Unter Verzinkung versteht man die galvanische Abscheidung von Zinkmetall auf der Oberfläche verschiedener Bauteile, um deren physikalische und mechanische Eigenschaften zu verbessern. Diese Beschichtung dient als Barriere zwischen der Substratoberfläche und korrosions- und schadensverursachenden Umweltfaktoren wie Sauerstoff und Feuchtigkeit. Verzinkung ist nicht nur zuverlässig, sondern auch wirtschaftlich sinnvoll und daher für Hersteller eine bevorzugte Wahl.
Geschichte der Verzinkung
Die galvanische Verzinkung begann 1827, als Dr. John W. Revere die schützenden Eigenschaften von Zinkbeschichtungen erläuterte. Zu dieser Zeit war der Prozess jedoch langsam und mit vielen Einschränkungen behaftet, wie beispielsweise ungleichmäßigen Beschichtungen. Bis 1916 wurden alkalische Zinkcyanidbäder entwickelt, die die Qualität und Geschwindigkeit der Beschichtung deutlich verbesserten. Moderne Verzinkungsanlagen nutzen heute leistungsstarke Gleichstromsysteme, mit denen große Mengen Zink schnell abgeschieden werden können.
Wie funktioniert die Verzinkung?
Die Verzinkung schützt das Grundmetall auf zwei Arten:
Galvanischer Schutz
Zink ist reaktiver als Stahl oder Eisen. Wenn das Bauteil korrosiven Umgebungen ausgesetzt ist, korrodiert Zink bevorzugt zum Grundmetall. Selbst wenn die Beschichtung zerkratzt oder beschädigt wird, opfert sich das Zink praktisch selbst.
Physikalische Barriere
Die Zinkschicht wirkt wie ein physikalischer Schutzschild, der das darunterliegende Metall vor Feuchtigkeit, Sauerstoff und anderen korrosiven Elementen isoliert. Dieser Schutzschild verhindert, dass der Stahl rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird und beugt so Korrosion vor.
Verzinkungsprozess
Reinigung und Oberflächenvorbereitung:
Dieser Schritt ist entscheidend, um eine einwandfrei haftende Zinkbeschichtung zu gewährleisten.
Alkalische Reiniger: Ätznatron oder Ätzkali.
Sandstrahlen: Das Sandstrahlen erfolgt gemäß den spezifischen SSPC-Standards zur Oberflächenvorbereitung
Oberflächenaktivierung: Für eine einwandfreie Zinkabscheidung erfolgt die Oberflächenaktivierung durch Säurebeizen. Dabei werden die Teile häufig kurz in eine Aktivierungslösung wie verdünnte Säure HCl oder H2SO4 getaucht.
Zinkabscheidung
Die Zinkabscheidung erfolgt durch ein galvanisches Verfahren. Dabei werden Substrate in ein zinkhaltiges Elektrolytbad getaucht und elektrischer Strom angelegt. An der Anode oxidiert Zink, wodurch Zn²⁺-Ionen in die Lösung freigesetzt werden.
Zn (s) → Zn²⁺ (aq) + 2e⁻
An der Kathode findet eine Reduktionsreaktion statt, bei der Zink durch Aufnahme von Elektronen erstarrt:
Zn²⁺ (aq) + 2e⁻ → Zn (s)
Der Vorgang wird fortgesetzt, bis auf dem Substrat eine dünne Zinkschicht entsteht.
Typische Beschichtungen werden durchgeführt bei:
- Niedrige Spannungen im Bereich von 2-6 V
- Hochreine Zinkanoden
- Kontrollierte Stromdichte von ca. 30.5 mA.
- pH: Für saure Bäder (4.8 und 5.5), für alkalische Cyanidbäder (11-13)
Hier werden Zinkanoden in Körben mit Anodenbeuteln untergebracht, um Verunreinigungen zu vermeiden. Zu den Beschichtungsmethoden gehören
- Trommelgalvanisierung für kleine Massenartikel, Gestellgalvanisierung für größere oder zerbrechliche Teile
- Kontinuierliche Bandbeschichtung für Spulen und Drähte.
Nachbehandlung
Um die Langlebigkeit und Wirksamkeit der Verzinkung zu gewährleisten, werden nach der Beschichtung einige Nachbehandlungen durchgeführt:
Passivieren: In diesem Schritt wird eine Chromat-Konversionsbeschichtung verwendet. Chromat erhöht die Korrosionsbeständigkeit des Zinks.
Aushärtung: Die Trocknung der Beschichtung erfolgt im Ofen oder mit Hilfe kontrollierter Heißluft.
Arten der Verzinkung und ihre Verwendung
Gelbe Verzinkung
Es hat ein leuchtend gelbes bis schillerndes Gold-Aussehen, das das Ergebnis einer gelben Chromat-Konversionsbeschichtung ist. Eine solche Beschichtung wird auf Automobilkomponenten aufgetragen, um sie vor dem Verkleben in feuchter und aggressiver Umgebung zu schützen.
Klare/blaue Verzinkung
Diese Beschichtung wird durch Passivierung der Zinkbeschichtung mit einem blauen/klaren Chromat hergestellt. Dadurch erscheint sie silbrig. Aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit findet sie Anwendung in der Elektronik, in leichten Automobilteilen und in allgemeinen Befestigungselementen. Sie bietet zwar einen geringeren Korrosionsschutz, ist aber umweltfreundlicher.
Schwarze Verzinkung
Schwarze Verzinkung hat aufgrund der Beschichtung mit schwarzem Chrom über dem Zink typischerweise ein mattes oder satinschwarzes Finish. Sie weist eine mittlere bis hohe Korrosionsbeständigkeit auf und wird zur Beschichtung von Baubeschlägen und Autoteilen verwendet.
Säureverzinkung
Bei diesem Verfahren wird ein chloridbasierter, saurer Elektrolyt verwendet, der typischerweise Zinkchlorid und Ammoniumchlorid enthält. Die Säureverzinkung sorgt für eine glänzende, glatte Oberfläche und schnelle Beschichtungsraten. All dies macht das Verfahren ideal für Autoteile, Schrauben und dekorative Komponenten. Allerdings bietet es eine geringere Tiefenstreuung und ist daher für komplexe Geometrien weniger geeignet.
Alkalische, cyanidfreie Verzinkung
Es wird ein cyanidfreier alkalischer Elektrolyt verwendet, der aus Zinkoxid und Natriumhydroxid besteht. Diese Beschichtung bietet eine hervorragende Tiefenwirkung und eine gleichmäßige Beschichtung. Obwohl die Oberfläche matter ist, bietet sie eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ist umweltfreundlicher. Sie wird zur Beschichtung von Industrieteilen, Verbindungselementen und Komponenten mit komplexen Formen verwendet.
Zink-Nickel-Beschichtung
Seine Beschichtung enthält 10–15 % Nickel, der Rest ist Zink. Es weist eine hervorragende Korrosions- und Verschleißfestigkeit auf und wird daher für Komponenten verwendet, die rauen Bedingungen und hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Bremskomponenten und Kraftstoffsysteme in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.
Korrosionsbeständigkeit: Überlegen; bis zu 10-mal höher als Standardzink.
Zink-Eisen-Beschichtung
Die Zink-Eisen-Beschichtung ist eine Legierungsbeschichtung, die typischerweise 0.3–0.8 % Eisen in der Zinkmatrix enthält. Das Vorhandensein von Eisen erhöht die mechanische Festigkeit der Beschichtung. Sie wird häufig bei Befestigungselementen, Industriewerkzeugen und Komponenten angewendet, die von einer schwarzen Passivierung profitieren. Sie zeigt
gute Duktilität und Schweißbarkeit.
Zink-Kobalt-Beschichtung
Bei der Zink-Kobalt-Beschichtung werden etwa 0.8–1.0 % Kobalt in die Zinkschicht eingearbeitet. Dieser Zusatz verbessert die Korrosionsbeständigkeit deutlich und sorgt für einen glänzenden Glanz. Sie wird häufig für dekorative Beschläge verwendet, die eine Kombination aus ansprechender Oberfläche und langfristigem Schutz vor Rost und Verschleiß erfordern. Die Zink-Kobalt-Beschichtung verleiht der Bauteiloberfläche gute Gleitfähigkeit, gute Duktilität, Schweißbarkeit und Festfressen verhindernde Eigenschaften. Aufgrund ihres hervorragenden Schutzes vor Verschleiß und Korrosion wird sie in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigung eingesetzt.
Verzinkungslösung
Verzinkungsbäder unterscheiden sich in Geschwindigkeit, Sicherheit, Haftung und Oberflächenqualität.
| Verzinkungsbad | Elektrolytzusammensetzung | ZENTRALE FUNKTIONEN |
|---|---|---|
| Säurechlorid Zink | ZnCl₂ + NH₄Cl oder KCl (pH ~5) | Hohe Effizienz, schnelle Beschichtung, gute Abdeckung, geeignet für komplexe Geometrien |
| Alkalisches, cyanidfreies Zink | ZnO + NaOH oder KOH (pH ~12–13) | Umweltfreundlich, moderate Beschichtungsrate, gleichmäßige Dicke |
| Cyanid-Zink | NaCN oder KCN + Zn(CN)₂ in NaOH/KOH (pH ~12–13) | Hervorragende Tiefenwirkung, duktil, starke Haftung |
| Auf Borsäurebasis | Zn-Salz + Borsäure + Puffersubstanzen (pH ~4.5–6.5) | Sehr glatte, gleichmäßige Beschichtungen, gut für komplizierte oder Präzisionsteile |
Welche Materialien können verzinkt werden?
Stahl: Es ist das am häufigsten verzinkte Material. Zink bietet eine starke Barriere gegen Rost und macht Stahlbauteile so besonders. Verzinkter Stahl eignet sich für Anwendungen in der Automobil-, Bau- und Industrieindustrie.
Eisen: Da Eisen bei Kontakt mit Feuchtigkeit und Sauerstoff leicht rostet, wird es zum Schutz vor Rost mit Zink beschichtet.
Faktoren, die die galvanische Verzinkung beeinflussen
Duktilität und Dicke
Mit zunehmender Schichtdicke wird die Beschichtung dehnbarer. Dünne Zinkbeschichtungen (Fe/Zn 5, Fe/Zn 8) sind beispielsweise dehnbarer. Sie eignen sich gut für Anwendungen, bei denen Teile Biegung, Verformung oder anderen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Badeffizienz:
Ein gut gepflegtes Bad gewährleistet eine gleichmäßige Abdeckung und hochwertige Ablagerungen. Folgende Faktoren beeinflussen die Effizienz:
Temperaturen
Beeinflusst die Beschichtungsgeschwindigkeit und die Gleichmäßigkeit der Abscheidung. Höhere Temperaturen erhöhen in der Regel die Beschichtungsgeschwindigkeit, können aber auch das Risiko einer minderwertigen Abscheidungsqualität erhöhen.
pH-Wert
Ein entscheidender Faktor zur Aufrechterhaltung der Badstabilität. Abweichungen im pH-Wert können zu ungleichmäßiger Beschichtung oder schlechter Haftung führen.
Zinkkonzentration
Eine unzureichende Zinkkonzentration kann zu einer schlechten Beschichtungseffizienz und unzureichender Korrosionsbeständigkeit führen.
Streukraft und Ablagerungsverteilung
Saure Chloridbäder bieten hohe Abscheidungsraten, haben jedoch eine geringere Tiefenstreuung, während alkalische Bäder trotz langsamerer Beschichtungsgeschwindigkeiten aufgrund der besseren Stromverteilung eine höhere Tiefenstreuung aufweisen.
Chromat-Empfindlichkeit
Eine feinkörnige, saubere Zinkoberfläche ermöglicht eine optimale Bindung und chemische Wechselwirkung mit drei- oder sechswertigen Chromaten. Eine verunreinigte Zinkoberfläche kann die Chromathaftung erheblich beeinträchtigen und zu Abplatzungen oder ungleichmäßiger Filmbildung führen.
Vor- und Nachteile der Verzinkung
Vorteile der Verzinkung
Hervorragende Korrosionsbeständigkeit
Zink fungiert als Opferanode und korrodiert anstelle des Grundmetalls, was einen starken Schutz gegen Rost bietet.
Kostengünstig für die Großserienproduktion
Verzinken ist im Vergleich zu anderen Schutzbeschichtungen relativ kostengünstig. Der Prozess benötigt nur mäßige elektrische Energie und verwendet weit verbreitete Rohstoffe, was ihn zu einer kosteneffizienten Lösung macht.
Kompatibilität mit vielen Nachbehandlungen
Zinkbeschichtungen lassen sich problemlos mit Chromat-Konversionsbeschichtungen (klar, gelb, schwarz), Versiegelungen und Decklacken versehen, die die Korrosionsbeständigkeit verbessern.
Gute Haftung und Optik
Zinkbeschichtungen weisen ein gleichmäßiges metallisches Erscheinungsbild auf, das durch Glanzmittel oder Nachbehandlungen noch weiter verbessert werden kann.
Nachteile der Verzinkung
Cyanidtoxizität und regulatorische Fragen
Herkömmliche alkalische Cyanid-Zinkbäder sind hochgiftig, was zu hohen Kosten für die Abfallbehandlung führt.
Begrenzte Duktilität
Bestimmte Zinkbadchemikalien, insbesondere Säurechloridsysteme, können härtere, weniger duktile Ablagerungen erzeugen. Dies kann zu Mikrorissen oder Abplatzungen führen, wenn Teile nach der Beschichtung verformt oder gebogen werden.
Weniger haltbar als andere Beschichtungen
Zink bietet zwar einen soliden Grundschutz, weist jedoch im Vergleich zu Legierungsbeschichtungen wie Zink-Nickel oder Zink-Kobalt eine geringere Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit auf.
Gefahr der Wasserstoffversprödung
Bei der Säurereinigung und Galvanisierung kann Wasserstoff in hochfeste Stähle eindringen. Dies führt zu Versprödung und potenzieller Rissbildung unter Belastung. Dies ist ein kritisches Problem bei strukturellen oder sicherheitskritischen Komponenten.
Verzinkung vs. Vernickelung
Die folgende Tabelle vergleicht die Verzinkung mit Vernickelung.
| Attribut | Verzinkung | Vernickelung |
|---|---|---|
| Zweck | Primär für den Korrosionsschutz; Opferbeschichtung | Korrosions- und Verschleißbeständigkeit; oft dekorativ und funktional |
| Badtypen | Cyanid, alkalisch Nicht-Cyanid, schwach sauer Chlorid | Elektrolytisches Nickel, Sulfamatnickel, chemisch abgeschiedenes Nickel (mittlerer/hoher Phos) |
| Substratkompatibilität | Stahl, Eisen und andere Eisenmetalle | Stahl, Messing, Kupfer, Aluminium, Zinkdruckguss usw. |
| Korrosionsbeständigkeit | Opferschutz; Zink korrodiert vor dem Substrat | Barriereschutz; Chemisch Nickel sorgt für eine gleichmäßige, dichte Beschichtung |
| Aussehen | Silbrig oder bläulich-weiß; oft passiviert für die Farbe (blau, gelb, schwarz) | Hell, halbhell, matt; dekorative Oberflächen wie helles Nickel-Chrom |
| Nachbehandlungen | Chromat-Konversionsbeschichtungen, Decklacke, Versiegelungen | Passivierung, Wärmebehandlung (für Härte), Decklacke |
| Schichtdicke | Typischerweise 5–25 Mikrometer | Chemisch: 2.5–100 Mikrometer; Elektrolytisch: variiert stark |
| Verschleißschutz | Schlecht bis mittelmäßig | Mäßig bis ausgezeichnet (insbesondere bei chemisch abgeschiedenem Nickel) |
| Kosten | Relativ niedrig | Mäßig bis hoch (insbesondere chemisch Nickel) |
| Branchennutzung | Befestigungselemente für die Automobilindustrie, Hardware, allgemeine Industriekomponenten | Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Elektronik, chemische Verarbeitung, Formen, Ventile, medizinische Geräte |