DE10309908B4 - Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit einem Polymer beschichteten Stahlrohrs - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit einem Kunststoff beschichteten Stahlrohrs, bei welchem zunächst das Stahlrohr mit Zink galvanisch beschichtet und danach auf die Zinkschicht eine Passivierungsschicht auf Basis dreiwertiger Chromverbindungen aufgetragen wird, wonach in einem Tauchbad auf die Passivierungsschicht ein Epoxidharz-Haftvermittler appliziert, thermisch getrocknet sowie ausgehärtet wird, und dass dann das derart behandelte Rohr mit einem Polymer beschichtet wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Entfetten und Reinigen des verzinkten und passivierten Stahlrohrs in einem wässrigen Medium;
b) Heißlufttrocknen des gereinigten Stahlrohrs;
c) Applizieren eines wasserbasierten Epoxidharz-Haftvermittlers;
d) Vorerwärmen des derart behandelten Stahlrohrs unmittelbar vor dem Beschichten mit einem Polymer;
e) Beschichten des vorbehandelten Stahlrohrs mit einem Polyamid-11 oder Polyamid-12 durch Extrusion;
f) Abkühlen des mit dem Polyamid beschichteten Stahlrohrs in einem Wasserbad;
g) Qualitätsprüfen des mit dem Polyamid beschichteten und abgekühlten Stahlrohrs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit einem Polymer beschichteten Stahlrohrs.
  • Im Umfang der EP 0 741 848 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten Stahlrohrs mit aufextrudiertem Polyamid bekannt, bei welchem nach dem Aufbringen einer Zinkschicht auf ein stählernes Basisrohr die Oberfläche der Zinkschicht mit einer Olivchromatierung versehen wird. Eine Olivchromatierung enthält sechswertiges Chrom. Damit wird nicht die Altautoverordnung der Europäischen Union erfüllt, weil sechswertiges Chrom umwelt- und gesundheitsgefährdend ist. Außerdem genügt ein derart behandeltes Stahlrohr nicht mehr den weiter gestiegenen Anforderungen der Kraftfahrzeugindustrie hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Haftung des Kunststoffs auf dem Untergrund.
  • Die DE 195 31 708 C2 offenbart eine korrosionsbeständige Überzugsanordnung auf einem Metallrohr. Die Überzugsanordnung weist zumindest eine erste Schicht aus einer Zink- oder Zink-Nickel-Plattierung, eine zweite von einem Chromat gebildeten Schicht auf der ersten Schicht sowie eine Polyvinylfluorid- oder Poxlyvinylidenfluoridschicht auf, die auf der Chromat-Schicht angeordnet ist.
  • Aus der US 5,026,45 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer thermoplastischen Schutzbeschichtung auf Rohre hervor. Das Rohr wird zunächst mit einem Epoxidharz beschichtet, das teilweise ausgehärtet wird. Anschließend wird in einem Kreuzkopfextruder ein Co-Polymer oder ein anderer geeigneter Klebstoff aufextrudiert. Anschließend wird die thermoplastische Beschichtung aufextrudiert.
  • Die EP 0 759 136 B1 beschreibt ein mehrfach beschichtetes Metallrohr und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Es sind mehrere Schichten aus Plastik an dem Metallrohr geklebt.
  • Die DE 35 08 811 A1 zeigt ein Verfahren zum Ummanteln eines Stahlrohres auf. Auf das Stahlrohr wird nach dem Reinigen mindestens eine Schicht aus Epoxidharz als Haftvermittler und darüber, bevor das Epoxidharz ausgehärtet ist, mindestens eine Kleberschicht aus Äthylencopolymerisat aufgebracht.
    •
  • Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit einem Polymer beschichteten Stahlrohrs zu schaffen, das die Anforderungen der Richtlinie der Europäischen Union erfüllt und darüber hinaus dem stählernen Basisrohr einen deutlich verbesserten Korrosionsschutz vermittelt.
  • Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
  • Bei diesen Verfahrensschritten ist es zunächst von grundlegender Bedeutung, dass nach der galvanischen Beschichtung eines stählernen Basisrohrs mit Zink eine Chrom(VI)-freie Dünn- oder Dickschichtpassivierungsschicht auf Basis dreiwertiger Chromverbindungen auf die Zinkschicht aufgetragen wird. Hiermit ist der besondere Vorteil verbunden, dass nicht nur die EU-Richtlinie in allen Punkten erfüllt, sondern dass auch die Gesundheitsrisiken bei der Verarbeitung eines derart behandelten stählernen Basisrohrs und letztlich auch beim Recycling deutlich verringert werden.
  • Neben der darüber hinaus gegebenen Umweltfreundlichkeit gewährleistet eine Passivierungsschicht auf Basis dreiwertiger Chromverbindungen auch einen höheren Korrosionsschutz des stählernen Basisrohrs, wie interne Versuche ergeben haben. Des Weiteren wird die Haftung eines Haftvermittlers auf der Passivierungsschicht deutlich verbessert. Insgesamt wird ein erheblich verbesserter Korrosionsschutz des Gesamtschichtsystems erreicht. Interne Prüfungen haben eine Verbesserung um mindestens den Faktor 2 ergeben.
  • Als Stahlrohr gelangt ein nahtlos oder geschweißtes kaltgezogenes Präzisionsstahlrohr gemäß DIN EN 10305-1/2 oder auch ein geschweißtes und maßgewalztes Präzisionsstahlrohr gemäß DIN EN 10305-3 zur Anwendung. Die chemische Zusammensetzung eines solchen Stahlrohrs beträgt in Massenanteilen ausgedrückt C max. = 0,22 %, Si max. = 0,55 %, Mn max. = 1,70 %, P max. = 0,025 %, S max. = 0,025 %, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte weitere Bestandteile (Verunreinigungen).
  • Nach dem Auftragen der Passivierungsschicht auf die Zinkbeschichtung wird ein derart behandeltes Stahlrohr in einem wässrigen Medium entfettet und gereinigt. Als Medien können hierbei sowohl saure, neutrale als auch alkalische Reiniger verwendet werden.
  • Die sich an das Entfetten und die Reinigung anschließende Heißlufttrocknung entfernt anhaftendes Spülwasser und erwärmt dabei gleichzeitig das gereinigte Stahlrohr.
  • Nach der Heißlufttrocknung wird ein wasserbasierter Epoxidharz-Haftvermittler im Tauchverfahren auf die Passivierungsschicht des erwärmten Stahlrohrs appliziert. Hierbei kann überschüssiger Epoxidharz-Haftvermittler zur Einstellung der jeweils gewünschten Nassfilmdicke pneumatisch oder mechanisch entfernt werden.
  • Der Epoxidharz-Haftvermittler wird dann thermisch getrocknet und ausgehärtet. Die hierbei einzustellende Objekttemperatur wird bis zum Ende der erforderlichen Aushärtezeit aufrechterhalten.
  • Nach dem Aushärten des Epoxidharz-Haftvermittlers wird das derart behandelte Stahlrohr unmittelbar vor der Beschichtung mit einem extrudierbaren Polymer vorgewärmt, um eine einwandfreie Haftung der Polymerbeschichtung sicherzustellen. Anschließend wird das Stahlrohr durch Extrusion mit dem Polymer beschichtet. Hierbei handelt es sich speziell um Polyamid-11 (PA-11) oder Polyamid-12 (PA-12).
  • Nach dem Beschichten des vorbehandelten Stahlrohrs mit dem Polymer wird dieses Stahlrohr in einem Wasserbad auf Raumtemperatur abgekühlt.
  • Letztlich erfolgt eine Qualitätsprüfung des mit dem Polymer beschichteten und abgekühlten Stahlrohrs.
  • In bevorzugter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Grundgedankens wird gemäß Patentanspruch 2 ein verzinktes und passiviertes Stahlrohr im kontinuierlichen Durchlauf durch eine Behandlungslinie geführt, bei welcher mindestens folgende Funktionseinheiten nacheinander geschaltet werden: Vorbehandlung des Stahlrohrs durch Entfetten und Reinigen, Trocknen mittels Heißluft, Auftragen eines Epoxidharz-Haftvermittlers, Trocknen und Aushärten des Epoxidharz-Haftvermittlers, Vorwärmen des derart behandelten Stahlrohrs, Extrudieren des Polymers, Einrichtung einer Verlaufszone zwecks Einstellung der Oberflächengüte sowie einer Abkühlstrecke und letztlich Qualitätsprüfung zur Sicherstellung des praktischen Einsatzes.
  • Wenn das Stahlrohr durch eine Behandlungslinie im kontinuierlichen Durchlauf transportiert wird, ist es gemäß Patentanspruch 3 von Vorteil, dass dies mit einer Geschwindigkeit von maximal 40 m/min erfolgt.
  • Des Weiteren hat es sich aufgrund interner Versuche als zweckmäßig erwiesen, wenn nach Patentanspruch 4 das Stahlrohr mit einer Zinkschicht in einer Dicke von 5 μm bis 25 μm versehen wird.
  • Eine besonders vorteilhafte Vorbehandlung des verzinkten und Chrom(VI) frei passivierten Stahlrohrs wird nach Patentanspruch 5 darin erblickt, dass das verzinkte und passivierte Stahlrohr durch Ultraschall in einem eine Temperatur zwischen 40 °C und 80 °C aufweisenden wässrigen Medium als Kopplungsmittel gereinigt und anschließend einer aus einer Heißwasserspüle sowie einer Schlussspüle bestehenden Kaskadenspülung bei Wassertemperaturen zwischen 40 °C und 80 °C unterworfen wird.
  • In diesem Zusammenhang ist es dann ferner von Vorteil, wenn gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6 die Schlussspüle kontinuierlich mit frischem vollentsalztem Wasser versorgt wird, welches anschließend in die Heißwasserspüle überläuft.
  • Nach Patentanspruch 7 wird es als vorteilhaft angesehen, dass beim Heißlufttrocknen das vorbehandelte Stahlrohr auf eine Temperatur zwischen 40 °C und 80 °C erwärmt wird, um die anschließende Applikation eines wasserbasierten Epoxidharz-Haftvermittlers zu verbessern.
  • Das thermische Trocknen und Aushärten des Epoxidharz-Haftvermittlers kann gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8 vorteilhaft mittels Induktion durchgeführt werden. Die Rohrtemperatur wird hierbei zwischen 150 °C und 250 °C aufrechterhalten.
  • In diesem Zusammenhang ist es nach Patentanspruch 9 besonders zweckmäßig, wenn nach der Erwärmung des behandelten Stahlrohrs auf Objekttemperatur diese – bevorzugt im Durchlaufverfahren – in einem Heißlufttunnel bis zum Ende der erforderlichen Aushärtezeit aufrecht erhalten wird.
  • Zwecks Verbesserung der Haftung eines Polymers auf dem vorbehandelten Stahlrohr ist es entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 10 vorteilhaft, dass das mit dem Epoxidharz-Haftvermittler versehene Stahlrohr unmittelbar vor Beginn der Extrusion mit einem Polymer durch induktive Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 300 °C gebracht wird.
  • Gemäß Patentanspruch 11 wird die Extrusion des Polymers vorzugsweise unter Vakuum bei einer Schmelzetemperatur zwischen 190 °C und 270 °C durchgeführt. Mit der Anlegung eines Vakuums im Extrusionskopf ist der Vorteil verbunden, dass der Schmelzefilm haftungsverstärkend und blasenfrei auf die durch den Epoxidharz-Haftvermittler gebildete Oberfläche des Stahlrohrs aufgebracht werden kann.
  • Die im Patentanspruch 12 gekennzeichnete Verlaufszone dient zur Einstellung der Oberflächengüte des mit einem Polymer beschichteten Stahlrohrs. Hierunter werden insbesondere der Glanz und die Glätte der äußeren Oberfläche verstanden. In Abhängigkeit von den Abmessungen des Stahlrohrs und der Durchlaufgeschwindigkeit – im Durchlaufverfahren – kann dann die Länge der Verlaufszone ohne weiteres eingestellt werden.
  • Gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13 ist es sinnvoll, dass das mit einem Polymer beschichtete Stahlrohr im Wasserbad auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Eine derartige Abkühlung ist mit besonderem Vorteil in eine kontinuierliche Behandlungslinie einzugliedern.
  • Wenn das mit einem Polymer beschichtete Stahlrohr abgekühlt ist, kann es nach Patentanspruch 14 einer Qualitätsprüfung unterzogen werden. Eine solche Qualitätsprüfung kann in Form einer Durchschlagsprüfung oder einer Schichtdickenprüfung vorgenommen werden. Vorstellbar ist aber auch eine Kombination aus einer Durchschlagsprüfung und einer Schichtdickenprüfung. Auf diese Weise kann das beschichtete Stahlrohr gezielt auf seine Eignung beispielsweise in durch äußere Einflüsse extrem beanspruchten Bereichen eines Kraftfahrzeugs hin untersucht werden.
  • Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 15 von Vorteil, dass mehrere Stahlrohre zu einem Rohrstrang gekoppelt werden und dieser Rohrstrang dann einer kontinuierlichen Behandlung im Durchlauf unterworfen wird.
  • Wenn ein durch aneinander gekoppelte Stahlrohre gebildeter Rohrstrang durch eine Behandlungslinie geführt wird, ist es gemäß Patentanspruch 16 zweckmäßig, dass der geprüfte und beschichtete Rohrstrang nach dem Verlassen der Behandlungslinie in Stahlrohre aufgetrennt wird. Hierdurch kann jede gewünschte Rohrlänge ohne weiteres bereitgestellt werden.
    •

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit einem Kunststoff beschichteten Stahlrohrs, bei welchem zunächst das Stahlrohr mit Zink galvanisch beschichtet und danach auf die Zinkschicht eine Passivierungsschicht auf Basis dreiwertiger Chromverbindungen aufgetragen wird, wonach in einem Tauchbad auf die Passivierungsschicht ein Epoxidharz-Haftvermittler appliziert, thermisch getrocknet sowie ausgehärtet wird, und dass dann das derart behandelte Rohr mit einem Polymer beschichtet wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Entfetten und Reinigen des verzinkten und passivierten Stahlrohrs in einem wässrigen Medium; b) Heißlufttrocknen des gereinigten Stahlrohrs; c) Applizieren eines wasserbasierten Epoxidharz-Haftvermittlers; d) Vorerwärmen des derart behandelten Stahlrohrs unmittelbar vor dem Beschichten mit einem Polymer; e) Beschichten des vorbehandelten Stahlrohrs mit einem Polyamid-11 oder Polyamid-12 durch Extrusion; f) Abkühlen des mit dem Polyamid beschichteten Stahlrohrs in einem Wasserbad; g) Qualitätsprüfen des mit dem Polyamid beschichteten und abgekühlten Stahlrohrs.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein verzinktes und passiviertes Stahlrohr im kontinuierlichen Durchlauf durch eine Behandlungslinie geführt wird, bei welcher mindestens folgende Funktionseinheiten nacheinander geschaltet werden: Vorbehandlung eines Stahlrohrs, Trocknung, Auftrag eines Epoxidharz-Haftvermittlers, Trocknung und Aushärtung des Epoxidharz-Haftvermittlers, Vorerwärmung, Extrusion des Polymers, Verlaufzone, Abkühlstrecke und Qualitätsprüfung.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlrohr mit einer Geschwindigkeit von maximal 40 m/min durch die Behandlungslinie transportiert wird.
  4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlrohr mit einer Zinkschicht in einer Dicke von 5 μm bis 25 μm versehen wird.
  5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verzinkte und passivierte Stahlrohr durch Ultraschall in einem eine Temperatur zwischen 40 °C und 80 °C aufweisenden wässrigen Medium als Kopplungsmittel gereinigt und anschließend einer aus einer Heißwasserspüle sowie einer Schlussspüle bestehenden Kaskadenspülung bei Wassertemperaturen zwischen 40 °C und 80 °C unterworfen wird.
  6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlussspüle kontinuierlich mit frischem vollentsalztem Wasser versorgt wird, welches anschließend der Heißwasserspüle zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Heißlufttrocknen das vorbehandelte Stahlrohr auf eine Temperatur zwischen 40 °C und 80 °C erwärmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Epoxidharz-Haftvermittler mittels induktiver Erwärmung bei einer Objekttemperatur zwischen 150 °C und 250 °C ausgehärtet wird.
  9. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet,, dass nach der Erwärmung des Stahlrohrs auf Objekttemperatur diese in einem Heißlufttunnel bis zum Ende der erforderlichen Aushärtezeit aufrecht erhalten wird.
  10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Epoxidharz-Haftvermittler versehene Stahlrohr unmittelbar vor Beginn der Extrusion mit einem Polyamid durch induktive Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 300 °C gebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrusion des Polyamids unter Vakuum bei einer Schmelzetemperatur zwischen 190 °C und 270 °C durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Polyamid beschichtete Stahlrohr durch eine Verlaufszone geführt wird, deren Länge in Abhängigkeit von den Abmessungen des Stahlrohrs und der Durchlaufgeschwindigkeit eingestellt wird.
  13. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, dadurchh gekennzeichnet, dass das mit Polyamid beschichtete Stahlrohr im Wasserbad auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
  14. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, Abkühlung einer Qualitätsprüfung unterzogen wird.
  15. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 14, dadurchh gekennzeichnet, dass mehrere Stahlrohre zu einem Rohrstrang gekoppelt werden und dieser Rohrstrang dann einer kontinuierlichen Behandlung im Durchlauf unterworfen wird.
  16. Verfahren nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der geprüfte beschichtete Rohrstrang nach dem Verlassen der Behandlungslinie in Rohrlängen getrennt wird.
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