Studiengang Architektur - FH Dortmund Stahl / Feuerverzinken im Bauwesen

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1 Studiengang Architektur - FH Dortmund Stahl / Feuerverzinken im Bauwesen Institut Feuerverzinken GmbH Graf-Recke-Str Düsseldorf Tel.: Fax: Dipl.-Ing. Patrick Düren-Rost Aufgaben und Tätigkeitsschwerpunkte der Institut Feuerverzinken GmbH Firmenneutrale Anwendungsberatung Vortragsveranstaltungen und Seminare (Hochschulen, Technikerschulen, Meisterlehrgänge) Betreuung der Feuerverzinkereien Schulung von Mitarbeitern Mitwirkung in Gremien und Normenausschüssen Forschungsprojekte über den GAV Stellungnahmen 2 1

2 - Stahl - Einer der wichtigsten Werkstoffe unserer Zeit 12 Stahl ist ein grüner Werkstoff 14 2

3 Unterscheidung der Metalle Eisen und Nichteisen Metalle Stahl - wenn der Hauptbestandteil Eisen (Fe) ist und der Kohlenstoffgehalt < 2,06 % Eisenwerkstoffe Eisen-Gusswerkstoffe wenn der Hauptbestandteil Eisen (Fe) ist und der Kohlenstoffgehalt > 2,06 % NE Metalle Nichteisenmetalle z.b. Alu, Zink, Kupfer, Zinn, Silber, etc. und Metall- Legierungen wenn der Eisen (Fe) Anteil < 50 % 15 Unterscheidung der Metalle - Dichte Metalle Schwermetalle Dichte > 4,5 g/cm³ z.b. Bismut, Eisen, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Nickel, Cadmium, Chrom und Uran Leichtmetalle Dichte < 4,5 g/cm³ z. B. Alu, Magnesium, Lithium, Caesium, etc. 16 3

4 Legierungen Eine Legierung ist ein metallischer Werkstoff, der aus mindestens zwei Elementen besteht, die gemeinsam das metalltypische Merkmal des kristallinen Aufbaus mit Metallbindung aufweisen. Beispiele: - Messing (Zink und Kupfer) - Chrom Vanadium Stahl 18 Metallbindung Als Metallbindung oder metallische Bindung bezeichnet man die chemische Bindung, wie sie bei Metallen und in Legierungen vorliegt. Diese ist gekennzeichnet durch das Auftreten von frei beweglichen (delokalisierten) Elektronen im Metallgitter, die unter anderem für die makroskopischen Eigenschaften elektrische Leitfähigkeit, metallischer Glanz, Duktilität (Schmiedbarkeit, Verformbarkeit) verantwortlich sind. Sie wird durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen Metallionen und freien Elektronen verursacht. 19 4

5 Daten und Eigenschaften von Eisen Daten und Eigenschaften Chemisches Zeichen: Fe Atomgewicht: 55,85 Ordnungszahl 26 Schmelzpunkt 1538 C Siedepunkt 2861 C Dichte 7,874 g/cm³ hochreines Eisen 99,97 % Natürliche Gehalte in: der Erdhülle 4,7 % Vorkommen in Eisenverbindungen Raseneisenstein 20 Aus der Historie 21 5

6 Historische Stahlherstellung 22 Die erste Eisenbrücke Iron Bridge, 1779 über den Severn River bei Coalbrookdale England Bildquelle: DSTV 23 6

7 Crystal Palace 1851, Sir Joseph Paxton. Bildquelle: DSTV 24 B8 Eiffelturm Paris 1898 Bilder aus der Fertigung Bildquelle: DSTV Detail Eiffelturm Paris

8 Wuppertaler Schwebebahn 1900 Ankerstütze Fahrgerüstbrücke Bildquelle: DSTV Fußpunkt Pendelstütze 26 Die Anfänge des Schweißens im Stahlbau um 1930 Bildquelle: DSTV 27 8

9 Einführung des Schweißens um 1930, Vergleich einer genieteten und einer geschweißten Rahmenecke Bildquelle: DSTV 28 Moderner Stahlbau 29 9

10 Moderne Stahlherstellung 30 Vom Erz zum Stahl Limonit Hämatit Magnetit Mittlerweile gibt es über verschiedene Stahlsorten! 31 10

11 Verfahren der Stahlherstellung Bildquelle: ArcelorMittal 32 Moderne Herstellung der Walzträger Bildquelle: ArcelorMittal 33 11

12 Moderne Herstellung der Walzträger Produktionsfluss Schwere Walzträgerstraße Schrott Stranggußanlage Elektroofen Zwischengerüst Selektive Kühlung Säge Säge Endgerüst QST Vorgerüst Walzwerk Zwischenofen Hubbalkenofen Bildquelle: ArcelorMittal 34 Moderne Herstellung der Walzträger Isometrische Darstellung der Stranggußanlage Bildquelle: ArcelorMittal 35 12

13 Moderne Herstellung der Walzträger Universalwalzen Seitenwalzen Produktpalette Höhe [mm] Bildquelle: ArcelorMittal Materialdicke [mm] 37 Warmgewalzte Profile aus Stahl 38 13

14 Verwendung der Profiltypen 39 HE Reihe Profilabmessungen 40 14

15 IPE Reihe Profilabmessungen 41 U Profile Abmessungen 42 15

16 Winkel Profile Abmessungen 43 Hohlprofile aus Stahl Abweichende Profile sind möglich 44 16

17 Kaltgefertigte Profile aus Stahl 45 Schema der Stahlerzeugung Bildquelle: Stahlinformationszentrum 46 17

18 Grundlagen & Eigenschaften des Stahls 47 Einfluss des Kohlenstoffgehaltes Grundmetall Stahl = Legierung aus Eisen + Kohlenstoff + Eisenbegleitern (+ Legierungselementen) zur Erzielung bestimmter Eigenschaften erhöht: verringert: für die Schweißeignung erwünscht: unerwünscht: Härte Streckgrenze Zugfestigkeit Verschleißwiderstand verleiht: Härtbarkeit Zähigkeit Dehnung Tiefziehfähigkeit Bearbeitbarkeit Schweißeignung Mangan Silizium Phosphor Schwefel Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff 48 18

19 Zugfestigkeit und Streckgrenze Streckgrenze, Re heißt diejenige Spannung, bei der Fließen einsetzt, ohne dass die anliegende Spannung weiter erhöht wird. Kommt es bei Fließbeginn sogar zu einem Spannungsabfall, zeigt der Werkstoff eine obere - ReH - und eine untere - ReL - Streckgrenze (H wie "high" - hoch bzw. L wie "low" - niedrig). Diese werkstoffspezifische Größe wird im Zugversuch ermittelt. Vereinfachte Erläuterung: Die Streckgrenze ist die Grenze, bis zu der Werkstoffe ohne bleibende plastische Verformung gedehnt ( gestreckt ) werden können. Zugfestigkeit, Rm ist das Maximum der Spannungs-Dehnungs-Kurve, die im Zugversuch ermittelt wird. Die Maßeinheiten sind N/mm² oder MPa (MegaPascal). 50 Spannungs-Dehnungs-Diagramm Ein metallischer Werkstoff reagiert auf eine Spannung (Belastung): - zunächst durch elastische (zeitweilige) Verformung (Formänderung), - danach durch plastische (bleibende) Verformung, - letztendlich durch Bruch

20 Zugversuch 53 Elastizitätsmodul (E-Modul) Der Betrag des Elastizitätsmoduls ist umso größer, je mehr Widerstand ein Material seiner elastischen Verformung entgegensetzt. Ein Bauteil aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul (z. B. Stahl) ist also steifer als ein Bauteil gleicher Konstruktion (gleichen geometrischen Abmessungen), welches aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul (z. B. Gummi) besteht. Das E-Modul ist das Verhältnis Spannung zu Dehnung 54 20

21 Härte Härte ist der Widerstand eines Werkstoffs gegen das Eindringen eines anderen (härteren) Körpers. Ein Eindringkörper wird stetig mit bestimmter Prüfkraft in den Werkstoff eingedrückt. Bei den statischen Härteprüfverfahren (z.b. nach Vickers) wird die örtliche plastische Verformung gemessen. 55 Kerbschlagarbeit 57 21

22 Stahlbezeichnung? St-37? oder S235? PS? oder kw? St-52? oder S355? 59 DIN EN , Ausgabe Oktober 2005 Bezeichnungssystem f. Stähle Teil 1, Kurznamen S 355 J2 C Eignung zur bes. Kaltumformbarkeit 27 J Kerbschlagarbeit bei -20 Mindeststreckgrenze in N/mm² Bezeichnung für Baustahl 60 22

23 DIN EN , Ausgabe Oktober 2005 Bezeichnungssystem f. Stähle Teil 1, Kurznamen 61 DIN EN , Ausgabe Oktober 2005 Bezeichnungssystem f. Stähle Teil 1, Kurznamen 62 23

24 DIN EN , Ausgabe Oktober 2005 Bezeichnungssystem f. Stähle Teil 1, Kurznamen S = Stähle für den Stahlbau P = Druckbehälterstähle E = Maschinenbaustähle L = Stähle für Leitungsrohre B = Betonstähle Ist eine G vor das Hauptsymbol gestellt handelt es sich um einen Stahlguss (falls erforderlich). 63 Stahl, ist ein hervorragender Werkstoff... gleiches gilt für einen guten Korrosionsschutz Korrosionsschutz beginnt bereits bei der Planung 82 24

25 Infos zum Eiffelturm Anstrich alle 7 Jahre 25 Personen m² Fläche 60 Tonnen Farbe 15 Monate 3 Millionen Euro Quelle: Maschinenbau Rubin Grundlagen der Korrosion und Korrosionsschutzplanung 84 25

26 Natürliche Korrosionsvorgänge 85 Mögliche Korrosionsschutzverfahren 86 26

27 Erwünschte Korrosion 87 Unerwünschte Korrosion 88 27

28 Welche Zusatzeinflüsse wirken? Klima am Standort 89 Welche Zusatzeinflüsse wirken? Konstruktive Einflüsse am Bauteil 90 28

29 Welche Zusatzeinflüsse wirken? Mechanische Einflüsse am Objekt 91 Korrosivitätskategorien 92 29

30 Zinküberzüge - DIN EN ISO Korrosivitätskategorien (Auszug der Beschreibung) C 1 Korrosivitätskategorie Korrosionsbelastung sehr niedrig Geheizte Gebäude mit neutralen Atmosphären C 2 niedrig Atmosphären mit geringer Verunreinigung, ländliche Bereiche, ungeheizte Gebäude C 3 mittel Stadtatmosphäre mit mittlerenverunreinigungen, Produktionsräume z.b. Wäscherei, Brauererei C 4 hoch Industrielle Bereiche und Küstenbereiche, Chemieanlagen, Schwimmbäder C 5 sehr hoch Industrielle Bereiche mit aggressiver Atmosphäre, Gebäude mit sehr häufiger Kondensation, Schutzhütten an der Küste C X extrem Küsten-/Offshorebereich, Gebäude mit ständiger Kondensation u. starker Verunreinigung 93 Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungen und Überzüge Beschichtungssysteme (DIN EN ISO bis 8) Schutzdauer (high): > 15 Jahre (z. B. Brückensysteme) Feuerverzinken (DIN EN ISO 1461 / 14713) Schutzdauer möglich > 50 Jahre (z. B. Korrosivitätskategorie C3) Dickenverlust von Zink in Deutschland: ~ 1 µm / a Duplex-Systeme Metallischer Überzug + Beschichtungssystem 94 30

31 Angabe von Schichtdicken in Micrometer: [µm] oder flächenbezogene Masse (Zinkauflage): [g/m²] µm mm = 1000 µm 1 mm 1 µm 95 Beschichtungsstoffe DIN EN ISO Beschichtungssysteme bestehen in der Regel aus: 1-2 Grundbeschichtungen Deckbeschichtungen Stahl Dicke je Schicht: -normale Beschichtungsstoffe: 40 µm -dickschichtige Beschichtungsstoffe: 80 µm 96 31

32 Beschichtungsstoffe nach DIN EN ISO Unterteilung der Schutzdauer von Beschichtungssystemen: Diese Schutzzeiten sind keine Gewährleistungszeiten!!!! 97 Korrosionsschutz mit Zink und Verfahren der Feuerverzinkung

33 Zink ist natürlich Zink - ein natürliches Element Zink ist natürlich Lebenswichtig für Mensch, Tier und Pflanze Vielfältig anwendbar Recycelbar ohne Downcycling Zink und feuerverzinkter Stahl: hohe Recyclingquoten 102 Zink ist natürlich Daten und Eigenschaften Chemisches Zeichen: Zn Atomgewicht: 65,37 Ordnungszahl 30 Schmelzpunkt 419 C Siedepunkt 907 C Dichte 7,133 g/cm³ Zink ist natürlich Natürliche Gehalte in: Oberflächenwasser: 0,001 - >200 µ g/l Luft: 0,01-0,2 µ g/m 3 Boden: ppm Erz: 5 - >15%

34 Korrosionsschutz mit Zink Stückverzinken - Feuerverzinken - Bandverzinken Galvanisches Verzinken Spritzverzinken und vieles mehr Galvanisches Verzinken übliche Schichtdicken ca µm

35 Thermisches Spritzen übliche Schichtdicken ca µm Versiegeln der Oberfläche 110 Kontinuierliches Feuerverzinken Schematische Darstellung Verzinkung im Durchlaufverfahren Übliche Schichtdicken ca µm Lieferung nach DIN EN (gültig seit Juli 2009!)

36 Kontinuierliches Feuerverzinken Anwendungen für kontinuierlich feuerverzinkte Bänder und Bleche : - Dach- und Fassadenbleche - Kraftfahrzeugbau - Klima- und Lüftungstechnik - Hausgerätetechnik - Metallbau 113 Kontinuierlich feuerverzinkt und beschichtet Profilierung von verzinktem und beschichtetem Band

37 Stückverzinken nach DIN EN ISO Diskontinuierliches Feuerverzinken (Stückverzinken) DIN EN ISO 1461 FEUERVERZINKEN a) Stückverzinken übliche Schichtdicken ca µm Diskontinuierliches Schutzverfahren, bei welchem die zu verzinkenden Teile einzeln in schmelzflüssiges Zink getaucht werden (Stückverzinken nach DIN EN ISO 1461/Rohrverzinken nach DIN EN ). Fe + Zn Schliffbild Fe

38 Feuerverzinken - Stückverzinken Verfahrensablauf (schematische Darstellung) Entfetten der Stahlteile Nach Spülen erfolgt Beizen der Teile in verdünnter Salzsäure Fluxen zur anschließenden Aktivierung der Oberfläche Trocknen Eintauchen in schmelzflüssiges Zink bei Temperaturen zwischen 440 C und 460 C (Hochtemperaturverzinkung > 530 C) Abkühlen und Nachbereiten 120 Feuerverzinken - Schichtaufbau beim Stückverzinken Zn Fe + Zn Fe Schliffbild Silbrigglänzende Oberfläche Die Optik des Zinküberzuges und die Zinkschichtdicke wird durch die chemische Zusammensetzung des Stahls beeinflusst. Fe + Zn Fe Schliffbild Mattgraue Oberfläche

39 DIN EN warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen Nr. Si + P-Gehalte in % Zinküberzug 1 Si + P < 0,03% Normale Eisen-Zink-Reaktion, silbrig glänzender Überzug, niedrige Schichtdicke 2 Si + P >= 0,03 - <= 0,13% Sandelin-Bereich, beschleunigte Eisen-Zink-Reaktion, graue zum Teil grießige Zinkschicht, hohe Schichtdicke 3 Si + P > 0,13% <= 0,28% Sebisty-Bereich, normale Eisen-Zink-Reaktion, silbrig mattes Aussehen, mittlere Schichtdicke 4 Si + P > 0,28 % Beschleunigte Eisen- Zink-Reaktion, mattgrau, hohe Schichtdicke, mit zunehmendem Si-Gehalt graues Aussehen 122 Zinkschichtdicken (µm) beim Stückverzinken in Abhängigkeit der Materialdicke 150 Praxisüblich Mindestanforderung nach DIN EN ISO 1461 Schichtdicke in µm Schichtdicke in µm Materialdicke in mm 2,0 3,0 6,0 Materialdicke in mm 1,5 3,0 6,

40 Feuerverzinken hat viele Gesichter...im konstruktiven Ingenieurbau, 124 Feuerverzinken hat viele Gesichter...in der Energieversorgung,

41 Feuerverzinken hat viele Gesichter Feuerverzinkte Verbindungselemente nach DIN EN ISO im Bereich der Kleinteile und Verbindungsmittel, 126 A12 Feuerverzinken hat viele Gesichter...in der Architektur,

42 Feuerverzinken hat viele Gesichter...im Bereich der Straßenausrüstung, 128 Feuerverzinken hat viele Gesichter...im Bereich des Maschinenbaues,

43 Feuerverzinken hat viele Gesichter... mit zusätzlicher Beschichtung (Duplex-System), 130 und vieles mehr Jährlich werden in Deutschland ca. >2,0 Mill. t/a stückverzinkt

44 Zinküberzüge - DIN EN ISO µg/m³ SO 2 -Immission < 25 25<=50 50<=75 75<= <= <= <=175 > 175 Folie Quelle: Umweltbundesamt Zinküberzüge - DIN EN ISO Korrosion von Zink Aktuelle Zinkkorrosionsrate in Deutschland in g/m² (7,2 g/m² = 1 µm) > 95 % der Fläche in Korrosionskategorie C2 + C3 Jährlicher Zinkabtrag ca. 1µm / a bis auf wenige Ausnahmen Mindestzinkschichtdicke ab 6 mm Bauteildicke > = 85 µm

45 Zinküberzüge - DIN EN ISO Korrosivitätskategorien (Auszug der Beschreibung) C 1 sehr niedrig Geheizte Gebäude mit neutralen Atmosphären C 2 niedrig Atmosphären mit geringer Verunreinigung, ländliche Bereiche, ungeheizte Gebäude C 3 mittel Stadtatmosphäre mit mittlerenverunreinigungen, Produktionsräume z.b. Wäscherei, Brauererei C 4 hoch Industrielle Bereiche und Küstenbereiche, Chemieanlagen, Schwimmbäder C 5 sehr hoch Industrielle Bereiche mit aggressiver Atmosphäre, Gebäude mit sehr häufiger Kondensation, Schutzhütten an der Küste C X extrem Küsten-/Offshorebereich, Gebäude mit ständiger Kondensation u. starker Verunreinigung 145 Zinküberzüge - DIN EN ISO Korrosivitätskategorie Korrosionsbelastung Korrosivitätskategorie Kategoriebezeichnung Korrosionsgeschwindigkeit für Zink C 1 sehr niedrig < 0,1 µm/a C 2 niedrig 0,1 bis 0,7 µm/a C 3 mittel 0,7 bis 2,0 µm/a C 4 hoch 2,0 bis 4,0 µm/a C 5 sehr hoch 4,0 bis 8,0 µm/a C X extrem 8,0 bis 25,0 µm/a

46 Zinkschichtdicken (µm) beim Stückverzinken in Abhängigkeit der Materialdicke 150 Praxisüblich Mindestanforderung nach DIN EN ISO 1461 Schichtdicke in µm Schichtdicke in µm Materialdicke in mm 2,0 3,0 6,0 Materialdicke in mm 1,5 3,0 6,0 147 Zinküberzüge - DIN EN ISO Unterteilung der Schutzdauer von Zinküberzügen: Geringfügige Unterschiede zur DIN EN ISO !

47 Zinküberzüge - DIN EN ISO Lesebeispiel: Mindestzinkschichtdicke 140 µm, Korrosivitätskategorie C3 kürzeste Schutzdauer 67 Jahre / längste Schutzdauer > 100 Jahre! 149 Langlebig Wartungsfrei - Nachhaltig Brücke Ehzerburg, Niederlande Daten der Brücke: Erstellt: 1945 Schichtdicke des Zinküberzuges nach über 60 Jahren Einsatz (Messung 2007): µm!

48 Eigenschaften stückverzinkter Überzüge: Kathodischer Schutz - Montagefreundlich Korrosionsschutz durch Fernschutzwirkung Potential gegen Wasserstoffelektrode in Volt Zinkverbindungen verhindern die Korrosion an beschädigten Stellen des Überzuges 151 Eigenschaften stückverzinkter Überzüge: Abriebbeständig, zusätzlicher Kantenschutz Härteverlauf in einem Zinküberzug (schematisch dargestellt) Schliffbild durch einen stückverzinkten Überzug an einer Bauteilkante. (schematisch dargestellt)

49 Eigenschaften stückverzinkter Überzüge: Schutz an unzugänglichen Bereichen wie zum Beispiel Hohlprofile, Geländer, Fachwerke 153 Stückverzinken nach DIN EN ISO 1461 Ausbesserung von Beschädigungen durch......zinkstaubbeschichtungsstoffe oder......spritzverzinken nach DIN EN ISO

50 Feuerverzinken + Beschichten = Duplex - Systeme 155 Feuerverzinkung + Beschichtung = Duplex-System Verlängerung der Schutzdauer Farbliche Objektgestaltung Corporate Identity Signalgebung Tarnung unkomplizierte Verarbeitung Synergie-Effekt von Zink und Beschichtung wirtschaftlich

51 Duplex-Systeme Synergie Effekt Farbe schützt Zink Zink schützt Farbe Synergie-Effekt verlängert die Schutzdauer der einzelnen Systeme. Beschichtung auf unverzinktem Stahl Beschichtung auf verzinktem Stahl 157 Duplex-Systeme weitere Beispiele

52 Jährlich werden in Deutschland ca. > 2,0 Mill. t/a stückverzinkt Hochwirksamer Korrosionsschutz mit langer Schutzdauer Wirtschaftlichste Korrosionsschutzmaßnahme für Stahlbauten Verzinken als Differenzierung zum Wettbewerb 183 Feuerverzinkter Stahl ist nachhaltig

53 Feuerverzinken Ein LongerLife-Produkt! Stückverzinkte Überzüge sind: langlebig widerstandsfähig wartungsfrei umweltfreundlich zuverlässig nachhaltig 185 Feuerverzinken Korrosionsschutz mit Zukunft Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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