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Baustofflehre 2010 Thomas A. BIER Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg, 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

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Baumetalle

Stahl und Eisen

Aluminium

Kupfer

Zink

Titan

Blei

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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

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Herstellung - Stahl

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Baustofflehre 2010

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

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Allgemeine Baustähle

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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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Baustofflehre 2010

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

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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.

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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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