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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Heißbadbeschichtung eines Gegenstandes mit Aluminium oder
Aluminiumlegierungen, insbesondere eines Bandes aus Stahl, der
wenigstens 0,1 Gew.-% Mangan enthält, insbesondere rostfreiem
und/oder legiertem Stahl.
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Zur Durchfuhrung einer metallischen Tauchbadbeschichtung
eines Gegenstandes aus Stahl wird der zu beschichtende
Gegenstand im allgemeinen vorbehandelt und in ein Beschichtungsbad
getaucht, das heißt hier in ein Schmelzbad aus Metall.
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Die Vorbehandlung des Gegenstandes besteht im allgemeinen aus
einer bestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Behandlungen.
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So wird zur Vorbehandlung des Gegenstandes beispielsweise
seine Oberfläche gereinigt und der Gegenstand wird erwärmt
und anschließend abgekühlt.
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Die Reinigung der Oberfläche kann insbesondere durch eine
chemische Entfettungsbehandlung oder durch eine physikalische
Behandlung und/oder durch eine als Vorwärmen bezeichnete
thermische Behandlung erfolgen.
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Die Erwärmung soll den Stahl, aus dem der Gegenstand besteht,
umkristallisieren. Sie wird so über eine Zeitdauer und gemäß
einem Temperaturprofil durchgeführt, die für die mechanischen
Eigenschaften des Gegenstandes entscheidend sind.
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Die Abkühlung soll die Temperatur des Gegenstandes auf eine
Temperatur zurückbringen, die nahe bei der Temperatur des
Schmelzbades aus Metall liegt. Sie wird gewöhnlich in einem
kalten Gasstrom durchgeführt.
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Wenn auf Basis von Aluminium beschichtet wird und die zu
beschichtenden Gegenstände aus rostfreiem und/oder legiertem
Stahl bestehen, der insbesondere wenigstens 0,1 % Mangan
enthält, wird die Vorbehandung des Gegenstandes, insbesondere
die letzten Schritte, wie das Erwärmen und das Abkühlen,
bekanntlich in einer reduzierenden Atmosphäre, die insbesondere
Wasserstoff enthält, durchgeführt.
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Tatsächlich weist der zu beschichtende Gegenstand an seiner
Oberfläche Spuren von Oxiden der Legierungselemente des
rostfreien und/oder legierten Stahls auf. Die
Reinigungsbehandlung oxidiert, insbesondere, wenn sie durch Vorwärmen
erfolgt, die Oberfläche noch mehr. Es ist bekannt, daß diese
Oxide und insbesondere die Chromoxide verhindern können, daß
das geschmolzene Metall des Bades die Oberfläche des Bandes
beim Eintauchen richtig benetzt, was der Qualität der
erzielten Beschichtung, insbesondere in Bezug auf ihre
Haftfestigkeit auf dem Gegenstand und ihre geometrische Homogenität,
abträglich ist.
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Diese Anordnung bezüglich der Atmosphäre der vorbereitenden
Behandlungen ist also zweckmäßig, um die Oxide der
Legierungselemente des Stahls, insbesondere von Chrom, die sich auf
der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes befinden,
zu reduzieren und die Qualität der Tauchbadbeschichtung,
insbesondere in Bezug auf ihre Haftfestigkeit auf dem Gegenstand
und ihre geometrische Homogenität, zu verbessern.
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So wird bekanntlich in der Abkühlungsatmosphäre und in der
Erwärmungsatmosphäre Wasserstoff in hohen Mengenanteilen
verwendet, um auf der Oberfläche des zu beschichtenden
Gegenstandes die anfänglich vorhandenen Oxide oder die Oxide, die
sich bei den vorangegangenen vorbereitenden Behandlungen
gebildet haben, zu reduzieren. Die Verwendung von Wasserstoff
weist jedoch schwerwiegende Nachteile bezüglich der Ökonomie
und der Sicherheit auf.
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Das am 16/07/90 im Namen der Firmen SOLLAC und UGINE S.A.
eingereichte französische Patent Nr. 2 664 617 beschreibt ein
solches Verfahren und weist, bezogen auf die Verfahren des
Standes der Technik, den Vorteil auf, daß es die Verwendung
reduzierender Atmosphären, die Wasserstoff in hohen
Mengenanteilen enthalten, bei der Vorbehandlung eines zu
beschichtenden Gegenstandes, insbesondere bei der Abkühlung, vermeidet.
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Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Vorbehandlung
für die Tauchbadbeschichtung eines Bandes aus rostfreiem
Stahl mit Aluminium, bei dem das Band in einer nicht
oxidierenden Atmosphäre bei einer gegenüber dem Stand der Technik
niedrigeren Temperatur vorgewärmt, in einer nicht
oxidierenden Atmosphäre, die reduzierend sein und Wasserstoff
enthalten kann, erwärmt und in einer nicht reaktiven Atmosphäre,
wie Stickstoff, die Wasserstoff enthalten kann, abgekühlt
wird.
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So wird durch eine niedrigere Temperatur und eine nicht
oxidierende Atmosphäre beim Vorwärmen die Bildung von Oxiden auf
der Oberfläche des Bandes eingeschränkt und die nachfolgenden
Behandlungen können vorteilhaft in weniger reduzierenden
Atmosphären durchgeführt werden, also in Atmosphären, die
weniger Wasserstoff enthalten, als die zuvor oftmals verwendeten,
wobei dennoch eine Aluminiumbeschichtung mit guter Qualität,
insbesondere mit guter Haftfestigkeit und hoher Homogenität,
erhalten wird.
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Nichtsdestoweniger kann bei diesem Verfahren im Gegenzug zu
der niedrigeren Temperatur und der nicht oxidierenden
Atmosphäre beim Vorwärmen die Qualität der Reinigung gemindert
sein, insbesondere, wenn die Substanzen, die die Oberfläche
des Gegenstandes verschmutzen, insbesondere fetthaltige
Substanzen, unter diesen neuen Vorwärmbedingungen nicht
vollständig zersetzt werden.
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Es kann ferner erforderlich sein, die Dauer der
Vorwärmbehandlung zu verlängern, um eine ausreichende Qualität der
Reinigung zu erzielen, wobei diese Verlängerung der
Behandlungsdauer jedoch der Produktivität abträglich ist.
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Außerdem ist es, insbesondere für die Erwärmungsbehandlung
und die Abkühlungsbehandlung, oft weiterhin erforderlich,
Wasserstoff, wenn auch in geringeren Mengenanteilen als
zuvor, zu verwenden. Den Nachteilen, die mit der Verwendung von
Wasserstoff verbunden sind und die die Sicherheit und die
Kosten der Anlagen betreffen, konnte also nicht vollständig
abgeholfen werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei der Vorbehandlung eines
Gegenstandes, insbesondere eines Bandes aus rostfreiem
und/oder legiertem Stahl, der wenigstens 0,1 % Mangan
enthält, für eine Tauchbadbeschichtung mit Aluminium oder
Aluminiumlegierungen die Verwendung von Wasserstoff zu vermeiden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Durchführung
der vorbereitenden Behandlungen eines solchen Bandes zu
erleichtern und insbesondere sowohl die Qualität der Reinigung,
als auch die Produktivität sicherzustellen.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur
Heißbadbeschichtung eines Gegenstandes mit Aluminium oder
Aluminiumlegierungen, insbesondere eines Bandes aus Stahl, der
wenigstens 0,1 Gew.-% Mangan enthält, insbesondere rostfreiem
und/oder legiertem Stahl, bei dem das Band vor der
Beschichtung mit einer Reihe von thermischen Behandlungen
vorbehandelt wird, die in geregelten Atmosphären durchgeführt werden,
wonach das Band in ein Schmelzbad aus Aluminium oder
Aluminiumlegierung eingetaucht wird, wobei das Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, daß keine der Atmosphären reduzierend ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann eines oder mehrere der
folgenden Merkmale aufweisen:
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- Die Wasserstoffkonzentrationen der Atmosphären der
thermischen Behandlungen sind sämtlich kleiner oder gleich 1 %.
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- Wenn die Reihe der Behandlungen eine Erwärmung und eine
Abkühlung umfaßt, enthalten die Atmosphären der Erwärmung und
der Abkühlung wenigstens 99 % Stickstoff.
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Die Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die beigefügte Figur,
die eine schematische Ansicht einer Anlage zur Vorbehandlung
und einer Anlage zur Tauchbadbeschichtung eines Metallbandes
im Durchlaufverfahren darstellt, ausführlicher beschrieben.
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Wie in der einzigen Figur dargestellt, umfaßt die in ihrer
Gesamtheit mit der Bezugszahl 1 bezeichnete Anlage zur
Vorbehandlung im Durchlaufverfahren:
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- einen Vorwärmofen 2,
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- einen Ofen 3 zur thermischen Behandlung
und
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- eine Abkühlkammer 4.
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Die Anlage zur Vorbehandlung ist oberhalb einer in ihrer
Gesamtheit mit der Bezugszahl 5 bezeichneten Anlage zur
Tauchbadbeschichtung angeordnet. Sie weist Bandträgerrollen 17
auf, die über die gesamte Anlage verteilt sind und die den
Verlauf des Bandes bestimmen.
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Die Anlage 5 zur Tauchbadbeschichtung ist an sich bekannt und
wird hier nicht ausführlich beschrieben. Üblicherweise weist
sie einen Tauchbadbehälter, der ein Beschichtungsbad 6
enthält, das aus geschmolzenem Aluminium oder geschmolzener
Aluminiumlegierung besteht, und Ausstoßvorrichtungen 7 zum
Trocknen auf.
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Der Vorwärmofen 2 ist ein Flammofen, der einen Lufteinlaß 8,
Brennerrohre 9, die beiderseits des Bandverlaufes angeordnet
sind, und einen Schornstein 10 zum Austragen der Gase,
insbesondere der Verbrennungsgase, umfaßt. Der Vorwärmofen 2 weist
ferner einen Bandeinlaß 11 und einen Bandauslaß 12 auf, der
direkt in den Ofen 3 zur thermischen Behandlung mündet.
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Der Ofen 3 zur thermischen Behandlung besitzt Abstrahlrohre
und, insbesondere durch einen Einlaß 13 für Behandlungsgas,
eine geregelte Atmosphäre. Sein Auslaß mündet direkt in die
Abkühlkammer 4.
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Die Abkühlkammer ist mit Rohren 14 mit Ausstoßvorrichtungen
für Kühlgas ausgestattet, die beiderseits des Bandverlaufs
angeordnet sind, wobei die Ausstoßvorrichtungen zum Verlauf
des Bandes hin ausgerichtet sind. Die Abkühlkainrner 4 ist
ferner mit einem Schornstein 15 zum Austragen der Gase versehen
und mündet über einen Bandauslaßkanal 16 unterhalb der freien
Oberfläche des flüssigen Metalls 6 der Beschichtungsanlage 5.
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Die Vorbehandlungsanlage weist ferner Mittel zur Messung der
Temperatur der Atmosphäre und des Bandes sowie Mittel zur
Messung der Taupunkte und zur Steuerung des
Feuchtigkeitsgehalts auf, die im Vorwärmofen 2, im Ofen 3 zur thermischen
Behandlung und in der Abkühlkammer 4 angebracht sind. Diese
Mittel sind an sich bekannt und hier nicht dargestellt.
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Die Rohre 14 mit Ausstoßvorrichtungen für Kühlgas und der
Einlaß 13 für Behandlungsgas sind mit Gasversorgungsmitteln
verbunden, die hier nicht dargestellt sind.
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Zur Durchführung der Tauchbadbeschichtung eines Bandes B aus
rostfreiem und/oder legiertem Stahl, der wenigstens 0,1 %
Mangan enthält, wird das Band nach der folgenden Reihenfolge
vorbehandelt:
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- Das Band wird zwischen den Brennerrohren 9 des Vorwärmofens
2, der im Überschuß mit wenigstens 2 % Brennstoff, bezogen
auf die stoechiometrischen Verbrennungsbedingungen,
versorgt wird, in einer nicht oxidierenden Atmosphäre
vorgewärmt, deren Temperatur im allgemeinen im Bereich von 800ºC
bis 1300ºC liegt. Die Temperatur des Bandes ist deshalb am
Auslaß des Vorwärmofens 2 höher als die
Zersetzungstemperatur der Substanzen, die die Oberfläche des Bandes
verschmutzen, insbesondere der fetthaltigen Substanzen, und
liegt im allgemeinen im Bereich von 500ºC bis 700ºC. Die
Oberfläche des Bandes wird daher vollständig gereinigt.
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- Das Band wird in dem Ofen 3 zur thermischen Behandlung über
eine Zeitspanne thermisch behandelt, die dafür ausreicht,
daß die gemessene Temperatur des Bandes am Auslaß des Ofens
3 zur thermischen Behandlung höher liegt als die
Rekristallisationstemperatur des rostfreien und/oder legierten
Stahls des Bandes, das heißt im allgemeinen im Bereich von
750ºC bis 950ºC, und dafür, daß die erforderlichen
mechanischen Eigenschaften des Bandes erzielt werden. Die
Temperatur der Atmosphäre des Ofens zur thermischen Behandlung
wird also auf 850ºC bis 1000ºC und ferner der Taupunkt auf
-45ºC bis -25ºC eingestellt.
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Die thermische Behandlung wird in einer nicht reduzierenden
Atmosphäre durchgeführt. Durch das Gasversorgungsmittel
wird in den Ofen 3 zur thermischen Behandlung ein nicht
reduzierendes Behandlungsgas, hier Stickstoff, der wenigstens
0,1 % Wasserstoff enthält, durch den Gaseinlaß 13 in einer
solchen Menge eingespritzt, daß der Ofen 3, bezogen auf den
Vorwärmofen 2 und auf die Abkühlkammer 4, unter Überdruck
steht.
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Ohne von der Erfindung abzuweichen, ist es möglich, als
Behandlungsgas Stickstoff zu verwenden, der bis zu 1 %
Wasserstoff enthält. Selbst bei diesen Konzentrationen
bereitet die Verwendung von Wasserstoff keinen Nachteil
hinsichtlich der Sicherheit und der Kosten der Anlagen.
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- Das Band wird zwischen den Rohren 14 mit
Ausstoßvorrichtungen für Kühlgas in der Abkühlkammer 4 in einer nicht
reduzierenden Atmosphäre abgekühlt. Die Rohre 14 werden durch
Mittel zur Gasversorgung mit nicht reduzierendem Kühlgas,
hier mit Stickstoff mit Umgebungstemperatur, der mindestens
0,1 % Wasserstoff enthält, in einer solchen Menge versorgt,
daß die gemessene Temperatur des Bandes am Auslaß der
Kammer 4 nahe bei der des Schmelzbades 6 aus Metall liegt, das
heißt im allgemeinen im Bereich von 670ºC und 700ºC. Der
Taupunkt wird auf -30ºC bis -15ºC eingestellt.
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Die Kühlgase und ein Teil der Behandlungsgase ziehen durch
den Austragsschornstein 15 ab. Der andere Teil der
Behandlungsgase zieht durch den Austragsschornstein 10 des
Vorwärmofens 2 ab.
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Das Band verläßt die Vorbehandlungsanlage 1 durch den
Auslaßkanal 16 der Abkühlkammer 4 und taucht dann sofort in das Bad
6 aus flussigem Metall der Beschichtungsanlage 5 ein.
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Da es keine obere Grenze für die Vorwärmtemperatur gibt, kann
also die Vorbehandlung des Bandes für die Beschichtung
vorteilhaft bei einer höheren Temperatur durchgeführt werden, um
sowohl die Qualität der Reinigung als auch eine gute
Produktivität sicherzustellen.
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So werden bei der Vorbehandlung des Bandes für die
Beschichtung ferner die Verwendung von Wasserstoff und die mit seiner
Verwendung verbundenen Nachteile bezüglich der Sicherheit und
der Kosten vollständig vermieden.
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Die Durchführung der vorbereitenden Behandlungen des Bandes
für die Tauchbadbeschichtung wird erheblich vereinfacht.
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Nach der Vorbehandlung des Bandes wird anschließend die
Tauchbadbeschichtung des Bandes nach einem an sich bekannten
Verfahren durchgeführt, das hier nicht ausführlich
beschrieben wird. Insbesondere werden die Ausstoßvorrichtungen 7 zum
Trocknen so eingestellt, daß die gewünschte
Beschichtungsstärke, beispielsweise etwa 20 Mikrometer, erzielt wird.
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Die Anmelderin hat überraschend festgestellt, daß, obwohl die
vorbereitenden Behandlungen des Bandes sämtlich in fast
vollständiger Abwesenheit von Wasserstoff und in nicht
reduzierenden Atmosphären durchgeführt wurden, die nach bekannten
Methoden durchgeführte Tauchbadbeschichtung mit Aluminium
oder Aluminiumlegierung ferner eine hohe geometrische
Homogenität und eine gute Haftfestigkeit auf dem Band B aus
rostfreiem und/oder legiertem Stahl aufweist, unter der Maßgabe,
daß der Stahl wenigstens 0,1 % Mangan enthält. Dieses
Ergebnis ist umso überraschender, als die Bedingungen der
Vorbehandlung nicht geeignet sind, die Bildung von Oxiden völlig
zu verhindern, und nicht einmal dazu, diese Oxide auf der
Oberfläche des Bandes zu reduzieren.
Beispiel 1:
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Es wird ein 1 mm dickes Band aus legiertem Stahl mit einem
Mangangehalt von 0,178 % verwendet.
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Die übrigen Legierungselemente sind insbesondere: Si : 0,37 %
- Cr : 0,84 % - Al : 0,9 % - Ti :0,32 % - Nb : 0,21 %.
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Unter Einsatz der oben beschriebenen Anlage werden
Vorbehandlung und Beschichtung gemäß der Erfindung unter den folgenden
Bedingungen durchgeführt:
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Vorwärmofen 2:
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- Temperatur des Bandes beim Verlassen des Ofens: 650ºC
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Ofen 3 zur thermischen Behandlung:
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- Temperatur des Bandes beim Verlassen des Ofens: 850ºC
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- Zusammensetzung der Atmosphäre: Stickstoff
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- Taupunkt: -30ºC
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Kühlkammer 4:
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- Temperatur des Bandes beim Verlassen der Kammer: 680ºC
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- Zusammensetzung der Atmosphäre: Stickstoff
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- Taupunkt: 25º
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Beschichtungsbad 6:
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- Zusammensetzung: Al : 87,6 % - Si : 9,1 % - Fe : 3,3 %
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- Eintauchdauer: 3 s
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Die Ausstoßvorrichtungen 7 zum Trocknen werden so
eingestellt, daß das Band doppelseitig mit ungefähr 120 g/m² einer
Beschichtung der folgenden Zusammensetzung bedeckt wird: Al :
86,8 % - Si : 6 % - Fe : 7,2 %.
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Anschließend werden die Haftfestigkeit und die Homogenität in
der Dicke der Beschichtung mit den folgenden Methoden
bestimmt:
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- Genormter Test zur Haftfestigkeit ASTM Nr. A 463 488: Die
Methode besteht darin, eine Probe des beschichteten Bandes
bei 180ºC entlang eines Durchmessers, der zweimal der
Stärke der Probe entspricht, zu biegen. Der Test ist positiv,
wenn nach dem Biegen kein Absplittern der Beschichtung
festzustellen ist.
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Die an Proben des erfindungsgemäß vorbehandelten und
beschichteten Bandes durchgeführten Tests zur Haftfestigkeit
sind positiv.
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- Bestimmung der Stärke oder des Gewichtes der Beschichtung
nach der Norm ASTM Nr. A 428-99: Die Methode basiert auf
der Gewichtsmessung mehrerer Proben vor und nach dem
chemischen Beizen der Beschichtung.
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Die Ergebnisse der an drei Proben des erfindungsgemäß
vorbehandelten und beschichteten Bandes durchgeführten
Gewichtsmessungen sind: 120 g/m², 123 g/m², 121 g/m² ... und
entsprechen einer hohen Homogenität.
Beispiel 2:
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Es wird ein 1,4 mm dickes Band aus rostfreiem Stahl F17T mit
einem Mangangehalt von 0,45 % verwendet.
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Die übrigen Legierungselemente sind insbesondere: Cr : 17,7 %
- Si : 0,44 % - Ti : 0,29 % - Nb : 0,62 %.
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Unter Verwendung der oben beschriebenen Anlage wird gemäß der
Erfindung unter den gleichen Vorbehandlungs- und
Beschichtungsbedingungen wie in Beispiel 1 verfahren.
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Die Ausstoßvorrichtungen 7 zum Trocknen werden so
eingestellt, daß das Band doppelseitig mit ungefähr 120 mg/m²
einer Beschichtung der folgenden Zusammensetzung bedeckt wird:
Al : 86,8 % - Si : 6 % - Fe : 7,2 %.
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Anschließend werden die Haftfestigkeit und die Homogenitat in
der Dicke der Beschichtung mit den gleichen Methoden wie in
Beispiel 1 bestimmt:
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- Die an den Proben des erfindungsgemäß vorbehandelten und
beschichteten Bandes durchgeführten Tests zur
Haftfestigkeit sind positiv.
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- Die Ergebnisse der an drei Proben des erfindungsgemäß
vorbehandelten und beschichteten Bandes durchgeführten
Gewichtsmessungen sind: 122 g/m², 124 g/m², 121 g/m² ... und
entsprechen einer hohen Homogenität.