DE1621376A1

DE1621376A1 - Verfahren zum UEberziehen von Stahl mit einer metallischen Schutzschicht

Info

Publication number: DE1621376A1
Application number: DE19671621376
Authority: DE
Inventors: Helwig Lawrence Ernest; Murray Michael Vincent
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1966-06-30
Filing date: 1967-06-30
Publication date: 1971-05-13
Also published as: BE700507A; FR1529323A; NL6709075A; GB1187802A

Description

Dipl.-lng. MARTIN LICHT Dr-REINHOLDSCHMIDT Drpl.-Wirtsch.-lng. AXEL HANSMANN PATENT AN WALTE ,DipkPKys. SEBASTIAN HERRMANN-

PATENTANWALTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN ;_Uft . , _{on T} . „ _nCn

8 MDNCHEN 2 · THfRiSIENSTRASSE 33 'Mönchen, den 30 . JUIll 1967

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Ihr Zeichen Unser Zeichen

UNITED STATES STEEL CORPORATION" Pittsburgh „ Pennsylvanien William Penn, Place 525 V.St.A.

Verfanren zum Überziehen von Stahl mit einer metallischen Schutzschicht,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen von Stahl mit einer Schicht eines Schutzmetalls, wie beispielsweise Zink oder Aluminium und insbesondere ein Verfahren zum Beschichten eines Stahls durch Kondensation von Metalldampf in einem Hochvakuum,

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Patentanwalt· Dfpl.-Ing. Martin licht, Dipl.-W!rteeh.-fna. Axel Kenimann, Bfpl.-Php. Sebastian Horrmemn i I MÖNCHEN 2, THIKCfIBNITKASII IS · Tflefw; 29J102 · Tciegramm-Adrcss«) Upqtli/Mandiar!

Bankvtrfifnduna<ni Dwfich« lenk AC, Fllt«l· MOnefien, Otp-Kaise Vikfiicälinwerkt, tCenfe-Nr, fmm tayer. V«r«!nibenk MOnthtn, Zwflgit. Oikar-von-Mlllir-llne, Kfo.-Nr, IK 4M · Peshciitfk-Kontoi München Nr. 143397

OppmwutrlOror PATtNTANWAlT DB, KIINHOtD ICHMIBT

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Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird beispielsweise ein Eisenüberzug auf eine Stahlbasis aufgebracht, indem metallischer Dampf im Hochvakuum auf die Stahlbasis niedergeschlagen wird, bevor der Überzug des Schutzmetalls angebracht wird. Zum Stande der Technik ist insbesondere die U,S.A,-Patentschrift 1 ,552,040 in Betracht zu ziehen.

Es ist bekannt, daß metallische und nichtmetallische Materialien beschichtet werden können, indem ein Metalldampf unter Hochvakuumbedingungen aufkondensiert wird. In der USA-Patentschrift 3,046,936 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens beschrieben,JnZusammenhang damit bestanden Jedoch einige Probleme, Zunächst war es notwendig, das Metallsubstrat auf eine Temperatur von mindestens 177⁰C zu erhitzen, um gut anhaftende Überzüge zu erzeugen. Bei der Kondensierung des Beschichtungsmetalldampfes auf dem Substrat wird Verdampfungswärme an dieses abgegeben, so daß die Temperatur des Substrats soweit ansteigen kann, daß eine wesentliche Wiederverdampfung des Beschichtungsmetalles eintreten kann. In diesem Zusammenhang ist ein künstliches Kühlen des Substrats in Betracht zu ziehen. Jedoch ist eine Kühlung unter den extrem niedrigen atmosphärischen Drucken, die für eine Kondensationsbeschichtung notwendig sind, beispielsweise tO Torr ^ recht schwierig.

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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten von Stahl in einem Schutzmetall zu entwickeln.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen einer Stahlbasis mit einer Schutzmetallschicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Stahlbasis auf eine.. Temperatur von mindestens 177°C erhitzt wird, bei dieser Temperatur eine Metallschicht aus Eisen, Nickel,Mangan,Chrom und/oder Aluminium durch Kondensation des Dampfes davon in einem Gefäß, das auf

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einen Druck von nicht mehr als 1O Torr evakuiert ist, aufgebracht wird und anschließend diese Schicht jnit einem Schutzmetall überzogen wird.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird eine Stahlbasis zunächst mit einer Eisenschicht durch Kondensation des Dampfes davon überzogen, wobei gut haftende Überzüge aus einem Schutzmetall, wie beispielsweise Aluminium, hergestellt werden können, wenn Substrattemperaturen weit unter 1 77°C verwendet werden. Schutzschichten aus anderen Metallen, wie beispielsweise Zink, Kupfer,Blei,Zinn und Kadmium, können ebenfalls bei solchen niedrigen Temperaturen niedergeschlagen werden, ^rausgesetzt, daß eine leichte anfängliche Schicht.des Schutzmetalles zunächst bei der vorher erwähnt en Mindestsubstrattemperatur von 1 77°C angebracht worden ist. Nach der letzterwähnten Stufe braucht man

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den extrem niedrigen atmosphärischen Druck nicht um das Substrat aufrechtzuerhalten, während das Substrat auf Temperaturen abgekühlt wird, die niedriger liegen als 177°C, Das Substrat kann tatsächlich bei Drucken gekühlt werden, die so groß sind wie eine. Atmosphäre, d,h, ohne irgendein Vakuum, Dadurch wird natürlich das Kühlen des Substrats erleichtert, um, falls erwünscht, die Möglichkeit einer Wiederverdampfung des Beschichtungsmetalls vollständig zu verhindern, Ein zweiter oder endgültiger Überzug aus einem Schutzmetall kann bei Drucken von 10 Torr angebracht werden. Anstelle von Eisen können auch andere Metalle, wie beispielsweise Chromel (80% Ni und 20% Cr) Nickel, Mangan,Chrom und in einigen Fällen Aluminium verwendet werden, um eine erhöhte Adhäsion der Schutzmetallschicht sicherzustellen, Jedoch wird Eisen aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt verwendet ,

In einem Vakuum Verdampfte Metalle bilden relativ saubere Niederschläge auf Metallsubstraten, die in einem Atomdampfstrahl angeordnet sind« Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird ein solcher sauberer Metallfilm auf einem.Stahlsubstrat verdampft, wobei ein Metall gewählt wird, das am Stahlsubstrat anhaftet. Die Haftfestigkeit des Metallüberzuges ergibt sich aufgrund einer oxidischen Bindung oder wegen der relativ sauberen.Oberfläche, Eventuell wird der Überzug mit dem bindenden Film legiert, Eine Eisenbindeschicht hat sich als besonders -vorteilhaft erwiesen,

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Weiterhin haben sich Chromel A₁ Nickel, Mangan und Aluminium als vorteilhafte Bindeschichten auf Stahl zur Erzeugung, von haftfähigen Zinküberzügen erwiesen.

Eine bevorzugte Ausfuhrungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der beiliegenden schematischen Zeichnung im einzelnen erläutert.

Die Vorrichtung zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung eignet sich zur kontinuierlichen Behandlung eines dünnen Stahlstreifens mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt, beispielsweise einer geschwärzten Platte mit einer Abmessung- von 0,0-127 cm bis 0,0762 cm, die vorher gut gereinigt worden ist. Das Stahlband wird in einer Serie von aufeinanderfolgenden Kammern, die im allgemeinen bei 1O angegeben werden, behandelt. Der Stahlstreifen S wird von einer Spule abgewickelt und durch eine in geeigneter Weise abgedichtete Einführungskammer 11 durchgeführt, die auf einen Zwischendruck von beispielsweise 1O Torr evakuiert ist. Von dort rückt der Stahlstreifen in einer Vorheizkammer 12 vor, die mit IJeizspulen 1 3 oder mit anderen geeigneten Vorrichtungen ausgerüstet ist, um die Temperatur des Stahlstreifens auf mindestens

177°C und vorzugsweise höher zu erhöhen. Die Kammer 12 wird auf eine

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Druck von nicht mehr als 1O ^ Torr evakuiert. Eine geringe Menge an Luft wird in die Kammern 11 und 12 einströmen, jedoch können

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die angegebenen Drücke durch die bekannten Vakuumpumpen aufrechterhalten werden, da der Druck von einer "zur anderen Kammer in Stufen abnimmt.

Der Stahlstreifen geht dann durch die Kammer 14, die Eisen verdampfende Tiegel 15 enthält, über die Führungsrollen 15a, die so angeordnet sind, daß ein dünner Überzug aus Eisen auf beiden Seiten des StahlStreifens durch Dampfkondensation beim Vorüberführen über die Tiegel sukzessive aufgebracht wird. Der Druck in der Kammer 14 wird auf einem ¥ert gehalten,

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der nicht größer ist als 1O ^ Torr, Die Temperatur des Stahlstreifens sollte beim Überführen über die Tiegel nicht geringer sein als 177°C.

Die Tiegel oder ihr Inhalt können durch herkömmliche Vorrichtungen auf eine Temperatur erwärmt werden, die notwendig ist, um eine entsprechende Entwicklung von Eisendampf sicherzustellen, Ais Heizvorrichtung kann beispielsweise eine Eiektronenr strahlpistole verwendet werden, die so angeordnet wird, daß sie. durch einen Beschüß der Oberfläche des Metalls in dem Tiegel erhitzt«

Nach Verlassen der Kammer 14 läuft der Stahlstreifen durch eine Kammer 16, in der er durch Dampfkondensation mit einem Schutzmetall, wie beispielsweise Aluminium oder Zink, Kupfer, Zinn,Blei oder Kadmium überzogen wird. Diese Metalle werden aus

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Tiegeln 17, ähnlich wie die in Kammer 15 gezeigte Tiegel, verdampft. Wenn das S_chutzmetall aus Aluminium besteht, braucht die Temperatur des Streifens in der Kammer 16 nicht bis zu 177°C betragen, sondern kann auf einen beträchtlich niedrigerem Wert gehalten werden, beispielsweise auf 38°C, Dies kann durch eine hier nicht gezeigte Kühlvorrichtung erreicht werden. Auf diese Art und Weise werden gut haftfähige Überzüge hergestellt.

Die erwünschte Menge an Schutzmetall kann vollständig in der Kammer 16 angebracht werden oder teilweise in dieser Kammer und teilweise in einer ähnlichen Kammer 18, die von der Kammer 1 6 durch Zwischenkammern 1 9 und 19' und einer Kühlkammer 20 abgetrennt ist, die mit Kühltrommeln 21 versehen ist. Die Kammer 18 braucht nicht stark.evakuiert zu sein, obgleich eine Reduktion der atmosphärischen Drucke,das heißt auf.1O Mikron Quecksilber zu einer erleichterten "Verdampfung der Materialien aus den Tiegeln 22 führt. Die Kammer 20 kann bei irgendwelchen Drücken gehalten werden, und zwar bis zu vollem atmosphärischem Druck, um die Kühlung des Streifens zu erleichtern.

Wenn das Schutzmetall aus Zink,Kupfer,Zinn,Blei und/oder Kadmium besteht, braucht der in Kammer 16 angebrachte überzug vorzugsweise nur aus einem dünnen Überzug zu bestehen, der ausreicht, um die darunter liegende Eisenbeschichtung vor' atmosphärischer Oxidation zu schützen. Eine weitere und endgültige

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Schicht von Schutzmetall wird dann in der Kammer 18 nach Abkühlen des Streifens beim Durchgang durch die Kammer 20 angebracht. In der Kammer 16 jedoch muß die Streifentemperatur mindestens 177°C betragen und der Druck nicht höher sein als 1O -Torr, Ahnliche Bedingungen müssen auch in der Kammer 14 beim Beschichten mit Eisen aufrechterhalten werden, ganz abgesehen davon, welches Schutzmetall anschließend aufgebracht wird,

Nach der endgültigen Beschichtung in Kammer 18 wird der Streifen durch eine letzte Vakuumkammer 2 3 geführt und bei 24 aufgespult oder anderweitig entfernt. Ein endgültiger oder sekundärer Überzug eines Schutzmetalls kann in der Kammer

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bei Drucken bis zu 1O Torr aufgebracht werden. Dies erleichtert natürlich das Kühlen des Substrats, um eine mögliche WMerverdampfung des Beschichtungsmaterials zu verhindern.

Durch das einfache und leicht durchführbare Verfahren nach der Erfindung werden stark anhaftende Überzüge von Schutzmetallen auf einem Stahlstreifen in wirtschaftlicher Weise hergestellt.

Im Vakuum niedergeschlagene Zinküberzüge mit einer Dicke von 0,127 mm, die über im Vakuum niedergeschlagene Schichten eines jeden dieser Materialien hergestellt worden sind, zeigen

beim
eine hervorragende Haftfestigkeit/"Scotch"-Bandadhäsionstest,

während ein direkt auf einem Stahlsubstrat niedergeschlagenes

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Zink leicht abblättert«, Bei dem umgekehrten Wulst-Adhäsionstest (reverse bead adhesion test), bei dem vier 3 - 4 mm dicke Kanäle in den Versuchsproben gebildet werden, zwei Kanäle mit dem überzug auf der konkaven Oberfläche und zwei Kanäle
mit dem Überzug auf der konvexen Oberfläche, wobei sich die konkaven und konvexen Kanäle gegenseitig überschneiden und .überkreuzen, wurde kein Verlust und keine Brüche bei einem 0,127 mm dicken Zinküberzug beobachtet, ausgenommen bei
Überzügen, die auf Mangan aufgetragen wurden, J>ort entwickelnden sich bei den WulstübersehH:eidu_3igsH=^xnige Brüche, Zinküberzüge, die über bindende Filme von Eisen, Chromel A und Aluminium niedergeschlagen wurden, zeigten keine Brüche, wenn sie dem Taschentuch-Biegungstest unterworfen wurden, bei dem die beschichteten Proben in rechten Winkeln zweimal um 1 80° gefaltet wurden und die Beschichtung am Apex der Paltenüberschneidung mit "Scotch"-Band getestet wurde; ,

BAD ORiQfNAL 109820/1607

Claims

PATE NTAN W Ä LT E Dipl.-Ing. MARTI N LIC-J-Q2 1 3 7ß

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN Dr. R E I N H O L D SCHMIDT

8MONCHEN2.THERES.EN5TRASSE33 Dipl.-Wirtsch.-Ing. AXEL HANSMANN

DIpL-PhYs₁SEBASTIANHERRMANN

UNITED STATES STEEL CORPORATION

Pittsburgh ,Pennsylvanien München, den 30 ,Juni 1967

William Penn Place 525 Ihr Zeichen Unser Zeichen

V₁St₁A.

Patentanmeldung: Verfahren zum überziehen von Stahl

mit einer metallischen Schutzschicht,

Patentansprüche

1, Verfahren zum überziehen einer Stahlbasis mit einer Schutzmetallschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlbasis auf eine:· Temperatur von mindestens 1 77°C erhitzt wird, bei dieser Temperatur eine Metallschicht aus Eisen,Nickel, Mangan,Chrom und/oder Aluminium durch Kondensation des Dampfes davon in einem Gefäß, das auf einen Druck von nicht mehr als -|0~"^ Torr, evakuiert ist, aufgebracht wird und anschließend diese Schicht mit einem Schutzmetall überzogen wird.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 ■ Telifon. Ϊ92102 · Td.gramm-Adr.ne: Lipatli/München

Bankverbindungen ι Deuttche Bank AO, Filiale München, Dtp.-Kais· Viktaalianmarkt, Konto-Nr. 70/30638 Bayer, Vtrtlnibank MOnchtn, Zwelgit. Oskar-von-Millar-Rlng, Kto.-Nr. 882495 · PoitschedcKonto: Manchen Nr. 163397

Oppanouir BOroi PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

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2i Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmetallüberzug unter Temperatur- und Druckbedingungen aufgebracht wird, die den Bedingungen ähnlich sind, unter denen der ersterwähnte überzug aufgetragen wurde,

3, Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Basis erniedrigt wird und der Druck der Umgebung erhöht wird, besror der Schutzmetallüberzug angebracht wird, . '

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorläufiger Schutzmetallüberzug niedergescBägen wird, bevor die Temperatur erniedrigt und der Druck erhöht wird.

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