Michael Feld - branchentag
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Feuerverzinken von Draht und Schrauben Das Zusammenspiel von Vorbehandlung und Schmelztauchen 8. Branchentag-Draht Iserlohn, 07.05.2015 Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 1 Feuerverzinken • Vorstellung Feldlabor • Feuerverzinken von Stahl – • Überblick des Verfahrens Beschreibung und Vergleich der einzelnen Prozessschritte beim beim chargenweisen Feuerverzinken von Verbindungselementen beim kontinuierlichen Feuerverzinken von Draht Verweis auf Regelwerke Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 2 Das Feldlabor • Analytik von Prozesshilfsstoffen – – – – Prozesse mit chemisch technischen Hilfsstoffen Vorbehandlungsbäder (Entfettung, Beizen, Flussmittel etc.) Betriebswässer (Spülen, Kühlwasser, Brauchwasser, Abwasser) Schmierstoffe (Kontrollen wmb KSS nach TRGS 611, Ölanalytik) Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 3 Das Feldlabor • Materialanalytik – FES für Stahlanalysen – FTIR für Öle (frisch/gebraucht), zur Identifizierung von Kunststoffen etc. Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 4 Das Feldlabor • Bearbeitung komplexer Fragestellungen – – – – – Zusammenarbeit mit externen Partnern Korrosionsphänomene Schadensuntersuchung Prozessoptimierung Gutachten Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 5 Das Feldlabor • Vertrieb über MF-Chem-Con – Reiniger, Korrosionsschutzmittel, Schmierstoffe – Additive für Prozessbäder – Flussmittel für die Feuerverzinkung Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 6 Verzinken Aufbringen eines Zinküberzugs für den Korrosionsschutz mechan. Verfahren Spritzverzinken galvanisch chargenweise Stückverzinken Stahlbau Drahtmatten Schmelztauchen kontinuierlich Schleuderverzinken Schrauben Muttern Durchlaufverzinken Stahldraht Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid Sendzimir-Verfahren Band 7 Prozessschritte beim Feuerverzinken Reinigen Spülen Beizen Spülen Fluxen Trocknen Verzinken Abkühlen Nachbehandeln Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 8 Prozessschritte beim Feuerverzinken Tauchen in Prozessbädern Verbindungselemente, Muttern, Bolzen, Scheiben u.ä. „Schrauben“: Tauchen in Körben Verweilzeit durch Taktzeit vorgegeben Draht: kontinuierliches Führen durch Prozessbäder Verweilzeit durch Badlänge und Geschwindigkeit vorgegeben Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 9 Reinigen von Draht • Abhängig von vorherigen Prozessen – Walzdraht, gezogener Draht, patentierter Draht? • Aufgaben des Reinigungschrittes: – Entfernen von artfremden Verunreinigungen Partikelschmutz, Staub etc. Schmierstoffreste, Korrosionsschutzmittel (Seifen, Fette, Öle, Pasten etc.) • Reinigungsmedien – Mechanisch (Vorreinigung für grobe, lockere Partikel) – Spülwasser (für „sauberen“ Draht) – Wässrig-alkalisch (für beölte Drähte) erhöhte Temperatur und nachfolgende Spüle notwendig – Saure Reinigung (für Seifenreste) Gefahr der Wasserstoffaufnahme ! Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 10 Reinigen von Schrauben • Abhängig von vorherigen Prozessen – Kaltumformung oder Warm- bzw. Halbwarmumformung phosphatiert? - vercrackte Ölreste? – Seifenreste? • Aufgaben des Reinigungschrittes: – Entfernen von artfremden Verunreinigungen Partikelschmutz, Staub, Späne etc. Bearbeitungsöle, Korrosionsschutzmittel etc. Phosphatschicht, eingebrannte Organik • Reinigungsmedien – Mechanisch oder nur Wasser – Wässrig-alkalisch (in der Regel beste Wahl) erhöhte Temperatur und nachfolgende Spüle notwendig – Saure Reinigung (für Seifenreste) Gefahr der Wasserstoffaufnahme ! Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 11 Reinigen vor dem Verzinken Aufwand / Kosten Reinigungswirkung • • • • • Keine separate Reinigung mechanisch oder nur mit Wasser Beizentfettung Saure Entfettung Alkalische Entfettung Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 12 Reinigen vor dem Verzinken Reinigen erfordert Energie: Mechanisch Bad- oder Warenbewegung Bürsten, Wischen Ultraschall Thermisch Heizkosten, Verdunstung Chemisch Chemische Reaktionen Physikalische Effekte durch Chemische Stoffe Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 13 Beizen von Draht • Beizen birgt die Gefahr der Wasserstoffaufnahme • Wasserstoffversprödung Aufgaben des Beizschrittes: – Entfernen von arteigenen Verunreinigungen Zunder, Walzhaut, Flugrost und andere Korrosionsprodukte aktive, metallisch reine Oberfläche • Beizmedien – – – – – • Salzsäure, Schwefelsäure Säurekonzentration Eisenkonzentration Verweilzeit Temperatur 20 - 10% Salzsäure 20 - 120 g/l gelöstes Eisen Sekunden - Minuten RT – 30°C Problem Stillstand – Beizinhibitoren Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 14 Beizen von Schrauben • Beizen birgt die Gefahr der Wasserstoffaufnahme • Wasserstoffversprödung Aufgaben des Beizschrittes: – Entfernen von arteigenen Verunreinigungen Zunder, Walzhaut, Flugrost und andere Korrosionsprodukte aktive, metallisch reine Oberfläche • Beizmedien – – – – – • Inhibierte Salzsäure Säurekonzentration Eisenkonzentration Verweilzeit Temperatur 15 - 8% Salzsäure 50 - 120 g/l gelöstes Eisen max. 15 min (max 30 min) RT Problem Wasserstoffversprödung bei hohen Festigkeiten – Tempern / Strahlen Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 15 Beizen von Schrauben • Oberflächenvorbereitungsgrad nach DIN EN ISO 12944-4 – Gültig für Stahlbau, Forderung für Feuerverzinkung: – Beizen (Be), gleichwertig Strahlen (Sa3) • Richtlinie für die Herstellung feuerverzinkter Schrauben Gemeinschaftsausschuss Verzinken e.V. Deutscher Schraubenverband e.V. Betrifft Schrauben für Stahlbau der Festigkeiten 4.6, 5.6, 8.8, 10.9 • Entfettung – Saure Entfettung zählt zur Beizzeit dazu – Empfehlung: alkalische Entfettung • Vorbehandlung laut RL nur 8.8 (30 min) und 10.9 (15 min): – „geeignet“ inhibierte Salzsäure, 15 - 8%, Salzsäure bei RT – Nachschärfen nur bei Kontrolle erlaubt – Zur Erreichung von Be bzw. Sa3 (Sa2½) : Tempern u./o. Strahlen Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 16 Wirksamkeit der Beizen Fe in g/ Ltr. Fe + HCl = 210 – 220 g/Ltr. 250 200 Ist-Zustand des Beizbades 150 max. Konz. (Beizen unmöglich) 100 50 Optimum 0 0 50 100 150 200 250 300 Beizzeit zu lang HCl in g/ Ltr. Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 17 Spülen nach dem Beizen • Gelöstes FeCl2 in Beizsäurerückständen auf dem Stahl – Teilweise Oxidation durch Luftsauerstoff zu Fe (III) – Fe(III) ist nur im Sauren löslich Erste Spüle nach Beize muss sauer sein! ansonsten Eisenhydroxid-Niederschläge auf der Oberfläche Bei Kaskadenspülen z.B.: Beize pH1-Spüle pH2-Spüle pH3-Spüle Flux • Verschleppung von gelöstem Eisen ins Flussmittelbad vermeiden! Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 18 Flussmittel zum Trockenverzinken • Aufgaben des Flussmittels – Schutz vor Re-Oxidation der aktiven Oberfläche (Flugrost) – Feinreinigen während des Verzinkungsvorgangs • Applikation des Flussmittels – Salzlösung, die ähnlich Schmiermittelträger auftrocknet – erwärmtes Bad u./o. Nachtrocknung • Komponenten des Flussmittels – NH4Cl : zum Feinbeizen zersetzt sich bei hoher Temperatur NH4Cl NH3 + HCl – NH4Cl : lässt Asche (Zinkoxid) besser abkochen 2 NH4Cl + ZnO ZnCl2 + 2 NH3 + H2O – ZnCl2: verbessert die Effizienz, unterdrückt ungewünschte Reaktionen Zn + 2 NH4Cl ZnCl2 + H2 + 2 NH3 – Additive beeinflussen pH-Wert, Rauchverhalten, Benetzung etc. Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 19 Flux für Draht • Hohe Temperatur des Flussmittelbades begünstigt die Trocknung – – – – – • Keine Zeit zwischen Fluxen und Verzinken Dickere Drähte trocknen aufgrund der Eigenwärme Nachtrocknung (z.B. durch Abwärme des Kessels) Optimale Temperatur : 50 – 70 °C Zu niedrige Temperatur lässt zuviel Flussmittel abtropfen Optimale Konzentration des Flussmittels c= f(T) (je höher T, umso geringer c) c= f(d) (je höher ø, umso höher c) Gängige Konzentrationen: 100 – 250 g/l ( 8 - 16°Bé ) Zu hohe Konzentration ergibt zuviel klebrige Asche. Zu niedrige Konzentration ergibt Fehlverzinkung. • pH-Wert und Eisengehalt durch Spüle beeinflusst – pH 5 und Eisengehalt unter 3 g/l i.d.R. leicht einzuhalten Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 20 Flux für Schrauben • Hohe Temperatur des Flussmittelbades begünstigt die Trocknung – – – – – • Zeit zwischen Fluxen und Verzinken muss zur Trocknung genutzt werden Wassertropfen sammeln sich in Gewindegängen, an Kanten etc. Optimale Temperatur : 40 – 60 °C RT nur möglich bei sehr effizienter Nachtrocknung 25 – 35 °C eher ungünstig (zu lange Trocknungszeit) Optimale Konzentration des Flussmittels c= f(T) (je höher T, umso geringer c) c= f(d) (je höher ø, umso höher c) Gängige Konzentrationen: 400 – 500 g/l • ( 24 - 30°Bé ) (DASt-RL 022) pH-Wert und Eisengehalt durch Spüle beeinflusst (hohe Verschleppung) – pH 4,0 ± 0,5 durch säurebindende Additive einzuhalten – Eisengehalt unter 10 g/l kaum einzuhalten regelmäßiger Flussmittelaustausch Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 21 Flussmittel zum Trockenverzinken • Einfluss des pH-Wertes – Niedriger pH-Wert macht aus Flux eine Beize Gefahr der Wasserstoff-Versprödung Eisen-Anreicherung Zink-Auflösung im Kessel (Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 ) – Hoher pH-Wert lässt Zink-Hydroxide ausflocken ungleichmäßige Verzinkung ZnCl fehlt als Reaktionspartner im Kessel • erhöhter Zinkverbrauch erhöhter Zinkverbrauch erhöhter Zinkverbrauch Einfluss des Eisengehaltes – Schlechtere Trocknung Feuchtigkeit im Kessel Spritzgefahr! Wasser bindet Zink (Zn + H2O ZnO + H2 ) – Vermehrte Hartzinkbildung (xFe + yZn FexZny ) Pickelbildung Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid erhöhter Zinkverbrauch erhöhter Zinkverbrauch erhöhter Zinkverbrauch 22 Flussmittel zum Trockenverzinken Suboptimale Parameter des Flussmittels verschlechtern die Qualität des Zinküberzugs und erhöhen den Zinkverbrauch. Suboptimale Parameter des Flussmittels erhöhen die Kosten ! Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 23 Zinkschmelze • Temperatur der Schmelze etwa 440°C: – Zink-Eisen-Legierungsschicht bildet sich während der Verweilzeit – Reinzinkschicht bildet sich beim Herausziehen • Erhöhung der Temperatur: – Zink-Eisen-Legierungsschicht wächst schneller (wird dicker) – Viskosität erniedrigt sich, die Reinzinkschicht wird dünner, Nasen werden weniger • Legierungsbestandteile – – – – – – – Aluminium (Korrosionsschutz) Blei (Viskositätserniedrigung) Bismut (Blei-Ersatz) Zinn (Glanz und Kristallstruktur) Nickel (Dicke der Zink-Eisen-Legierung, abhängig vom Stahl) Kupfer (stört als Begleitelement die Verzinkung) Eisen (bildet Hartzink und Pickel) Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 24 Zinkschmelze für Draht • • • Rein-Zink ohne Zugabe von Legierungselementen Aluminium-Zusatz (0,002 – 0,004 Ma-%) GALFAN oder ähnliche hoch-Alu-haltige Legierungen – Gesonderte Verfahren 1. Rein-Zink, 2. Alu-Zink spezielle Flussmittel Schutzgas Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 25 Zinkschmelze für Schrauben • DASt-Richtlinie 022 Feuerverzinken von tragenden Stahlbauteilen – Im Hinblick auf Flüssigmetallinduzierte Spannungsrisskorrosion (LME, Liquid Metal Embrittlement) • • • Konstruktive Vorgaben Zerstörungsfreie Prüfung (Magnetpulver-Verfahren) Vorgaben zur Vorbehandlung – Reinigung in Entfetter, evtl. Strahlen Sa2½ – Flussmittelkonzentration min. 400 g/l • Vorgeschriebene Zusammensetzung der Schmelze und deren Prüfung – – – – – Aluminium Al Blei , Bismut Pb + 10Bi Zinn Sn Nickel Ni Kupfer, Eisen, Cadmium < 0,1 Gew.-% ≤ 1,5 Gew.-% ≤ 0,1 Gew.-% < 0,1 Gew.-% Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 26 Nachbehandlung von Draht • Abstreifen – Um Nasen zu vermeiden und die Reinzinkschicht gering zu halten – Mittels Holzkohlegries (additiviert) oder Quetschvorrichtungen • Abkühlen – Um Weiterwachsen der (spröden) Legierungsschicht zu vermeiden • Beseifen o.ä. – Um glänzende Erscheinung zu erhalten – Um Aufwickeln, Aufspulen zu erleichtern – In Emulsionen oder Lösungen, evtl. gleichzeitig zur Abkühlung Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 27 Nachbehandlung von Schrauben • Schleudern – Um überschüssiges Zink zu entfernen, Tropfen zu vermeiden • Abkühlen – Um weiteres Handling zu ermöglichen – Dabei Zusätze für Korrosionsschutz oder Glanzerhaltung möglich Michael Feld – feldlabor Gustav-Adolf-Str. 4, 58507 Lüdenscheid 28
