Spezielle Baustofflehre Baumetalle -...
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Baustofflehre 2010
Thomas A. BIER
Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg,
Spezielle Baustofflehre
Baumetalle
Baustofflehre 2010
Baumetalle
Stahl und Eisen
Aluminium
Kupfer
Zink
Titan
Blei
Baustofflehre 2010
Anwendungen für Metalle im Bau
Bewehrung in Beton
Bewehrungsstahl
Spannstahl
Stahlbau
Brücken, Türme, Hochhäuser, Hallen
Bedachungen
Kupfer, Titanzink, Verzinktes Stahlblech
Leitungen – Rohre
Kupfer für Wasser, früher Blei
Geländer - Balkone
Verzinkter Stahl, Edelstahl
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Herstellung - Eisen
Ausgangsstoffe
Eisenerze enthalten 20 - 70 M.-% Eisenoxide:
Fe3O4 Magneteisenstein
Fe2O3 Roteisenstein
Fe2O3·3H2O Brauneisenstein
und die sog. Gangart:
SiO2 Kieselsäure
Al2O3 Tonerde
CaCO3 Kalkstein
MgO Magnesia
Zuschlag: Prozessregulierende Stoffe z. B. Kalk
Brennstoff: meist Koks
Durch die Reduktion der Eisenerze und Reaktion von Eisenerz, Koks, Zuschlag und Luft entstehen:
Roheisen + Schlacke
Das Roheisen wird weiterverarbeitet zu
Gusseisen: 2,1 M.-% < C < 4,3 M.-%
Stahl: C < 2,1 M.-%
Die Schlacke dient als Zuschlag (grob) oder Zusatzstoff (Hüttensand)
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Herstellung - Eisen
Der Hochofen besteht aus einem bis zu 100
Meter hohen und mit feuerfesten Steinen
ausgekleideten Behälter. Er wird oben immer
abwechselnd mit einem Gemisch aus Erz und
Kalk (= Möller) und mit Koks beschickt. Der
Koks reagiert mit der über Ringleitungen
zugeführten Heißluft zu Kohlenstoffmonoxid.
Dieses reduziert in einer Redoxreaktion das
Eisenerz zu Roheisen. Dabei wird es selbst zu
Kohlenstoffdioxid weiter oxidiert. Beide
Kohlenstoffoxide treten in der Gicht, dem
oberen Teil des Hochofens, aus und gelangen zu
den Winderhitzern. Dort wird das brennbare
Kohlenstoffmonoxid entzündet und zum
Aufheizen der Luft verwendet, die wieder über
die Ringleitungen in den Hochofen
hineingeführt wird.
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Herstellung - Stahl
Das Roheisen ist insbesondere wegen seines zu hohen Gehaltes an Kohlenstoff sowie
anderer Bestandteile, z. B. Phosphor und Schwefel, zu spröde und nicht schmiedbar.
Bei der Stahlherstellung werden der C-Gehalt reduziert und die unerwünschten
Bestandteile ausgeschieden. Dies geschieht durch Zufuhr von Sauerstoff (Frischen),
der zu einem Verbrennen u.a. des Kohlenstoffs führt. Phosphor wird durch Zugabe
von Kalk gebunden.
Die wichtigsten Verfahren zur Stahlherstellung sind das
Thomas-Verfahren (Windfrischverfahren)
Siemens-Martin-Verfahren
Sauerstoff-Aufblas-Verfahren
Elektrostahl-Verfahren.
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Herstellung - Stahl
Baustofflehre 2010
Herstellung - Stahl
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Klassifizierung von Stahl
Nach der europäischen Norm EN 10020 werden die Stähle eingeteilt
- nach der chemischen Zusammensetzung oder nach Hauptgüteklassen
Es wird unterschieden zwischen
unlegierten Stählen legierten Stählen
Grundstähle -
unlegierte Qualitätsstähle legierte Qualitätsstähle
unlegierte Edelstähle legierte Edelstähle
Unlegierte Grundstähle
sind für eine Wärmebehandlung nicht geeignet. Die Erfüllung der an sie gestellten
Güteanforderungen erfordert keine besonderen Maßnahmen bei der Herstellung. Solche Stähle kommen
im wesentlichen nur zum Kaltbiegen in Betracht.
Unlegierte Qualitätsstähle
haben im Vergleich zu unlegierten Grundstählen schärfere oder zusätzliche
Anforderungen zu erfüllen, z. B. bezüglich Sprödbruchempfindlichkeit, Korngröße oder Verformbarkeit. Zu
den unlegierten Qualitätsstählen zählen die meisten Stähle für den Stahlbau nach DIN EN 10025 sowie
die Betonstähle.
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Klassifizierung von Stahl
Unlegierte Edelstähle
haben höhere Anforderungen bezüglich ihres Reinheitsgrades zu erfüllen. Sie sind
meist für eine Vergütung oder Oberflächenhärtung bestimmt und erfüllen hohe Anforderungen bzgl.
Verformbarkeit, Schweißeignung, Zähigkeit usw. Den unlegierten Edelstählen sind u.a. Spannbetonstähle
zuzuordnen.
Legierte Qualitätsstähle
Sie entsprechen den unlegierten Qualitätsstählen, enthalten aber Legierungselemente, z. B. Cr, Cu, Mn,
Mo, Ni, Ti u.a., um bestimmte Eigenschaften zu optimieren. Solche Stähle sind im allgemeinen nicht für
eine Vergütung oder Oberflächenhärtung geeignet. Zu den legierten Qualitätsstählen gehören z. B.
schweißbare Feinkornstähle für den Druckbehälter- und Rohrleitungsbau, Stähle für Schienen und für
Spundwanderzeugnisse sowie warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse für schwierige
Kaltverformungsarbeiten.
Legierte Edelstähle
Dies sind Stähle, denen durch eine genaue Einstellung ihrer chemischen Zusammensetzung sowie der
Herstellungs- und Prüfbedingungen bestimmte Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften verliehen
werden. Legierte Edelstähle sind u.a. wetterfeste Baustähle nach DIN EN 10155 und nichtrostende
Baustähle.
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Allgemeine Baustähle
Sie sind in DIN EN 10025 genormt. Diese Norm enthält die Anforderungen an Lang- und Flacherzeugnisse aus warmgewalzten unlegierten Grund- und Qualitätsstählen entsprechend den nachfolgenden Tabellen. (EN 10025 wird z. Zt. überarbeitet.)
Die Bezeichnung der Stähle erfolgt entweder nach deren Zugfestigkeit und nach Gütegruppen oder nach Werkstoffnummern. Stähle der Gütegruppen 0; 2 und B sind Grundstähle, jene der Gütegruppe C, D1,D2, DD1 und DD2 sind Qualitätsstähle. Die Schweißeignung verbessert sich von der Gütegruppe B, C,D1, D2, DD1 bis DD2.
Der Desoxidationsgrad gibt Aufschluss über das Erschmelzungsverhalten bei der Stahlherstellung:
Freigestellt: nach Wahl des Herstellers
FU: unberuhigter Stahl
FN: unberuhigter Stahl nicht zulässig
FF: vollberuhigter Stahl
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Allgemeine Baustähle
Baustofflehre 2010
Allgemeine Baustähle
Baustofflehre 2010
Wetterfeste und Nichtrostende Baustähle
Wetterfeste Baustähle sind legierte Edelstähle. Sie sind in der Europäischen Norm EN 1055 erfasst.
Wetterfesten Stählen wird eine bestimmte Anzahl von Legierungselementen zugesetzt, z. B. P, Cu, Cr,
Ni, Mo, Mn, um den Widerstand der Stähle gegen atmosphärische Korrosion zu erhöhen, indem sich
unter dem Einfluss der Witterungsbedingungen schützende Oxidschichten auf dem Grundwerkstoff
bilden.
Einen Überblick der Zusammensetzung und der mechanischen Eigenschaften solcher Stähle geben
die nachfolgenden Tabellen.
Nichtrostende Stähle sind in Deutschland auch unter bestimmten Werksnamen, z. B. V2A, V4A,
Nirosta und Remanit bekannt. Sie werden in verschiedenen deutschen Normen oder in
bauaufsichtlichen Zulassungen behandelt.
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Wetterfeste Baustähle
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Wetterfeste Baustähle
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Betonstähle
Die Betonstähle dienen der Bewehrung von Stahlbetonkonstruktionen und
gehören zur Gruppe der unlegierten Qualitätsstähle. In Deutschland sind sie in
DIN 488 Teil 1 genormt. Weitere Angaben dazu finden sich in der DIN 1045. Alle
in diesen Normen erfassten Stähle sind schweißgeeignet.
Sie werden in 2 Verarbeitungsformen hergestellt und geliefert:
- als Betonstabstahl: die Sorten III S und IV S
- als Baustahlmatten: die Sorte IV M.
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Betonstähle
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Betonstahl
Zur Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Bewehrung und Beton sind die Betonstähle an
ihrer Oberfläche mit Rippen versehen, die für die verschiedenen Stahlsorten unterschiedlich sind.
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Betonstahl
Betonstabstähle können nach folgenden Verfahren hergestellt werden:
. warmgewalzt, ohne Nachbehandlung
. warmgewalzt, an der Walzhitze wärmebehandelt (z. B. Tempcore-Stähle)
. kaltverformt, durch Verwinden oder Recken des warmgewalzten Ausgangsmaterial
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Spannstähle
Spannstähle werden beim Bau von vorgespannten Betonkonstruktionen eingesetzt. Im Vergleich zu Betonstählen besitzen sie im allgemeinen eine deutlich höhere Zugfestigkeit und Streckgrenze. Sie gehören meist zur Gruppe der unlegierten Edelstähle. In Deutschland sind die Spannstähle z. Zt. nicht in einer Norm erfasst, sondern sie benötigen eine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik.
Die zugelassenen Spannstähle weisen Streckgrenzen bzw. Zugfestigkeiten im Bereich von 835/1030 N/mm2 bis 1570/1770 N/mm2 bei Bruchdehnungen von ca. 6 % auf.
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Eigenschaften von Stahl
Strukturunabhängige Eigenschaften
Elastizitätsmodul E 200000 - 210000 N/mm2
Schubmodul G 81000 N/mm2
Dichte je nach C-Gehalt 7,83 - 7,88 kg/dm3
Wärmeausdehnungskoeffizient
je nach C-Gehalt 10,7 - 11,5·10 - 6 1/K
Wärmeleitfähigkeit 13,4·104 J/mhK
Festigkeit
Reines Eisen βZ: . 180 N/mm2
Baustähle 300 - 700 N/mm2
Spannstähle: 600 - 2000 N/mm2
Kaltgezogene Stahldrähte: 2000 - 4000 N/mm2
Dauerstandfestigkeit
Baustähle zeigen bei Raumtemperatur kein Absinken der Festigkeit unter langandauernder
statischer Beanspruchung, so dass die Dauerstandfestigkeit etwa gleich der Kurzzeitfestigkeit ist.
. Kriechen und Relaxation
Allgemeine Baustähle zeigen bei normaler Temperatur und Spannungen unterhalb der Streckgrenze keine nennenswerten Kriechverformungen. Bei hochfesten Spannstählen können jedoch auch bei Normaltemperatur deutliche Kriechverformungen auftreten
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Plastische Verformbarkeit
Die plastische Verformbarkeit der Stähle sinkt mit steigender Zugfestigkeit.
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Gusseisen
Charakteristische Zusammensetzung: 2,1 M.-% < C < 4,3 M.-%.
Klassifizierung des Gusseisens
Bezeichnung nach der Zugfestigkeit in N/mm2 und der Herstellungsart:
GS: Stahlguss
GG: Grauguss
TG: Temperguss
GGG: Grauguss mit Kugelgraphit
Beispiel: GS-450
Stahlguss mit einer Mindestzugfestigkeit von 450 N/mm2
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Eigenschaften Gusseisen
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Das Aluminium
Ausgangsstoffe
Aluminium ist das weitverbreitetste Metall der Erdkruste. Es ist im Allgemeinen stark
chemisch gebunden.
Häufigstes Erz: Bauxit mit einem Gehalt an Al2O3 von 55 bis 65 M.-%.
Gewinnung von Aluminium:
(1) Aufbereitung des Aluminiumerzes zur Abtrennung von Al2O3 (Bayerverfahren)
(2) Gewinnung von Aluminium aus Al2O3 im Elektrolyseofen.
Einsatz von Aluminium in Form von Legierungen
Wichtigste Legierungskomponenten: Cu, Mg, Mn, Si, Zn
Weniger häufig: Ni, Fe, Co, Ti, Cr
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Herstellung – Aluminium – Bayer Prozess Beim Bayer-Prozeß wird der Bauxit zunächst
unter Druck in Autoklaven in heißer
Natronlauge aufgeschlossen. In der
anschließenden Fest-Flüssig-Trennung werden
die unlöslichen Bestandteile des Bauxits als
sogenannter Rotschlamm abgetrennt und
deponiert. Je t produzierter Tonerde fällt so bis
zu einer t zu deponierender Rotschlamm an,
der aufgrund der anhaftenden Restlauge stark
alkalisch ist. Die flüssige Phase aus der Fest-
Flüssig-Trennung wird in Ausrührbehälter
gegeben, in welchen unter Zugabe von
Kristallistionskeimen Aluminiumhydroxid
ausgefällt wird.
Als letzte Verfahrensstufe schließt sich eine
Kalzinierung an, durch welche das
Wasser aus dem Aluminiumhydroxid
ausgetrieben wird und somit die Tonerde
produziert wird.
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Herstellung – Aluminium - Schmelzflußelektrolyse
Die durch das Bayer-Verfahren
erzeugte Tonerde wird nun der
sogenannten Schmelzflußelektrolyse
zugeführt. In einer feuerfest
ausgekleideten Wanne, die über
einen Boden aus Kohlenstoff verfügt,
welcher als Kathode fungiert, wird die
Tonerde in einem Elektrolyten
(Kryolith) gelöst. An der Kathode
scheidet sich flüssiges Aluminium ab,
an der Anode, die aus in die
Kryolithschmelze eintauchendem
vorgebrannten Petrolkoks und Pech
besteht, reagiert der Sauerstoff zu
CO und CO2.
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Das AluminiumKlassifizierung und Bezeichnungen
Die Bezeichnung der Aluminiumlegierungen erfolgt nach der chemischen Zusammensetzung unter
Angabe von Legierungsmengen. Kennbuchstaben werden zur Beschreibung des Herstellungsverfahrens
verwendet.
Bei den Aluminiumlegierungen wird unterschieden zwischen:
Knetlegierungen, die durch Kneten (Walzen, Pressen, Ziehen, Schmieden) weiter verformt werden
können, und Gusslegierungen, die nach den verschiedenen Gießverfahren verarbeitet werden:
G = Guss
DG = Druckguss
GK = Kokillenguss
KZ = Schleuderguss
Der Angabe der Festigkeit wird der Buchstabe F vorangestellt.
Beispiele:
AlMg 3 Si
Aluminiumknetlegierung mit 2 bis 4 M.-% Mg (i.M. 3 M.-%) sowie kleinen Mengen an Si (0,3 bis 0,8 M.-%),
G-Al Si 12
Aluminium-Gusslegierung mit 11 bis 13,5 M.-% Si (i.M. 12 M.-%)
Beide Legierungen enthalten kleine Mengen (0,3 bis 0,5 M.-%) an Mangan.
Al Zn Mg 1 F 36
Al-Zn-Mg-Legierung, Zugfestigkeit 360 N/mm2
Eigenschaften
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Das Aluminium
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Herstellung - Kupfer
Kupfer kommt in der Natur als gediegenes Metall vor, das in Nordamerika, in Chile und in Australien
zu finden ist. Im gebundenen Zustand kennen wir es als Erz in Form von Sulfiden (z.B. Covellin und
Buntkupferkies), Oxiden (z.B. Cuprit), Carbonaten (z.B. Malachit und Azurit), Chloriden und
Arseniden. Besonders reiche Lager an Kupfererzen finden sich in den USA, in Kanada, in Russland,
in Chile, im Kongogebiet und in Simbabwe.
Die Kupfererze besitzen einen relativ geringen Kupfergehalt, daher müssen sie durch Flotation
(Schwimmaufbereitung) angereichert werden: Dabei werden die zermahlenen Erze mit Wasser
verrührt. Metallsulfide und Metalloxide stoßen Wasser ab, während die Gesteine der Gangart (Quarz,
Silicate) leicht benetzt werden. Durch Zugabe eines Schaums werden die schweren Erzteilchen an
die Wasseroberfläche transportiert und können abgeschöpft werden (Näheres siehe unter
Titandioxid).
Das gereinigte Erz wird in mehreren Schritten in Röstöfen zuerst zu Kupferoxid oxidiert, das dann
mit Kupfersulfid (aus dem Erz) zu unreinem Garkupfer reduziert wird, welches einen Reinheitsgrad
von etwa 98,5% besitzt. Für eine ganze Reihe von Produktionsbereichen, z.B. für die Elektroindustrie
reicht jedoch die Reinheit von Garkupfer nicht aus.
Bei der elektrolytischen Kupferraffination hängt man Elektrodenplatten aus Garkupfer als Anoden in
eine angesäuerte Kupfersulfatlösung. Als Kathoden dienen dünne Bleche aus Reinkupfer:
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Herstellung - Kupfer
Die Elektrolyse wird in großen Elektrolysierwannen, in denen einige hundert Elektroden hintereinandergeschaltet sind, bei Spannungen von 0,4 -
1 Volt durchgeführt. Dabei laufen folgende Prozesse ab: An der Anode erfolgt eine Oxidation des Kupfers und aller unedleren Metalle, so dass
die Kupferionen (Cu2+) und unedleren Metallionen (Zn2+) in Lösung gehen. Verunreinigungen aus edleren Metallen, die ein deutlich größeres
Normalpotential (U0) als Kupfer besitzen, werden zwar nicht oxidiert, fallen aber, da sich die Garkupferelektrode auflöst, als sogenannter
Anodenschlamm zu Boden.
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Eigenschaften - Kupfer
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Kupferlegierungen - Messing
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Kupferlegierungen - Messing
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Anwendungen - Kupfer
Nach dem Dachdecken zeigt das Dach zunächst die hellrote Kupferfarbe. Nach wenigen
Tagen wechselt die Farbe in ein dunkles Rot, das durch Kupfer(I)oxid verursacht wird.
Später wird das Dach noch dunkler und es entsteht schwarzes Kupfer(II)oxid. Aber erst
nach einigen Jahren bildet sich unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid, Luft und
Wasser die blaugrüne Patina:
2 Cu + CO2 + H2O + O2 -----> CuCO3. Cu(OH)2
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Anwendungen - Kupfer
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Herstellung - Kupfer
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Herstellung - Kupfer
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Titanzink
Werkstoffeigenschaften
Der Werkstoff Titanzink erfreut sich in den
letzten Jahren zunehmender Beliebtheit bei
Architekten und Planern.
Titanzink ist eine Legierung nach DIN EN 988
auf Basis Feinzink mit min. 99,995% Zn und
geringen Anteilen Titan und Kupfer.
Wichtiger Merkmale sind die verbesserte
Dauerstandfestigkeit, geringe Wärmedehnung
und die guten Verarbeitbarkeit unabhängig von
der Walzrichtung. Es wird auf
hochtechnisierten, modernen
Produktionsanlagen bandgewalzt und in den
verschiedensten Abmessung in Form von
Bändern und Tafeln angeboten.
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Titanzink
Dachdeckungen, Außenwandbekleidungen, Gesims- und Attikabekleidungen, Dachan-
und abschlüsse, Verwahrungen, Fensterbänke, Bauelemente für Dachentwässerung, wie
Dachrinnen und Regenfallrohre, Ornamente für Restaurierung/Renovierung.
Mechanische und physikalische Eigenschaften
Kurzzeichen nach DIN EN 988 D-Zn
Werkstoff-Nummer 2.2203
0,2% Dehngrenze Rp 0,2 min. 100 N/mm²
Zugfestigkeit Rm min. 150 N/mm²
Bruchdehnung A10von 0,6 - 0,8 mm
über 0,8 - 1,0 mm
min. 40 %
min. 35 %
Vickershärte HVI min. 40
Zeitdehngrenze Rp 1/ 10.000/ 20 min. 50 N/mm²
Biegeradius r für Faltprobe 0
Wärmeausdehnungskoeffizent 0,0222 mm/mK
Schmelzpunkt 418°C
Dichte 7,2 kg/dm³
Lieferformen
Standardbreiten für Bänder:
500 / 600 / 670 / 700 / 800 / 1.000mm
Standardabmessungen für Tafeln:
1.000 x 2.000 mm
1.000 x 3.000 mm
Standarddicken:
0,70 mm / 0,80 mm / 1,00 mm
Gewichte
1,00 mm 7,2kg/m²
0,80 mm 5,76kg/m²
0,70 mm 5,04kg/m²
0,65 mm 4,68kg/m²
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Titanzink
Oberflächeneigenschaften und -qualitäten
Der Farbton von Titanzink wird durch die sich natürlicherweise an der Atmosphäre bildende
Schutzschicht (Patina) hervorgerufen. Diese festhaftende Schutzschicht besteht aus Zinkoxid und
basischem Zinkkarbonat und ist für den hohen Korrosionswiderstand des Titanzinks verantwortlich.
Durch die Schutzschichtbildung ändert sich das zunächst silbrig-blanke Äußere des Titanzinks in eine
matte, graublaue Patina. Die Patina wächst schrittweise aus einzelnen Tropfenflächen zu einer
homogenen Oberfläche zusammen. Diese sehr dichte und bei Verletzung "selbstheilende" Schicht
ergibt einen Langzeitschutz gegen Witterungseinflüsse und hält die natürliche Abtragung sehr gering.
Je nach Nutzungsart, Standort und atmosphärischen Gegebenheiten kann mit einer Nutzungsdauer
(Erreichen der halben Ausgangsdicke) von 50-100 Jahren gerechnet werden. Wird von Beginn an eine
gleichmäßige, graublaue Oberfläche gewünscht, empfiehlt sich der Einsatz von "vorbewittertem"
Titanzink, welches werksseitig durch eine spezielle Oberflächenbehandlung von einigen Herstellern
angeboten wird.
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Stückverzinken
Feuerverzinken ist das gebräuchlichste Verfahren, Eisen oder Stahlteile durch
Eintauchen in eine flüssige Zinkschmelze mit einem Zinküberzug
zu versehen.
Die Schutzdauer eines Zinküberzuges ist bei atmosphärischer Belastung in der
Regel höher als die von Beschichtungssystemen. Normative und informative
Hinweise zum Feuerverzinken (Stückverzinken) enthält DIN EN ISO 1461.
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KontinuierlichesVerzinken
Beim kontinuierlichen Feuerverzinken von Band erfolgt die
Oberflächenvorbereitung üblicherweise durch Glühverfahren. Das Band wird
hierbei in einem Durchlaufofen oxidierend und anschließend reduzierend
geglüht und danach unter Schutzgas in das Zinkbad geführt.
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Gefüge verzinkter Stähle
Baustofflehre 2010
Anwendungen verzinkter Stähle
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Oberflächenhärte und Abrieb verzinkter Stähle
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Korrosionsschutz verzinkter Stähle
Aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften könnte
man annehmen, daß Zink wesentlich stärker korrosionsanfällig ist
als Eisen. In Wirklichkeit ist jedoch Zink in den meisten Fällen
wesentlich korrosionsbeständiger. Die Erklärung für diesen
scheinbaren
Widerspruch ist, daß das Korrosionsverhalten von Zink in erster
Linie durch Deckschichten aus festen Korrosionsprodukten
bestimmt wird, die sich im Laufe der Zeit ausbilden und die weitere
Korrosion dann erheblich verlangsamen. Dies ist der eigentliche
Grund für die Eignung von Zink als Überzugsmetall zum
Korrosionsschutz von Eisen.
Baustofflehre 2010
Korrosionsschutz verzinkter StähleDie Werkstoffpaarung Eisen– Zink bewirkt im Fall einer Oberflächenverletzung
die Ausbildungkathodischer und anodischer Bereiche. Dabei wird in aller Regel
Zink als anodischer und Stahl als kathodischer Bereich ausgebildet. Aufgrund
der unterschiedlichen Potentiale gibt das negative Zink als Anode stetig
Zinkionen ab, die sich auf der edleren Kathode, dem Eisen, anlagern.
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Korrosionsschutz verzinkter Stähle
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Korrosionsschutz verzinkter Stähle
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Korrosionsschutz verzinkter Stähle
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Korrosionsschutz verzinkter Stähle