Verzinkter Stahl: Materialeigenschaften, Verfahren und Verwendung

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften spielt verzinkter Stahl eine bedeutende Rolle in der Materialwissenschaft und im Maschinenbau. Er hat ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere im Bauwesen, im Haushalt und bei verschiedenen Automobilkomponenten. Der Schutz der Zinkbeschichtung unterscheidet ihn von anderen Stahlsorten, was ihm letztendlich eine längere Lebensdauer beschert. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Eigenschaften des Materials, den Herstellungsprozess und seine breite Verwendung in der Industrie. Machen Sie sich also unabhängig von Ihrem Bildungshintergrund bereit, sich Wissen über dieses vielseitige Material anzueignen.

Abbildung 1: Verzinkter Stahl

Was ist verzinkter Stahl?

Eine Stahlsorte, die durch ein bekanntes Verzinkungsverfahren eine Zinkbeschichtung erhält. Die jeweilige Beschichtung wird durch metallurgische Verbindung von Zink und Stahl mit dem alleinigen Zweck hergestellt, seine Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit zu verbessern. Daher macht diese Schutzschicht ihn widerstandsfähiger gegen aggressive Umgebungen. Darüber hinaus erhöht sie die Lebensdauer des Stahls und macht ihn langlebig und kostengünstig [3] [4].

Abbildung 2: Verzinktes Stahlblech

Warum ist verzinkter Stahl wichtig?

Diese Stahlsorte ist aufgrund ihrer außergewöhnlichen Korrosionsbeständigkeit und langen Lebensdauer von Bedeutung. Die Schutzschicht aus Zink wirkt wie eine Blockade, die Sauerstoff und Luft vom direkten Kontakt mit Stahl abhält und so die Gefahr von Zersetzung und Rost minimiert. Diese Fähigkeit, unterschiedlichen Umweltbedingungen standzuhalten, macht dieses Material zur perfekten Wahl für Industrielle, die es in Anwendungen wie Bau und Infrastruktur einsetzen. Darüber hinaus erfordert es vergleichsweise wenig Wartung, was es zu einer kosteneffizienten Wahl macht.

Wofür wird verzinkter Stahl verwendet?

Dieser verzinkte Stahl hat aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Einige davon sind unten aufgeführt:

Bauwesen

• Strukturbalken
• Bedachung
• Walling

Automobilindustrie

• Karosserien und Teile

Infrastruktur

• Brücken,
• Geländer
• Lichtmasten

Haushaltsgeräte

• Waschmaschinen
• Kühlschränke

Agrarwirtschaft

• Fechten
• Silos

Abbildung 3: Anwendungsgebiete für verzinkten Stahl

Vor- und Nachteile von verzinktem Stahlmaterial

Nachfolgend sind einige der Vor- und Nachteile von verzinktem Stahl aufgeführt:

Abbildung 4: Vor- und Nachteile von verzinktem Stahl

Wie wird verzinkter Stahl hergestellt?

Dieser Stahl wird durch einen Verzinkungsprozess hergestellt, bei dem der Stahl in geschmolzenes Zink getaucht wird. Nachfolgend finden Sie eine kurze Beschreibung der Stahlverzinkung:

Der Galvanisierungsprozess

Das bekannteste Verzinkungsverfahren, das eine gute Korrosionsbeständigkeit gewährleistet, ist das Feuerverzinken, das aus mehreren Schritten besteht, die im Folgenden erläutert werden:

Oberflächenvorbereitung

Zunächst wird der Stahl einer Oberflächenvorbereitung unterzogen, bevor er verzinkt wird. Dies kann in drei Schritten erfolgen, die im Folgenden beschrieben werden:

• Entfetten und Reinigen:Schmutz, Öl und andere Verunreinigungen werden mithilfe einer alkalischen Lösung entfernt, um eine fehlerfreie Zinkbeschichtung sicherzustellen.
• Beizen:Nach der Reinigung wird der Stahl in Schwefel- oder Salzsäure getaucht, wodurch zusätzlich Oxide oder eventuell vorhandener Rost auf der Stahloberfläche entfernt werden.
• Flussmittel:Anschließend wird der Stahl in eine Flussmittellösung aus Zinkammoniumchlorid getaucht, die eine Schutzschicht bildet, die eine Oxidation vor dem Verzinken verhindert. Dieser Prozess trägt auch dazu bei, die Haftfähigkeit der Zinkbeschichtung auf Stahl zu verbessern.

Feuerverzinkung

Der Prozess umfasst das Eintauchen des sauberen Stahls in ein geschmolzenes Zinkbad, das normalerweise eine Temperatur von 450 °C hat. Der Prozess umfasst die folgenden Schritte:

• Eintauchen von Stahl in ein geschmolzenes Zinkbad:Durch dieses Eintauchen kommt es zu einer Reaktion zwischen Zink und Stahl, wodurch sich Zinklegierungsschichten bilden und der Stahl vollständig mit Zink beschichtet wird.
• Bildung von Zink-Eisen-Legierungsschichten:Diese Bildung findet während des Eintauchens statt und sorgt für eine starke Bindung und erhöht die Korrosionsbeständigkeit. Übliche Schichten, die während des Eintauchens entstehen, sind Gamma-, Delta- und Zetaphasen, die die allgemeine Haltbarkeit verbessern.
• Kontrolle der Zinkbeschichtungsdicke:Dies kann durch die Anpassung bestimmter Parameter gesteuert werden, darunter Tauchzeit, Temperatur des Bades und Geschwindigkeit, mit der der Stahl aus dem Bad entnommen wird.

Nachbehandlung

Sobald der Stahl verzinkt ist, durchläuft er die folgenden Nachbehandlungsschritte:

• Abkühlung und Verfestigung der Zinkbeschichtung:Der verzinkte Stahl wird nach der Entnahme aus dem Zinkbad an der Luft oder durch einen bestimmten Kühlprozess abkühlen gelassen.
• Prüfung auf Defekte und Gleichmäßigkeit der Beschichtung:Es wird eine Sichtprüfung durchgeführt, um etwaige Beschichtungsfehler festzustellen. Darüber hinaus werden Dicke und Gleichmäßigkeit mithilfe spezieller Instrumente beurteilt.
• Anwendung zusätzlicher Behandlungen:Je nach Anwendungsbedarf kann ein zusätzlicher Prozess zur Verzinkung des Stahls durchgeführt werden. Zur Verbesserung der Haftung und Oberflächenhärte wird eine Verzinkung durchgeführt. Darüber hinaus kann eine Zinkphosphatbeschichtung zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durchgeführt werden.

Abbildung 5: Schrittweiser Prozess zum Verzinken von Stahl 

Materialeigenschaften von verzinktem Stahl

Verzinkter Stahl verfügt über einzigartige Eigenschaften, die im Folgenden näher erläutert werden:

Korrosionsbeständigkeit

Dieser Stahl weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, da die Zinkbeschichtung als Opferbarriere fungiert. Die Phänomene hinter diesem Opferverhalten und dem Schutz des Stahls vor Rost werden im Folgenden erläutert:

Die Zinkschicht als Opferbarriere

Die Zinkschicht aus verzinktem Stahl fungiert als Opferbarriere, die letztendlich Korrosionsbeständigkeit unter aggressiven Umweltbedingungen bietet. Zink wird im Vergleich zu Stahl stark von Sauerstoff und Feuchtigkeit in der Umgebung angezogen, daher korrodiert Zink zuerst, während es die Stahlkomponente schützt. Diese Opferwirkung verlängert die Lebensdauer des Stahls.

Wie Zink Stahl vor Rost schützt

Die Bildung von Zinkoxid und Zinkhydroxid findet statt, wenn das Zink korrodiert. Diese Oxidbildung bildet eine passive Schicht auf der Oberfläche des Stahlbauteils und bietet eine physikalische Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit, die mit dem Stahlbauteil in direkten Kontakt kommen. In einigen Fällen, wenn diese Beschichtung beschädigt wird, bieten die Zinkreste dem Stahl durch ihre Opferwirkung immer noch Schutz.

Der elektrochemische Prozess der Zinkkorrosion

Dies. Der elektrochemische Prozess führt zur Korrosion von Zink, wobei die Zinkbeschichtung als Anode fungiert, während das Stahlbauteil als Kathode fungiert. Der Elektrolyt ist in diesem Fall Sauerstoff oder Feuchtigkeit, die den Elektronenfluss unterstützen. Infolgedessen findet am Zink eine Oxidation statt, während an der Kathode eine Reduktion stattfindet, was letztendlich zu einem Prozess führt, der die Bildung von Rost am Stahlbauteil verhindert.

Faktoren, die die Korrosionsbeständigkeit beeinflussen

Wichtige Faktoren, die die Korrosionsbeständigkeit beeinflussen, sind:

Dicke der Zinkbeschichtung

Die Dicke der Zinkbeschichtung hat einen starken Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit. Beschichtungen mit ausreichender Dicke bieten im Vergleich zu dünnen Beschichtungen eine höhere Korrosionsbeständigkeit.

Art der Zinkbeschichtung (galvanisiert vs. galvanisch beschichtet)

Verzinkte Beschichtungen bieten im Vergleich zu galvanisierten Beschichtungen eine höhere Widerstandsfähigkeit, da sie aus einer dickeren Schicht bestehen und aggressiven Bedingungen standhalten können. Andererseits sind galvanisierte Beschichtungen für milde Umgebungsbedingungen geeignet.

Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeit, Temperatur, Schadstoffe)

Die Art der Umgebung, der das Stahlbauteil standhalten muss, hat großen Einfluss auf seine Korrosionsbeständigkeit. Aggressive Bedingungen wie Feuchtigkeit, erhöhte Temperaturen und andere Schadstoffe können die Korrosion beschleunigen.

Chemische Zusammensetzung von verzinktem Stahl

Nachfolgend finden Sie die chemische Zusammensetzung von verzinktem Stahl:

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung von verzinktem Stahl

Mechanische Eigenschaften von verzinktem Stahl

Nachfolgend werden die mechanischen Eigenschaften von verzinktem Stahl kurz beschrieben [21] [22] [23]:

Dichte von verzinktem Stahl

Verzinkter Stahl hat eine Dichte, die zwischen 7.85 und 8.15 g/cm³ liegt.

Langlebigkeit

Es weist aufgrund der unten genannten Faktoren eine außergewöhnliche Haltbarkeit auf:

Widerstandsfähigkeit gegen raue Umgebungen

Seine Widerstandsfähigkeit gegen aggressive Umweltbedingungen wie Schadstoffe und Feuchtigkeit usw. verdankt es der Opferwirkung der Zinkbeschichtung.

Schutz vor Witterungseinflüssen und UV-Strahlung

Die Zinkbeschichtung bietet einen guten Schutz vor UV-Strahlung sowie Witterungseinflüssen und erhöht die Lebensdauer von Stahlbauteilen.

Widersteht extremen Temperaturen

Es hält extremen Temperaturbereichen stand, ohne dass es zu irgendeiner Verschlechterung der Materialkomponenten kommt.

Unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Chemikalien

Die Fähigkeit von verzinktem Stahl, aufgrund der Schutzbeschichtung aggressiven Bedingungen standzuhalten, macht ihn leistungsfähig genug für anspruchsvolle Anwendungen.

Stabilität

Verzinkter Stahl behält seine natürliche Festigkeit und weist gleichzeitig bessere mechanische Eigenschaften auf:

Zugfestigkeit und Streckgrenze

• Verzinkter Stahl behält seine hohe Zugfestigkeit und Streckgrenze, die für Strukturbauteile von entscheidender Bedeutung sind.

Duktilität und Schlagfestigkeit

• Es weist eine ausreichende Duktilität und Schlagfestigkeit auf, sodass es abrupte Stöße überstehen kann, ohne zu brechen.

Härte und Verschleißfestigkeit

• Die Zinkbeschichtung verbessert die Oberflächenhärte sowie die Verschleißfestigkeit dieses Stahls und macht ihn für Anwendungen geeignet, bei denen Abriebfestigkeit erforderlich ist.

Elastizitätsmodul

Der Elastizitätsmodul dieses Materials beträgt etwa 200 GPa, was zeigt, dass es Belastungen standhalten kann, ohne sich plastisch zu verformen.

Volumenmodul

Verzinkter Stahl hat einen Kompressionsmodul von 160 GPa.

Poisson-Verhältnis

Ebenso beträgt die Giftquote für verzinkten Stahl 0.3.

Schubmodul

Der verzinkte Stahl weist einen Schermodul von 80 GPa auf, was seine Fähigkeit zeigt, Scherkräften standzuhalten.

Zusammenfassung der Tabelle mit den mechanischen Eigenschaften von verzinktem Stahl

Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften von verzinktem Stahl

Formbarkeit

Verzinktes Material kann ohne Beeinträchtigung seiner mechanischen Eigenschaften in verschiedene Formen gebracht werden:

Kaltumformungsverfahren

Es kann verschiedenen Kaltverformungsprozessen unterzogen werden, darunter Biegen, Walzen und Stanzen, wodurch es die Tendenz zeigt, verschiedene Formen anzunehmen und für zahlreiche Anwendungen leicht verfügbar zu sein, ohne seine strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.

Herstellungstechniken

Dieser verzinkte Stahl kann je nach Anwendungsbedarf verschiedenen Fertigungsverfahren wie Schweißen, Schneiden und Bohren unterzogen werden. Bei der Anwendung aller Verfahren ist jedoch Vorsicht geboten, um Schäden an der Zinkbeschichtung zu vermeiden.

Bearbeitungsmöglichkeiten

Dieses Material lässt sich bearbeiten, was dem Hersteller letztendlich die Möglichkeit gibt, je nach Bedarf und Anforderung der Anwendung verschiedene Vorgänge wie Drehen, Bohren oder Fräsen durchzuführen.

Verzinkte Stahloberflächen

Verzinkter Stahl erhält eine gute Oberflächenbeschaffenheit. Die wichtigsten Oberflächeneigenschaften sind nachstehend aufgeführt:

Oberflächeneigenschaften

• Verfügt über eine gute Glätte, die dem Stahlbauteil ein ästhetisch ansprechendes Aussehen verleiht.
• Die Zinkbeschichtung ermöglicht eine außergewöhnliche Haftung von Beschichtungen und Farbe mit lang anhaltender Sicherheit.
• Verfügt über eine gute Bedruckbarkeit, die sie hinsichtlich der Ausführung verschiedener Architekturanwendungen flexibel genug macht.

Kosteneffizienz

Verzinkter Stahl hat aufgrund des Verfahrens des Aufbringens einer Zinkbeschichtung höhere Anschaffungskosten. Daher ist er im Vergleich zu verschiedenen anderen Materialien kostspielig, aber wenn es um langfristige Einsparungen geht, ist dieses Material viel vorteilhafter, da es wenig Wartung erfordert, aggressiven Umgebungen standhält und umgekehrt.

Alternativen zu verzinktem Stahl

Wenn wir über Alternativen zu verzinktem Stahl nachdenken, sollten wir Faktoren wie Kosten, Umweltbedingungen, mechanische Eigenschaften und umgekehrt berücksichtigen. Die folgenden Materialien sind jedoch die besten Alternativen:

• Edelstahl
• Aluminium
• Beschichteter Kohlenstoffstahl
• Kunststoffe
• Composite

Vorteile von CNC-Bearbeitungsteilen aus verzinktem Stahl in der Fertigung

CNC-Bearbeitung ist eine der neuesten Technologien, um ein bestimmtes Material je nach Art und Bedarf der Anwendung in eine bestimmte Form oder Größe zu bringen. Der Unterschied zwischen herkömmlicher und CNC-Bearbeitung liegt in Genauigkeit und Präzision. Wie alle anderen Materialien lässt sich verzinkter Stahl aufgrund seiner Formbarkeit gut CNC-bearbeiten, ohne seine mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Es gibt viele Vorteile von CNC-bearbeiteten Teilen aus verzinktem Stahl in der Fertigung. Einige davon sind in der folgenden Abbildung aufgeführt:

Abbildung 6: Vorteile von CNC-Bearbeitungsteilen aus verzinktem Stahl

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass verzinkter Stahl eines der vielseitigsten Materialien ist und für zahlreiche Anwendungen weithin akzeptiert wird, egal ob Sie ihn für die Fertigung, das Bauwesen oder einen anderen Sektor wählen. Darüber hinaus macht die Zinkbeschichtung oder besser gesagt die Schutzbeschichtung, die dem Stahl einen enormen Schutz gegen aggressive Bedingungen bietet, ihn zu einer beliebten Wahl für Anwendungen, bei denen eine Beständigkeit gegen stark korrosive Umgebungen erforderlich ist. Schließlich machen seine Bearbeitungsmöglichkeiten dieses Material zu einem guten Kandidaten, wenn hohe Präzision und Genauigkeit der Stahlkomponenten erforderlich sind. Daher ist dieses Material ein wertvoller Beitrag in der Fertigungspraxis.