DE3800885C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf legiertes, verzinktes Stahlblech und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Legierte, verzinkte Stahlbleche übertreffen gewöhnliches verzinktes Stahlblech hinsichtlich einer fortlaufenden Bearbeitbarkeit durch Punktschweißen, der Haftung von galvanisch aufgetragenen Beschichtungsfilmen und des Korrosionswiderstandes. Sie werden daher in ausgedehntem Umfang in der Automobilindustrie und in weiten Bereichen anderer Industrien verwendet.

Es ist aus der US-PS 29 86 808 bekannt, einen Gegenstand aus Stahl mit einer Beschichtung zu versehen, die im wesentlichen aus einer einphasigen Eisen-Zink-Legierung besteht, bei der die Legierung von der Berührungsschicht zwischen der Legierung und dem aus Eisen bestehenden Grundkörper bis zur Oberfläche der Beschichtung im wesentlichen homogen und im Aussehen gleichförmig und glatt sein soll. Die Eisen-Zink- Legierung enthält 0,001 bis etwa 0,35% Aluminium. Der beschichtete Körper wird danach einer elektrischen Beheizung für eine Zeitdauer ausgesetzt, die es den Eisenmolekülen ermöglicht, zur äußeren Oberfläche der Beschichtung zu wandern. Das Verfahren gemäß dieser Druckschrift ergibt ein galvanisiertes Produkt, das für den Anstrich oder die Beschichtung mit verschiedenartigen Substanzen und für unterschiedliche Verformungen geeignet sein soll, ohne daß ein Abblättern der Zinkschutzschicht zu befürchten ist. Die Galvanisierung findet mittels eines fortlaufenden Heißtauchverfahrens statt.

Ähnliche Zwecke sollen mit einem Verfahren gemäß der US-PS 30 56 694 dadurch erreicht werden, daß ein galvanisiertes Eisenblech mit einer einheitlichen glatten, härtenden, galvanisierten Beschichtung versehen wird, die etwa 4 bis 30 Gew.-% Eisen enthält und für einen Farbanstrich geeignet ist. Das Verfahren besteht aus dem Eintauchen eines fortlaufenden erhitzten Eisenbleches in einem Zinkbad, das etwa 0,05 bis 0,2 Gew.-% Aluminium enthält, woraufhin das Band durch einen Ofen geführt und dabei auf eine Temperatur von zwischen 454 und 816°C für eine Zeitdauer zwischen 4 und 40 Sek. hindurchgeführt und anschließend abgekühlt wird. Dabei ist auch eine Erhitzung in einer oxidierenden Atmosphäre vorgesehen.

Ferner ist aus der US-PS 41 71 392 ein Verfahren zur Herstellung eines galvanisierten Stahlbandes bekannt, das auf einer Seite eine gleichförmige Oberflächenbeschichtung aus einer intermetallischen Zink-Eisen-Verbindung vorsieht, die mindestens 6% Eisen enthält und frei von metallischem Zink ist. Die andere Seite des Stahlbandes soll mit einer Beschichtung aus metallischem Zink versehen werden, die durch fortlaufendes Eintauchen des Stahlbandes in ein Heißtauch-Zinkbeschichtungsbad hergestellt wird. Dabei wird die Temperatur des Stahlbandes und des Beschichtungsbades innerhalb eines begrenzten Bereiches kontrolliert, um die Ausbildung einer außergewöhnlich dicken intermetallischen Zink-Eisen-Schicht während der Heißtauchbeschichtung zu verhindern, die einer guten Verformbarkeit der metallischen Zinkbeschichtung entgegenstehen würde. Dabei wird ferner die Dicke und Gleichmäßigkeit der Zinkbeschichtung so gesteuert, daß sie in die Beschichtung aus intermetallischen Zink-Eisen-Verbindungen innerhalb eines Bereiches von 10 bis 30 g/m² überführt wird, während das Beschichtungsgewicht im Bereich von 3 bis 6 g/m² variieren kann und die Beheizung des Stahlbandes schnell auf eine Spitzentemperatur zwischen etwa 482°C und 524°C innerhalb einer Zeitdauer von 3 bis 5 Sek. stattfindet, woraufhin das Stahlband bis unter den Schmelzpunkt der Zinkbeschichtung abgekühlt wird.

Aus der US-PS 46 76 999 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Bandstahl mittels Vakuumbedampfung bekannt. Dabei wird eine Einrichtung verwendet, die an der Einlaßseite eine Vakuumabdichtungsvorrichtung vor einer Vakuumbedampfungskammer hat, wobei an der Einlaßseite zwischen der Vakuumabdichtungsvorrichtung und einem Härteofen eine Kammer vorgesehen ist, in der inaktives Gas ersetzt wird. Eine auslaßseitige Vakuumabdichtungsvorrichtung ist an der Rückseite der Vakuumbedampfungskammer vorgesehen, wobei an der Auslaßseite eine Kammer zum Austausch inaktiven Gases zwischen der auslaßseitigen Vakuumabdichtungsvorrichtung und der Atmosphäre vorgesehen ist. Eine Vorrichtung für die Zirkulation inaktiven Gases bzw. für die Gasreinigung dient für den Umlauf eines aktiven Gases von den Vakuumkammern beider Vakuumabdichtungsvorrichtungen zu Kammern atmosphärischen Druckes beider Vakuumabdichtungsvorrichtungen und entfernt Wasser, Öl sowie Sauerstoff aus dem inaktiven Gas. Sauerstoff und Wasserstoff in dem inaktiven Gas werden so eingestellt, daß 60 ppm oder weniger an Sauerstoff und 0,2 bis 2,0% Wasserstoff vorliegen und der Taupunkt des inaktiven Gases bei -50°C oder weniger liegt. Ferner wird ein Druck P₁ in dem Härteofen, ein Druck P₂ in der einlaßseitigen Kammer zum Ersetzen des inaktiven Gases und ein Druck P₃ in der auslaßseitigen Kammer für den Ersatz inaktiven Gases bei atmosphärischem Druck oder einem darüberliegenden Druck gehalten. Ein Wert von P₁ minus P₂ kann bei 0 mm Wassersäule oder mehr gehalten werden, und die Wasserstoffkonzentration in der einlaßseitigen Kammer für den Ersatz inaktiven Gases wird bei 2,0° oder weniger gehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein legiertes, verzinktes Stahlblech so zu verbessern, daß es eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Neigung zum Abblättern und daher eine ausgezeichnete Bearbeitbarkeit aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft zur Herstellung dieses legierten, verzinkten Stahlblechs nach Patentanspruch 1 auch ein Verfahren, das durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gekennzeichnet ist. Eine zweckmäßige weitere Ausgestaltung des Verfahrens enthält Anspruch 3.

Die Bezeichnung "legierte Schicht" bedeutet eine Zn-Fe-Legierungsschicht, die im wesentlichen intermetallische Bindungen aufweist.

"Zellbildung" (cellulation) bedeutet, daß die legierte Schicht aus feinstverteilten, ausgewachsenen Körnern der intermetallischen Verbindungen von Fe-Zn (hauptsächlich δ₁- Phase) besteht, deren Größe 10⁴ bis 10⁵ Körner pro 1 mm² ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bedampfung in einer Atmosphäre durchgeführt, die 1,0 bis 30 ppm Sauerstoff enthält, um ein sehr fein verteiltes, extrem dünnes Oxid auf der Oberfläche des Stahlblechs vor der Zinkbedampfung zu erhalten. Eine derartige dünne Oxidschicht dient als Schutzschicht und verhindert eine örtliche Diffusion von Eisen und Zink während der legierenden Wärmebehandlung, wodurch in der legierten Eisen-Zink-Schicht feinste Zellen gebildet werden.

Aufgrund der Tatsache, daß die legierte Schicht feinstverteilte Zellen aufweist und infolgedessen die in der legierten Schicht bei der Behandlung hervorgerufene Spannung durch die Ränder oder Hohlräume zwischen den feinen Körnern weggenommen wird, wird das Abblättern der legierten Schicht weitestgehend verhindert.

Die Bedampfung und die Legierungsbehandlung an sich sind bekannte Techniken. Die Legierungsbehandlung kann mittels eines üblichen Wärmeofens durchgeführt werden, der z. B. in einer üblichen Heißdampfbeschichtungsanlage installiert ist oder mittels eines Einsatzofens.

Somit ist die Herstellung von legierten, verzinkten Stahlblechen mit Beschichtungsdicken im Bereich von dünn bis dick oder mit unterschiedlichen Dicken entweder einseitig bedampfter oder doppelseitig bedampfter Bleche möglich. Die legierten, verzinkten Stahlbleche können daher leicht hergestellt werden.

Die bevorzugte Temperatur des Stahlbandes unmittelbar vor der Bedampfung liegt zwischen 190°C und 280°C.

Die bevorzugte Temperatur für die Legierungsbehandlung beträgt 220°C bis 306°C.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Beschichtungsvorrichtung zum kontinuierlichen Bedampfen im Vakuum, die bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 2 und 3 Elektronenmikroskopbilder, welche die Struktur der legierten Schicht eines legierten, verzinkten Stahlblechs anhand eines Beispiels bzw. eines Vergleichsbeispiels zeigen.

Es sind bislang verschiedene Bauarten von Beschichtungsvorrichtungen zum kontinuierlichen Bedampfen im Vakuum vorgeschlagen worden. Ein Beispiel ist in Fig. 1 dargestellt. Eine derartige Einrichtung ist z., B. in Nisshin Giho (Nisshin Technical Report) Nr. 51 der Nisshin Steel Co., Ltd., vom 1. Dezember 1984 beschrieben. Die dort gezeigte Vorrichtung ist mit zwei Bedampfungskammern zum Durchführen des doppelseitigen Beschichtens versehen. Nur eine Kammer reicht für die einseitige Beschichtung aus.

Die Bedampfungsstrecke besteht aus einem Vorbehandlungsofen 2, einem Gasstromkühler 3, einer Druckkammer 4, ersten und zweiten Schleusenkammern 5 a, 5 b mit Dichtwalzen, einer ersten Bedampfkammer 6 a, einer zweiten Bedampfkammer 6 b, einer Kühlkammer 7, in der das beschichtete Stahlblech gekühlt wird, und einem nicht gezeigten Wärmeofen für die Legierung. In den Vakuumbedampfungskammern 6 a, 6 b sind Führungsrollen 8 a, 8 b und ein Zinkverdampfungsbad (nicht gezeigt) vorgesehen. Ein Stahlband 1 läuft durch diese Bedampfungsstrecke hindurch.

Der Vorbehandlungsofen 1 hat eine leicht oxidierende und/oder reduzierende Atmosphäres eines Umngebungsdrucks. Die Oberfläche des Stahlbandes wird gereinigt, wenn es durch den Ofen läuft.

Der Gasstromkühler 3 kühlt das vorbehandelte Stahlband auf die für die Bedampfung gewünschte Temperatur.

Die unter Druck stehende Kammer 4 verbindet das Umgebungsdrucksystem mit dem Vorbehandlungsofen 2, dem Gasstromkühler 3 usw. und das evakuierte System mit den Schleusenkammern 5 a, 5 b mit Dichtwalzen, den Bedampfungskammern 6 a, 6 b usw.

Die Schleusenkammer besteht aus mehreren Vakuumkammern, von denen jede mit einem Paar Dichtwalzen versehen und mit einem Evakuierungssystem verbunden ist sowie bis auf einen Druck von 0,013 · 10³ bis 0,13 · 10³ µbar (0,01 bis 0,1 Torr) in der Bedampfungskammer stufenweise evakuiert wird.

Die unter Druck setzbare Kammer 4 wird mit inertem Gas, wie Stickstoff, auf einen Druck gebracht, der geringfügig höher als der Druck des umgebenden Drucksystems ist, um das Eindringen von Luft oder von Luft und Wasserstoff zu verhindern, die eine Explosion in einer oder mehreren der Vakuumbedampfungskammern hervorrufen könnten.

Die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre, in der die Vakuumbedampfung durchgeführt wird, wird durch das Beimischen einer vorgeschriebenen Sauerstoffmenge in das in die Druckkammer einzuführende Inertgas, wie z. B. Stickstoff, geregelt.

Die Erfindung wird nun anhand von Arbeits- und Vergleichsbeispielen erläutert.

Eine fortlaufende Zinkbedampfung im Vakuum wurde unter Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt, die im wesentlichen in Fig. 1 unter den Bedingungen verwendet wurde, die in Tafel 1 aufgeführt sind. Die Gesamtlänge der Beschichtungsstrecke war 70 m. Die legierende Wärmebehandlung wurde unter Verwendung eines getrennten Einsatzofen durchgeführt.

Tafel 1
Verwendetes Stahlband:
unlegierter Kohlenstoffstahl von 0,6 mm Dicke und 300 mm Breite
Geschwindigkeit der Anlage:	15 m/min
Temperatur des Stahlblechs unmittelbar vor der Bedampfung:	190 bis 280°C
Temperatur des Zinkbades:	460 bis 470°C
Beschichtungsgewicht:	45 bis 50 g/m² pro Seite
Vakuum in der Bedampfungskammer:	0,013 · 10³ bis 0,13 · 10³ µbar (0,01 bis 0,1 Torr)
Legierungsbedingungen:	5 Stunden bei 280°C

Tafel 2

Der Widerstand gegenüber dem Abblättern wurde beurteilt nach dem Auftreten des Abblätterns, wenn die beschichtete Probe in einem Winkel von 180° mit einem Zwischenraum, der dem Sechsfachen der Dicke des Probestücks entspricht, gebogen und zurückgebogen wurde, wobei ein aus Cellophan bestehender Klebestreifen auf das Teil aufgebracht wurde, das gebogen und zurückgebogen sowie entfernt wurde. Das Auftreten des Abblätterns der aufgedampften Schicht wurde beobachtet.

Durch die Legierungsbehandlung bildete die aufgedampfte Schicht bis zur Oberfläche eine Legierung. Fig. 2 ist ein Elektronenmikroskopbild der Oberfläche des Produktes des Ausführungsbeispiels 3, und Fig. 3 ist ein Elektronenmikroskopbild des Erzeugnisses des Vergleichsbeispiels 2. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, sind isolierte Kristalle, d. h. Zellen, gut entwickelt, während in Fig. 3 die legierte Schicht glatter ist.

Claims (3)

1. Legiertes, verzinktes Stahlblech, dadurch gekennzeichnet, daß die legierte Schicht eine Feinstzellen-Oberflächentextur aufweist, deren Korngröße 10⁴ bis 10⁶ Teilchen pro mm² beträgt.

2. Verfahren zur Herstellung von legiertem, verzinktem Stahlblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumn-Zinkbedampfung des Stahlblechs in inerter Atmosphäre mit 1,0 bis 30 ppm O₂ und eine legierende thermische Nachbehandlung des bedampften Stahlblechs durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt der Bedampfungsatmosphäre im Vakuum bei 1,5 bis 15 ppm gehalten wird.