DE69106061T2

DE69106061T2 - Verfahren zur Herstellung von spritzplattiertem Metallband.

Info

Publication number: DE69106061T2
Application number: DE69106061T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Miki; Itsuo Ohnaka; Hiroyuki Uchida; Susumu Yamaguchi
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-06-21
Filing date: 1991-06-20
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2011-06-21
Also published as: DE69106061D1; JP2994436B2; CA2044763C; CA2044763A1; JPH0452261A; EP0463578A1; EP0463578B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines spritzplattierten Metallbandes, Bahn oder Platte durch Aufsprühen eines geschmolzenen Metalls auf ein Metallstreifen.

2. Beschreibung der damit in Zusammenhang stehenden Technik

Bei einem Spritzplattierungsverfahren, i.e. Plattieren eines Metallstreifens durch Aufsprühen eines geschmolzenen Metalls, ist es notwendig, daß der besprühte Streifen einer Glättung der aufgesprühten Metallschicht unterzogen wird, um eine glatte Oberfläche des plattierten Metallstreifens zu erhalten.
Die japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 1-201456 beschreibt ein Verfahren, das die Reinigung einer Blechoberfläche, Besprühen des so gereinigten Blechs mit einem geschmolzenen Metall, das durch ein unter Druck stehendes Gas atomisiert wurde, und anschließendes Beblasen des Blechs mit einem unter Druck stehenden Gas mittels einer Gasabstreifdüse, umfaßt.
Eine solche Gasabstreifungskonditionierung der besprühten Blechoberfläche kann jedoch keine gut geglättete Oberfläche eines plattierten Streifens im Vergleich mit denjenigen, die durch andere Plattierungsverfahren, wie beispielsweise Elektroplattieren, Schmelztauchen etc., erhalten wurden, schaffen.
EP-A-119 036 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Bandstahl mit Aluminium, bei dem mit Stickstoff atomisiertes geschmolzenes Aluminium auf die Bahn bis zu einer Tiefe von 150 um aufgesprüht und der besprühte Streifen daraufhin in einer Stickstoff- oder Wasserstoffatmosphäre bei 350 ºC gewalzt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von spritzplattiertem Metallband zu schaffen, mit dem eine plattierte Bandoberfläche geschaffen werden kann, die so glatt wie eine eintauchplattierte Bandoberfläche ist.
Um die obige Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzielen, wird ein Verfahren zur Herstellung von spritzplattiertem Metallband durch Aufsprühen von geschmolzenem Metall auf ein Metallband geschaffen, das umfaßt:
Besprühen eines Metallbandes mit geschmolzenen Metallteilchen mit einem Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser von nicht mehr als der 15-fachen Dicke einer plattierten Schicht, die auf dem Band ausgebildet werden soll, wobei das Band anschließend aufgeheizt und für eine vorgeschriebene Zeit auf einer vorgeschriebenen Temperatur gehalten wird, wie in Anspruch 1 definiert.
Der Ausdruck "Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser", wie er hier verwendet wird, ist wie folgt definiert.
Unter der Annahme eines nicht kugelförmigen geschmolzenen Metallteilchens eines Volumens Vp sollte eine Kugel des äquivalenten Volumens einen Durchmesser d haben, der aus
VP=(4π/3)x(d/2)
errechnet werden kann.
Der Durchmesser "d" wird als "äquivalenter Kugeldurchmesser" bezeichnet. Der Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser dm wird aus
erhalten, worin
M: Gesamtgewicht der Teilchen, in kg,
Vp: Volumen eines Teilchens mit einem Durchmesser
d als äquivalenten Kugeldurchmesser, in m³,
: spezifisches Gewicht eines Teilchens, in kg/m³, und
Nd: Anzahl der Teilchen mit einem Durchmesser d als äquivalenten Kugeldurchmesser, sind.
So bezieht sich der Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser, dm, auf einen Teilchendurchmesser als äquivalenten Kugeldurchmesser, der die obige Gleichung erfüllt, i.e. eine Aufsummierung des Gewichts der Teilchen mit einem Durchmesser dm oder geringeren Mengen bis zu 50% des Gesamtgewichts M der Teilchen, die eine Durchmesserverteilung aufweisen.
Die Bezeichnung "Metallband", auf die hier Bezug genommen wird, schließt Bänder, Blätter oder Platten aus metallischen Materialien, wie beispielsweise Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, etc. ein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die Abscheidung eines geschmolzenen Metallteilchens auf einem Substrat zeigt;
Fig. 2 ist ein Graph, der einen prozentualen Gehalt an nichtplattierter Fläche als Funktion des Verhältnisses des Gewichtsmittel-Teilchendurchmessers eines spritzplattierten geschmolzenen Metallteilchens zur Dicke der plattierten Schicht zeigt;
Fig. 3 ist ein Graph, der die Abscheidungseffizienz eines aufgesprühten geschmolzenen Metalls als Funktion der Sprühbedingungen des geschmolzenen Metalls zeigt;
Fig. 4 veranschaulicht schematisch eine Anordnung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 ist ein Graph, der die Wechselbeziehung zwischen der Gewichtsabscheidung, Anzahl der effektiven Düsenstufen und der Geschwindigkeit des Metallband- Förderbandes zeigt;
Fig. 6 ist ein Graph, der die Wechselbeziehung zwischen der Heiztemperatur, Heizzeit und Glätte einer plattierten Schicht zeigt; und
Fig. 7 ist ein Graph, der den Gewichtsverlust aufgrund Korrosion eines erfindungsgemäßen sprühplattierten Blechs im Vergleich mit dem konventionellen schmelztauchplattierten Blech zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Beim vorliegenden erfinderischen Verfahren wird ein Sprühstrahl aus geschmolzenen Metallteilchen mit einem Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser von nicht mehr als der 15-fachen Dicke einer plattierten Schicht, die auf einem Metallband ausgebildet werden soll, verwendet. Fig. 1 zeigt, daß geschmolzene Metallteilchen, die größer als die plattierte Schichtdicke sind, bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, weil die Größe der geschmolzenen Metallteilchen nicht direkt mit der plattierten Schichtdicke korrespondiert, was auf eine Benetzung zwischen dem geschmolzenen Metall und dem Substrat-Metallband zurückzuführen ist.
Die Gründe dafür, daß die geschmolzenen Metallteilchen einen Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser von nicht mehr als das 15-fache der plattierten Schichtdicke aufweisen müssen, sind wie folgt.
Fig. 2 zeigt den prozentualen Gehalt einer nichtplattierten Fläche als Funktion des Verhältnisses des Gewichtsmittel- Teilchendurchmessers (dm) eines aufgesprühten geschmolzenen Metalls zur erzielten Dicke (tm) einer plattierten Schicht. Ist das Verhältnis (dm/tm) größer als 15, ist es unvermeidbar, daß nach dem Aufheizen eine signifikante nichtplattierte Fläche verbleibt, selbst wenn die Heizbedingungen variiert werden.
Außerdem sind bei einer höheren Partikelgröße eine längere Zeit der Glättung, ein größerer Glühofen sowie erhöhte Ausstattungskosten erforderlich.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird gewährleistet, daß die Abscheidungseffizienz des aufgesprühten geschmolzenen Metalls auf der Bandoberfläche 90% oder mehr beträgt, und zwar dadurch, daß der Abstand "L" von einem Sprühapparat zu einem zu besprühenden Streifen in dem Bereich liegt, der durch die folgende Formel definiert ist:
L< (1,75/θ)x( dmV²/α)1/4
worin
L: Abstand zwischen Sprühmittel und zu besprühendem Metallband in m,
θ: Öffnungswinkel des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in rad,
: relative Dichte des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in kgf/m³,
dm: Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in m,
v: maximale Geschwindigkeit des geschmolzenen Metalls in m/s, und
α: Oberflächenspannung des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in kgf/m, sind.
Es ist allgemein bekannt, daß der Abstand (L) zwischen einer Sprühvorrichtung und einem zu besprühenden Metallband ausgedrückt wird als:
L< (k/θ)x( dmV²/α)1/4.
Fig. 3 zeigt die Abscheidungseffizienz als Funktion des Parameters "k". Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der k-Wert zur Erzielung einer Abscheidungseffizienz von 90% oder mehr kleiner als 1,75 sein sollte, i.e. k< 1,75, wobei der Abstand "L" wiederum in dem Bereich liegen sollte, der in der oben aufgestellten Ungleichung definiert ist.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Aufsprühen eines geschmolzenen Metalls in einzelnen Sprühvorgängen in der Weise vorgenommen, daß ein Metallband durch einzelne Sprühmittel geführt wird. Dadurch kann die plattierte Dicke über einen weiten Bereich hinsichtlich der Bandfördergeschwindigkeit gesteuert werden, wobei eine verbesserte Glätte einer spritzplattierten Bandoberfläche sichergestellt wird.
Um eine glattere Oberfläche eines Metallbandes zu schaffen, ist es vorgeschrieben, daß das Metallband auf eine Temperatur T und für eine Zeit S erwärmt und gehalten wird, die in der folgenden Formel definiert sind:
S ≥ 0,095x(0,5+dm/200)/(T/Tm)
worin
T> Tm,
S: Haltezeit in Sekunden,
dm: Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser in um,
T: Haltetemperatur in ºC, und
Tm: Schmelzpunkt des aufgesprühten Metalls in ºC, sind.
Durch das Erwärmen und Halten eines besprühten Bandes auf einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebene Zeit wird die Benetzung zwischen dem aufgetragenen Metall und dem Substratband gefördert und darüberhinaus die Glätte eines spritzplattierten Metallbandproduktes verbessert.
Wird ein Band aus Stahl oder einer Eisenlegierung nach der vorliegenden Erfindung besprüht, wird es vor dem Besprühen vorzugsweise mit einem Precoat-Metall, wie beispielsweise Nickel, elektroplattiert, um die Glätte eines spritzplattierten Metallbandproduktes weiter zu verbessern.

BEISPIEL

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, in der ein Blech durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Zink plattiert wurde.
Eine kontinuierliche Plattierungsvorrichtung 1 ist an der Austrittsseite eines nicht gezeigten kontinuierlichen Glühofens angebracht. Das Stahlblech "S", das in der durch einen Pfeil angegebenen Richtung befördert wurde, wies beim Führen durch eine Umlenkwalze 2 eine Temperatur von 450ºC auf und wurde durch eine Plattierungskammer hindurchgeführt, in der Sprühdüsen 3 entlang der Förderrichtung in zwei Stufen angeordnet sind, wobei ein geschmolzenes Metall auf das beförderte Blech "S" aufgesprüht wurde. Der Sprühstrahl aus geschmolzenem Metall wies eine Teilchengröße von 25 um als Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser auf. Diese Teilchengröße wurde durch Gasatomisierung mit einem nichtoxidierenden Gas, wie beispielsweise Stickstoff, Argon, etc. erzeugt. In einem Glühofen 4, der in Fortsetzung an die Plattierungskammer angeordnet war, wurde Blech "S" mit einem Heizelement aufgeheizt, das das Blech ohne Kontaktaufnahme erhitzen konnte. Zu diesem Zweck können elektrische Heizgeräte, Hochfrequenzheizgeräte, Strahlrohrheizgeräte oder andere kontaktlose Heizgeräte verwendet werden. Die Heiz-Atmosphäre kann entweder oxidierend oder nichtoxidierend sein.
Die Sprühdüsen 3 wiesen eine maximale Sprühstrahlmenge von 160 g/s m (Breite) sowie einen kontrollierbaren Bereich von 160 bis 80 g/s m (Breite) auf.
Ein geglühtes Blech mit einer Temperatur von 45ºC wurde in einer Plattierungskammer mit Zink-0,2% Aluminium besprüht, die mit zwei Stufen an Sprühdüsen 3 mit einer Sprühstrahlmenge von 160 g/s m (Breite) pro Stufe versehen war. Die Temperatur des geschmolzenen Zink-Sprühstrahls betrug 460ºC. Das so besprühte Blech wurde für 0,5 s in der Weise auf 450ºC erhitzt, daß es in einer Atmosphäre aus auf 450ºC gehaltenem 100%igen Stickstoffgas gehalten wurde.
Um eine Abscheidungseffizienz von 90% oder mehr zu erzielen, wurde der Sprühabstand "L" oder der Abstand zwischen den Sprühdüsen 3 und dem Blech "S" in Hinblick auf Teilchengröße, Anfangsgeschwindigkeit und Öffnungswinkel des Sprühstrahls aus geschmolzenem Metall bestimmt, wie durch die folgende Beziehung ausgedrückt wird:
L< (1,75/θ)x( dmV²/α)1/4
in der die Symbole die gleiche Bedeutung wie bereits definiert haben.
Mittels einer mit sieben Stufen Sprühdüsen versehenen Anordnung wurde ein Sprühplattierungstest eines Blechs vorgenommen.
Fig. 5 zeigt die Wechselbeziehung zwischen der Anzahl der praktisch verwendeten Düsenstufen, der Gewichtsabscheidung auf der Blechoberfläche pro Einheitsfläche an einer Blechseite und der Geschwindigkeit eines Blechförderbandes.
Die Abszisse stellt die Bandgeschwindigkeit in m/min, die linke Ordinate die Gewichtsabscheidung und die rechte Ordinate die Gesamtsprühmenge der Sprühdüsen dar. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß der kontrollierbare Bereich sowohl der Gewichtsabscheidung als auch der Bandgeschwindigkeit größer wird, je mehr Düsenstufen verwendet werden. Wird die Sprühmenge pro Stufe erhöht, kann die Gesamtzahl der Düsenstufen herabgesetzt werden, wobei der unkontrollierbare Bereich jedoch größer wird. Ist die Sprühmenge pro Stufe zu klein, sollte die Anzahl der Düsenstufen erhöht werden, wobei die Ausstattungskosten steigen. In diesem Fall ist es wichtig, daß die Anzahl der Düsenstufen in Übereinstimmung mit der Bandgeschwindigkeit und der maximalen Gewichtsabscheidung für spezifische Fälle vernünftig bestimmt wird.
Fig. 6 zeigt die Wechselbeziehung zwischen der Aufenthaltszeit "S" im Glühofen 5, einem Parameter "X", wie unten definiert, und der Oberflächenglätte eines spritzplattierten Metallbandproduktes.
X= (0,5+dm/200) / (T/Tm)
worin
T> Tm
dm: Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser in um,
T: Haltezeit in ºC, und
Tm: Schmelzpunkt des Spritzmetalls in ºC, darstellen.
In Fig. 6 bedeuten die leeren Kreise, die gefüllten Kreise und die "X"-Zeichen, daß die Oberfläche eines spritzplattierten Blechproduktes vollkommen glatt ist, einige Fehlstellen aufweist bzw. signifikant mangelhaft ist. Der perfekte Glättebereich von "A" kann durch eine Linie S=0,095X definiert werden, wobei die Aufenthaltszeit "S", die zum Erzielen einer guten Glätte erforderlich ist, in dem durch
S ≥ 0,095x(0,5+dm/200) (T/Tm ) festgelegten Bereich liegen sollte.
Unter den gleichen Bedingungen, wie oben erwähnt, wurde ein spritzplattiertes Blech mittels zweier Stufen Sprühdüsen mit einer Gewichtsabscheidung von Zink von 80 g/m² pro Blechseite hergestellt. Das Blechprodukt wurde einem Salzwassersprühtest unterworfen, um die Korrosionsbeständigkeit des Blechs zu beurteilen.
Außerdem wurde zum Vergleich ein konventionelles eintauchplattiertes Blech unter den gleichen Testbedingungen geprüft. Das Heißtauchen wurde bei einer Zinkplattierungsbadtemperatur von 450ºC, einer Vortauchblechtemperatur von 453ºC und einer Zinkplattierungsbad- Zusammensetzung von 99,8% Zink und 0,2% Aluminium vorgenommen.
Fig. 7 zeigt Diagramme der so erhaltenen Ergebnisse im Hinblick auf Gewichtsverlust durch Korrosion als Funktion der Dauer der Salzwasserbesprühung. Die Ergebnisse beweisen, daß die Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäß spritzplattierte Blech im Vergleich mit derjenigen des konventionellen heißtauchplattierten Blechs gut ist.
Zusammenfassend sind die Vorteile des vorliegenden erfinderischen Verfahrens:
(1) es erzeugt ein spritzplattiertes Metallband mit einer guten Oberflächenglätte im Vergleich mit derjenigen, die durch das konventionelle Heißtauchverfahren erzielt wird;
(2) es ermöglicht, das Spritzplattierungsverfahren zu beschleunigen;
(3) es können entweder beide oder eine Seite des Metallbandes plattiert werden; und
(4) unterschiedliche Metalle können an beiden Seiten eines Metallbandes aufgesprüht werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines spritzplattierten Metallbandes durch Aufsprühen eines geschmolzenen Metalls auf ein Metallband, das umfaßt:

Besprühen eines Metallbandes mit geschmolzenen Metallteilchen mit einem Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser von nicht mehr als der 15-fachen Dicke einer plattierten Schicht, die auf dem Band ausgebildet werden soll; und

Erhitzen und Halten des besprühten Metallbandes auf einer Temperatur T und für eine Zeit S, die nach der folgenden Formel definiert sind, um die Oberfläche des Metallbandes zu glätten;

S ≥ 0 095x(0,5+dm/200) (T/Tm)

worin T> Tm,

S: Haltezeit in Sekunden,

dm: Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser in um,

T: Haltetemperatur in ºC, und

Tm: Schmelzpunkt des Sprühmetalls in ºC.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Besprühen in einzelnen Sprühschritten dadurch vorgenommen wird, daß das Metallband durch einzelne Sprühmittel geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Metallband ein Stahlband ist, das mit Nickel elektroplattiert wurde.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Besprühen durch Sprühmittel vorgenommen wird, die bei einem Abstand L vom Metallband angebracht sind, wobei der Abstand L durch die folgende Formel:

L< (1,75/θ)x( dmV²/α)1/4 definiert ist,

worin L: Abstand zwischen Sprühmittel und zu besprühendem Metallband in m,

θ: Öffnungswinkel des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in rad,

: relative Dichte des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in kgf/m³,

dm: Gewichtsmittel-Teilchendurchmesser des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in m,

v: maximale Geschwindigkeit des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in m/s, und

α: Oberflächenspannung des Sprühstrahls des geschmolzenen Metalls in kgf/m, ist.