Projekt 20650/01

Vorbewitterung von verzinkten Stählen zur Reduzierung des Zinkeintrags in die Umwelt

Projektträger

Rietbergwerke GmbH & Co. KG
Bahnhofstr. 55
33397 Rietberg
Telefon: 05244/983-222

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Projekt zielte auf eine Vorbewitterung verzinkter Stahlbauteile, um mit einer Vorbehandlung der Oberflächen die Korrosionsgeschwindigkeit des Zinküberzugs zu reduzieren. Insbesondere die anfänglich stark erhöhte Schwermetallfreisetzung sollte vermindert werden.
Das Feuerverzinken als Lebensdauer verlängernde Korrosionsschutzmaßnahme führt zu erheblichen Umweltentlastungen und Ressourceneinsparungen. Bei jährlich 1,6 Mio. t feuerverzinktem Stahl werden dabei deutschlandweit ca. 250 t/a Zink freigesetzt. Diese Schwermetallemissionen sollten durch eine Vorbewitterung direkt im Anschluss an das Feuerverzinken reduziert werden. Neben hoher Korrosionsfestigkeit und Langzeitstabilität mussten vor allem optische Anforderungen erfüllt werden, da das Feuerverzinken oft eine Endlackierung ersetzt. Es war eine Beizerezeptur zu entwickeln, mit der in der Seppe-ler-Firmengruppe eingesetzte Verzinkungsrezepturen erfolgreich nachbehandelt werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Projekt erfolgte die Entwicklung einer optimalen Beizezusammensetzung und einer Nachbehandlung zur Reduzierung der Run-off-Rate.
Zunächst im Labormaßstab wurde eine Kombination aus einem Säure-Aktivierungsschritt, dem eigentli-chen Vorbewitterungsprozess und nachfolgendem Tauchen in eine Polymerlösung erprobt, um die Zinkfreisetzung zu reduzieren.
Proben mit verschiedenen geometrischen Maßen der Stahlsorte SJ 235 (ST 37) wurden in unterschiedlichen Verzinkereien der Seppeler-Gruppe verzinkt. Die verzinkten Proben wurden vor dem Vorbewittern in Aktivierungsbäder getaucht. Dabei entstand je nach Aktivierungslösung und Konzentration eine Vorfärbung der Probe. Der Beize aus Schwefelsäure und Salpetersäure wurden unterschiedliche Metallionen zugegeben, um die gewünschte gleichmäßige Graufärbung zu erreichen. Auch Tauchzeit und Verdün-nung wurden variiert. Verschiedene Nachbehandlungen wurden getestet.
Vorbewitterte und nachbehandelte Proben wurden im Konstantklimatest (KK-Test) auf Weißrostbildung untersucht. In Prüfungen nach DIN 50 017 wurde das Verhalten bei hoher Luftfeuchte und 40 °C untersucht. Auch das Verhalten an der Atmosphäre wurde in einem Freiland-Langzeittest beobachtet. Bei diesen Proben wird im aufgefangenen Regenwasser der Zinkgehalt analysiert.


Ergebnisse und Diskussion

Die Korrosionsgeschwindigkeit von Zinkoberflächen wurde durch Vorbewitterung drastisch reduziert. Die elektrochemisch bestimmte Korrosionsgeschwindigkeit wurde um den Faktor vier gesenkt. Auch Verfärbungen wurden durch Rezepturmodifikationen vermindert.
Neben der Beize zur künstlichen Vorbewitterung wurde eine zusätzliche Oberflächenaktivierung vor dem Beizen angewandt, um gleichmäßig graue Oberflächen zu erhalten. Um Schwärzungen durch unterschiedlich lange Tauchzeiten zu vermeiden, wurden verschiedene Beizeverdünnungen erprobt und Inhibi-toren eingesetzt. Als Schutz gegen Weißrostbefall der durch das Beizen aktivierten Oberflächen wurde eine zusätzliche Nachbehandlung mit einem wässrigen Polymerlacksystem entwickelt. Zugleich konnte der Eintrag von Zink in die Umwelt um mindestens 50 % vermindert werden.
Vorbewitterungsversuche mit der Zugabe von 25 g/L Zink-Ionen zur Beize H2SO4/HNO3 (Standard) zeigten eine gleichmäßig dunkle Graufärbung die dem natürlich bewitterten Zink entsprach. Wie aus den e-lektrochemischen Messungen zu erkennen ist, wurde auch die Korrosionsgeschwindigkeit um den Faktor 4 reduziert. Die Senkung der Korrosionsstromdichte der verzinkten Proben beeinflusst aber nicht die Löslichkeit der Zinkoberfläche an der Atmosphäre.
Nach der Senkung des Bleigehaltes in der Schmelze zeigten die verdünnte Beize 1/5 H2SO4/HNO3 mit den Zugaben 5 g/L Zn + 0,2 g/L Pb + 0,2 g/L Sn die beste Graufärbung im Vergleich mit natürlich bewitterten Zinkschutzschichten. Eine Aktivierung mit 10 %iger H2SO4 oder 1 molarer NaOH + 0,1 molarem Na2CO3 unterstützt die Gleichmäßigkeit und die dunkle Graufärbung der verzinkten Proben. Bei dieser Kombination sind in der Technikumsanlage Tauchzeiten von 1 bis 5 min möglich. Längere Tauchzeiten ergeben eine Schwärzung der verzinkten Bauteile.
Die REM-Aufnahmen zeigen, dass die Bleimenge auf der vorbewitterten Oberfläche mengenmäßig nicht mehr beträgt als die Bleimenge, die durch die gering bleihaltige Schmelze auf der verzinkten Oberfläche aufgebrachte wurde.
Die Nachbehandlung auf der Basis eines Lacksystems V 489 senkt den Zinkeintrag in die Umwelt um mindestens 50 %. Dabei zeigen sich auf der vorbewitterten Oberfläche auch nach längerer Zeit keine Weißrostprodukte.
Die Einlagerung von Chloriden in die Vorbewitterungsbecken kann dadurch verhindert werden, dass die Anlage zur Vorbewitterung nicht im direkten Einflussgebiet der Verzinkerei untergebracht ist. Grünliche Verfärbungen auf der Probenoberfläche sind ein Zeichen für die dringende Erneuerung der Beizmi-schung.
Auch das Eintauchen der verzinkten Bauteile bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zeigt keine großen Auswirkungen auf die Farbgebung. Damit kann gewährleistet werden, dass auch größere Bauteile, die schrittweise eingetaucht werden, eine gleichmäßige Färbung erhalten, solange die Eintauchzeit nicht zu stark abweicht.
Bei vorangegangenen Untersuchungen traten bei der Vorbewitterung an T-Trägern Schwärzungen der Stege und der Unterseite des Trägers auf. Das Problem der Schwärzung der T-Träger kann durch Inhibieren des Aktivierungsbades und der Beize behoben werden.
Die Graumuster zeigen deutlich, dass keine starke Farbänderung in Abhängigkeit der Tauchzeit auftritt. Eine unterschiedliche Farbgebung durch die beiden Aktivierungsbäder ist aber klar zu erkennen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Projekt und seine Ergebnisse werden auf einem GAV-Forschungskolloquium sowie internationalen Fachmessen, z. B. der Intergalva 2008 präsentiert. Eine Patentanmeldung ist 2006 erfolgt.


Fazit

Das Ziel, die Korrosionsgeschwindigkeit von Zinkoberflächen durch eine Vorbewitterung zu erniedrigen, wurde erreicht. Die elektrochemisch bestimmte Korrosionsgeschwindigkeit wurde ca. um den Faktor vier reduziert. Durch eine zusätzliche Nachbehandlung konnte die Run-off-Rate, also der Eintrag von Zink in die Umwelt, erheblich reduziert werden. Die gemessenen Werte schwanken etwas und liegen zwischen 33 und 77 % des ursprünglichen Wertes, so dass man davon ausgehen kann, dass die Run-off-Rate in etwa halbiert wurde. Daher ist dieses Projekt als ausgesprochen erfolgreich anzusehen. Eine Überfüh-rung in die Praxis ist geplant.