Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss des Wasserstoffs auf die Schichtbildungsreaktionen beim Stückverzinken beruhigter Baustähle unter besonderer Berücksichtigung der Aluminiumberuhigung

Zinküberzüge aus der Stückverzinkung sind dadurch gekennzeichnet, dass durch die Reaktion des schmelzflüssigen Zinks mit dem Eisen der Stahlwerkstoffe typische Überzüge aus unterschiedlichen Zn-Fe-Legierungsphasen entstehen. Diese Schichtbildung wird bei der Normaltemperaturverzinkung durch Legierungselemente im Stahl, besonders Silizium und Phosphor sowie neueren Erkenntnissen zufolge Aluminium, beeinflusst. Dies erfolgt dadurch, dass diese Legierungselemente die Reaktivität des Stahls mit dem flüssigen Zink beeinflussen, indem sie sich hinsichtlich der Wasserstoffaufnahme, des Diffusionsvermögens und der Wasserstoffeffusion auswirken. Während die Wirkung des Siliziums im Zusammenspiel mit dem Phosphor im Rahmen umfangreicher wissenschaftlicher Arbeiten untersucht wurde, liegen für die Wirkung des Aluminiums nur sehr allgemeine Aussagen vor. So führten vorangegangene Forschungsarbeiten zu der Erkenntnis, dass Niedrigsiliziumstähle mit ca. 0,05 Ma-% Aluminium eine erhöhte Wasserstoffaufnahme aufweisen, die in der Größenordnung vom Sandelinstahl liegt.

Nach derzeitigem Kenntnisstand stehen verschiedene Verzinkungsprobleme im Zusammenhang mit der Al-Beruhigung, ohne dass die genauen Wirkzusammenhänge bekannt sind (Schlierenbildung, streifig überhöhte Überzüge, Schwarzfleckigkeit und Nichterreichen der Mindestschichtdicke). Daher können noch keine Abhilfemaßnahmen getroffen werden und es resultieren hohe Nacharbeitskosten.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, den Einfluss der Al-Beruhigung auf die Wasserstoffaufnahme der Stähle, die Diffisions- und Effusionsvorgänge und letztlich die daraus resultierenden Schichtbildungsmechanismen näher zu untersuchen. Dabei sollen alle Prozessschritte der Stückverzinkung diesbezüglich analysiert werden, um auf diese Weise die entscheidenden Fehlervermeidungsstrategien abzuleiten.

Verallgemeinernd soll die wasserstoffbasierte Schichtbildungstheorie beim Stückverzinken um den Aspekt der Aluminiumberuhigung erweitert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsprojektes war es, durch systematische Untersuchungen zum Wasserstoffverhalten zu erlangen und daraus Rückschlüsse zum Verzinkungsverhalten zu ziehen. Dazu wurden die zu verzinkenden Stähle hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und Gefügestruktur charakterisiert. Unter Laborbedingungen wurde das Werkstoffverhalten hinsichtlich des Wasserstoffs analysiert. Dabei wurden Lieferzustand, elektrolytische Beladung sowie die Prozessstufen des Stückverzinkens betrachtet. Dies beinhaltete die Einbeziehung unterschiedlicher Vorbereitungsmedien aus Verzinkungsbetrieben. Mittels Heißgasextraktion wurden Beladungskurven und Effusionsprofile der Werkstoffe erstellt.

Mit denselben Vorbereitungsmedien und unter Einsatz verschiedener Zinkschmelzen wurden die Werkstoffe bei unterschiedlichen Verzinkungstemperaturen verzinkt.

Die dabei erzielten Zinküberzüge entsprachen hinsichtlich Schichtdicke und -struktur fast ausschließlich dem Stand des Wissens. Systematische Verzinkungsfehler traten nicht auf. Es war keine eindeutige Relation zum Wasserstoffverhalten feststellbar. Diesbezüglich sehr unterschiedliche Werkstoffe zeigten vergleichbare Verzinkungsergebnisse.

Das Ziel der Fortschreibung der wasserstoffbasierten Schichtbildungstheorie konnte so nicht erreicht werden. Es zeigte sich vielmehr, dass die Schichtbildung komplexer sein muss als bisher angenommen und weitere, nicht bekannte Einflussfaktoren zu berücksichtigen sind.

Erkenntnis aus dem Projekt ist auch, dass Verzinkungsfehler in der Praxis offenbar auch auf zufällige und nicht erfassbare Abweichungen von den planmäßigen Verzinkungsbedingungen zurückzuführen sind. Die Untersuchungen haben nachgewiesen, dass eine Überdosierung von Aluminium in der Schmelze zu Minderschichtdicken führen kann. Für die Verzinkungspraxis ist dies ein wichtiger Hinweis, diesem Problem entsprechende Aufmerksamkeit zu widmen. Dies ist unmittelbar mit Vorliegen der Ergebnisse umsetzbar.