DE1236899C2 - Stahlkoerper, insbesondere in bandform, mit einem zink-eisen-aluminium-legierungsueberzug, und verfahren zu dessen erzeugung - Google Patents

Description

DEUTSCHES WfWWt PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 48 b-1/02

Nummer: 1 236 899

Aktenzeichen: A 35614 VI b/48 b

899 Anmeldetag: 20.September 1960

Auslegetag: 16. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stahlkörper, insbesondere in Bandform, mit einem Zink-Eisen-Aluminium-Legierungsüberzug sowie auf ein Verfahren zur Erzeugung eines solchen Stahlkörpers.

Bei bekannten Stahlkörpern dieser Art soll der mittlere Eisengehalt des Überzugs 21,6% betragen. Dadurch soll erreicht werden, daß die Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion wesentlich erhöht wird.

Solche Überzüge sind aber wenig streckbar, und sie neigen bei Form- oder Ziehvorgängen zum Abblättern oder Abschuppen. Ein weiterer Nachteil ist, daß die damit versehenen Stahlkörper schlecht anstreichbar sind, weil Farbe auf den Uberzügen nicht gut haftet.

Bekannte Verfahren zur Herstellung von Stahlkörpern mit Überzügen der eingangs angegebenen Art bestehen darin, daß ein zunächst feuerverzinkter Stahlkörper später geglüht wird, damit das Zink mit dem Eisen legiert wird. So wird bei einem bekannten Verfahren ein feuerverzinkter Stahlkörper später 30 Minuten lang bei 650° C geglüht. Die dafür erforderliche Wärme wird von außen zugeführt, beispielsweise dadurch, daß das Band durch einen Ofen geführt wird oder daß man eine Flamme direkt auf den Überzug richtet.

Es ist auch sei langem bekannt, daß der Zusatz von kleinen Prozentsätzen Aluminium zu den Zinküberzugsbädern besser haftende Überzüge ergibt.

Diese bisher bekannten Verfahren ergeben jedoch Überzüge mit örtlich unterschiedlichen Legierungsgraden, die von der Oberfläche des Stahlkörpers aus ungleichförmig zur Oberfläche verlaufen und oft aus mehreren Phasen bestehen, in denen verschiedene Anteile der Legierungsmetalle in verschiedenen Schichten zu finden sind. Dadurch ergibt sich einerseits ein sehr ungleichmäßiges und fleckiges Aussehen des Uberzugs und eine geringe Streckbarkeit mit Neigung zum Abblättern bei Form- und Ziehvorgängen sowie eine schlechte Anstreichbarkeit.

Die Ursachen für diese Erscheinungen sind nicht genau bekannt. Sie dürften jedoch im wesentlichen darauf beruhen, daß bei der langdauernden Wärmezufuhr von außen die Legierungswirkung an den Stellen, an denen die Legierungsbildung des Überzugs bis zur Oberfläche fortgeschritten ist, beschleunigt wird, während in anderen Gebieten, in denen die Legierungsbildung langsamer begann, diese weniger schnell fortschreitet. Dies kommt wahrscheinlich daher, daß ein unlegierter Zinküberzug Wärme sehr stark reflektiert, während ein legierter Überzug ein sehr geringes Reflexionsvermögen hat. Das Absorp-Stahlkörper, insbesondere in Bandform,
mit einem Zink-Eisen-Aluminium-Legierungsüberzug, und Verfahren zu dessen Erzeugung

Anmelder:

Armco Steel Corporation,
Middletown, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz und Dr. G. Hauser,
Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Paul Edward Schnedler,
Middletown, Ohio (V. St. A.)

tionsvermögen eines legierten Zink-Eisen-Überzugs, der eine ziemlich stumpfe, matte Oberflächenbeschaffenheit aufweist, beträgt annähernd 78%, während das Absorptionsvermögen eines geschmolzenen, unlegierten Zinküberzugs annähernd 8,5% beträgt, wenn das Absorptionsvermögen eines schwarzen Körpers 100 % beträgt.

Wenn also Wärme von außen einem unlegierten Zinküberzug zugeführt wird, wächst das Absorptionsvermögen des Uberzugs sehr stark, sobald eine Legierungsbildung an einer bestimmten Stelle stattfindet. Dies hat zur Folge, daß um so mehr Wärme von den Stellen absorbiert wird, an denen eine Legierungsbildung eingetreten ist, so daß die Legierungswirkung beschleunigt wird und sich eine mehrphasige Struktur entwickelt, wenn sie sich ungehindert fortsetzen kann. Umgekehrt wird an den Stellen, an denen eine Legierungsbildung noch nicht begonnen hat, durch das hohe Reflexionsvermögen bzw. das niedrige Absorptionsvermögen der Oberfläche die Wärmezufuhr herabgesetzt, so daß die Legierungsbildung an diesen Stellen verzögert wird.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Stahlkörpers mit einem Überzug der eingangs angegebenen Art, der gut streckbar ist, bei Verformungen nicht abblättert, ein gleichmäßiges Aussehen hat

709 519/474

und leicht anstreichbar ist, sowie eines Verfahrens, mit welchem solche Stahlkörper erzeugt werden können.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der im wesentlichen einphasige Überzug aus einer Zinklegierung mit 8 bis 12% Eisen, 0,001 bis 0,35 ^u/o Aluminium und den üblichen Verunreinigungen besteht.

Ein Überzug auf einem Stahlkörper, beispielsweise einem Stahldraht, Stahlband oder Stahlblech, mit den zuvor angegebenen Merkmalen besitzt die gewünschten Eigenschaften.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung eines solchen Stahlkörpers, insbesondere in Bandform, durch Eintauchen des Körpers im Schutz einer nichtoxydierenden Atmosphäre in ein aluminiumhaltiges Zinkschmelzbad und anschließendes Erhitzen des überzogenen Körpers zur Ausbildung des Legierungsüberzugs, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der überzogene Körper zur Ausbildung des einphasigen Legierungsüberzugs, während sich der Überzug noch im schmelzflüssigen Zustand befindet, auf elektrischem Wege von innen aus auf eine zwischen etwa 482 und 510° C liegende Temperatur erhitzt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Verfahrens besteht darin, daß die Erhitzung des überzogenen Stahlkörpers, insbesondere in Bandform, mittels Induktions- und/oder Widerstandsheizung vorgenommen wird.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der überzogene Stahlkörper vor dem Erkalten des Überzugsmaterials auf elektrischem Wege von innen her erhitzt, was sehr schnell (in einigen Sekunden) erfolgen kann. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die stark unterschiedlichen Absorptionsvermögen von legiertem Zink und unlegiertem Zink nicht zur Ungleichförmigkeit des Überzugs beitragen, sondern im Gegenteil zugunsten eines gleichförmigen Uberzugs wirken. Wenn nämlich der mit dem Überzug versehene Körper von innen her erhitzt wird, beispielsweise durch Induktionserhitzung, und die Legierung an einer bestimmten Stelle bis zur Oberfläche vordringt, so nimmt das Reflexionsvermögen an dieser Stelle ab, und das Emissionsvermögen steigt an. so daß die dieser Stelle zugeführte Wärme von diesem Gebiet schneller in die Umgebung abgestrahlt wird, während die Wärme, die einem unlegierten Abschnitt zugeführt wird, in dem das Reflexionsvermögen groß ist und das Emissionsvermögen nur etwa 8,5 °/o beträgt, zurückgehalten wird, da diese Abschnitte sozusagen isoliert sind. Infolge der erhöhten Wärmezufuhr schreitet die Legierungsbildung schneller fort. Dies hat die allgemeine Wirkung, daß der gesamte Überzug gleichförmig legiert wird und ein ungleichförmiges oder fleckiges Aussehen vermieden wird.

Besonders vorteilhaft ist die Erhitzung durch Induktionsheizung, weil induzierte Ströme die Neigung haben, auf der Oberfläche von ferromagnetischen Stoffen zu fließen. Bei einer Mehrschichtanordnung, bei der ein Nichteisenmetall ein Eisenmetall umschließt, bewirkt somit die Induktionserhitzung eine Wärmekonzentration an der Grenzfläche zwischen dem Eisenmetall und dem Nichteisenmetall, wodurch eine Legierungsbildung zwischen den beiden Metallen hervorgerufen wird. Ferner kann dabei die Er-

hitzung besonders schnell erfolgen, und die Wärmezufuhr kann sehr genau so kontrolliert werden, daß das Band für die erwünschte Zeitdauer auf der erforderlichen Temperatur gehalten wird. Bei dem üblichen Verzinkungsvorgang tritt das Band aus der Überzugswanne bei einer Temperatur von etwa 460° C aus. Die stärkste Legierungsbildung von Zink und Eisen tritt bei Temperaturen von 480 bis 510° C ein. Mittels einer Induktionsspule muß die ίο Temperatur des Bandes von etwa 460° C auf eine Temperatur zwischen 480 und 510° C erhöht werden und auf diesem Wert für eine Zeit gehalten werden, die ausreicht, daß die Eisenmoleküle bis zur Oberfläche des Überzugs nach außen wandern. Dies läßt sich durch Induktionserhitzung ohne weiteres auf einer Strecke von wenigen Metern der Bewegungsbahn des Bandes und in einer Zeitdauer von wenigen Sekunden erreichen. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es sich auf vorhandene Verso zinkungsstraßen anwenden läßt, bei denen der Raumbedarf ein wesentlicher Faktor ist. Infolge der Geschwindigkeit mit der der Körper erhitzt werden kann, läßt sich der Legierungsvorgang mit der Arbeitsgeschwindigkeit der Verzinkungseinrichtung durchführen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer üblichen Verzinkungswanne mit den Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
F i g. 2 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der Einrichtung zur Darstellung des bei dem Verfahren verwendeten Heizelements und

F i g. 3 eine andere Ausführungsform des Heirelements.

In der Zeichnung ist eine übliche Zinkwanne 10 dargestellt, die das geschmolzene Überzugsmetall 11 enthält. Ein zu überziehendes Band 12 tritt in die Wanne von einem (nicht gezeigten) Vorrat ein, nachdem es in der erforderlichen Weise vorbehandelt worden ist. Nachdem es über eine Umlenkrolle 13 gegangen ist, tritt es aus der Wanne zwischen den Austrittswalzen 14 aus.

Das Überzugsmetall 11 besteht hauptsächlich aus Zink mit einem kleinen Anteil Aluminium (der im fertigen Überzug 0,001 bis 0,35°/o beträgt).

Bei 15 ist eine Induktionserhitzungsvorrichtung dargestellt, die von einer geeigneten elektrischen Stromquelle gespeist wird, die schematisch bei 16 angedeutet ist.

Wie in F i g. 2 dargestellt ist, kann die Induktionserhitzungsvorrichtung aus einer einzigen Schleife 15 α bestehen, durch die das Band 12 hindurchläuft, oder sie kann, wie in F i g. 3 gezeigt ist, zwei flache Schleifen ISb und 15 c enthalten, zwischen denen das Band 12 hindurchgeht. Gegebenenfalls können natürlich weitere Schleifen 17 (F i g. 2) bzw. weitere Schleifen 18, 19 (F i g. 3) vorgesehen werden, wenn dies wegen der Stärke und Geschwindigkeit des Bandes erforderlich ist, damit die erwünschte Erhitzung in der verfügbaren Zeit erzeugt wird.

Die Bemessung der räumlichen Abmessungen der Schleifen, der zuzuführenden Leistung sowie der Frequenz, die zur Erzielung der gewünschten Erhitzung in der verfügbaren Zeitdauer erforderlich sind, bleibt dem Können des Elektroingenieurs überlassen. Da der Legierungsvorgang unmittelbar auf den Überzugsvorgang folgt, braucht die Temperatur nur um

Claims (3)

etwa 50c C erhöht zu werden, so daß entsprechend wenig Leistung erforderlich ist. Es ist offensichtlich, daß die üblichen Kühleinrichtungen, wie Gebläse u. dgl. zur Kühlung des legierten Überzugs, nachdem dieser ausreichend erhitzt worden ist, vorgesehen werden können. Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren sind ausgezeichnete, im wesentlichen einphasige legierte Überzüge auf Stahlbändern hergestellt worden, wobei der Überzug etwa 8 bis 12% Eisen enthält. Der Ausdruck »im wesentlichen einphasig« soll bedeuten, daß zwar zweifellos eine oder mehrere Phasen an der Grenzfläche zwischen der Legierung und dem Metall der Eisenunterlage vorhanden sind, daß es aber praktisch unmöglich ist, diese zu identifizieren, so daß in praktischer Hinsicht der Legierungsüberzug eine einphasige Legierung ist. Die Oberfläche dieses Überzugs läßt sich in ausgezeichneter Weise anstreichen, und sie weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Gegebenenfalls kann auf die Iegierte Fläche ein Phosphatüberzug aufgebracht werden, doch ist dies nicht erforderlich, um den Überzug anstreichbar zu machen. Der Überzug ist sehr streckbar und zeigt bei einer Verformung kein Abschuppen, Springen oder Abblättern. Bei dem beschriebenen Beispiel wurden zwar nur Induktionserhitzungseinrichtungen erwähnt, doch sind Widerstandserhitzungseinrichtungen oder andere innere Erhitzungseinrichtungen in gleicher Weise zur Zufuhr der erforderlichen Wärme geeignet, solange diese Erhitzungseinrichtungen eine Konzentration der Wärme auf das Eisenmetall oder die Grenzfläche anstatt auf die Oberflächenschicht aus dem Überzugsmetall bewirken. Jede Erhitzungsmethode weist bestimmte Vorteile auf. So können Induktionserhitzungseinrichtungen den vorhandenen Überzugsanlagen ohne wesentliche Änderung hinzugefügt werden. Widerstandserhitzungseinrichtungen werden manchmal als wirtschaftlicher angesehen, doch müssen vorhandene Anlagen entsprechend abgeändert werden, damit die Stromquelle in Kontakt mit dem Band gebracht werden kann, vorzugsweise in dem Überzugsbad, sowie an einer zweiten Stelle oberhalb des Überzugsbads, an der das Überzugsmetall verfestigt ist und die Legierungsbildung vollendet ist. Patentansprüche:

1. Stahlkörper, insbesondere in Bandform, mit einem Zink-Eisen-Aluminium-Legierungsüberzug, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen einphasige Überzug aus einer Zinklegierung mit 8 bis 12 ⁰Zu Eisen, 0,001 bis 0,35% Aluminium und den üblichen Verunreinigungen besteht.

2. Verfahren zur Erzeugung eines Stahlkörpers, insbesondere in Bandform, nach Anspruch 1, durch Eintauchen des Körpers im Schutz einer nicht oxydierenden Atmosphäre in ein aluminiumhaltiges Zinkschmelzbad und anschließendes Erhitzen des überzogenen Körpers zur Ausbildung des Legierungsüberzugs, dadurch gekennzeichnet, daß der überzogene Körper zur Ausbildung des einphasigen Legierungsüberzugs, während sich der Überzug noch im schmelzflüssigen Zustand befindet, auf elektrischem Wege von innen aus auf eine zwischen etwa 482 und 510° C liegende Temperatur erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des überzogenen Stahlkörpers, insbesondere in Bandform, mittels Induktions- und/oder Widerstandsheizung vorgenommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 877 401, 971 981;
schweizerische Patentschrift Nr. 43 507;
»Chemisches Zentralblatt«, 1954, S. 7969/70, Report über I. Iron Steel Inst., 171, S. 121 bis 127, Juni 1952.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 519/474 3. 67 © Bundesdruckerei Berlin