EP1734144A2 - Feuerverzinkung von Eisen- bzw. Stahlteilen - Google Patents

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EP1734144A2
EP1734144A2 EP06405253A EP06405253A EP1734144A2 EP 1734144 A2 EP1734144 A2 EP 1734144A2 EP 06405253 A EP06405253 A EP 06405253A EP 06405253 A EP06405253 A EP 06405253A EP 1734144 A2 EP1734144 A2 EP 1734144A2
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EP
European Patent Office
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layer
zinc
steel
nickel
intermediate layer
Prior art date
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Withdrawn
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EP06405253A
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EP1734144A3 (de
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Heinz Lutta
Wilfried A. Dr. Heinemann
Rainer Bunge
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Individual
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C23C2/024—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas by cleaning or etching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C23C2/026—Deposition of sublayers, e.g. adhesion layers or pre-applied alloying elements or corrosion protection

Definitions

  • the invention relates to a method for preparing iron or steel parts on the hot-dip galvanizing and hot-dip galvanizing thereof, as well as a hot-dip galvanized iron or steel part.
  • the appearance and the layer thickness of a hot-dip galvanizing depend on the "reactivity" of the underlying steel (essentially depending on the silicon content of the steel).
  • the galvanizing baths are adjusted to steels with low silicon content and to those from the so-called Sebisty range, in which uniform, sufficiently thick and not too thick, nicely glossy zinc layers are achieved by means of standardized galvanizing processes.
  • hot-dip galvanizing components made of so-called “reactive steels” from the so-called Sandelin range or from high-silicon steels, however, “crumbly” and undesirably thick layers of zinc form on the components under the same galvanizing conditions. Particularly disturbing is the visual impression of the components, and that predetermined fits due to the thick zinc layers can not be met.
  • a further disadvantage is that the oversized zinc layers are brittle and flake off easily, as well as the extensive consumption of zinc.
  • the "reactivity" of steels essentially depends on the silicon and phosphorus contents, with the silicon content being dominant. For simplicity, in practice the sum of Si + P is used to estimate the reactivity. There are four groups of steels. The relationships between the Si + P contents and the result of hot dip galvanizing are shown in the following table:
  • Sebisty area 0.13% ⁇ Si + P ⁇ 0.28% Iron-zinc-reaction: normal Surface: silvery dull appearance Layer thickness: medium
  • the metals tin, copper and nickel are particularly highlighted. Tin, or better a tin-copper mixture, are presented as the best material.
  • This metal is applied without current in a layer thickness of 5 to 50 nanometers. Notwithstanding this claimed layer thickness and the claimed electroless deposition, it is stated that any method of applying metal to steel could be used and the layer thickness could range from 1 nanometer to 10 microns. However, it is pointed out that with layer thicknesses of more than 100 nanometers, a rough surface could result with stubble and other irregularities of the coating applied by hot-dip coating.
  • a method in which a steel part electroless is coated with a protective metal layer of copper or nickel.
  • the layer thickness is sufficiently strong to protect the steel surface from oxidation prior to dipping in the hot dip coating bath. However, it is thin enough to fully react with the aluminum contained in the zinc-aluminum molten bath.
  • the dipping time eg, 60 to 480 seconds
  • temperature eg, 450 to 550 ° C
  • the metal coating fully reacts with the aluminum in the bath to form a contact composite layer that causes the metal coating to be immersed Zinc-aluminum bath reacts with the steel and forms a topcoat, and that creates a zinc-aluminum coating with good structure.
  • thicknesses of 0.1 to 4 microns are claimed, which corresponds approximately to the claimed bandwidth of 1 to 35 g / m2. These layer thicknesses are suitable for melt baths with 0.1 to 99.1% aluminum content. The preferred range is 5 to 25 g / m2 nickel. In the examples in which the parts are immersed in a zinc bath with 5% aluminum content, all nickel layers are in a range between 0.12 and 0.9 microns, with no relationship between the layer thickness of the nickel and the result of galvanizing recognizable. An example with an aluminum content of the melt of 55% by weight describes conditions for coating with nickel, which indicate nickel layer thicknesses of 1 micron to 1.33 microns. Good results were only with the thinnest Reached nickel layers.
  • a method for galvanizing steel sheets is known in which a layer of copper, zinc or nickel is applied to the sheet before galvanizing.
  • this layer is applied in a layer thickness of 0.1 to 10 micrometers using any desired coating method. It is then floated with ZnCl2 and NH4Cl (in a ratio of 3 to 7) and finally immersed in a hot zinc bath.
  • the steel has a reactivity of 0.815% Si and P. He is, it is at least suspected, due to the understandable signs, after coating in 460 ⁇ 3 ° C hot zinc bath (with 0 , 15% Al) for 20 seconds.
  • the object of the present invention to find conditions under which a metal structure with components of steels of different reactivity can be hot dip galvanized evenly with a silvery zinc layer in a zinc molten bath suitable for low silicon steels and Sebisty steels in terms of temperature and composition , Regardless of the reactivity of the steel, in particular independently of the silicon content of the steel of the component, the zinc layer should be uniformly thick.
  • a workpiece coated with nickel in a layer thickness of, for example, 3 micrometers can be hot-dip galvanized in a layer thickness of about 80 micrometers in a molten zinc bath of conventional type containing virtually no aluminum.
  • a method for preparing a steel part to a zinc coating in the zinc melt by applying an intermediate layer of metal on the steel part is characterized in that in the contact region of the intermediate layer with the steel surface, a contact layer of predominantly nickel is formed and then applied as much metal of known quality is until the intermediate layer has a total thickness of 1 to 8 microns.
  • the zinc molten bath has an aluminum content of max. 1%, preferably less than 0.1% by weight, more preferably less than 0.01% by weight and the layer thickness of the intermediate layer has at least 1 micrometer, can be ruled out that the nickel layer completely reacts with the aluminum.
  • the nickel layer is so strong that the zinc layer is largely shielded from the influence of the metal composition of the steel part. With such a pretreatment of the steel part, fluctuations in the zinc layer thickness can still be discerned, which can be attributed to the silicon content of the steel of the steel part. These variations are in a nickel layer of about 3 microns, however, in a narrow tolerance range of about 15 microns.
  • the contact layer made of nickel is applied in a layer thickness of at least 50, preferably at least 100 nanometers, particularly preferably around 1 micrometer.
  • the intermediate layer may be formed over this contact layer of at least one of the following metals: iron, copper, tin, nickel.
  • the order of the intermediate layer can be done electrolytically, but it can also be done without electricity or chemically. It is also possible to form the intermediate layer partly with a first coating method and partly with another coating method. The methods must be suitable for applying the required layer thicknesses.
  • the entire intermediate layer is formed from nickel.
  • a nickel layer can be applied electrolytically, for example, at 0.0018 A / mm 2 in a single operation within 90 seconds in a layer thickness of 3 microns.
  • the dipping time is longer or shorter.
  • the resulting nickel layer thickness in microns is about 3 times the product of amperage in A and the treatment time in seconds per square millimeter of the surface of the steel part.
  • Preferred layer thicknesses for the intermediate layer are in a range of 2 to 4 micrometers. Particularly preferred layer thicknesses are in a range of 2.5 to 3.5 micrometers.
  • the steel part is prepared as described above on the galvanizing and prepared steel part in a conventional manner in a molten zinc bath with an aluminum content of 0 to max. 1% galvanized.
  • the steel part with the intermediate layer prior to dipping in 440 to 450 degrees Celsius hot molten zinc bath still in a conventional manner, fluorinated (in zinc chloride / ammonium chloride bath) and acidified. In this procedure, uniform zinc layers are achieved on workpieces with components of different steel grades.
  • the invention therefore also includes steel parts prepared in this way.
  • Such a steel part with a metal layer on the surface of the steel part as an intermediate layer between the steel and a zinc layer to be applied by immersion in the molten zinc bath has in the contact area of the intermediate layer with the steel surface a contact layer, which consists predominantly of nickel.
  • the intermediate layer has a layer thickness of 1 to 8 micrometers in total.
  • a thus prepared steel part can now in a conventional manner, and for normal galvanized iron parts usual way, in a molten zinc with an aluminum content of max. 1% eg at 440 to 450 degrees Celsius 180 seconds, or until the iron part has the temperature of the zinc bath, to be dipped to obtain a perfect zinc layer.
  • a galvanized on a 2 to 4 microns thick nickel layer steel part is better against corrosion protected as a conventional hot-dip galvanized steel part that was not nickel plated before the zinc bath.
  • the resulting zinc layer adheres better to the surface.
  • the intermediate layer is 2.5 to 3.5 microns thick and expediently the entire intermediate layer consists of nickel.
  • prepared steel part of reactivity levels 1 to 4 has a zinc layer with a layer thickness of 50 to 100 microns.
  • the zinc layer thickness over a nickel interlayer of 2.5 to 3.5 microns is typically 60 to 100 microns, with the zinc layer becoming thinner the more nickel there is.
  • zinc layer thicknesses will decrease from 45 microns until a minimum layer thickness of about 30 microns occurs.
  • a steel from the Sandelin range (reactivity level 2) is taken.
  • the samples consist of rolled wires with a thickness of 9.5 mm and a length of 100 mm.
  • the composition of the steel has the following characteristics: C: 0.060%, Si: 0.1%, Mn: 0.45%, P: 0.023%, S: 0.044%.
  • the samples are ground and polished to give a uniquely comparable surface, then rinsed with water. Then they are degreased by pressing for 30 sec. at 40 ° C and 2A in aqueous alkaline degreaser (pH10). Now the samples are rinsed with water again, while dekapiert 90 seconds at a pH of 2 (10% HCl solution and 5% citric acid).
  • the samples 88 to 96 are electrolytically nickel-plated.
  • a current of 2.5A is passed through a nickel bath.
  • the nickel bath contains 1550g nickel sulfate (NiSO 4 * 6H 2 O) and 250g nickel chloride (NiCl 2 * 6H 2 O), 200g boric acid, and is made up to 5000ml with water.
  • the samples After coating the samples with nickel of varying thickness, the samples are acidified as conventionally in a bath containing zinc chloride and ammonium chloride, acidified, and then hot dip galvanized in a molten zinc bath.
  • the molten zinc bath contains virtually no aluminum.
  • the samples are immersed for 180 seconds in 440 degrees Celsius hot zinc bath and pulsating in it moves. Thereafter, the samples drip off and cool off.
  • the results of this series of experiments are shown in FIG.
  • the scale on the left (0 to 180) indicates the values of the darker and wider bars in microns. These bars contain the measured values of the layer thickness of the zinc.
  • the right-hand scale (0.0 to 9.0) shows the values of the thinner and lighter bars in microns, which contain the measured values of the nickel layer.
  • the bars are assigned to the different samples with numbers 87 to 96 below.
  • a zinc layer of about 170 microns thickness and greyish appearance was formed (see Fig. 3).
  • the sample 88 is nickel-plated with 2.5A for 30 sec. To obtain a nickel layer of just under one micrometer. The zinc layer thickness as a result decreases to about 110 microns and the zinc shines. At 3 microns of nickel (90 sec. At 2.5 A) it is still just under 80 microns and looks shiny. Between the nickel layer thicknesses of From 3 to 4.5 microns, the zinc layer decreases approximately in inverse proportion from 75 to 55 and 50 microns. With a nickel layer thickness of more than 8 microns, the zinc layer still has a thickness of about 30 microns. It is assumed that the zinc layer remains approximately equally strong as the nickel layer thickness increases.
  • samples 113, 114, 115 and 116 from the Sebisty range (reactivity level 3), characteristics: C: 0.162%, Si: 0.22%, Mn: 0.76%, P: 0.03%, S: 0.044% ; and samples 117,118,119 and 120 made of high silicon steel, characteristics: C: 0.167%, Si: 0.31%, Mn: 0.95%, P: 0.24%, S: 0.038%.
  • Samples 113 through 116 are made of over-polished and polished rebar, 8.2 mm thick and 66 mm long. Since the steel is to be classified in the Sebisty range, a normal iron-zinc reaction, an average layer thickness and a silvery matte appearance can be expected.
  • Samples 117 to 120 are made of overstretched and polished rebar, 14.1 mm thick and 66 mm long. Since these samples are made of high-silicon steel, an excessively thick zinc layer can be expected with an accelerated iron-zinc reaction and a dull gray appearance.
  • Figure 2 shows that the steel parts without nickel coating very different, z.T. beautiful and z.T. unsightly, thick zinc layers (87: 170 ⁇ m, matt, 113: just under 120 ⁇ m, very nice, 117: almost 140 ⁇ m, dull gray, unsightly).
  • a nickel intermediate layer about 3 microns thick, all zinc layers have thicknesses in the range of 70 to 85 microns and shine.
  • the zinc layer applied thereon uniformly reaches only 40 ⁇ m. It should be remembered that the zinc layer with intermediate nickel layer does not have to have the same layer thickness as a zinc layer without nickel intermediate layer, in order to provide approximately equal protection.
  • Figure 2 illustrates that in a construction of steel components of different silicon content after their zinc coating over a nickel layer in the layer thickness of 1 to 6 microns, the zinc coating not only on all steels has a silvery appearance, but also has a balanced layer thickness.
  • the layer thickness can be selected by the thickness of the nickel application between 110 to 130 ⁇ m at 1 ⁇ m nickel, from 72 to 83 ⁇ m at 3 ⁇ m nickel, up to 38 to 47 ⁇ m at 6 ⁇ m nickel.
  • the samples are then ground and polished and cleaned, floated and acidified as described above.
  • a first sample is left un-nickeled and a second sample is nickel plated at 2.5 A for 90 seconds.
  • the thus treated samples are immersed in a 450 ° C hot zinc bath while Pulsed for 180 seconds and then drained and allowed to cool.
  • the thus treated, un-nickeled samples have different thickness zinc layers.
  • the zinc layer thicknesses are between 120 to 185 microns.
  • the nickel plated samples have a 2.5 micron thick nickel layer. Above the nickel layer there is one zinc layer each, the thickness of which measures between 67 and 80 microns.
  • a steel part is prepared for galvanizing in the zinc molten bath so in that the zinc coating produced under conventional conditions of hot dip galvanizing (very low aluminum content melt 440/450 ° C) has a uniform thickness and a uniform appearance, irrespective of the silicon content of the steel.
  • a preferred technical implementation of the process according to the invention is as follows: In a hot dip galvanizing plant, a bath for electrolytic nickel plating is set up. The bath is electrically insulated and contains the nickel anodes. The crane, with which the steel components are suspended in the baths, is electrically connected to the steel components via the steel cable. A voltage source is established between the nickel anodes and the crane. The voltage source is connected as required (steels from reactivity ranges 2 and 4, mixed or possibly mixed components) or interrupted (steels from reactivity ranges 1 and 3).

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Abstract

Indem auf die Oberfläche eines Stahlteils eine metallische Zwischenschicht in einer Schichtstärke von 1 bis 8 Mikrometer, insbesondere von 2 bis 4 Mikrometer, aufgebracht wird, welche Zwischenschicht im Kontaktbereich mit dem Stahl aus überwiegend Nickel besteht, wird ein Stahlteil auf eine Verzinkung im Zink-Schmelzbad mit einem Aluminium-Gehalt von max.1% derart vorbereitet, dass der unter herkömmlichen, standardisierten Verzinkungsbedingungen hergestellte Zinküberzug, unabhängig von der Reaktivität des Stahls, eine gleichmässige Schichtstärke mit hoher Haftung und ein gleichmässiges Aussehen aufweist.

Description

    Technisches Gebiet der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten von Eisen-, bzw. Stahlteilen auf die Feuerverzinkung und zum Feuerverzinken derselben, sowie ein feuerverzinktes Eisen- oder Stahlteil.
  • Das Erscheinungsbild und die Schichtdicke einer Feuerverzinkung sind abhängig von der "Reaktivität" des darunter liegenden Stahls (im Wesentlichen abhängig vom Siliziumgehalt des Stahls). Die Verzinkungsbäder sind auf Stähle mit niedrigem Siliziumgehalt und auf solche aus dem sogenannten Sebisty-Bereich eingestellt, bei welchen mit standardisierten Verzinkungsverfahren gleichmässige, genügend dicke und nicht zu dicke, schön glänzende Zinkschichten erreicht werden. Beim Feuerverzinken von Bauteilen aus sogenannt "reaktiven Stählen" aus dem sogenannten Sandelin-Bereich oder aus Hochsiliziumstählen bilden sich jedoch bei gleichen Verzinkungsbedingungen "krümelige" und unerwünscht dicke Schichten von Zink auf den Bauteilen. Besonders störend ist dabei der optische Eindruck der Bauteile, und dass vorgegebene Passungen infolge der überdicken Zinkschichten nicht eingehalten werden können. Nachteilig ist weiterhin, dass die überdicken ZinkSchichten spröde sind und leicht abplatzen, sowie der extensive Zinkverbrauch.
  • Die "Reaktivität" von Stählen hängt im Wesentlichen von den Silizium- und Phosphorgehalten ab, wobei der Siliziumgehalt dominant ist. Vereinfachend wird in der Praxis die Summe von Si + P zur Abschätzung der Reaktivität verwendet. Man unterschiedet vier Gruppen von Stählen. Die Zusammenhänge zwischen den Si + P-Gehalten und dem Ergebnis der Feuerverzinkung sind in der folgenden Tabelle dargestellt:
    • 1. Reaktivitätsstufe:
  • Niedrigsiliziumstähle: Si + P < 0,03%
    Eisen-Zink-Reaktion: Normal
    Oberfläche: silbrig glänzender Überzug,
    Schichtdicke. normal
    • 2. Reaktivitätsstufe:
  • Sandelin-Bereich: 0,03% <Si+ P<0,13%
    Eisen-Zink-Reaktion: beschleunigt
    Oberfläche: graue Zinkschicht
    Schichtdicke: hoch
    • 3. Reaktivitätsstufe:
  • Sebisty-Bereich: 0,13% <Si+ P<0,28%
    Eisen-Zink-Reaktion: normal
    Oberfläche: silbrig mattes Aussehen
    Schichtdicke: mittel
    • 4. Reaktivitätsstufe:
  • Hochsiliziumstähle: Si + P > 0,28 %
    Eisen-Zink-Reaktion: beschleunigt
    Oberfläche: mattgrau
    mit zunehmendem Si-Gehalt graues Aussehen
    Schichtdicke: hoch
  • Stähle mit weniger als 0.03% Si + P lassen sich in der Regel problemlos feuerverzinken; Stähle mit mehr als 0.28% Si + P sind stark reaktiv. Stähle der Reaktivitätsstufen 1 und 3 werden als "nicht-reaktiv" bezeichnet, da die Eisen-Zink-Reaktion "normal" verläuft. Stähle mit einer Zusammensetzung gemäss den Reaktivitätsstufen 2 und 4 werden als "reaktiv" bezeichnet, da die Eisen-Zink-Reaktion beschleunigt verläuft. Die Übergänge zwischen den in der Tabelle gezeigten Bereichen sind jedoch fliessend.
  • Im globalisierten Stahlhandel werden Stähle unterschiedlicher Qualität und Herkunft durchmischt, so dass heute die Schlossereien und Verzinkereien nicht mehr von einer bestimmten Stahlqualität und einem entsprechend vorhersehbaren Verhalten beim Feuerverzinken ausgehen können. Bei Konstruktionen, die aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt sind, kommt es deshalb immer wieder vor, dass einzelne Bauteile darin aus reaktiven Stählen bestehen und daher nach der Feuerverzinkung unansehnliche, körnige Zinküberzüge aufweisen. Oft sind solche Konstruktionen dadurch optisch/architektonisch, sowie aus Korrosionsschutzgründen unbrauchbar. In solchen Fällen muss der Zinküberzug wieder abgebeizt und auf andere Verfahren des Korrosionsschutzes ausgewichen werden, was nicht nur hohe Kosten verursacht, sondern auch aus gestalterischer Sicht oft sehr unbefriedigend ist.
    • Stand der Technik:
  • Nach dem Stand der Technik sind zwei Gruppen von Verfahren zur Feuerverzinkung von reaktiven Stählen bekannt. Eine Möglichkeit besteht darin, die Temperatur des Zinkbades zu verringern und die Tauchzeit bzw. die Ausziehgeschwindigkeit anzupassen. Dies erfordert jedoch, dass die Reaktivität der Stähle im Voraus bekannt ist, was in der Regel nicht der Fall ist. Ein anderer Ansatz besteht darin, mit speziellen Legierungszusätzen das Zinkbad anzupassen, insbesondere durch Zugabe von Nickel. Hierdurch werden die gewünschten "dünnen" Zinküberzüge auch auf reaktiven Stählen erzeugt. Problematisch ist dabei allerdings der Umstand, dass bei Verwendung von nickellegierten Zinkbädern sich die für den Korrosionsschutz vorgeschriebene Schichtdicken des Zinküberzugs von ca. 80 Mikrometer bei normalen, nicht-reaktiven Stählen nicht erzielen lassen.
  • Mit Legierungszusätzen ist es bislang weder gelungen, bei Konstruktionen aus unterschiedlich reaktiven und nicht-reaktiven Stählen einheitliche Schichtstärken zu erreichen, noch ist es gelungen, stark reaktive Stähle schön zu verzinken.
  • Aus der US-Patentschrift Nr. 6,200,636 ist ein Verfahren zum Fluxen und Schmelztauchbeschichten von Stahl bekannt, bei dem vor dem Schmelztauchbeschichten des Stahls, anstatt das Stahlteil herkömmlich mit einer Zinkchlorid/ Ammoniumchlorid-Flüssigkeit zu fluxen, ein sehr dünner metallischer Film auf das Metallteil aufgebracht wird. Vorgeschlagen wird, dass dieser Film aus Zinn, vorzugsweise aus einer Mischung von Kupfer und Zinn bestehe. Als Vorteil eines solchen Films wird unter anderem beschrieben, dass es die Tauchbeschichtung mit Zink weniger empfindlich mache auf den Siliziumgehalt des zu beschichtenden Teils. Beispielsweise werde der Sandelin-Effekt minimiert. Beste Resultate bei der Schmelztauchbeschichtung würden erreicht bei einer Schichtdicke von 5 bis 50 Nanometern. Aus den bevorzugten Metallen Zinn, Kupfer, Nickel, Kobalt, Mangan, Zirkonium, Chrom, Blei, Silber, Gold, Platin, Palladium, Quecksilber und Molybdän werden die Metalle Zinn, Kupfer und Nickel besonders hervorgehoben. Zinn, oder besser ein Zinn-Kupfer-Gemisch, werden als bestes Material dargestellt. Dieses Metall wird stromlos in einer Schichtdicke von 5 bis 50 Nanometer aufgebracht. Abweichend von dieser beanspruchten Schichtdicke und dem beanspruchten stromfreien (electroless) Auftrag wird ausgeführt, dass jegliches Verfahren zum Auftragen von Metall auf Stahl benützt werden könne und die Schichtdicke eine Bandbreite von 1 Nanometer bis zu 10 Mikrometer aufweisen könne. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass bei Schichtdicken von über 100 Nanometer eine raue Oberfläche mit Stoppeln und anderen Unregelmässigkeiten des durch Schmelztauchbeschichten aufgetragenen Belags resultieren könne.
  • In der WO 99/64168 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem ein Stahlteil stromfrei (electroless) mit einer schützenden Metallschicht aus Kupfer oder Nickel überzogen wird. Die Schichtdicke ist genügend stark ausgelegt, um die Stahloberfläche vor dem Tauchen im Schmelztauchbeschichtungsbad vor einer Oxidation zu schützen. Sie ist indes genügend dünn ausgelegt, um vollständig mit dem im Zink-Aluminium-Schmelzbad enthaltenen Aluminium zu reagieren. Beim Tauchen muss die Tauchzeit (z.B. 60 bis 480 sec.) und die Temperatur (z.B. 450 bis 550 °C) derart gesteuert werden, dass der Metallüberzug vollständig mit dem Aluminium im Bad reagiert und eine Kontakt-Verbundschicht bildet, die verursacht, dass das Zink-Aluminium-Bad mit dem Stahl reagiert und eine Deckschicht bildet, und dass ein Zink-Alu-Überzug mit gutem Aufbau entsteht. Für Nickelüberzüge werden Dicken von 0,1 bis 4 Mikrometer beansprucht, was etwa der ebenfalls beanspruchten Bandbreite von 1 bis 35 g/m2 entspricht. Diese Schichtstärken seien geeignet für Schmelzbäder mit 0,1 bis 99,1 % Aluminiumgehalt. Als bevorzugte Bandbreite wird 5 bis 25 g/ m2 Nickel angegeben. In den Beispielen, in denen die Teile in ein Zinkbad mit 5% Aluminiumgehalt getaucht werden, liegen alle Nickelschichten in einem Bereich zwischen 0,12 und 0,9 Mikrometer, wobei kein Zusammenhang zwischen der Schichtdicke des Nickels und dem Resultat der Verzinkung erkennbar ist. Bei einem Beispiel mit einem Aluminiumgehalt der Schmelze von 55 Gewichtsprozent werden Bedingungen zum Beschichten mit Nickel beschrieben, die auf Nickelschichtdicken von 1 Mikrometer bis 1,33 Mikrometer schliessen lassen. Gute Resultate wurden lediglich mit den dünnsten Nickelschichten erreicht. Das Verfahren ist Regelungstechnisch sehr anspruchsvoll; bereits 10 Grad Temperaturunterschied der Schmelze bedingen Gelingen oder Nicht-Gelingen der Schmelztauchbeschichtung. Es wird in der Beschreibung darauf hingewiesen, dass die exakten Parameter, die notwendig sind für einen guten Zinküberzug, also z.B. Metallschichtdicke, Badtemperatur und Tauchzeit, variieren würden. Diese Parameter variierten nicht nur mit dem verwendeten Metall Kupfer oder Nickel und dem Aluminiumgehalt des Zinkbades, sondern ebenfalls mit der Zusammensetzung des Stahls.
  • Aus der JP 55054559 ist ein Verfahren zum Verzinken von Stahlblechen bekannt, bei dem vor dem Verzinken auf das Blech eine Schicht aufgebracht wird aus Kupfer, Zink oder Nickel. Um bei leicht oxidierendem Stahl gute Haftungseigenschaften mit geringerer Fluxmenge zu erreichen, wird diese Schicht in einer Schichtdicke von 0.1 bis 10 Mikrometern mit einem beliebigen Beschichtungsverfahren aufgebracht. Danach wird mit ZnCl2 und NH4Cl (im Verhältnis 3 zu 7) gefluxt und schliesslich im heissen Zinkbad getaucht. In einem Beispiel, so wird aufgrund der japanischen Schrift vermutet, hat der Stahl eine Reaktivität von 0.815 % Si und P. Er wird, so wird aufgrund der verständlichen Zeichen zumindest vermutetet, nach der Beschichtung im 460 ± 3 °C heissen Zinkbad (mit 0,15% Al) 20 Sekunden lang getaucht.
  • Dieses Verfahren dient der Beschichtung von Blechen mit einer bekannten Zusammensetzung. Bei zu verzinkenden Werkstücken ist jedoch die Zusammensetzung des Stahls in der Regel nicht bekannt.
  • Es ist dem Fachmann bekannt, die Verzinkungsbedingungen anzupassen, um eine angemessene Verzinkung eines Stahlteils aus reaktivem Stahl zu erreichen. Diese Anpassung ist jedoch in der Praxis sehr aufwendig, und wird deshalb nur bei einer Fabrikation eines gleich bleibenden Produkts, wie beispielsweise einer Blechbahn, vorgenommen. Die bekannten Verfahren geben keinen Hinweis darauf, wie bei Werkstücken wechselnder und unbekannter Reaktivität eine gleichmässige Beschichtung unabhängig von der Reaktivität des Stahls erreichbar ist. Bei zusammengesetzten Teilen hülfe es dem Fachmann ferner nichts, wenn die Zusammensetzung des Stahls jedes einzelnen der verschiedenen Teile bekannt wäre, da er alle gemeinsam verzinken muss.
    • Aufgabe der Erfindung:
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Bedingungen zu finden, unter denen eine Metallkonstruktion mit Bauteilen aus Stählen unterschiedlicher Reaktivität gleichmässig mit einer silbrig glänzenden Zinkschicht in einem bezüglich Temperatur und Zusammensetzung für Niedrigsilizium-Stähle und Sebisty-Stähle geeigneten Zink-Schmelzbad feuerverzinkt werden kann. Die Zinkschicht soll dabei unabhängig von der Reaktivität des Stahls, insbesondere unabhängig vom Siliziumgehalt des Stahls des Bauteils, gleichmässig dick ausfallen.
    • Beschreibung der Erfindung:
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • In Versuchen konnte die oben aus der US-Patentschrift Nr. 6,200,636 zitierte Feststellung bestätigt werden, dass nämlich mit einer Verzinkung eines Stahlteils auf eine Zwischenschicht mit einer Schichtstärke von über 50 Nanometer aus Kupfer lediglich buckelige, ungleichmässige Zinkschichten erreicht werden können.
  • Es wurde zudem gefunden, dass durch Zwischenschichten unter 1 Mikrometer der Einfluss des Siliziumgehalts des Stahls auf die Eisen-Zink-Reaktion nicht oder nur ungenügend abgeschwächt werden kann.
  • Es wurde indes überraschend gefunden, dass ein mit Nickel in einer Schichtstärke von beispielsweise 3 Mikrometer überzogenes Werkstück unabhängig von der Stahlqualität sich in einer Schichtstärke von ca. 80 Mikrometer in einem praktisch kein Aluminium enthaltenden Zinkschmelzbad herkömmlicher Art mit sehr gutem Ergebnis feuerverzinken lässt.
  • Erfindungsgemäss ist daher ein Verfahren zum Vorbereiten eines Stahlteils auf eine Verzinkung im Zink-Schmelzbad durch Aufbringen einer Zwischenschicht aus Metall auf das Stahlteil dadurch gekennzeichnet, dass im Kontaktbereich der Zwischenschicht mit der Stahloberfläche eine Kontaktschicht aus überwiegend Nickel gebildet wird und danach soviel Metall bekannter Qualität aufgebracht wird, bis die Zwischenschicht eine Schichtstärke von insgesamt 1 bis 8 Mikrometer aufweist.
  • Da das Zink-Schmelzbad einen Aluminium-Gehalt von max. 1%, vorzugsweise weniger als 0,1 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt weniger als 0,01 Gewichtsprozent aufweist und die Schichtdicke der Zwischenschicht mindestens 1 Mikrometer aufweist, kann ausgeschlossen werden, dass die Nickelschicht vollständig mit dem Aluminium reagiert. Die Nickelschicht ist vielmehr so stark, dass die Zinkschicht weitgehend abgeschirmt ist gegenüber dem Einfluss der Metallzusammensetzung des Stahlteils. Bei einer solchen Vorbehandlung des Stahlteils sind wohl noch Schwankungen in der Zinkschichtstärke auszumachen, die auf den Siliziumgehalt des Stahls des Stahlteils zurückgeführt werden können. Diese Schwankungen liegen bei einer Nickelschicht von ca. 3 Mikrometern jedoch in einem engen Toleranz-Bereich von ca. 15 Mikrometer.
  • Wenn die Zwischenschicht aus unterschiedlichen Schichten aufgebaut wird, z.B. um billigere Rohstoffe als Nickel einzusetzen, wird die aus Nickel gefertigte Kontaktschicht in einer Schichtstärke von wenigstens 50, vorzugsweise wenigstens 100 Nanometer, besonders bevorzugt um 1 Mikrometer aufgebracht. Die Zwischenschicht kann über dieser Kontaktschicht aus wenigstens einem der folgenden Metalle gebildet werden: Eisen, Kupfer, Zinn, Nickel.
  • Der Auftrag der Zwischenschicht kann elektrolytisch geschehen, er kann aber auch stromfrei oder chemisch geschehen. Es ist ferner möglich, die Zwischenschicht teilweise mit einem ersten Beschichtungsverfahren und teilweise mit einem anderen Beschichtungsverfahren auszubilden. Die Verfahren müssen dazu geeignet sein, die erforderlichen Schichtdicken aufzutragen.
  • Bevorzugt wird die gesamte Zwischenschicht aus Nickel gebildet. Eine Nickelschicht kann elektrolytisch beispielsweise mit 0.0018 A/mm2 in einem einzigen Arbeitsgang innerhalb von 90 Sekunden in einer Schichtstärke von 3 Mikrometern aufgetragen werden. Je nach Oberflächengrösse des zu verzinkenden Teils ist die Tauchzeit länger oder kürzer zu bemessen. Bei 2,5 Ampère ist die resultierende Nickelschichtstärke in Mikrometern etwa 3 mal das Produkt der Stromstärke in A und der Behandlungszeit in Sekunden pro Quadratmillimeter der Oberfläche des Stahlteils. Bevorzugte Schichtdicken für die Zwischenschicht liegen in einem Bereich von 2 bis 4 Mikrometer. Besonders bevorzugte Schichtdicken liegen in einem Bereich von 2,5 bis 3,5 Mikrometer.
  • Zum Verzinken eines Stahlteils in einem Zinkschmelzbad mit einer auch bei unterschiedlichen Siliziumgehalten und Reaktivitäten des Stahls gleichmässigen Zinkschichtstärke wird das Stahlteil wie oben beschrieben auf die Verzinkung vorbereitet und das so vorbereitete Stahlteil in an sich bekannter Weise im Zinkschmelzbad mit einem Aluminiumgehalt von 0 bis max. 1% verzinkt. Vorteilhaft wird das Stahlteil mit der Zwischenschicht vor dem Tauchen im 440 bis 450 Grad Celsius heissen Zinkschmelzbad noch in an sich bekannter weise gefluxt (im Zinkchlorid/ Ammoniumchlorid-Bad) und angesäuert. Bei diesem Vorgehen werden auf Werkstücken mit Bestandteilen aus unterschiedlichen Stahlqualitäten gleichmässige Zinkschichten erreicht.
  • Die Erfindung umfasst daher auch so vorbereitete Stahlteile. Ein solches Stahlteil mit einer Metallschicht auf der Oberfläche des Stahlteils als Zwischenschicht zwischen dem Stahl und einer durch Tauchen im Zinkschmelzbad aufzubringenden Zinkschicht besitzt im Kontaktbereich der Zwischenschicht mit der Stahloberfläche eine Kontaktschicht, die überwiegend aus Nickel besteht. Die Zwischenschicht besitzt eine Schichtstärke von insgesamt 1 bis 8 Mikrometer. Ein so vorbereitetes Stahlteil kann nun in an sich bekannter, und für normal verzinkbare Eisenteile üblichen Weise, in einer Zinkschmelze mit einem Aluminiumgehalt von max. 1% z.B. bei 440 bis 450 Grad Celsius 180 Sekunden, bzw. bis das Eisenteil die Temperatur des Zinkbads hat, getaucht werden, um eine einwandfreie Zinkschicht zu erhalten. Ein auf eine 2 bis 4 Mikrometer dicke Nickelschicht verzinktes Stahlteil ist gegen Korrosion besser geschützt als ein herkömmlich feuerverzinktes Stahlteil, das vor dem Zinkbad nicht vernickelt wurde. Zudem haftet die erhaltene Zinkschicht besser auf der Oberfläche.
  • Die vorteilhaftesten Werte werden erhalten, wenn die Zwischenschicht 2,5 bis 3,5 Mikrometer stark ist und zweckmässigerweise die ganze Zwischenschicht aus Nickel besteht.
  • Nach dem standardisierten Feuerverzinken in einem Zinkbad mit maximal 1%, besser 0,1 oder gar unter 0,01 Gewichtsprozent Aluminium, besitzt ein so vorbereitetes Stahlteil der Reaktivitätsstufen 1 bis 4 eine Zinkschicht mit einer Schichtdicke von 50 bis 100 Mikrometer. Die Zinkschichtdicke über einer Nickelzwischenschicht von 2,5 bis 3,5 Mikrometer liegt in der Regel um 60 bis 100 Mikrometer, wobei die Zinkschicht dünner wird, je mehr Nickel darunter vorhanden ist. Bei einer weniger bevorzugten Zwischenschicht der Stärke von 5 oder mehr Mikrometer Nickel ergeben sich Zinkschichtenstärken von 45 Mikrometer abnehmend bis sich eine minimale Schichtstärke von ca. 30 Mikrometer einstellt.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Es zeigt
    • Figur 1:
    eine Grafik, in der die Zinkschichtdicke auf einem Hochsiliziumstahl der Schichtstärke einer Nickel-Zwischenschicht gegenübergestellt ist.
    Figur 2:
    eine Grafik, in der die Zinkschichtdicke auf drei unterschiedlichen Stählen der Schichtstärke einer Nickel-Zwischenschicht gegenübergestellt ist.
    Figur 3:
    Abbildungen der Probenstücke der Versuchsreihe.
    Detaillierte Beschreibung der Figuren:
  • Bei einer ersten Versuchsreihe wird ein Stahl aus dem Sandelin-Bereich (Reaktivitätsstufe 2) genommen. Die Proben bestehen aus Walzdrähten der Dicke 9.5 mm und der Länge 100 mm. Die Zusammensetzung des Stahl hat folgende Charakteristiken: C: 0.060 %, Si: 0.1 %, Mn: 0.45 %, P: 0.023 %, S: 0,044%.
  • Die Proben, nummeriert von 87 bis 96, werden geschliffen und poliert, um eine eindeutig vergleichbare Oberfläche zu erhalten, dann mit Wasser gespült. Danach werden sie entfettet, indem Sie während 30 Sec. bei 40°C und 2A in wässerigem alkalischem Entfettungsmittel (pH10) bewegt werden. Nun werden die Proben mit Wasser erneut gespült, während 90 sec. bei einem pH von 2 dekapiert (10% HCl-Lösung und 5% Zitronensäure).
  • Danach werden die Proben 88 bis 96 elektrolytisch vernickelt. Dazu wird ein Strom mit 2.5A durch ein Nickelbad geleitet. Je nach gewünschter Schichtdicke wird die Vernickelungsdauer variiert. Das Nickelbad enthält 1550g Nickelsulfat (NiSO4*6H2O) und 250g Nickelchlorid (NiCl2*6H2O), 200g Borsäure, und ist mit Wasser auf 5000ml aufgefüllt.
  • Nach der Beschichtung der Proben mit Nickel in unterschiedlicher Schichtdicke werden die Proben wie herkömmlich in einem Bad, enthaltend Zinkchlorid und Ammoniumchlorid, gefluxt, angesäuert und dann stückverzinkt in einem Zinkschmelzbad. Das Zinkschmelzbad enthält praktisch kein Aluminium. Die Proben werden während 180 Sekunden ins 440 Grad Celsius heisse Zinkbad getaucht und darin pulsierend bewegt. Danach tropfen die Proben ab und kühlen ab.
  • Die Resultate dieser Versuchsreihe sind in Fig. 1 dargestellt. Die Skala links (0 bis 180) gibt die Werte der dunkleren und breiteren Balken in Mikrometer an. Diese Balken enthalten die Messwerte der Schichtdicke des Zinks. Die rechte Skala (0.0 bis 9.0) zeigt die Werte der dünneren und helleren Balken in Mikrometer an, welche die Messwerte der Nickelschicht enthalten. Die Balken sind mit den darunter angeführten Nummern 87 bis 96 den unterschiedlichen Proben zugeordnet.
  • Auf der unvernickelten Probe Nr. 87 bildete sich eine Zinkschicht von ca. 170 Mikrometer Stärke und graumattem Aussehen (vergl. Fig. 3). Die Probe 88 wird mit 2.5A während 30 sec. vernickelt und erhält so eine Nickelschicht von knapp einem Mikrometer. Die Zinkschichtstärke nimmt als Resultat davon auf ca.110 Mikrometer ab und der Zink glänzt. Bei 3 Mikrometer Nickel (90 sec. bei 2,5 A) beträgt sie noch knapp 80 Mikrometer und sieht glänzend aus. Zwischen den Nickelschichtstärken von 3 bis 4.5 Mikrometer nimmt die Zinkschicht etwa umgekehrt proportional ab von 75 auf 55 und auf 50 Mikrometer. Bei einer Nickelschichtstärke von über 8 Mikrometer besitzt die Zinkschicht noch eine Stärke von gut 30 Mikrometer. Es wird angenommen, dass die Zinkschicht bei weiter zunehmender Nickelschichtstärke etwa gleich stark bleibt.
  • Aus der Figur 1 wird deutlich, dass bevorzugte Nickelschichtstärken bei 2 bis 4 Mikrometer liegen. Diese Vermutung wird durch die zweite Untersuchung bestärkt.
  • In einer Vergleichsuntersuchung mit zwei weiteren Stählen werden Proben 113,114, 115 und 116 aus dem Sebisty-Bereich (Reaktivitätsstufe 3), Charakteristika: C: 0.162 %, Si: 0.22 %, Mn: 0.76 %, P: 0.03 %, S: 0.044 %; und Proben 117,118,119 und 120 aus einem Hochsilizium-Stahl, Charakteristika: C: 0,167 %, Si: 0.31 %, Mn: 0.95 %, P: 0.24 %, S: 0.038 % genommen. Die Proben 113 bis 116 sind aus überdrehtem und poliertem Betonstahl, 8.2 mm dick und 66 mm lang. Da der Stahl im Sebisty-Bereich einzuordnen ist, ist mit einer normalen Eisen-Zink-Reaktion, einer mittleren Schichtdicke und einem silbrig-matten Aussehen zu rechnen.
  • Die Proben 117 bis 120 bestehen aus überdrehtem und poliertem Betonstahl, 14.1 mm dick und 66 mm lang. Da diese Proben aus Hochsilizium-Stahl bestehen, ist mit einer beschleunigten Eisen-Zink-Reaktion und einem mattgrauen Aussehen der übermässig dicken Zinkschicht zu rechnen.
  • Diese Proben werden entsprechend den Proben 87 bis 96 wie oben beschrieben behandelt. Die Resultate sind in der Grafik gemäss Figur 2 einander gegenübergestellt, und Fotografien der Proben sind in Figur 3 wiedergegeben. In Figur 2 ist links die Werteskala der dunklen, breiten Balken angegeben, die die Zinkschichtstärken in Mikrometer der darunter angegebenen Proben enthalten. Rechts ist die Skala für die Nickelschichtstärken in Mikrometer angeführt. Die dünnen, hellen Balken enthalten die Messwerte der Nickelschichtstärken (vor dem Verzinken) der unter den Balken angegebenen Proben.
  • Die Figur 2 zeigt, dass die Stahlteile ohne Nickelbeschichtung sehr unterschiedliche, z.T. schöne und z.T. unansehnliche, dicke Zinkschichten (87:170 µm, matt; 113: knapp 120 µm, sehr schön;117: knapp 140 µm, mattgrau, unschön) erhalten. Bei denselben Stählen, jedoch mit einer ca. 3 Mikrometer dicken Nickel-Zwischenschicht beschichtet, weisen alle Zinkschichten Dicken im Bereich von 70 bis 85 µm auf und glänzen. Bei einer Nickel-Zwischenschicht von ca. 6 µm erreicht die darauf aufgebrachte Zinkschicht gleichmässig lediglich noch um 40 µm. Es ist dabei zu bedenken, dass die Zinkschicht mit Nickel-Zwischenschicht nicht die gleiche Schichtstärke aufweisen muss wie eine Zinkschicht ohne Nickel-Zwischenschicht, um einen etwa gleich guten Schutz zu bieten.
  • Figur 2 illustriert, dass bei einer Konstruktion aus Stahlbauteilen unterschiedlichen Siliziumgehalts nach deren Verzinkung über einer Nickelschicht in der Schichtstärke von 1 bis 6 Mikrometer der Zinküberzug nicht nur auf allen Stählen ein silbriges Aussehen hat, sondern auch eine ausgeglichene Schichtstärke aufweist. Die Schichtstärke ist wählbar durch die Stärke des Nickelauftrags zwischen 110 bis 130 µm bei 1 µm Nickel, über 72 bis 83 µm bei 3 µm Nickel, bis zu 38 bis 47 µm bei 6 µm Nickel.
  • Nachfolgend sind die einzelnen Ergebnisse zu den Versuchen in einer Tabelle aufgelistet. Dabei sind zu Vergleichszwecken die Ergebnisse nach Behandlung und Nickelschichtdicke geordnet. Dadurch wird sichtbar gemacht, dass, unabhängig von der Stahlqualität, unter vergleichbaren Bedingungen bei einer Zwischenschicht aus Nickel und standardisierter Behandlung im Zinkschmelzbad, vergleichbare Schichtdicken und vergleichbares Aussehen des feuerverzinkten Teils resultieren:
    Probe Nickelbeschichtung Zinkbeschichtung
    Nr. Stahl Si+P Bad Ni µm Schmelzbad Zn µm Aussehen
    Sek. A A*sec/ mm2 °C Sek.
    87 Sandelin - 0.12% - - - 440 180 ca. 170 matt
    113 Sebisty 0,25% - - - - 440 180 ca. 117 glänzend, leichte Maserung, sehr schön
    117 Hoch-Si - 0,55% - - - 440 180 ca. 138 mattgrau, unschön
    88 Sandelin 0.12% 30 2.5 0.033 ca. 1 440 180 ca. 110 glänzend
    114 Sebisty 0,25% 30 2.5 0.039 ca. 0,9 440 180 ca. 125 glänzend, schön, regelmässig
    118 Hoch-Si 0,55% 40 2.5 0.03 ca. 0,8 440 180 ca. 128 leicht matt bis glänzend (gefleckt)
    90 Sandelin 0.12% 90 2.5 0.1 ca. 3 440 180 ca. 75 glänzend
    115 Sebisty 0,25% 90 2.5 0.117 ca. 3,2 440 180 ca. 83 glänzend, leichte Unebenheiten
    119 Hoch-Si 0,55% 120 2.5 0.09 ca. 2,9 440 180 ca. 73 glänzend, regelmässig
    94 Sandelin 0.12% 210 2.5 0.231 ca. 6,4 440 180 ca. 44 glänzend
    116 Sebisty 0,25% 210 2.5 0.273 ca. 6,4 440 180 ca. 46 uneben, glänzend
    120 Hoch-Si 0,55% 330 2.5 0.2475 ca. 6,4 440 180 ca. 39 glänzend, kleine Unebenheiten
  • Es werden ferner Biegeversuche mit acht unterschiedlichen Proben durchgeführt und die Bindung zwischen Stahl und Zink beurteilt. Hierzu werden jeweils zwei Proben aus dem Sandelin-Bereich, dem Sebisty-Bereich, einem Hochsiliziumstahl und einem Stahl unbekannter Zusammensetzung vorbereitet.
  • Die Proben werden dazu geschliffen und poliert und wie oben bereits beschrieben gereinigt, gefluxt und angesäuert. Von jeder Stahlqualität wird eine erste Probe unvernickelt belassen und eine zweite Probe mit 2.5 A über 90 Sekunden vernickelt. Die so behandelten Proben werden in ein 450 °C heisses Zinkbad getaucht, während 180 Sekunden pulsierend bewegt und dann abtropfen und abkühlen gelassen. Die so behandelten, unvernickelten Proben weisen unterschiedlich dicke Zinkschichten auf. Die Zinkschichtstärken liegen zwischen 120 bis 185 Mikrometer. Die vernickelten Proben weisen eine 2,5 Mikrometer dicke Nickelschicht auf. Über der Nickelschicht ist jeweils eine Zinkschicht vorhanden, deren Stärke zwischen 67 und 80 Mikrometer misst.
  • Bei den Biegeversuchen wurden diese Proben jeweils schrittweise um 10, 20, 30, 40 und 50 Grad gebogen, solange bis Abplatzungen auftraten. Die einzelnen Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengestellt:
    Stahlteil Probe Nr. Ni µm Zn µm 10° 20° 30° 40° 50°
    Hoch-Si-Stahl (4)
    C: 0.167; Si: 0.31; Mn: 0.95; P: 2.4; S: 0.038 Betonstahl ∅ 16 mm    		 200 2,5 70 - zugseitig kleine Abplatzer
    201 - 158 - feine Risse erkennbar druckseitig feine Plättchen abgeplatzt
    Sebisty-Stahl (3)
    C: 0.162; Si: 0.22; Mn: 0.76; P: 0.03; S: 0.044 Betonstahl ∅ 9.5 mm    		 202 2,5 80 - zugseitig kleine Abplatzer
    203 - 125 Zink abgeplatzt
    Sandelin-Stahl (2)
    C: 0.060; Si: 0.1; Mn: 0.45; P: 0.023; S: 0.04 Walzdraht ∅ 9.5 mm    		 204 2,5 67 zugseitig kleine Risse
    205 - 186 zugseitig Zink grossflächig abgeplatzt
    Stahl unbekannter Zusammensetzung 206 2,5 72 - zugseitig leichte Risse zugseitig kleine Abplatzer
    kaltgewalzter Stahl ∅10 mm 207 - 130 - zugseitig kleine Abplatzer
  • Aus dieser Tabelle ist deutlich erkennbar, dass mit einer Nickel-Zwischenschicht die Haftung der Verzinkung auf jeglichem Stahl verbessert werden kann. Besonders erstaunlich dabei ist, dass die Haftung auf dem Sebisty-Stahl am stärksten verbessert wurde.
  • Es kann demnach zusammenfassend gesagt werden: Indem auf die Oberfläche eines Stahlteils eine metallische Zwischenschicht in einer Schichtstärke von 1 bis 8 Mikrometer aufgebracht wird, welche im Kontaktbereich mit dem Stahl aus überwiegend Nickel besteht, wird ein Stahlteil auf eine Verzinkung im Zink-Schmelzbad derart vorbereitet, dass der unter herkömmlichen Bedingungen der Feuerverzinkung (Schmelze mit 440/450 °C, sehr geringer Aluminium-Gehalt) hergestellte Zinküberzug, unabhängig vom Siliziumgehalt des Stahls, eine gleichmässige Schichtstärke und ein gleichmässiges Aussehen aufweist.
  • Eine bevorzugte technische Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht wie folgt aus: In einer Feuerverzinkerei wird ein Bad zur elektrolytischen Vernickelung eingerichtet. Das Bad ist elektrisch isoliert und darin befinden sich die Nickelanoden. Der Kran, mit dem die Stahlbauteile in die Bäder eingehängt werden, ist über das Stahlkabel elektrisch leitend mit den Stahlbauteilen verbunden. Zwischen den Nickelanoden und dem Kran wird eine Spannungsquelle eingerichtet. Je nach Bedarf wird die Spannungsquelle angeschlossen (Stähle aus den Reaktivitätsbereichen 2 und 4, gemischte oder möglicherweise gemischte Bauteile) oder unterbrochen (Stähle aus den Reaktivitätsbereichen 1 und 3).
  • Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
    • ■ verbessertes optisches Erscheinungsbild;
    • ■ gleichmässige Schichtdicken bei Konstruktionen mit sowohl Partien aus "reaktiven" als auch Partien aus "normalen" Stählen;
    • ■ Einhaltung der vorgeschriebenen Zink-Schichtdicken bei gleichartiger Behandlung aller Stähle möglich;
    • ■ Reduktion des Zinkverbrauchs durch Vermeidung von überdicken Zinkschichten;
    • ■ hohe Flexibilität bei Wechseln zwischen "reaktiven' und "normalen" Stählen;
    • ■ Vermeidung von teuren Legierungszusätzen im Zinkbad;
    • ■ Vermeidung von mehreren Zinkbädern unterschiedlicher Zusammensetzung und eines entsprechend komplexen Ablaufs beim Verzinken;
    • ■ verbesserter Korrosionsschutz durch die zusätzliche Nickelschicht;
    • ■ verbesserte Haftung der Zinkschicht;

Claims (10)

  1. Verfahren zum Vorbereiten eines Stahlteils auf eine Verzinkung und Verzinken des Stahlteils im Zink-Schmelzbad, bei dem eine Zwischenschicht aus Metall auf das Stahlteil aufgebracht wird, und das beschichtete Stahlteil im Zinkbad mit einem Zinküberzug versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Stahlteil, insbesondere auf einem Stahlteil mit erhöhter Reaktivität, oder auf einem aus unterschiedlich reaktiven Stählen zusammengesetzten Teil, im Kontaktbereich der Zwischenschicht mit der Stahloberfläche eine Kontaktschicht aus überwiegend Nickel gebildet wird und danach soviel Metall aufgebracht wird, bis die Zwischenschicht eine Schichtstärke von insgesamt 1 bis 8 Mikrometer aufweist, das Stahlteil anschliessend in einem 430 bis 460 °C heissen Zinkbad mit einem Aluminium-Gehalt von 0 bis max. 1 Gewichtsprozent getaucht wird, wobei die Zinkschicht in einer Schichtdicke von 50 bis 100 Mikrometer über der Zwischenschicht aufträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht in einer Schichtstärke von wenigstens 50, vorzugsweise wenigstens 100 Nanometer, besonders bevorzugt wenigstens 1 Mikrometer aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht über der Kontaktschicht aus wenigstens einem der folgenden Metalle gebildet wird: Eisen, Kupfer, Zinn, Nickel.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ganze Zwischenschicht aus Nickel hergestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht elektrolytisch aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht in einer Schichtstärke von 2 bis 4 Mikrometer, vorzugsweise von 2,5 bis 3,5 Mikrometer aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zinkbad eine Temperatur zwischen 435 und 455 Grad, besonders bevorzugt zwischen 440 und 450 Grad aufweist.
  8. Stahlteil mit einer Metallschicht auf der Oberfläche des Stahlteils als Zwischenschicht zwischen dem Stahl und einer durch Tauchen im Zinkschmelzbad aufgebrachten Zinkschicht, dadurch gekennzeichnet, dass im Kontaktbereich mit der Stahloberfläche die Zwischenschicht eine Kontaktschicht aus überwiegend Nickel aufweist und die Zwischenschicht eine Schichtstärke von insgesamt 1 bis 8 Mikrometer aufweist, und dass die Zinkschicht eine Schichtdicke von 50 bis 100 Mikrometer über der Zwischenschicht aufweist.
  9. Stahlteil gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlteil aus Stählen mit unterschiedlicher Reaktivität zusammengesetzt ist und eine Nickel-Zwischenschicht zwischen dem Stahl und dem Zinküberzug aufweist und eine Schichtstärke des Zinküberzugs zwischen 50 und 100 Mikrometer misst.
  10. Zusammengesetztes Stahlteil mit Teilen aus unterschiedlich reaktivem Stahl, mit einer Nickel-Zwischenschicht von 1 bis 8 Mikrometern und einem Zinküberzug, dessen Schichtstärke zwischen 50 und 100 Mikrometer misst.
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