ZINKDRUCKGUSSLEGIERUNGEN

Inhalt:

Other Languages:

Korrosionseigenschaften

Korrosionswiderstand

Zink hat in den meisten natürlichen Umgebungen eine gute Beständigkeit gegenüber Korrosion und wird häufig für den Korrosionsschutz von Stahl eingesetzt.

In den meisten Fällen sind Zinkdruckgusslegierungen dem Korrosionsverhalten des unlegierten Zinks ähnlich.

Wenn Zink oder verzinkter Stahl in unterschiedlicher Verwendung hinsichtlich der Korrosion befriedigende Ergebnisse zeigen, werden üblicherweise auch die Zinkdruckgussteile gute Ergebnisse zeigen.

Hierbei erfordert eine marine Umgebung eine besondere Betrachtung.

Zinkdruckgusslegierungen korrodieren mit einer gleichmäßigen und langsamen Korrosionsrate.

Bei Zinkduckgussteilen, die der Norm EN 12844 entsprechen, tritt keine interkristalline Korrosion auf.

Interkristalline Korrosion, die zu schwerwiegendem Bauteilversagen führen kann, kann nur dann auftreten, wenn störende Verunreinigungen, speziell Zinn und Blei die zugelassenen Konzentrationen überschreiten.

In den meisten Ländern gehören Zinkdruckgießereien heute Gütegemeinschaften an, die die strikte Einhaltung der Normvorgaben gewährleisten.

Die Literatur zum Korrosionswiderstand von Zink in all seinen Anwendungsgebieten ist umfangreich.

Eine Zusammenfassung dieser Literatur ist in „Zinc: It´s corrosion resistance – reference 11“ gegeben.

Corrosion Rates of Zinc and Zinc Alloys in Various Atmospheres Laut europäischen Risikobewertungsbericht, im Jahr 2008 veröffentlicht, beträgt die Abtragsrate von Zink unter atmosphärischen Bedingungen 0,4 µ / m² x a, beziehungsweise 2-3 g / m² x a.

Die Abtragsrate unter maritimen Bedingungen ist entsprechend höher.

Referenz 11

Korrosion unter normaler Atmosphäre

Ungeschützte und unbehandelte Zinkdruckgussteile verlieren schnell ihr metallisch glänzendes Erscheinungsbild und erhalten eine kompakte  und fest anhaftende Schicht (Patina) aus unterschiedlichen chemischen Komponenten, die  künftige Korrosionsraten vermindern.

Zur Verhinderung bzw. Verringerung höherer Korrosionsraten unter  extremen Bedingungen (z.B. industrielle und marine Umgebung), ist eventuell eine schützende Oberflächenbeschichtung erforderlich.

Unter jeglichen Bedingungen -unabhängig davon ob im Innenraum oder an der Freiluft – wo Feuchtigkeit an der Oberfläche des Zinks kondensiert und dort über längere Zeiträume verbleibt, wird eine auffällige Form eines weißes Korrosionsprodukts auf der Oberfläche des Zinkdruckgussteil erzeugt. Dieses weiße Korrosionsprodukt ähnelt der Weißrostbildung, die sich auf verzinkten Oberflächen unter ähnlichen Bedingungen bildet.

Diese Form der Korrosion verursacht normalerweise keinen starken Metallverlust.

Soll Metallverlust aus optischen Gesichtspunkten vermieden werden, so kann eine Konversionsschicht den notwendigen Schutz liefern.

Diese Form des Schutzes ist zu empfehlen, wenn ungeschützte Druckgussteile unter tropischen Bedingungen oder in äußeren Küstenlagen transportiert oder eingesetzt werden sollen.

Da die Auswirkungen von Korrosion auf die mechanischen Eigenschaften oft von Bedeutung sind, werden die Veränderungen dieser Eigenschaften nach 20 Jahren Bewitterung an unterschiedlichen Orten in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst, die sehr anschaulich die Alterungsbeständigkeit von Zinkdruckgusskomponenten aufzeigt.

Kombinierter Effekt der Bewitterung und der Alterung auf die mechanischen Eigenschaften von Zinkdruckgussteilen (ASTM AG 40A, äquivalent zu ZP3).

New York,
NY
(Freiluft)
Industriell/ Marin
Altoona,
Pennsylvania
(Freiluft)
Städtisch
State College,
Pennsylvania
(Freiluft)
Städtisch/Ländlich
Coco Solo Islands,
Kanalzone
(Innenraum)
Tropisch
Tucson,
Arizona
(Innenraum) Wüste
Zugfestigkeit in MPa
Original 253 253 252 253 253
5 Jahre 236 230 242 233 249
10 Jahre 213 223 232 234 235
20 Jahre 207 209 212 223 232
Dehnung in %
bei 50.8mm
Original 15 15 15 15 15
5 Jahre 9 18 16 20 16
10 Jahre 16 9 11 23 18
20 Jahre 6 8 18 21 20
Härte
(Rockwell E)
Original 83 83 83 83 83
5 Jahre 78 78 82 68 77
10 Jahre 81 70 75 76 79
20 Jahre 68 75 67 71 77
Schlagarbeit (Charpy) J
Original 53 53 53 53 53
5 Jahre 57 41 52 44 59
10 Jahre 44 60 39 59 54
20 Jahre 14 19 52 50 57
Änderung der Abmessungen in %
5 Jahre -0.01 -0.01 -0.01 -0.01 -0.01
10 Jahre -0.02 -0.01 0.00 0.00 -0.01
20 Jahre -0.02 -0.02 0.00 0.00 -0.01

Referenz 13

Die oberen Werte werden im Weiteren grafisch dargestellt.

ima01 ima04 ima03 ima02

Druckgussteile mit anwendungsbezogenen Oberflächenbehandlungen

Wenn Gussteile über einen längeren Zeitraum in aggressiven Umgebungen genutzt werden, oder, wenn das mattgraue  Erscheinungsbild des verwitterten Zinks nicht akzeptabel ist, werden Zinkdruckgussteile mit verschiedenen Beschichtungsverfahren veredelt.

Zinkdruckgussteile werden häufig pulverbeschichtet oder lackiert, wobei sich Zinkdruckgusslegierungen dadurch auszeichnen, dass organische Schichten über lange Zeiträume sehr gut halten.

Die tatsächliche Lebensdauer der Lackschicht wird dadurch verlängert, dass sich bei Zinkdruckgussteilen im Unterschied zu anderen Werkstoffen eine Korrosion entlang der Verbindungsebene Zink-Lack auch bei einer Schädigung der Lackschicht nicht fortsetzt.

Zinkdruckgussteile sind außerdem oftmals verchromt (Cu-Ni-Cr)

Dient das Verchromen neben anderen gewünschten Effekten auch dem Korrosionsschutz, muss darauf geachtet werden, dass für die zu erwartenden Betriebsbedingungen eine jeweils ausreichende Dicke für Kupfer- und Nickel-Grundierung angewandt wird (siehe EN 12540:2000).

Korrosion in Kontakt mit Gasen (mit Ausnahme von Luft)

Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Treibstoff sowie Edelgase korrodieren Zink nicht.

Bei  vorhandener Feuchtigkeit jedoch, bilden sich Feuchtigkeitsflecken.

Gussteile sollten bei Bedarf mit einer Passivierungsschicht versehen werden, um diese Entwicklung zu verhindern.

Zinkdruckgussteile werden z.B. als Armaturen für Erdgas (z.B. Gas-Druckminderer) sowie seit vielen Jahren bereits als Komponenten für Gasflaschen genutzt.

Kontakt mit Süßwasser

Wasseranschlusskomponenten aus Zinkdruckguss sind heute in vielfältigem Einsatz. Die Korrosionsrate von Zink in der Trinkwasserversorgung variiert stark, je nach Härtegrad, chemischer Zusammensetzung und Säuregrad des Wassers. Die Bandbreite der Korrosionsrate liegt in Abhängigkeit von der Wasserqualität zwischen 2,5 und 100 µm/Jahr.

Hartes Wasser verursacht prinzipiell weniger Korrosion, da das sich auf der Oberfläche ansammelnde Kalziumkarbonat die Angriffsrate spürbar senkt.

Die Trinkwasserquelle kann durch winzige Mengen organischer Verbindungen, die sich darin befinden können, einen Einfluss auf die Korrosionsrate haben. Dies gilt besonders für warmes Wasser.

Durch die organischen Verbindungen werden die Kalkablagerungen (Kesselstein) in einer fest anhaftenden Form abgeschieden, fast wie bei einer Eierschale, wodurch ein maximaler Schutzeffekt entsteht.

Wasser aus tiefen Urquellen scheidet den Kesselstein weniger gut haftend ab, wodurch das Zink einen geringeren Schutz bekommt.

Der pH-Wert von Trinkwasser liegt üblicherweise  zwischen 5,0 und 8,5; die Korrosion von Zink ist generell am niedrigsten im Bereich zwischen pH-Wert 6,5 und 12.

Ist es beabsichtigt, Zinkdruckgusskomponenten im ständigen Kontakt mit Versorgungswasser einzusetzen, sollte geprüft werden, ob hier eine angemessene Beschichtung erforderlich ist.

Faktoren wie freies Kohlendioxid sind hier wichtig, die schnellsten Angriffsraten werden beobachtet, wenn Wasser einen hohen Kohlendioxidanteil sowie eine sehr niedrige Konzentration an gelösten Feststoffen aufweist.

Kontakt mit Salzwasser

Die Erfahrung mit dem Gebrauch von Zinkdruckgussteilen in Salzwasser ist nicht besonders umfangreich, doch die Erfahrungen aus dem Einsatz anderer Zinkanwendungen lassen vermuten, dass bei vollständigem Eintauchen eine Korrosionsrate von 12 bis 25 µm / Jahr erwartet werden kann.

Die Korrosionsraten werden jedoch  spürbar ansteigen, wenn das Eintauchen lediglich in Intervallen stattfindet, wie in Einsatzbereichen die den Gezeiten (Ebbe/Flut) ausgesetzt sind.

Während die Korrosionsraten , die für den Zustand totalen Eintauchens gelten, meist toleriert werden können,  muss bei Anwendungen unter periodischem (zeitweilig wechselhaften) Eintauchen gegebenenfalls, ein adäquater Schutz gewährleistet werden.

Bei Kontakt mit anderen Metallen wird die Korrosion zusätzlich beschleunigt.

Kontakt mit anderen wässrigen Lösungen

Als generelle Regel sollten Zinkdruckgussteile nur im Kontakt mit Lösungen, die einen pH-Wert zwischen 6,5 und 12 aufweisen, eingesetzt werden, da die Korrosionsrate außerhalb dieser Bandbreite schnell ansteigt.

Allerdings kann eine Anzahl anderer Faktoren, wie Agitation (Umrühren, Bewegung), Temperatur und Polarisation ebenfalls von großem Einfluss auf die Korrosionsrate sein und somit die Angriffsrate substanziell vom erwarteten Wert abbringen.

Detaillierte Ergebnisse einer Vielzahl unterschiedlicher Lösungen werden im Handbuch « Zinc: Its Corrosion Resistance » dargestellt.

In Fällen, die darüber hinaus gehen, sollten Versuche durchgeführt werden, die die Verwendbarkeit von Zinkdruckgussteilen für den Gebrauch bei Kontakt mit anderen wässrigen Lösungen, wie z.B. Waschmittellösungen oder Seifen zum Inhalt haben.

Die meisten Reinigungsmittel sind leicht alkalisch und haben darum eine relativ niedrige Angriffsrate.

Es ist anzunehmen, dass konzentrierte oder sehr heiße Waschmittellösungen ungeschützte Zinkdruckgussteile schneller angreifen.

Kontakt mit organischen Materialen

Generell haben organische Materialien eine geringe Auswirkung auf Zink.

Ausnahmen sind Wasser oder Säurekomponenten die entweder natürlich vorhanden sind, oder sich als ein Teil der üblichen Produkte einer atmosphärischen Störung bilden.

Zum Beispiel reagiert Trichlorethylen nicht mit Zinkdruckgussteilen, genauso wenig wie wasserfreier Alkohol. Doch die Korrosion steigt an, sobald Wasser in irgendeiner Form präsent ist.

Raffinierte Öle greifen Zink nicht an, es sei denn, sie enthalten nennenswerte Mengen an Schwefel, Wasser oder Säurekomponenten.

Beispielsweise kann wasserhaltiges Benzin zu Korrosionsprodukten führen, die Brennstoffdüsen oder Einspritzdüsen verstopfen bzw. komplett blockieren könnten.

Eine Chromatierung kann diese Art der Korrosion verhindern, doch Zinkbauteile für Kraftstoffsysteme müssen heutzutage selten chromatiert werden.

Schwefelhaltiges Dieselöl kann ebenfalls Verbindungen produzieren, die Treibstoffdüsen/Einspritzdüsen blockieren.

Schmieröle, die auf tierischen Produkten basieren, sollten mit Vorsicht gebraucht werden, weil sie aus Sauerstoff geformte Säuren bilden. Rein mineralische Schmiermittel sind hingegen grundsätzlich zufrieden stellend.

Die Auswirkungen einer großen Anzahl von Substanzen werden in der Monographie ‘Zinc: Its Corrosion Resistance‘ aufgelistet.

Kontakt mit Nahrungsmitteln

Oberflächen von nackten unbehandelten Zinklegierungen sollten nicht im Kontakt mit säurehaltigen Lebensmitteln gebraucht werden, sofern man nicht davon ausgehen kann, dass sie im trockenen Zustand bleiben.

Andernfalls muss das Zink angemessen z.B. mit einem Kupfer-Nickel-Chrom-Überzug (Verchromung) oder einer anderen undurchlässigen Oberflächenbeschichtungssystem geschützt werden.

Der kleine Anteil an Säure, der in vielen Lebensmitteln vorhanden ist, kann Zink angreifen, und umgekehrt kann die Nahrung einen unangenehmen metallischen Geschmack annehmen.

Aus dem gleichen Grund sollten Zinkdruckgussteile, die in Geräten zum Lagern oder Verteilen von Getränken genutzt werden, ebenfalls beschichtet oder anderweitig geschützt werden.

Bi-metallische Kontakt-Korrosion

Wenn zwei unterschiedliche Metalle mit einer korrosiven Umgebung in Kontakt kommen, bilden sie zusammen eine elektrolytische Zelle und eine Strömung fließt vom unedlen Metall (Anode) zum edleren Metall (Kathode).

Im Ergebnis tendiert die Korrosionsrate des nobleren kathodischen Metalls dazu abzusinken und jene des unedleren anodischen Metalls anzusteigen, verglichen mit den Raten der beiden Metallen, wenn sie nicht in Kontakt miteinander kommen würden, aber den gleichen korrosiven Bedingungen ausgesetzt wären.

Die Antriebskraft für diese elektrolytische Reaktion ist die Spannungsdifferenz zwischen den Metallen.

Diese kann im Labor gemessen werden kann, (siehe die Tabelle zur elektrochemischen Reihe unten) liefert jedoch keine zuverlässige Aussage zur effektiven Korrosionsrate, als Folge des bi-metallischen Kontakts.

Dieses Phänomen ist die Grundlage der Methode, Stahl mit Zink vor Korrosion zu schützen (kathodischer Korrosionsschutz).

Speziell geformte Zinkanoden (sogenannte Opferanoden) werden in einen elektrischen Kontakt mit dem Stahl gebracht, der geschützt werden soll (oftmals Stahlstrukturen auf hoher See oder unterirdisch verlegte Pipelines).

Dabei wird Zink stetig verbraucht (d.h. das Zink opfert sich), während der Stahl vor Korrosion geschützt wird. Bi-metallische Korrosion von Zinkdruckgussteilen erweist sich selten als ein Problem.

Viele Millionen Gussteile, mit eingegossen Teilen aus Messing, Bronze oder anderen Edelmetallen sind im Einsatz ohne dass ein erkennbarer Anstieg der Zink-Korrosionsrate festgestellt werden konnte.

Das lässt die Annahme zu, dass unter milden oder moderat-schwierigen atmosphärischen Korrosionsbedingungen zwar ein gewisser Anstieg der Korrosionsrate zu erwarten ist.

Eine Auswirkung auf die Betriebsfähigkeit der Komponenten ist in vielen Fällen jedoch unwahrscheinlich.

Unter immersierten Bedingungen (d.h. unter Wasser) sollte der Kontakt mit Kupfer und Kupferlegierungen vermieden werden.
Referenz 13

Zusätzliche Korrosion von Zink und zinkbasierten Gussteilen als Ergebnis des Kontakts mit anderen Metallen oder Kohlenstoff

Metall in Kontakt Umgebung
Atmosphärisch Immersiert (eingetaucht)
Ländlich Industriell/
Städtisch
Marin Süßwasser Salzwasser
Aluminium und Aluminiumlegierungen 0 0 bis 1 0 bis 1 1 1 bis 2
Aluminiumbronze and Siliziumbronze 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Blei 0 bis 1 1 0 bis 2 0 bis 2 2 bis 3
Kadmium 0 0 0 0 0
Chrom 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Eisenguss 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Eisenguss (austenitisch) 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 3
Gold 0 bis 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Gusszinnbronze, Phosphorbronze und Zinnbronze 0 bis 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Kohle 0 bis 1 0 bis 1 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Kupfer 0 bis 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Kupfernickel 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Lötzinn hart 0 0 bis 1 1 bis 2 0 bis 1 0 bis 2
Lötzinn weich 0 0 0 0 0
Magnesium and Magnesiumlegierungen 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Messing sowie höherfestes Messing (HT) (Manganbronze) 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Neusilber 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 3
Nickel 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 3
Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 3
Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungen 0 bis 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Nickel-Kupfer-Legierungen 0 bis 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Platin 0 bis 1 1 bis 2 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Rhodium 0 bis 1 1 1 bis 2 1 bis 2 2 bis 3
Rostfreier Stahl (austenitisch und andere Grade die ungefähr 18% Chrom enthalten) 0 0 0 0 0
Rostfreier Stahl (martensitisch und andere Grade die ungefähr 13% Chrom enthalten) 0 bis  1 0 bis 1 0 bis 1 0 bis 2 1 bis 2
Silber 0 bis 1 0 bis 1 0 bis 1 0 bis 2 1bis 2
Stahl (Kohlenstoff und niedrig legiert) 0 bis 1 1 1 bis 2 1bis 2 1bis 2
Titan und Titanlegierungen 0 0 bis 1 1 1 1bis 2
Zink und Zinklegierungen 0 bis 1 1 1 bis 2 0bis 2 1bis 3
Zinn 0 0 0 0 0

Legende
0. Zink- und zinkbasierte Legierungen dürften entweder keine zusätzliche Korrosion erleiden oder höchstens eine sehr leichte zusätzliche Korrosion, üblicherweise im Betrieb tolerierbar.
1. Zink- und zinkbasierte Legierungen dürften leichte oder moderate zusätzliche Korrosion erleiden, die unter bestimmten Bedingungen tolerierbar ist.
2. Zink- und zinkbasierte Legierungen dürften ziemlich ernsthafte zusätzliche Korrosion erleiden, und Schutzmaßnahmen werden üblicherweise notwendig sein.
3. Zink- und zinkbasierte Legierungen dürften ernsthafte zusätzliche Korrosion erleiden, und der Kontakt sollte verhindert werden.
Allgemeine Anmerkungen: Die Angaben in Klammern gründen auf sehr begrenzte Testdaten und sind darum unsicherer als die anderen angezeigten Werte. Die Tabelle wird durch den Begriff der zusätzlichen Korrosion bestimmt, und das Symbol 0 sollte nicht so verstanden werden, das die in Kontakt stehenden Metalle keinerlei Schutz unter allen potenziellen Aussetzungsbedingungen benötigen würden.

Referenz 14

Elektrochemisches Potential / Spannungsreihen

Element Reaktion Elektrodenpotenzial
Volt
Gold Au+ + e = Au 1.692
Gold Au3+ + 3 e = Au 1.498
Platin Pt2+ + 2 e  = Pt 1.18
Palladium Pd2+ + 2 e = Pd 0.951
Silber Ag+ + e = Ag 0.7996
Kupfer Cu+ + e = Cu 0.521
Kupfer Cu2+ + 2 e = Cu 0.3419
Eisen Fe3+ + 3 e = Fe -0.037
Blei Pb2+ + 2 e = Pb -0.1262
Zinn Sn2+ + 2 e  = Sn -0.1375
Nickel Ni2+ + 2 e = Ni -0.257
Kobalt Co2+ + 2 e  = Co -0.28
Kadmium Cd2+ + 2 e = Cd -0.403
Eisen Fe2+ + 2 e = Fe -0.447
Chrom Cr3+ + 3 e = Cr -0.744
Zink Zn2+ + 2 e = Zn -0.7618
Chrom Cr2+ + 2 e = Cr -0.913
Mangan Mn2+ + 2 e = Mn -1.185
Titan Ti3+ + 3 e = Ti -1.37
Titan Ti2+ + 2 e = Ti -1.63
Aluminium Al3+ + 3 e = Al -1.662
Magnesium Mg2+ + 2 e = Mg -2.372
Magnesium Mg+ + e = Mg -2.7
Natrium Na+ + e = Na -2.71
Kalzium Ca2+ + 2 e = Ca -2.868
Kalium K+ + e = K -2.931
Lithium Li3+ + e = Li -3.0401
Kalzium Ca+ + e = Ca -3.8

Tabelle potenzieller Differenzen zwischen Zink und einer Anzahl anderer gebräuchlicher Metalle und Legierungen in einer 2% Salzlösung

Material Zusammensetzung Potenzial
Millivolt
Platin 1400
Gold 1270
Rostfreier Stahl, passiv 18%Cr 8%Ni 1150
Chrom, passiv 1150
Silber 1050
Quecksilber 1050
Nickel 970
Arcap Cu55% Zn23% Ni 22% 950
Kupfer 830
Aluminiumbronze Cu90% Al10% 800
Messing Cu Zn39% 750
Bronze Cu88% Sn12% 630
Zinn 600
Blei 560
Weichstahl 0.08 – 0.12% C 400
Hartstahl 0.8 – 1.2% C 305
Cadmium 300
Eisen 295
Weißmetall Sn 75% Zn25% 40
Zink 0
Almasilium Al 5% Mg -295
Duralinox Al Mg3%   Al Mg5% -300
Aluminium 99,5% -310
Alpax H Al Si 10% Mg -335
Duralumin Al Cu4% Mg -530

Referenz 15

Learn the latest about Zinc. Sign Up.

  • This field is for validation purposes and should be left unchanged.