CN104178788A - 用于为钢板涂覆金属层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种为钢板涂覆金属层的方法，具有如下步骤：施加第一薄金属层作为预镀物，熔化预镀物的金属层，在预镀物的金属层上施加至少一个另外的金属层。为了提高所涂覆的钢板的抗腐蚀能力以及改善涂覆方法的能量和资源效率，利用该方法应制造具有高强抗腐蚀能力且能良好焊接和拉伸性能优良的钢板，根据本发明提出，预镀物的金属层厚度最高为200mg/m2，并且借助于利用高能量密度的电磁射束对金属层的辐射来实现熔化预镀物的金属层。

Description

用于为钢板涂覆金属层的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分为钢板涂覆金属层的方法，本发明还涉及一种根据权利要求的前序部分用于实施该方法的装置和配有金属涂覆物的钢板。
背景技术
根据现有技术已知，在用于为钢带电镀涂覆金属层的方法中，将以带速度运动的钢带依次引导经过多个连续布置的电解液池，在这些电解液池中在钢带上电解沉积抗腐蚀的金属层。因此例如在生产白铁皮时已知：为了电解镀锡而将钢板引导经过多个在钢带运行方向上连续布置的镀锡容器，在这些镀锡容器内分别布置有锡阳极，以便为作为阴极连接的钢板镀电解涂覆锡层。典型地是，钢板在此连续通过五至十个此种镀锡容器，其中，通常在每个镀锡容器内沉积大约0.1至0.7g/m2的锡涂层。这可以实现的是，对于最高直至700m/min的带速度而言，调整各个镀锡池内的电流密度小于25A/dm2。在高电流密度时存在过强的放热危险，当在镀锡容器内生产的热量无法被导出时，这种过强的放热会导致镀锡质量降低。
当锡层沉积到为了获得足够的抗腐蚀能力所需的厚度后，该厚度通常位于0.5和12g/m2之间，通过加热被涂覆的钢带来熔化电解沉积的锡层，以便一方面在钢带表面和锡层之间的过渡区上形成薄合金层，并且另一方面形成光亮的锡表面。在此通常传热式地在加热炉内或感应式地借助于电磁感应在感应炉内实现熔化锡层。由DE102011000984A1也可知，为了在锡层和钢带之间的临界层上形成薄合金层，可以通过以高功率密度的电磁射束进行辐射来熔化钢带上的锡层。
此外，由DE1496835-A已知一种用于在酸性电镀池内为钢板电镀锡的方法，其中，首先在钢板上施加一个由锡构成的薄预镀物层(flashcoating(金属喷镀层))，并且接着通过加热钢板将由锡构成的预镀物层液化。在将预镀物层液化后，在另外的酸性电镀池内执行另一个镀锡过程，以便在预镀物层上沉积另一个锡层。再通过加热钢板而将所述另一个锡层液化。预镀锡层(预镀物的锡层)的重量至少为每标准表面积(“base box”)22.7克，这相应于至少1.14g/m2的预镀物锡层的涂覆物涂层。为了液化预镀锡层，将钢板加热到在288℃和454℃之间的温度。
由US3062726已知另一种为钢板镀锡的方法，其中，首先在钢板上沉积第一层薄锡层，并且随后通过将钢板加热到高于锡熔化温度的温度来熔化该锡层。之后对涂覆有第一薄锡镀层的钢板进行淬火并用浸蚀液进行处理，并且最后在第一薄锡层上施加第二锡层。在此第一薄锡层的厚度优选地相应于每标准表面积(“base box”)18-27克的涂层，等于0.9g/m2至1.35g/m2的涂层。
由现有技术已知的多级涂覆方法的特征在于被涂覆的钢板的良好抗腐蚀能力，在这些方法中，首先在第一级中在钢板上施加一层薄金属涂覆物(flash coating)，随后熔化该薄涂覆物，并且之后在第一金属层上施加至少一个另外的更厚的金属层。然而，因为对于熔化第一薄金属层来说必须将整个钢板加热到高于金属层的涂覆材料的熔化温度的温度，因此通过熔化第一薄金属层的方法步骤使生产方法既耗时又耗能。此外，为了使被涂覆的钢板具有良好的抗腐蚀能力，需要使被施加的金属层的总厚度相比而言较高。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，改善涂覆有金属层的钢板的抗腐蚀能力以及涂覆方法的能量和资源效率。此外目的还在于，提供高强抗腐蚀能力的涂覆有金属层的钢板，该钢板同时具有优良的可焊接性和优良的拉伸性，并且适用于生产包装容器、特别是罐容器。
利用具有权利要求1所述特征的方法和具有权利要求14所述特征的装置以及具有权利要求15所述特征的钢板实现该目的。根据本发明的方法的优选实施形式可以从从属权利要求中得出。
在根据本发明的方法中，在钢板上首先施加作为预镀物层第一薄金属层，优选地借助于薄金属层在电解池中的电镀沉积来进行。然后，通过将具有预镀物层的钢板加热到高于金属层的熔化温度的温度来熔化预镀物(Vorplattierung)的薄金属层。然后在预镀物上施加至少一个由与预镀物的金属层材料相同的材料构成的另外的金属层。这同样优选地通过将另外的金属层电镀沉积在预镀物的金属层上来进行。根据本发明，预镀物的金属层的厚度最高为200mg/m2，并且因此明显比由现有技术的在开头提到的公开物已知的预镀物层的厚度薄。在此，在根据本发明的方法中施加在预镀物的熔化的金属层上的另外的金属层通常比预镀物的薄金属层更厚，例如厚了大约2至120倍、且优选地厚了4至60倍。
对预镀物的金属层的熔化-与由现有技术已知的方法不同地-借助于以高能量密度的射束、即电磁射束、特别是激光射线或电子束对薄金属层进行辐射来实现。此时对金属层的辐射适宜地通过射入指向金属层表面的射线束来进行，其中射线束或者涉及电磁射束并且特别是激光束、或者涉及电子束。适宜地为熔化预镀物的金属层使用辐射源，如激光器或电子枪，利用该辐射源可以将一种如此高的能量射入到预镀物的薄金属层内，这种高能量将预镀物在其最高达200mg/m2的直至钢板的临界层的总厚度的范围上完全熔化。由此预镀物的薄金属层至少基本上完全转化为合金层，该合金层由钢板的铁原子和金属层的金属原子构成。
通过完全熔化预镀物的薄金属层，在预镀物的薄金属层和钢板之间的临界层上形成了合金层，其由金属层的金属原子和钢板的铁原子构成。在此，借助于射入电磁射束实现的完全熔化，至少在很大程度上完整地将预镀物的薄金属层转化成薄合金层，即在预镀物的薄金属层熔化后，其至少基本上由金属层的金属原子和钢板的铁原子所组成的合金构成。
在此适宜地如此选择利用射束射入预镀物的金属层中的能量密度及辐射时间，即预镀物的金属层在其直至钢板的临界层的总厚度的范围上恰好完全熔化，而不会通过辐射将主要的能量输入位于其下方的钢板中。能量密度的输入主要局部被预镀物的薄金属层的厚度限制。因为通过将能量输入局部限制在近表面区域中对钢板的加热并不显著，由此可以显著地节约能量。在此辐射时间与钢带的带速度相关，以该带速度将钢带引导经过涂覆容器，钢带在这些涂覆容器内被涂覆金属层。当带速度在每分钟几百米范围内时得出的短暂辐射时间在μs范围内。为了设定适当的辐射时间，也可以使用脉冲辐射源、例如脉冲激光器，其中脉冲持续时间优选地小于10μs。
由于预镀物的金属层基本上较薄，因此根据本发明的方法相对现有技术的方法的特征在于，可以节省非常大量的涂覆材料。本方法以令人意外的方式示出，尽管预镀物的金属层的层厚度非常薄、最高为200mg/m2，通过辐射使预镀物的薄金属层局域受限地熔化，在预镀物的薄金属层和钢板之间的临界层上形成一个极薄并且极致密的合金层。尽管合金层的厚度很小，该极薄同时又致密的合金层仍使得根据本发明涂覆的钢板的抗腐蚀能力明显提高。具有最大为200mg/m2的合金层涂层的极薄的合金层特别由于其密度高而保证了卓越的抗腐蚀保护能力。可以假设，当较小的合金层涂层例如仅在20至100mg/m2时，也已经可以得到这种高抗腐蚀能力。然而在技术上很难将预镀物的层厚度的值调整至低于大约50mg/m2，因为例如为维持电镀过程的稳定，在涂层池内对预镀物的金属层进行电镀沉积时必须设定最小电流密度。
为了熔化预镀物的薄金属层，已证明适宜的是辐射能量密度为0.03-3J/cm2、并且优选地为0.1-2J/cm2，利用该辐射将薄金属层的温度提高到高于熔化温度的值。
当应利用根据本发明的方法生产具有高表面光泽度的被涂覆的钢板时，可以在根据本发明的方法的适宜实施形式中，在预镀物的薄金属层上沉积另外的金属层后，通过加热到高于金属层的熔化温度的温度来实现对全部金属层的进一步熔化。优选地在电感炉内感应式地进行熔化全部金属层，并且产生了光亮的表面，其例如对于将涂覆金属的钢板用作包装钢而被期望的。但是也可以利用高能射束、即-如熔化预镀物那样-通过利用电磁射束或电子束的辐射进行熔化(其他的或者最后的)金属涂覆物表面。
利用根据本发明的方法可以产生配有金属涂覆物的钢板，其中在钢板的表面和金属层之间的临界层中形成薄合金层，该合金层是由钢板的铁原子和涂覆材料的金属原子共同构成，其中，该合金层的厚度最高为200mg/m2，并且金属涂覆物内的游离的、非合金的金属的成分至少为50％并且优选地位于80％和99％之间。在此通过熔化预镀物的薄金属层形成薄合金层。通过随后在预镀物的薄金属层上沉积另外的(更厚的)金属层，在涂覆物中存在相对较高的金属(非合金的)成分。特别是当完全放弃最后熔化另外的(更厚的)金属层，或仅在温度稍高于涂覆材料的熔化温度是短暂地进行所述熔化时，所有另外的金属涂覆物可以以非合金化的形式(例如在涂覆锡时作为游离的锡)存在。这例如有利于被涂覆的钢板的可焊接性，并且由于涂覆物的金属(非合金)成分润滑作用良好而有良好的拉伸性。
附图说明
根据本发明的方法的这些及其他优点由下面所述的本发明的实施例得出。
图1示出一种本发明的、用于为钢板涂覆金属层的方法的一个实施例。
具体实施方式
下面根据本发明的方法的实施例涉及一种将钢板镀锡来产生白钢板的方法，这种白钢板例如可以用于制造包装容器，尤其是用于食品的罐容器。但是本发明不局限于对钢板镀锡，并且也可以以相应的方式为钢板涂覆其他例如包括锌或镍的金属涂覆物时使用本方法。在所说明的实施例中有作为钢带的基底(钢板)，钢带被依次引导经过多个在钢带运行方向上连续布置的镀锡容器。但是本发明不局限于在这种待涂覆装置中涂覆钢带，而是也可以应用在其他涂覆装置中，在这些装置中例如可以给块状的钢板依次地在涂覆容器内配备金属涂覆物。
如图1示意性所示，为了生产镀锡钢板(白铁板)，以100-700m/min范围内的带速度引导作为钢带1存在的钢板通过多个在钢带运行方向依次布置的涂覆池2a，2b，2c，…。在该实施例中，涂覆池2设计为镀锡容器，其中分别布置有锡阳极4并且填充有电解质5(例如甲磺酸)。运动穿过镀锡容器的钢板1被连接为阴极，以便在钢带的两侧上电镀沉积薄锡层。在图1示意性示出的涂覆装置中设计了总共十个连续布置的镀锡容器(2a，2b，…2j)。但是也可以根据要施加在钢带上的金属层的期望总厚度，应用更多的或更少的镀锡容器。在每个锡容器内，在钢板的表面上电镀沉积薄锡镀层，其中，每个镀锡容器沉积的镀厚度适宜地位于50-500mg/m2范围内。在电镀镀锡容器内设定的电流密度优选地位于10和15A/dm2之间，并且电解液池温度有规律地位于30℃和50℃之间。
在前面的涂覆池(镀锡容器)2a，2b内，首先(在钢带1的两侧上)电解沉积由锡构成的薄预镀物(flash coating(金属喷镀层))。所述锡预镀物层的层厚度适宜地位于50和最高的200mg/m2之间。优选地，薄预镀物的层厚度位于80和150mg/m2之间，并且特别优选地约为120mg/m2。在经过最先的涂覆池2a，2b之后，在钢板一侧上熔化预镀物在此所沉积的薄锡层。为此在钢板1一侧上，将如利用激光器3所产生的电磁射束射入预镀物的薄锡层的表面上。为此在第二涂覆池2b和第三涂覆池2c之间布置辐射源3，例如激光器或电子枪。在此如此选择辐射源3所发射的射线束的能量密度和辐射时间，即，将前面镀锡容器内施加的预镀物的薄锡层(flash coating)在其直至钢带的临界层的总厚度的范围上完全熔化。为此已证明为适合的是，辐射能量密度位于0.03和0.3J/cm2之间，并且优选地位于0.1与2.0J/cm2之间。适当地，通过辐射仅短暂地将预镀物的薄锡层加热到锡熔点(250℃)和500℃之间的温度，并且优选地加热到约300℃至400℃的范围内的温度。在熔化预镀物的薄锡层(flash coating)后，将其冷却到低于锡熔化温度的温度。通过热传导经过仍较冷的钢带1造成的自冷却适宜并且节能地进行所述冷却过程。
当预镀物的薄锡层熔化和冷却后，引导所述钢带1连续地通过后续的镀锡容器2c，2d，…2j。在此处在钢带的两侧上电镀沉积另外的锡层。在预镀物的在前面的镀锡容器2a，2b内被施加的、已熔化的薄锡层上也沉积了另外的锡层，直至钢带1两侧上的厚镀层处于所期望的层厚度内。由所述预镀物的薄锡层和在后面的镀锡容器2c，…2j的另外的锡层组成总锡层，总锡层的层厚度适宜在0.5g/m2与12g/m2之间，。
在沉积另外的锡镀层后，可以再次短暂地将钢板加热到高于锡熔化温度的温度，以便至少熔化锡层的表面区域。通过熔化锡层的表面区域并随后在水池内的淬火来产生锡层的表面光泽。但是，与由现有技术已知的方法不同，不再需要在锡层的整个厚度的范围上将其完全熔化以产生表面光泽和在锡镀层与钢板之间的临界层上的薄合金层。更确切地说为了产生表面光泽而仅仍将锡层的近表面区域熔化就足够了，因为通过熔化预镀物的在前面的镀锡容器2a，2b内施加的薄锡层(薄镀层)，已经产生了薄合金层，该合金层保证了白铁板的高抗腐蚀能力。仅将被涂覆的钢板加热到在232℃(锡熔化温度)和大约300℃之间的范围内的温度、且优选地在240℃与260℃之间的温度，便足以在锡层的表面上产生表面光泽。由此，与由现有技术已知的熔化方法相比显著地节省能量，因为在已知的熔化方法中不想将锡涂覆物加热到基本较高的温度，以便产生表面光泽并且在对于钢板的临界层上形成薄合金层。
根据该方法制造的白钢板的特征在于很强的抗腐蚀能力，其通过在预镀物的薄锡层和钢带之间的临界层上非常致密的薄合金层来实现。在根据本发明所制造的白钢板中可以测得低于0.1甚至是低于0.05μA/cm2的ATC值，这意味着极优良的抗腐蚀能力。
根据本发明的方法的所说明的实施例中制造的白钢板特别适用于制造包装容器，特别是用于食品的罐容器。钢板的、预镀物的薄锡层熔化在其上的一侧适宜用作罐容器内侧，因为钢板的这一侧基于在薄锡镀层和钢板之间的临界层上形成的合金层而具有强抗腐蚀能力。在钢板的另一侧上将全部电镀沉积的锡适当地保持为游离的锡。这使镀锡的钢板在展薄拉深时具有良好的拉伸性，因为这里游离的锡起到了润滑剂的作用。
本发明不局限于所述的实施例。因此不一定要在最前面的两个镀锡容器2a，2b内施加预镀物的薄锡层，而是也可以仅在第一镀锡容器2a也或者在前三个镀锡容器2a-3c内已经进行沉积。用于熔化预镀物的锡层的辐射源3然后例如可以布置在第一镀锡容器2a和第二镀锡容器2b之间或者在第三镀锡容器2c和第四镀锡容器2d之间，等等。在此通过适当地选择电流密度如此调整在前面的镀锡容器内所沉积的锡层厚度，即预镀物的所述薄锡层的总厚度不超过根据本发明的200mg/m2的上界。也可能的是，在后面的镀锡容器中实现沉积另外的锡层之前，并不仅仅在钢带的一侧上而是在钢带的两侧上熔化预镀物的薄锡层。当不需要锡层的表面光泽时(例如对于以展薄拉伸方法(DWI)制造罐容器而言)，可以放弃附加地熔化在后面的镀锡容器中沉积的(厚)锡层。
当为了熔化预镀物的薄金属层而利用电子束进行辐射时，适宜的是，至少在真空中(适宜地至少为10-2mbar)执行该方法的、其中对预镀物进行熔化的步骤。由此可以避免在利用电子束进行辐射时的能量损失。
根据本发明生产的钢板的特征在于非常良好的抗腐蚀能力，这种抗腐蚀能力通过在钢板表面和金属涂覆物之间的抗腐蚀的合金层来实现。在此通过熔化预镀物的薄金属层形成薄合金层。通过实施根据本发明的方法，可以通过适当选择预镀物层的厚度来调整合金层的厚度。通过在后面的涂覆池内在预镀物的薄金属层上紧接着沉积厚金属层，(对于金属涂覆物的预先给定的涂层而言)在涂覆物中存在具有相对较高的金属(即非合金)成分。这对于被涂覆的钢板的可焊接性(例如对于制造三件式的罐容器而言)是有利的，并且由于涂覆物的金属(非合金)成分具有良好的润滑作用对良好的拉伸性负责。适合的是，涂覆物中的金属(非合金)成分最少为50％、并优选地最少为70％且特别优选地位于80％和99％之间。
以令人意外的方式示出，预镀物的所述极薄的金属层在借助于利用定向的电磁射束或电子束进行的辐射熔化后具有良好的表面结构和布置，其可以实现在预镀物的已熔化的并且合金化的金属层上另外沉积一种金属涂覆物。通过熔化在预镀物的金属层的近表面区域内产生了杆状的生长晶胚，在后续的涂覆中，涂覆材料中的金属原子可以在这些生长晶胚上生长，并且因此可以保证另外的金属涂覆物良好地附着在预镀物的(合金化的)金属层上。

Claims (15)

1.一种用于为钢板涂覆金属层的方法，具有如下步骤：
-施加第一薄金属层作为预镀物，其中，所述预镀物的所述金属层的厚度最高为200mg/m2，
-借助于利用电磁射束或者电子束对所述金属层的辐射使所述预镀物的所述金属层熔化，其中，将所述预镀物的所述金属层在所述金属层的总厚度的范围上完全熔化，并且由此将所述预镀物的所述金属层至少基本上完全转化为由钢板的铁原子和金属层的金属原子组成的合金层。
-在通过熔化而产生的所述合金层上施加至少一个另外的金属层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述预镀物的被熔化的所述金属层在熔化后冷却到低于所述金属层的熔化温度的温度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如下地选择通过所述电磁射束或所述电子束输入到所述预镀物的所述金属层中的能量密度及辐射时间，即将所述预镀物的所述金属层在直至所述钢板的临界层的所述金属层的总厚度的范围上完全熔化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述辐射时间最长为10μs并且优选地位于10ns和1μs之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预镀物的所述金属层的所述厚度位于50mg/m2和200mg/m2之间，并且优选地为100mg/m2。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，射入用于熔化所述预镀物的所述金属层的所述电磁射束的所述能量密度位于0.03J/cm2至3J/cm2之间，并且优选地位于0.1和2J/cm2之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在将所述另外的金属层施加在所述预镀物的所述金属层上之后，为了熔化全部的所述金属层，将被涂覆的所述钢板感应加热到高于所述金属层的所述熔化温度的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在将所述另外的金属层施加在所述预镀物的所述金属层上之后，将被涂覆的所述钢板加热到在232℃和300℃之间的、并且优选地在240℃和260℃之间的温度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于所述金属层的电镀沉积在两侧将所述预镀物的所述金属层施加在所述钢板上，并且仅在一侧进行对所述预镀物的所述金属层的所述熔化。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过将定向射线束射入到所述预镀物的所述金属层的所述表面上来进行对所述预镀物的所述熔化，其中，将所述射线束连续或者脉冲式地射入，优选地以1μs的最大脉冲持续时间射入。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属层的涂覆材料为锡、锌或镍，其中，所述预镀物的所述金属层和所述另外的金属层由相同的涂覆材料组成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述另外的金属层的涂覆涂层位于0.5g/m2和12g/m2之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预镀物的所述金属层和所述另外的金属层分别是锡层，并且在利用至少一个另外的锡层涂覆所述预镀物的被熔化的所述锡层之前，为了熔化而将所述预镀物的所述锡层加热到位于250℃和500℃之间、并且优选地在位于300℃和400℃之间的温度。
14.一种用于为钢带(1)电镀地涂覆金属层的装置，具有多个依次布置的涂层池(2)，所述钢带(1)在钢带运行方向(v)上穿过所述涂层池，以便通过电镀沉积施加所述金属层，其中，在沿所述钢带运行方向看最前面的所述涂层池(2a，2b)内首先施加作为预镀物层的第一薄金属层，并在接下来的所述涂层池(2c，2d，2e…)内在所述第一薄金属层上施加有另外的金属层，其特征在于，即在所述钢带运行方向看的最前面的所述涂层池(2a或者2b)之后布置有用于电磁射束或电子束的辐射源(3)，以便通过利用电磁射束、特别是激光束或者电子束进行辐射来熔化所述预镀物的金属层。
15.一种配有金属涂覆物的钢板，其中，在所述钢板的表面和所述金属涂覆物之间的临界层中形成薄合金层，所述合金层是由所述钢板的铁原子和所述涂覆材料的金属原子一起构成，其特征在于，所述合金层的厚度最高为200mg/m2，并且所述金属涂覆物内的游离的、非合金的金属成分至少为50％、并且优选地位于80％和99％之间。
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