DE102011000984A1

DE102011000984A1 - Verfahren zum Veredeln einer metallischen Beschichtung auf einem Stahlband

Info

Publication number: DE102011000984A1
Application number: DE102011000984A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Rasselstein GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Rasselstein GmbH
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-09-06
Also published as: CN103476967A; BR112013022008A2; RU2013141507A; CA2827617A1; ES2992086T3; US20140162087A1; JP5767345B2; US9115428B2; RU2560468C2; WO2012116847A1; EP2681348A1; EP2681348B1; JP2014512454A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Veredeln einer metallischen Beschichtung auf einem Stahlband oder -blech, wobei die Beschichtung durch Erhitztur des Materials der Beschichtung aufgeschmolzen wird, wobei das Erhitzen durch Bestrahlung der Oberfläche der Beschichtung mit einer elektromagnetischen Strahlung hoher Leistungsdichte über eine begrenzte Bestrahlungszeit von höchstens 10 μs erfolgt und die durch die elektromagnetische Strahlung in die Beschichtung eingebrachte Energiedichte und die vorgegebene Bestrahlungszeit so ausgewählt werden, dass die Beschichtung vollständig über ihre gesamte Dicke bis zur Grenzschicht zum Stahlband aufschmilzt, wodurch sich an der Grenzschicht zwischen der Beschichtung und dem Stahlband eine dünne Legierungsschicht ausbildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Stahlband oder -blech mit einer metallischen Beschichtung, insbesondere einer Beschichtung aus Zinn, Zink oder Nickel, bei dem an der Grenzschicht des Stahls zur Beschichtung eine, verglichen mit der Dicke der Beschichtung, dünne und gleichzeitig dichte Legierungsschicht aus Eisenatomen und Atomen des Beschichtungsmaterials ausgebildet ist, wobei die Dicke der Legierungsschicht einer Legierungsschichtauflage von weniger als 0,3 g/m2 entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Veredeln einer metallischen Beschichtung auf einem Stahlband oder Stahlblech nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Herstellung von galvanisch beschichteten Stahlbändern, beispielsweise bei der Herstellung von Weißblech, ist es bekannt, die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung durch ein Aufschmelzen der Beschichtung nach dem galvanischen Beschichtungsvorgang zu erhöhen. Hierzu wird die auf das Stahlband galvanisch abgeschiedene Beschichtung auf eine über dem Schmelzpunkt des Beschichtungsmaterials liegende Temperatur erhitzt und anschließend in einem Wasserbad abgeschreckt. Durch das Aufschmelzen der Beschichtung erhält die Oberfläche der Beschichtung ein glänzendes Aussehen und die Porösität der Beschichtung wird vermindert, wodurch sich deren Korrosionsbeständigkeit erhöht und ihre Durchlässigkeit für aggressive Stoffe, beispielsweise organische Säuren, vermindert.
Das Aufschmelzen der Beschichtung kann beispielsweise durch induktive Erhitzung des beschichteten Stahlbands oder durch elektrisches Widerstandsheizen erfolgen. Aus der DE 1 277 896 ist beispielsweise ein Verfahren zur Erhöhung des Korrosionsschutzes von metallisierten Eisenbändern oder -blechen bekannt, bei dem die metallische Beschichtung durch Erhöhung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials aufgeschmolzen und während des Kristallisationsvorgangs im Bereich zwischen Schmelztemperatur und Rekristallisationstemperatur Schwingungen höherer Frequenz ausgesetzt wird. Aus der DE 1 186 158-A ist eine Anordnung zum induktiven Erwärmen von metallischen Bändern für das Aufschmelzen von insbesondere elektrolytisch aufgebrachten Beschichtungen auf Stahlbändern bekannt.
Bei den bekannten Verfahren zum Aufschmelzen von metallischen Beschichtungen auf Stahlbändern oder -blechen wird in der Regel das gesamte Stahlband- bzw. Blech, einschließlich der aufgebrachten Beschichtung, auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials erwärmt und anschließend, beispielweise in einem Wasserbad, wieder auf Normaltemperatur abgekühlt. Hierfür ist ein erheblicher Energiebedarf notwendig.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Veredeln einer metallischen Beschichtung auf einem Stahlband oder -blech aufzuzeigen, welches im Vergleich zu den bekannten Verfahren wesentlich energieeffizienter ist. Das Verfahren soll ferner eine hohe Korrosionsstabilität der verfahrensgemäß behandelten Beschichtung auch bei dünnen Beschichtungsauflagen erzielen.
Gelöst werden diese Aufgaben mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die metallische Beschichtung zumindest an ihrer Oberfläche und über einen Teilbereich ihrer Dicke durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials aufgeschmolzen, wobei das Erhitzen durch eine Bestrahlung der Oberfläche der Beschichtung mit einer elektromagnetischen Strahlung hoher Leistungsdichte über eine begrenzte Bestrahlungszeit von höchstens 10 µs erfolgt. Der Energiebedarf ist unabhängig von der Blechdicke. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass gegenüber einer mittleren Standarddicke bei Weißblech von 0,2 mm bspw. bei einer beidseitigen Aufschmelzung innerhalb einer Bestrahlungszeit von höchstens 10 µs ca. 90% weniger Wärmeenergie im Band benötigt wird. Für den Gesamtenergiebedarf ist der Absorptionsgrad – abhängig von Wellenlänge der Strahlung, Oberflächenbeschaffenheit der Beschichtung, usw. – sowie der Wirkungsgrad der Strahlungsquelle zu berücksichtigen.
Die begrenzte Bestrahlungszeit kann dabei entweder durch Verwendung einer gepulsten Strahlungsquelle erreicht werden, welche die elektromagnetische Strahlung in kurzen Pulsen mit einer maximalen Pulsdauer von 10 µs emittiert. Die Bestrahlungszeit kann auch dadurch auf den Maximalwert von 10 µs begrenzt werden, dass eine kontinuierlich elektromagnetische Strahlung emittierende Strahlungsquelle verwendet wird, welche gegenüber dem beschichteten Stahlband mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Diese Ausführungsform der Erfindung bietet sich insbesondere in Bandbeschichtungsanlagen an, in denen ein zu beschichtendes Stahlband eine Beschichtungsanlage in Bandlängsrichtung mit hoher Geschwindigkeit durchläuft. Bei der Herstellung von Weißblech in einer Bandverzinnungsanlage werden beispielsweise bei der elektrolytischen Verzinnung von Stahlband Bandgeschwindigkeiten von bis zu 700 m/min erreicht. Bei derart hohen Bandlaufgeschwindigkeiten können die erfindungsgemäß einzuhaltenden Bestrahlungszeiten von höchstens 10 µs durch Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung auf die Oberfläche der Beschichtung eingehalten werden, ohne dass eine gepulste Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung notwendig wäre.
Zweckmäßig erfolgt die Bestrahlung der beschichteten Oberfläche des Stahlbands oder -blechs mittels eines Laserstrahls hoher Leistungsdichte. Aus dem Stand der Technik sind Kurzpuls-Laser bekannt, welche Laserstrahlen hoher Leistung mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden (ns) emittieren. Mit solchen Kurzpuls-Lasern kann die Bestrahlungszeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch auf Werte von unter 100 ns reduziert werden. Denkbar ist das Erreichen dieser Bestrahlungszeiten auch mit einem cw-Laser.
Aufgrund der geringen Bestrahlungszeit erhitzt die auf die Oberfläche der Beschichtung eingestrahlte elektromagnetische Strahlung lediglich die Oberfläche und einen Teilbereich oder die gesamte Dicke der Beschichtung auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials. Das darunterliegende Stahlband oder -blech wird jedoch nur unwesentlich erwärmt. Ein nennenswerter Energieeintrag durch die Bestrahlung der beschichteten Oberfläche erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren allenfalls in die obersten Lagen der Stahloberfläche. Dadurch kann nach dem kurzzeitigen Aufschmelzen der Beschichtung die in die Beschichtung eingetragene Wärme durch das noch kühle Stahlband bzw. -blech abgeführt werden. Der Temperaturausgleich nach dem Aufschmelzen der Beschichtung erfolgt damit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren automatisch durch die Ableitung der Wärme in der Beschichtung durch das noch kühle Stahlband bzw. -blech. Eine anschließende Abschreckung in einem Wasserbad, wie bei den bekannten Verfahren, ist nicht mehr erforderlich. Dadurch kann erheblich Energie gespart werden, die bei den bekannten Verfahren durch die Aufheizung des gesamten Stahlbands bzw. -blechs auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials und die anschließende Abschreckung im Wasserbad eingesetzt werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Strahlungsquelle, welche eine elektromagnetische Strahlung emittiert, zur Erhitzung der Beschichtung in Querrichtung eines sich mit einer Bandgeschwindigkeit bewegenden Stahlbands bewegt. Zweckmäßig können für die Bestrahlung der Oberfläche der Beschichtung auch mehrere Strahlungsquellen verwendet werden, deren Strahlung so auf die Oberfläche der Beschichtung geführt wird, dass die gesamte Oberfläche der Beschichtung bestrahlt wird. Zweckmäßig werden die Strahlen der einzelnen Strahlungsquellen dabei nebeneinander liegend und sich in Teilbereichen überlappend auf die Oberfläche der Beschichtung geführt. Die verschiedenen Strahlungsquellen können dabei auch relativ zum beschichteten Stahlband bewegt werden, welches sich selbst mit einer vorgegebenen Bandlaufgeschwindigkeit in Bandlängsrichtung fort bewegt.
Die von der Strahlungsquelle bzw. den Strahlungsquellen emittierte elektromagnetische Strahlung wird dabei mittels einer Umlenk- und Fokussiereinrichtung auf die Oberfläche der Beschichtung fokussiert. Zweckmäßig wird der Durchmesser bzw. die Ausdehnung des bzw. jedes Fokus so an die Geschwindigkeit des sich bewegenden Stahlbands (Bandgeschwindigkeit) angepasst, das ein vorgegebener Punkt auf der Oberfläche der Beschichtung die Ausdehnung des Fokus in Bandlaufrichtung innerhalb der vorgegebenen Bestrahlungszeit von maximal 10 µs durchläuft. Dadurch kann gewährleistet werden, dass jeder Punkt auf der Oberfläche der Beschichtung nicht länger als die maximale Bestrahlungszeit mit der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird.
Die Strahlungsquelle bzw. die Strahlungsquellen werden zweckmäßig so angeordnet, dass die gesamte Oberfläche der Beschichtung möglichst gleichmäßig und höchstens über eine Bestrahlungszeit, welche niedriger als die maximale Bestrahlungszeit von 10 µs ist, bestrahlt wird. Bevorzugt wird eine Fläche von mehr als 1 m² pro Sekunde durch Bestrahlung mit der Beschichtungsoberfläche mit der elektromagnetischen Strahlung behandelt.
Bevorzugt wird die Energiedichte, welche durch die elektromagnetische Strahlung in die Beschichtung eingebracht wird, und die vorgegebene Bestrahlungszeit so ausgewählt und aufeinander abgestimmt, dass die Beschichtung vollständig über ihre gesamte Dicke bis zur Grenzschicht zum Stahlband aufschmilzt. Dadurch wird zwar ein Teil der eingetragenen Wärme auch in das Stahlband geleitet, wodurch Energie- bzw. Wärmeverluste entstehen. Allerdings bildet sich bei dieser bevorzugten Verfahrensführung überraschenderweise an der Grenzschicht zwischen der Beschichtung und dem Stahlband bzw. dem Stahlblech eine (verglichen mit der Dicke der Beschichtung) dünne Legierungsschicht aus, welche aus Eisenatomen und Atomen des Beschichtungsmaterials besteht. Die Energiedichte wird vorzugsweise so gewählt, dass nur ein Teil der Beschichtung mit den Stahlband bzw. dem Stahlblech legiert und daher noch unlegierte Beschichtung nach dem Aufschmelzen vorhanden ist. Bei verzinnten Stahlbändern bildet sich also beispielsweise an der Grenzschicht der Zinnbeschichtung zum Stahl eine sehr dünne Eisen-Zinn-Legierungsschicht aus. Die Dicke der Legierungsschicht entspricht dabei, je nach gewählten Prozessparametern, in etwa einem Flächengewicht von nur 0,05 bis 0,3 g/m². Damit wird sicher gestellt das auch bei dünnen Gesamtzinnauflagen von z. B. 2.0 g/m² eine sehr gute korrosionsbeständige Legierungssschicht bei optisch ansprechender Oberfläche erzielt wird. Diese sehr dünne Legierungsschicht führt zu einer erhöhten Korrosionsbeständigkeit des beschichteten Stahls und zu einer verbesserten Haftung der Beschichtung auf dem Stahlband bzw. -blech.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
1: Schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein mit einer metallischen Beschichtung versehenes Stahlblech im Querschnitt gezeigt ist;
2: Schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Veredelung der metallischen Beschichtung auf einem sich bewegenden Stahlband in einer Draufsicht auf das beschichtete Stahlband;
3: Schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Veredelung der metallischen Beschichtung auf einem sich bewegenden Stahlband in einer Draufsicht auf das beschichtete Stahlband;
4: Schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Veredelung der metallischen Beschichtung auf einem sich bewegenden Stahlband in einer Draufsicht auf das beschichtete Stahlband;
5: Schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Veredelung der metallischen Beschichtung auf einem sich bewegenden Stahlband in einer Draufsicht auf das beschichtete Stahlband;
6: Schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Veredelung der metallischen Beschichtung auf einem sich bewegenden Stahlband in einer Draufsicht auf das beschichtete Stahlband;
7: Darstellung von aus Modellrechnungen entwickelten Diagrammen, welche die in das beschichtete Stahlband bzw. -blech durch Bestrahlung mit der elektromagnetischen Strahlung eingebrachte Wärmemenge pro Flächeneinheit in Abhängigkeit der Bestrahlungszeit für verschiedene Temperaturen an der Oberfläche der Beschichtung zeigt (7a: 400°C Oberflächentemperatur; 7b: 700°C Oberflächentemperatur und 7c: 1000°C Oberflächentemperatur);
8: Mikrosonden-Aufnahmen der Legierungsschichten, die sich beim Aufschmelzen der Beschichtung im Bereich der Grenzschicht zur Stahloberfläche bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (8a und 8b) und bei herkömmlicher Verfahrensführung gebildet hat;
9: Darstellung des sich bei Bestrahlung einer beschichteten Stahlbandoberfläche mit elektromagnetischer Strahlung ergebenden Temperaturprofils (T(x)) über die Banddicke (x) bzw. die Dicke der Beschichtung für verschiedene Bestrahlungszeiten t.
Die Ausführungsbeispiele betreffen die Veredelung eines verzinnten Stahlblechs oder eines in einer Bandverzinnungsanlage durch galvanisches Abscheiden einer Zinnschicht beschichteten Stahlbands. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch nicht nur zur Veredelung von verzinnten Stahlbändern sondern ganz allgemein zur Veredelung von metallischen Beschichtungen auf Stahlbändern oder Stahlblechen eingesetzt werden. Bei den metallischen Beschichtungen kann es sich bspw. auch um Beschichtungen aus Zink oder Nickel handeln.
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Veredeln einer metallischen Beschichtung auf einem Stahlblech gezeigt, wobei hier beispielhaft die Veredelung eines verzinnten Stahlblechs dargestellt ist. Das Stahlblech ist dabei mit Bezugsziffer 1 bezeichnet und die Zinn-Beschichtung ist mit Bezugsziffer 2 gekennzeichnet. Die Dicke der Zinnbeschichtung 2, welche beispielsweise in einem galvanischen Beschichtungsverfahren aufgebracht worden ist, beträgt typischerweise 0,1 g/m² bis 11 g/m². Zum Aufschmelzen der Beschichtung 2 ist eine Strahlungsquelle 5 vorgesehen, welche einen elektromagnetischen Strahl 6 emittiert. Der Strahl 6 wird zweckmäßig mittels einer Umlenk- und Fokussiereinrichtung auf die Oberfläche der Beschichtung 2 fokussiert. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Umlenk- und Fokussiereinrichtung einen Umlenkspiegel 7 und eine Fokussierlinse 8. Der Fokus des Strahls 6 auf der Oberfläche der Beschichtung 2 ist in 1 mit Bezugsziffer 9 gekennzeichnet.
Bei der Strahlungsquelle 5 kann es sich beispielsweise um einen Laser handeln, der einen Laserstrahl hoher Leistungsdichte emittiert. In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es sich bei dem Laserstrahl 6 um einen gepulsten Laserstrahl handeln. Die Pulsdauer entspricht dabei der gewünschten Bestrahlungszeit, welche erfindungsgemäß höchstens 10 µs beträgt und bevorzugt unter 100 ns liegt. Um die Beschichtung 2 zumindest an ihrer Oberfläche und über einen Teil ihrer Dicke aufzuschmelzen, ist die Einstrahlung einer ausreichenden Wärmemenge erforderlich, welche die Beschichtung innerhalb der erfindungsgemäß sehr kurzen Bestrahlungszeit von höchstens 10 µs auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials erhitzt. Bei der hier beispielhaft dargestellten Zinnbeschichtung 2 beträgt der Schmelzpunkt 232°C. Die von der Strahlungsquelle 5 (gepulster Laser) emittierte elektromagnetische Strahlung weist hierfür zweckmäßig Leistungsdichten im Bereich von 1·10⁶ bis 2·10⁸ W/cm² auf und die durch die elektromagnetische Strahlung innerhalb der Bestrahlungszeit (t_A) auf die Oberfläche der Beschichtung eingestrahlte Energiedichte liegt im Bereich von 0,01 J/cm² bis 5,0 J/cm².
Um mit einem gepulsten Laserstrahl 6 die gesamte Oberfläche der Beschichtung 2 bestrahlen zu können, ist die Strahlungsquelle 5 (Laser) bzw. der Laserstrahl 6 in Bezug auf das mit der Beschichtung 2 versehene Stahlblech 1 beweglich. Hierfür ist bspw. bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Umlenk- und Fokussiereinrichtung, bestehend aus dem Umlenkspiegel 7 und der Fokussierlinse 8, in Querrichtung zum Stahlblech 1 verschiebbar. Zur vollflächigen Bestrahlung des beschichteten Stahlblechs wird die Umlenk- und Fokussiereinrichtung schrittweise in Querrichtung y zum Stahlblech 1 bewegt, so dass der Fokus 9 über die Oberfläche der Beschichtung 2 wandert.
Durch die Einstrahlung der hochenergetischen Laserstrahlung 6 erhitzt sich die Beschichtung 2 kurzzeitig innerhalb der vorgegebenen Bestrahlungszeit an ihrer Oberfläche und – je nach gewählter Leistung des Laserstrahls 6 – über einen Teil oder ihre gesamte Dicke auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur. Dadurch wird die Beschichtung 2 teilweise oder vollständig aufgeschmolzen. Durch das Aufschmelzen erhält die Oberfläche der Beschichtung 2 ein glänzendes Aussehen und die Struktur der Beschichtung 2 wird verdichtet. In 1 ist der bei Bewegung des Fokus 9 über die Oberfläche der Beschichtung 2 aufgeschmolzene Flächenbereich der Beschichtung 2 mit Bezugsziffer 3 gekennzeichnet.
Wird innerhalb der kurzen Bestrahlungszeit eine so hohe Energiedichte in die Beschichtung 2 eingestrahlt, dass die Beschichtung 2 über ihre gesamte Dicke aufschmilzt, bildet sich an der Grenzschicht der Beschichtung 2 zum Stahlblech 1 eine sehr dünne Legierungsschicht aus. Bei einer Zinnbeschichtung 2 bildet sich beispielsweise eine Eisen-Zinn-Legierungsschicht aus, welche in 1 mit Bezugsziffer 4 gekennzeichnet ist. Die Dicke der Eisen-Zinn-Legierungsschicht ist in der Darstellung der 4 nicht maßstäblich gezeichnet. Die Dicke der sich bildenden Eisen-Zinn-Legierungsschicht ist in der Regel sehr dünn und entspricht typischerweise einer Legierungsschichtauflage mit einem Flächengewicht von 0,05 bis 0,3 g/m².
Um die Beschichtung 2 innerhalb der kurzen Bestrahlungszeit von höchstens 10 µs zumindest an ihrer Oberfläche anschmelzen zu können, ist eine Energiedichte zwischen 0,01 J/cm² bis 5,0 J/cm² auf die Oberfläche der Beschichtung 2 einzustrahlen. Bevorzugte Bereiche der einzustrahlenden Energiedichte liegen bei 0,03 J/cm² bis 2,5 J/cm².
Statt der Verwendung eines gepulsten Lasers 5 können auch kontinuierlich elektromagnetische Strahlung 6 emittierende Strahlungsquellen verwendet werden. So können beispielsweise cw-Laser verwendet werden, die eine Laserstrahlung ausreichend hoher Leistungsdichte emittieren. Um die kurze Bestrahlungszeit von maximal 10 µs einhalten zu können, muss die elektromagnetische Strahlung 6 dann gegenüber dem beschichteten Stahlband 1 mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden.
Entsprechende Ausführungsbeispiele, in denen die Strahlungsquelle 5 bzw. der emittierte elektromagnetische Strahl 6 gegenüber einem Stahlband 2 bewegt werden, ist in den 2 bis 6 schematisch dargestellt. In 2 ist bspw. ein Stahlband 1 gezeigt, welches sich mit einer Bandlaufgeschwindigkeit v_B in Längsrichtung des Stahlbands 1 bewegt. In Bandverzinnungsanlagen werden beispielsweise Bandgeschwindigkeiten von einigen Hundert Meter pro Minute bis zu 700 m/min erreicht. Typische Bandlaufgeschwindigkeiten liegen bei 10 m/s. Auf die Oberfläche des beschichteten Stahlbands 1 wird beim Ausführungsbeispiel der 2 ein Laserstrahl 6 eines cw-Lasers 5 (der in 2 nicht dargestellt ist) fokussiert. Der Fokus kann dabei entweder als Strichfokus 9 ausgebildet sein, der sich in Querrichtung des Stahlbands erstreckt und in Bandlängsrichtung eine Ausdehnung x_L aufweist. Alternativ hierzu können auch mehrere Strahlungsquellen 5 (Laser) verwendet werden, deren Ausgangsstrahlung 6 als Punktfokus auf die Oberfläche des beschichteten Stahlbands 1 fokussiert wird, wobei die optische Anordnung zur Fokussierung der Strahlung 6 der verschiedenen Strahlungsquellen 5 so angeordnet wird, dass die einzelnen Punktfoki auf der Oberfläche der Beschichtung nebeneinander liegen und auf diese Art ein streifenförmiges Bestrahlungsband 10 auf der Oberfläche erzeugen. Der Strichfokus 9 bzw. das Bestrahlungsband 10 sind dabei fest angeordnet und das Stahlband 1 bewegt sich relativ zu dem Strichfokus 9 bzw. dem Bestrahlungsband 10 in Bandlaufrichtung mit der Bandgeschwindigkeit V_B. Die Ausdehnung des Strichfokus 9 bzw. des Strahlungsbands 10 in Bandlaufrichtung x_L ergibt sich dann beispielsweise bei der vorgegebenen maximalen Bestrahlungszeit von 10 µs und einer Bandlaufgeschwindigkeit von 10 m/s zu 0,1 mm.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden mehrere Strahlungsquellen 5 (also beispielsweise mehrere cw-Laser) verwendet, deren Strahlung 6 in Form von Punktfoki 9 auf die Oberfläche des beschichteten und sich mit einer Bandlaufgeschwindigkeit v_B bewegenden Stahlbands 1 fokussiert werden. Die Foki 9 werden dabei in Form eines Gitternetzes auf der Oberfläche der Beschichtung 2 angeordnet, wie in 3 schematisch gezeigt. Die Ausdehnung der einzelnen Foki 9 wird dabei an die Bandlaufgeschwindigkeit v_B und die vorgegebene Bestrahlungszeit t_A von maximal 10 μs angepasst. Zweckmäßig ist das aus den Foki 9 gebildete und in 3 gezeigte „Bestrahlungsnetz” gegenüber der Längsrichtung des Stahlbands 1 um einen Winkel α gekippt, wie in 3 gezeigt. Die zu wählende Ausdehnung x_L der einzelnen Foki 9 auf der Oberfläche der Beschichtung ergibt sich bei einem beispielhaften Verkippungswinkel α von 15° zu 0,0966 mm. Das aus den Foki 9 gebildete „Bestrahlungsnetz”, insb. dessen Gitterabstände und der Verkippungswinkel α, wird dabei so angeordnet, dass die gesamte Oberfläche der Beschichtung 2 des sich mit der Bandlaufgeschwindigkeit v_B bewegenden Stahlbands 1 mit der elektromagnetischen Strahlung (Laserstrahlung) bestrahlt wird.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Laserstrahl 6 eines cw-Lasers 5 mittels einer Fokussiereinrichtung auf die Oberfläche der Beschichtung fokussiert, wobei der Fokus 9 in Längsrichtung des sich mit der Bandlaufgeschwindigkeit v_B bewegenden Stahlbands eine Ausdehnung y_Laser und in Querrichtung dazu eine Ausdehnung x_Laser aufweist. Der Fokus 9 wird in Querrichtung zum Stahlband 1 über die gesamte Breite b_B des Stahlbands mit einer Geschwindigkeit v_x,Laser bewegt. Die für die Einhaltung der maximalen Bestrahlungszeit von 10 µs auszuwählende Geschwindigkeit des Fokus 9 gegenüber dem Stahlband 1 (v_x,Laser) ergibt sich dann bei einer beispielhaft vorgegebenen Ausdehnung des Fokus von x_Laser = 5 mm zu 500 m/min.
In 5 bezeichnet Ü die Überlappung von auf der Oberfläche benachbarten Strahlen.
In den 5 und 6 sind weitere Ausführungsformen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, in denen ein Strahl als Fokus 9 auf die Oberfläche eines beschichteten und sich mit einer Bandlaufgeschwindigkeit v_B bewegenden Stahlbands gerichtet wird. In dem Ausführungsbeispiel der 5 wird der Fokus 9 dabei über eine Scanneroptik schräg zur Längsrichtung des Stahlbandes mit einer Geschwindigkeit von v_x,Laser Laser geführt. Hat der Strahlfokus 9 einen Bandrand erreicht, wird er wieder über das Band an den gegenüberliegenden Rand des Stahlbands geführt u. s. w., während sich das Band mit der Bandlaufgeschwindigkeit v_B weiter bewegt. Dabei überlappen die aufeinanderfolgenden Strahlbänder, die sich auf der Oberfläche ergeben, um sicher zu stellen, dass auch die gesamte Oberfläche von der Strahlung erfasst wird.
In dem Ausführungsbeispiel der 6 wird der Fokus 9 zweiachsig relativ zum Stahlband bewegt, nämlich sowohl in Längsrichtung (x-Richtung) mit einer Geschwindigkeit v_x,Laser als auch in Querrichtung (y-Richtung) mit einer Geschwindigkeit v_y,Laser. Die Geschwindigkeit v_y,Laser in Querrichtung (y-Richtung) wird dabei zweckmäßig so eingestellt, dass über die gesamte Breite b_B des Stahlbands in y-Richtung eine gleichmäßige Überlappung Ü eingehalten wird.
In 9 ist das sich beim Aufheizen der Beschichtung durch die Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung ergebende Temperaturprofil T(x) über die Dicke (x) der Beschichtung und des darunterliegenden Stahlbands für verschiedene Bestrahlungszeiten t dargestellt. Wie aus den Temperaturprofilen der Graphik von 9 ersichtlich, ergibt sich ein steiles Temperaturprofil T(x) für sehr kurze Bestrahlungszeiten t im ns- und µs-Bereich. Bei Bestrahlungszeiten von mehr als 10 µs ergibt sich ein flaches Temperaturprofil, d. h. hier wird der wesentliche Teil der eingestrahlten Energie in das Stahlband abgeleitet. Bei den sehr kurzen Bestrahlungszeiten von maximal 10 µs wird dagegen im Wesentlichen nur die Beschichtung, nicht jedoch das darunterliegende Stahlband, aufgeheizt.
In 7 ist die in das beschichtete Stahlband eingebrachte Wärmemenge pro Flächeneinheit in Abhängigkeit der Bestrahlungszeit für verschiedene Oberflächentemperaturen aufgetragen. Die Berechnung erfolgt verlustfrei. Zum Vergleich ist jeweils die „maximale Energiedichte” (Maximalenergie) eingetragen. Die maximal benötigte Energie ist die Energiemenge, die zur gleichmäßigen Erwärmung des kompletten Querschnitts benötigt wird. Wie sich aus den Diagrammen der 7 entnehmen lässt, wird bei den erfindungsgemäßen Bestrahlungszeiten von höchstens 10 µs gegenüber der maximalen Energie (Maximalenergie) lediglich 12% an Wärme in das beschichtete Stahlband eingetragen. Trotz dieses sehr geringen Wärmeintrags kann die Beschichtung vollständig bis zur Stahlband-Grenzschicht aufgeschmolzen werden. Entscheidend für das Aufschmelzen ist lediglich die (kurzzeitige) Erhitzung der Beschichtung auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also bei Einhalten der vorgegebenen Bestrahlungszeit von maximal 10 μs eine geringe Energiemenge von maximal 12% der Maximalenergie in das beschichtete Stahlband eingebracht werden, um die Beschichtung vollständig aufzuschmelzen. Die vorgegebene Bestrahlungszeit, welche erfindungsgemäß maximal 10 µs beträgt, bestimmt dabei, welches Temperaturprofil sich über die Dicke x der Beschichtung und des Stahlbands einstellt (9). Je länger die gewählte Bestrahlungszeit für eine vorgegebene Oberflächentemperatur (welche oberhalb der Schmelztemperatur der Beschichtung liegen muss) ist, desto mehr Wärme fließt in die Tiefe des Stahlbands. Dies hat zur Folge, dass insgesamt mehr Wärme benötigt wird, um eine bestimmte Temperatur an der Oberfläche (die erfindungsgemäß oberhalb der Schmelztemperatur liegen muss) zu erreichen. Wird eine ausreichend geringe Bestrahlungszeit t gewählt, kann erreicht werden, dass der wesentliche Teil der eingestrahlten Energie auf den Bereich der Beschichtung beschränkt wird und die Wärmeenergie nicht in das darunterliegende Stahlband abfließt. Auf diese Weise kann nach der erfolgten Aufschmelzung der Beschichtung auf ein Abschrecken im Wasserbad verzichtet werden, weil die Wärme in der Beschichtung durch das (nicht aufgeheizte) Stahlband abgeführt werden kann.
Bei Einstrahlung einer ausreichend hohen Energiedichte kann – je nach Dicke der metallischen Beschichtung – die Beschichtung vollständig, d. h. über ihre gesamte Dicke bis zur Stahloberfläche, aufgeschmolzen werden. Bei vollständigem Aufschmelzen der Beschichtung bildet sich im Bereich der Grenzschicht zur Stahloberfläche eine (im Vergleich zur Dicke der Beschichtung) dünne und sehr dichte Legierungsschicht, welche aus Atomen des Beschichtungsmaterials und Eisenatomen besteht. Die sich ausbildende Legierungsschicht ist sehr dünn und entspricht bei Weißblech einer Legierungsschichtauflage von 0,05 bis 0,3 g/m².
Beispielhaft kann für eine verzinnte Stahloberfläche durch Vergleichsversuche und Modellrechnungen gezeigt werden, dass die Bildung der Legierungsschicht wegen der kurzen Bestrahlungszeiten erst bei deutlich höheren Temperaturen als dem Schmelzpunkt des Beschichtungsmaterials einsetzt. Die sich bei der erfindungsgemäßen Behandlung bildende Legierungsschicht weist ein gegenüber den bei der bekannten Verfahrensführung sich bildenden Legierungsschichten ein grundsätzlich anderes mikroskopisches Aussehen auf. Dies ist aus den in 8 gezeigten Mikrosonden-Aufnahmen ersichtlich. Die 8a und 8b zeigen Mikrosonden-Aufnahmen von Legierungsschichten (nach dem Ablösen des unlegierten Zinns), die sich beim Aufschmelzen einer Zinnbeschichtung auf einem Stahlblech im Bereich der Grenzschicht zur Stahloberfläche bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildet haben. Demgegenüber zeigt 8c eine Mikrosonden-Aufnahme einer Eisen-Zinn-Legierungsschicht (nach dem Ablösen des unlegierten Zinns), die sich beim Aufschmelzen einer verzinnten Stahlblech-Oberfläche nach herkömmlichem Aufschmelzverfahren gebildet hat. Vergleichsversuche, in denen die Korrosionsbeständigkeit entsprechend behandelter Weißblech-Proben untersucht worden sind, haben gezeigt, dass die nach dem erfindungsgemäßen Behandlungsverfahren behandelten Proben eine wesentlich bessere Korrosionsbeständigkeit haben, verglichen mit den nach konventionellem Verfahren behandelten Proben. Die Korrosionsbeständigkeit von Weißblech, welche bspw. nach dem standardisierten Verfahren zur Ermittlung des sog. ATC-Werts (ASTN-Standard 1998 A623N-92, Kapitel A5 „method for alloy-tin couple test for electrolytic tin plate", veröffentlicht ) gemessen werden kann, nimmt erfahrungsgemäß mit steigender Dicke der Legierungsschicht zu. Typische Legierungsschichtauflagen liegen bei lackiertem Weißblech im Bereich von 0,5 bis 0,8 g/m², bei unlackiertem Weißblech mit erhöhtem Anspruch an die Korrosionsbeständigkeit bei 0,8 bis 1,2 g/m². Für die gleiche Korrosionsbeständigkeit, d. h. für den gleichen ATC-Wert, wird nach konventionellem Verfahren mindestens eine doppelt so dicke Legierungsschicht benötigt wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Mit dem erfindungegemäßen Verfahren lassen sich also mit einer metallischen Beschichtung versehene Stahlbänder oder -bleche herstellen, bei denen an der Grenzschicht des Stahls zur Beschichtung eine, verglichen mit der Dicke der Beschichtung, dünne und gleichzeitig dichte Legierungsschicht aus Eisenatomen und Atomen des Beschichtungsmaterials ausgebildet ist. Die Dicke der Legierungsschicht entspricht dabei einer Legierungsschichtauflage von weniger als 0,3 g/m². So können bspw. verzinnte Stahlbänder oder -bleche hergestellt werden, welche trotz einer vergleichsweise dünnen Zinnauflage von weniger als 2,8 g/m² und insbesondere von weniger als 2,0 g/m² eine ausreichend gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Vergleichsversuche haben bspw. ergeben, dass bei verzinnten Stahlblechen mit einer Zinnauflage von ca. 1,4 g/m² durch die erfindungsgemäße Behandlung eine Eisen-Zinn-Legierungsschicht mit einer Legierungsschichtauflage von. ca. 0,05 g/m² gebildet hat und dass bei dem so behandelte verzinnten Stahlblech ATC-Werte von weniger als 0,15 µA/cm² (nach ASTN-Standard) gemessen werden konnten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1277896 [0003]
DE 1186158 A [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTN-Standard 1998 A623N-92, Kapitel A5 „method for alloy-tin couple test for electrolytic tin plate” [0042]

Claims

Verfahren zum Veredeln einer metallischen Beschichtung auf einem Stahlband oder -blech, wobei die Beschichtung durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Materials der Beschichtung aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen durch Bestrahlung der Oberfläche der Beschichtung mit einer elektromagnetischen Strahlung hoher Leistungsdichte über eine begrenzte Bestrahlungszeit von höchstens 10 μs erfolgt, wobei die durch die elektromagnetische Strahlung in die Beschichtung eingebrachte Energiedichte und die vorgegebene Bestrahlungszeit so ausgewählt werden, dass die Beschichtung vollständig über ihre gesamte Dicke bis zur Grenzschicht zum Stahlband aufschmilzt, wodurch sich an der Grenzschicht zwischen der Beschichtung und dem Stahlband eine dünne Legierungsschicht ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen durch Bestrahlung der Oberfläche der Beschichtung mit einer elektromagnetischen Strahlung hoher Leistungsdichte über eine begrenzte Bestrahlungszeit von höchstens 100 ns erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Beschichtung mit einem Laserstrahl hoher Leistungsdichte bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl gepulst ist mit einer maximalen Pulsdauer von 10 µs.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der metallischen Beschichtung beschichtete Stahlband relativ zur Strahlungsquelle der elektromagnetischen Strahlung bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mit der metallischen Beschichtung beschichtete Stahlband in Längsrichtung des Stahlbands mit einer Bandgeschwindigkeit (V_Band) bewegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strahlungsquelle der elektromagnetischen Strahlung in Querrrichtung des Stahlbands mit einer Quellengeschwindigkeit (v_Quelle) bewegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestrahlung der Oberfläche der Beschichtung eine Mehrzahl von Strahlungsquellen verwendet wird, welche jeweils eine elektromagnetische Strahlung hoher Leistungsdichte auf die Oberfläche emittieren.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche der Beschichtung fokussiert wird, wobei der Durchmesser des Fokus so an die Bandgeschwindigkeit (w_Band) angepasst wird, dass ein vorgegebener Punkt auf der Oberfläche der Beschichtung den Durchmesser des Fokus innerhalb einer vorgegebenen Bestrahlungszeit (t_A) von höchstens 10 µs durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierte Leistungsdichte der von einer Strahlungsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung zwischen 10⁶ W/cm² und 2·10⁸ W/cm² liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elektromagnetische Strahlung innerhalb der Bestrahlungszeit (t_A) eine Energiedichte von 0,01 J/cm² bis 5,0 J/cm² auf die Oberfläche der Beschichtung eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bestrahlung der Oberfläche eine Energiedichte von 0,03 J/cm² bis 2,5 J/cm² und bevorzugt von 0,2 J/cm² bis 2,0 J/cm² in die Beschichtung eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Legierungsschicht einer Legierungsschichtauflage mit einem Flächengewicht von 0,05 bis 0,3 g/m² entspricht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die elektromagnetische Strahlung in die Beschichtung eingebrachte Energiedichte und die vorgegebene Bestrahlungszeit so ausgewählt werden, dass die Beschichtung vollständig über ihre gesamte Dicke bis zur Grenzschicht zum Stahlband aufschmilzt, jedoch noch ein unlegierter Beschichtungsbereich an der Oberfläche vorhanden ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche von mehr als 1 m² pro Sekunde und bevorzugt von mehr als 5 m² pro Sekunde behandelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial Zinn, Zink oder Nickel ist.
Stahlband oder -blech mit einer metallischen Beschichtung, insbesondere einer Beschichtung aus Zinn, Zink oder Nickel, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenzschicht des Stahls zur Beschichtung eine, verglichen mit der Dicke der Beschichtung, dünne und gleichzeitig dichte Legierungsschicht aus Eisenatomen und Atomen des Beschichtungsmaterials ausgebildet ist, wobei die Dicke der Legierungsschicht einer Legierungsschichtauflage von weniger als 0,3 g/m² entspricht.
Stahlband oder -blech nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine metallische Beschichtung aus Zinn mit einer Zinnauflage von weniger als 2,8 g/m² und insbesondere weniger als 2,0 g/m².