicke der beim Tauchen der Eisenwerkstoffteile (10) in die eisenuntersättigte Zinkschmelze (12) gebildeten Verzinkungsschicht (14) zumindest für Gesamttauchdauern, die zwischen einer Mindestdauer und einer Höchstdauer liegen, im Wesentlichen unabhängig von der Gesamttauchdauer ist, wobei die Mindestdauer und die Höchstdauer jeweils in der Größenordnung von Minuten liegen und sich in der Größenordnung von Minuten voneinander unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zinkschmelze (10) eine Temperatur von wenigstens 500°C, insbesondere von wenigstens 540°C und optional von wenigstens 560°C und/oder eine Temperatur von höchstens 700°C, insbesondere von höchstens 650°C und optional von höchstens 620°C aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zinkschmelze (12) Wärme mittels induktiven Heizens zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zinkschmelze (12) in einem keramischen Kessel (18) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schichtdicke der Verzinkungsschicht (14), die beim Tauchen der Eisenwerkstoffteile (10) in die eisenuntersättige Zinkschmelze (12) gebildet wird, auf ebenen und/oder gleichmäßigen Flächen der Eisenwerkstoffteile (10), auf denen die Schichtdicke im Wesentlichen frei von Akkumulationseffekten aufgrund einer Geometrie der Eisenwerkstoffteile (10) ist, höchstens 200 µm, insbesondere höchstens 150 µm und optional höchstens 100 µm beträgt und/oder mindestens 30 µm, insbesondere mindestens 50 µm und optional mindestens 80 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - erneutes Sättigen der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12), sodass diese erneut eisengesättigt ist; - Tauchen weiterer Eisenwerkstoffteile (10) in die nunmehr eisengesättigte Zinkschmelze (12), wobei eine Verzinkungsschicht (14) auf den weiteren Eisenwerkstoffteilen (10) gebildet wird; - erneutes Herstellen einer Untersättigung der Eisenkonzentration der Zinkschmelze (12), sodass diese erneut eisenuntersättigt ist; und - Tauchen nochmals weiterer Eisenwerkstoffteile (10) in die nunmehr erneut eisenuntersättigte Zinkschmelze (12), wobei eine Verzinkungsschicht (14) auf den nochmals weiteren Eisenwerkstoffteilen (10) gebildet wird.
Verzinkungsanlage (20), umfassend einen Kessel (18), der dazu eingerichtet ist, eine Hochtemperaturzinkschmelze aufzunehmen, sowie eine Heizvorrichtung (22), die dazu eingerichtet ist, dem Kessel (18) eine zum Erzeugen und Aufrechterhalten der Hochtemperaturzinkschmelze erforderliche Wärmemenge zuzuführen, wobei der Kessel (18) und die Heizvorrichtung (22) speziell dazu eingerichtet sind, mit ihnen ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Verzinkungsanlage (20) nach Anspruch 20, ferner umfassend eine Steuereinheit (24), die dazu eingerichtet ist, Komponenten der Verzinkungsanlage (24) zur zumindest teilautomatisierten Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 anzusteuern.
Steuereinheit (24), die dazu eingerichtet ist, Komponenten einer Verzinkungsanlage (20) nach Anspruch 20 zur zumindest teilautomatisierten Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 anzusteuern.
Computerlesbares Medium (26), auf dem Programmcode gespeichert ist, der dazu eingerichtet ist, dann, wenn er von einem Computer ausgeführt wird, eine zumindest teilautomatisierte Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zu bewirken.
Programmcode, der dazu eingerichtet ist, dann, wenn er von einem Computer ausgeführt wird, eine zumindest teilautomatisierte Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zu bewirken.