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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Edelstahlbändern mit verbesserten
Oberflächeneigenschaften.
Grundsätzlich ist zwischen einem Blankglühprozess und einem Glühen von Kaitband zu unter- scheiden. Bei letzterem entsteht eine dickere Oxidschicht (Zunder), die durch Beizen entfernt werden muss, um eine ausreichend gute Oberfläche zu erhalten. Beim Blankglühen hingegen ist die
Oberfläche bereits blank, wobei lediglich unregelmässig verteilte Fehler behoben werden sollen. Bei den bisher bekannten Verfahren der Beize wird die Oberfläche nach einem Blankglühen durch den unregelmässigen Angriff fleckig, was die Qualität des Bandes mindert.
Eine Blankglühanlage besteht aus einem Blankglühofen und einer vorgeschalteten Entfettung.
Der Ofen wird mit einer Wasserstoffatmosphäre betrieben so dass bei den hohen Glühtemperaturen keine Verzunderung des Bandes stattfinden kann. In der Ofenatmosphäre ist jedoch, in Spuren, auch Sauerstoff vorhanden. Je nach der Höhe des Taupunktes bilden sich Oxidschichten am
Band. Besonders während der Inbetriebnahme, kann es vorkommen, dass höhere Sauerstoffkonzentrationen vorliegen so dass die Oxidbildung so intensiv wird, dass sie durch Anlauffarben sichtbar wird. Für die Behebung solcher Probleme wurden viele Blankglühanlagen mit einer elektrochemi- schen Salpetersäure-Behandlung im Auslaufteil ausgestattet. Der Erfolg der Behandlung ist jedoch nicht genau quantifizierbar - manchmal hat das Band nach der Behandlung noch stärkere Anlauffarben.
Tatsache ist, dass die meisten neugebauten Blankglühanlagen ohne diese elektrochemische Salpetersäure Nachbehandlung geplant und gebaut werden. Das hegt vor allem daran, dass die Ofenatmosphäre wesentlich besser kontrolliert wird und der Taupunkt nicht mehr in dem Ausmass wie früher schwankt.
Der Vorteil einer Blankglühanlage ist es, dass die erzielbaren Oberflächenqualitäten sehr hohe Glanzwerte und sehr geringe Rauhigkeitswerte auf aufweisen. Der Nachteil jedoch ist, dass im Vergleich zu einem konventionell hergestellten, geglühten und gebeizten, Edelstahlkaltband das auf der Blankglühanlage hergestellte Material eine andere Oberflächenzusammensetzung aufweist, welche die nachfolgenden mechanischen Weiterverarbeitungsschritte nachteilig beeinflusst:
Streckrichten # Dressieren # Stanzen # Tiefziehen
Das BA-Material (Material nach einem Blankgiühofen "bnght annealing") kann immer wieder grosse Schwierigkeiten bereiten, wenn es zur Planheitsverbesserung auf der Streckbiegerichtmaschine gefahren wird.
Es kann zur Belegung der Walzen durch Ablagerungen aus der Bandoberfläche kommen und es können Mikrorisse in der Bandoberfläche entstehen welche nachteilig den Glanzgrad beeinflussen.
Beim Dressieren ergeben sich durch die harten Partikel, die sich an der Oberfläche des BAMaterials befinden, wesentlich kürzere Standzeiten der Arbeitsrollen
Die gleiche Problematik der kürzeren Standzeiten der Werkzeuge ist gegeben beim Stanzen und Tiefziehen des BA-Materials. Weiters können die moderne Stanzmaschinen, welche bis zu 1000 Stanzungen pro Minute schaffen können, mit dem BA-Matenal oft die Produktivität nicht erreichen. Bei dem Tiefziehverfahren ist oft die Präzision nicht gegeben, wenn das Material verschiedene Reibungswerte an der Oberfläche aufweist.
Es sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Die US 4 612 095 A (Omata et al.) beschreibt ein Verfahren bei dem eine nitrathältige Säure eingesetzt wird, um den Korrosionswiderstand zu erhöhen. Auch sind die angewandten Stromdichten gering (meist 2,5 A/dm2). Damit können die geforderten hochglänzenden Oberflächen nicht erreicht werden. Ausserdem tritt bei höheren Stromdichten NOx - Bildung auf. Die JP 1-1234595 A (Kawasaki Steel Corp. ) beschreibt ebenfalls ein Verfahren mit nitrathältigem Elektrolyten. Die JP 7-216591 A (Nisshin Steel Co Ltd. ) beschreibt ein Verfahren mit Phosphorsäure Auch hier kann nicht die geforderte Oberflächengüte erreicht werden. Die JP 10-147900 A (Kawasaki Steel Corp. ) beschreibt ein Verfahren mit einem Gemisch aus Salpetersäure und Salzsäure bei dem bei höheren Stromdichten ebenfalls NOx entsteht.
Ziel der Erfindung ist es daher ein Verfahren zu schaffen, bei dem die nachfolgenden mechanischen Behandlungsschritte wesentlich erleichtert werden und eine wesentlich bessere Verarbeitbarkeit mit längeren Werkzeugstandzeiten gegeben ist
Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass das Edeistahlband erst einem
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Blankglühprozess und anschliessend einer elektrochemische Behandlung bei Stromdichten bis zu
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Elektrolyt erfolgt. Der Vorteil höherer Stromdichten liegt vor allem darin, dass die Bandoberfläche elektrochemisch poliert wird und dass sich höhere Potentiale auf der Bandoberfläche einstellen und dadurch der Reinigungseffekt gesteigert wird.
Der Vorteil der Behandlung mit sulfathältigem
Elektrolyt besteht darin, dass die Reinigung der Bandoberfläche von den harten Ablagerungen im
Hinblick auf Abtragsrate und Rauhigkeit zum Glanzgrad optimiert werden kann und das
Anodenmaterial kein wesentliches Problem darstellt. (Blei od Si-Guss)
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt
Na2S04 bei pH-Werten zwischen 4 und 12, vorzugsweise bei etwa pH 7, eingesetzt wird. Bei kleinen pH-Werten ergeben sich grössere Abtragsraten bei den, neutralen und alkalischen, d. h. höheren pH-Werten ergibt sich ein Elektropoliereffekt so dass die harten Verunreinigungen von der
Bandoberfläche entfernt werden können und gleichzeitig ein Zuwachs an Glanzgrad gegeben ist.
Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zwischen 30 C und 95 C, vorzugsweise etwa 85 C, beträgt Der Vorteil, der sich bei einer ge- nauen Temperatureinstellung ergibt, liegt darin, dass dadurch zwischen höheren Abtragraten und dem Elektropoliereffekt die jeweilige Elektrolytlösung eingestellt werden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm2 und 3000 C/dm2 vorzugsweise etwa 500 C/dm2 erfolgt.
Bei Elektrolyteinstellungen, wie z. B. pH=7 und Stromdichten bei etwa 50A/dm2überwiegt der
Elektropoliereffekt. Je länger die Behandlung ist, d. h. je grösser die Ladungsdichte ist, mit der das
Band behandelt wurde, ergeben sich zunehmend höhere Glanzgrade.
Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte zwischen 20 und 200 A/dm2, vorzugsweise 50 Aldm2, beträgt.
Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt
Schwefelsäure (H2S04) mit einer Konzentration an freier Säure von mindestens 5 g/l eingesetzt und das Redox-Potential durch Zugabe von Substanzen zur Veränderung des Redox-Potentiales (Metallionen, Oxidationsmittel), vorzugsweise durch Chromationen (Cr6+) auf etwa 860 mV einge- stellt wird. Gegenüber dem reinen Schwefelsäureelektrolyt ergibt sich hierbei der Vorteil der hohen Abtragsraten, wobei gleichzeitig die Glanzwerte wesentlich weniger herabgesetzt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zwischen 20 und 95 C, vorzugsweise etwa 50 C, beträgt. Der Vorteil, der sich bei einer genauen Temperatureinstellung ergibt, liegt darin, dass dadurch zwischen höheren Abtragraten und dem Elektropoliereffekt die jeweilige Elektrolytlösung eingestellt werden kann.
Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm2 und 3000 C/dm2, vorzugsweise etwa 350 C/dm2, beträgt. Bei Elektrolyteinstellungen, wie z. B. pH=7 und Stromdichten bei etwa 50A/dm2 überwiegt der Elektropoliereffekt. Je länger die Behandlung ist, d.h. je grösser die Ladungsdichte ist, mit der das Band behandelt wurde, ergeben sich zunehmend höhere Glanzgrade. Die extrem hohen Ladungsdichten bringen den Vorteil, dass relativ schlechtes BA-Material von der Oberflächencharakteristik her (=Glanzgrad) aufgewertet werden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte zwischen 5 und 100 Aldm2, vorzugsweise etwa 40 A/dm2, beträgt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt Schwefelsäure (H2S04) mit einer Konzentration von mindestens 5 g/l freier Säure eingesetzt wird.
Der Vorteil dieser Fahrweise liegt darin, dass relativ hohe Abtragsraten erzierbar sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm2 und 3000 C/dm2, vorzugsweise etwa 150 C/dm2, beträgt. Eine günstige Ausgestattung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zwischen 20 und 95 C, vorzugsweise etwa 30 C, beträgt.
Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte
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Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen zur Oxidation bzw. Reduktion der gelösten Metallionen zugesetzt werden.
Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt
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Alkalisulfat, Erdalkalisulfat oder Amonsulfat eingesetzt wird.
Im Rahmen der Versuche für das Beizen von Edelstahl mit dem elektrochemischen Beizverfahren wurde auch versucht das BA Material auf diese Art zu behandeln. Dabei wurden auch verschiedene Elektrolyte unter verschiedenen Betriebsbedingungen getestet. Die wichtigsten Daten für die einzelnen Elektrolyte sind in den folgenden Versuchsbeispielen zusammengefasst.
Nachdem bei den BA - Materialqualitäten die Oberflächeneigenschaften (Glanzgrad, Farbe) oft im Vordergrund stehen wurden Untersuchungen durchgeführt um festzustellen, in wieweit die Glanzgrade (Rauhigkeit) mit verschiedenen Elektrolyteinstellungen (pH-Wert, Temperatur, Redoxpotential) beeinflussbar sind.
Ausführungsbeispiele
Versuch 1'
BA Material (nach einem Blankglühofen) wurde mit Schwefelsäureelektrolyt (H2S04 = 50g/l; Fe2+= 7 g/l, Fe3+= 7g/l, T=70 C, Redoxpotential=480mV) behandelt. Die Glanzwerte bei 60 sind, nach einer Behandlung mit bis zu 1000 C/dm2, von 400 bis auf 330 gefallen.
Die Glanzmessung wurde mit dem Glanzmessgerät: REFO 3-D (Reflektometer von der Fa Dr. Lange) durchgeführt.
Es wurde der M-Modus eingesetzt und das Gerät mit dem Standard Metall gemäss ISO 7668 kalibriert. Die Glanzmessungen wurden bei einem Messwinkel von 60 durchgeführt. Vor jeder Messserie wurde das Glanzmessgerät auf dem Standard Metall (Typ Nr.: LZM155) kalibriert.
Die Metallstandards werden bei der Bundesanstalt für Material - Prüfung (BAM) in Berlin gemäss ISO 7668 gegen einen Quarzkeil kalibriert. (20 ca. 1900, 60 ca. 800, 85 ca. 150)
Das Redoxpotential wurde gegenüber einer Wasserstoffelektrode gemessen.
Versuch 2.
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potential=860mV) behandelt. Die Glanzwerte bei 60 sind, nach einer Behandlung mit bis zu 1000C/dm2, von 400 bis auf 370 gefallen.
Versuch 3:
BA Material wurde mit Neutralelektrolyt (Na2S04, pH=6, T=85 C) behandelt. Die Glanzwerte bei 60 sind, nach einer Behandlung mit bis zu 1000C/dm2, von 400 bis auf 440 gestiegen.
Nach einer Behandlung mit ca 1000 C/dm2 in einem pH-neutralen Na2S04 -Elektrolyt stellte sich heraus, dass anhand des empirischen Tests die Tiefzieheigenschaften des BA Materials wesentlich verbessert wurden. Weiters konnte auch unter dem Elektronenmikroskop, bei einer Vergrösserung von 15000, beobachtet werden, dass die in Spuren vorhandenen Ablagerungen auf
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mittels absputtern mit Auger-Elektronen aufgenommen. Hierbei konnten folgende Unterschiede in der Zusammensetzung der Schichten beobachtet werden. Der Schnittpunkt zwischen Sauerstoff und Eisen ist in etwa vergleichbar. Die Sauerstoffdurchdringung ist bei unbehandelten Proben wesentlich tiefer (bis ca. 15 nm) als bei behandelten (bis ca. 8 nm). Die Kohlenstoff-Konzentration der unbehandelten Proben weist höhere Werte auf, als die der behandelten Proben.
Nach diesen, positiven Vorversuchen wurden auf der Versuchsanlage mehrere Bunde des blankgeglühten Materials elektrochemisch behandelt. Mit dem so produzierten Material (ca. 10 t) wurden anschliessend zwei Tests durchgeführt. Der erste war ein Versuch auf der Streckbiegerichtmaschine. Hier wurde bestätigt, was die Oberflächenanalysen schon angedeutet hatten - es waren durch das weichere Material die Walzen kaum beschädigt und es konnten auch keinerlei Beschädigungen der Bandoberfläche durch sog. "Mikrokratzer" festgestellt werden. Als zweiter Versuch wurde die Auswirkung der neuen elektrochemischen Behandlung auf die Standzeit der Tiefziehwerkzeuge untersucht. Erwartungsgemäss stellte sich dabei heraus, dass die Standzeit durch die Behandlung günstig beeinflusst wird.
Die Fotos Fig. 1a und 1b zeigen REM-(Rasterelektronenmikroskop) Aufnahmen mit 1.000
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facher Vergrösserung unbehandelt (Fig. 1a) und behandelt (Fig. 1b), wobei die Behandlung mit 70 A/dm2, einer Temperatur von 85 C und einer Beladungsdichte von 500 C/dm2 erfolgte.
Die Fotos Fig. 2a und 2b zeigen analoge Aufnahmen bei 15. 000 facher Vergrösserung. Deutlich ist erkennbar, dass die Partikel auf der Bandoberfläche nach der Behandlung nicht mehr vorhanden sind.
Bei allen Versuchen wurden die Tiefzieheigenschaften verbessert. Bei den etwas angerauhten Proben (Versuch 1 und 2) wurde ein zusätzlicher Effekt durch verbesserte Ölhaftung erzielt.
Damit wird ein Verfahren verwirklicht, welches ermöglicht, einerseits die chemische Zusammensetzung und andererseits die physikalischen Eigenschaften der Bandoberfläche des BAMaterials so zu beeinflussen, dass die nachfolgenden mechanischen Behandlungsschritte wesentlich erleichtert werden und eine wesentlich bessere Verarbeitbarkeit mit längeren Werkzeugstandzeiten gegeben ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1.Verfahren zur Herstellung von Edelstahlbändern mit verbesserten Oberflächeneigenschaf- ten, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelstahlband erst einem Blankglühprozess und an- schliessend einer elektrochemische Behandlung bei Stromdichten bis zu 200 A/dm2 unter- worfen wird, wobei die elektrochemische Behandlung in sulfathältigem (SO42-) Elektrolyt erfolgt.