DE4443092C2 - Korrosionsbeständiger Metallwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Korrosionsbeständiger Metallwerkstoff und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein korrosionsbeständiges Metallmaterial,
insbesondere für Dachbeläge, Fassadenverkleidungen und andere
Baumaterialien. Ferner ist die Erfindung auf ein Verfahren zur
Herstellung eines korrosionsbeständigen Metallmaterials, insbe
sondere für Dachbeläge aus sonstigen Baumaterialien aus einem
Band aus rostfreiem Stahl gerichtet.
Insbesondere ist die Erfindung auf einen korrosionsbeständigen
rostfreien Stahl und hieraus bestehende Erzeugnisse sowie vor
allem auch auf Verfahren zur Erzeugung einer farbigen Schutz
oder Sperrschicht auf einem Bandmaterial aus rostfreiem Stahl in
kontinuierlicher Arbeitsweise gerichtet, wobei diese Schutz
bzw. Sperrschicht eine hohe Korrosionsbeständigkeit vor allem
auch in salzhaltiger Atmosphäre und eine dauerhafte Farbgebung
eines verwitterten ternebeschichteten Band- oder Blechmaterials
aufweist.
Die USA-Patentschriften 4 987 716 und 4 934 120 sowie die DE-OS 43 09 500
offenbaren metallene Dachbelagssysteme einer Ar von
der die Erfindung ausgeht. Diese Druckschriften werden daher zum
Offenbarungsinhalt der vorliegenden Erfindungsbeschreibung ge
macht.
Die Erfindung ist vor allem anwendbar zur Herstellung einer far
bigen Schutzsperre auf rostfreiem Stahl der Type 304 oder 316
zur Verwendung als Dachbelagwerkstoffe oder für andere Baumate
rialien und sie wird im folgenden insbesondere in diesem Zusam
menhang näher erläutert. Dabei handelt es sich bei den Stahlty
pen 304 und 316 um austenitische Stähle nach der Internationalen
Bezeichnung AISI, die nach ihrer Zusammensetzung etwa den nach
der DIN 17440 mit X 5 CR NI 18 9 bezeichneten, austenitischen
Stahlwerkstoffen entsprechen. Allerdings hat die Erfindung brei
tere Anwendungsmöglichkeiten und sie kann z. B. für unterschied
liche rostfreie Stähle und unterschiedliche Erzeugnisse in der
Form von Bändern, Blechen oder in anderer Gestaltungsform-Ver
wendung finden. Der hier verwendete Begriff "rostfreier Stahl"
schließt eine große Anzahl unterschiedlicher Legierungsmetalle
ein, die Chrom und Eisen enthalten. Die Legierung kann außerdem
Nickel, Kohlenstoff, Molybdän, Silizium, Mangan, Titan, Bor,
Kupfer, Aluminium, Stickstoff und weitere unterschiedliche Ele
mente und Verbindungen enthalten. Seit langer Zeit werden metal
lene Dachbelagssysteme mit unterschiedlichen Blechdicken verwen
det. Hierbei finden überwiegend Kohlenstoffstähle und auch rost
freie Stähle (Edelstähle) Verwendung. Die für Dachbelagsysteme
verwendeten Kohlenstoffstähle werden im allgemeinen mit einer
korrosionsbeständigen Beschichtung versehen, um sie gegenüber
rascher Oxydation des Eisens zu schützen. Eine solche korrosi
onsbeständige Beschichtung für Kohlenstoffstahl besteht z. B. aus
einer Zinnbeschichtung, wie sie in der Nahrungsmittelindustrie
zur Anwendung kommt. Die Zinnbeschichtung von Kohlenstoffstählen
wird üblicherweise in einem mit hoher Durchlaufgeschwindigkeit
arbeitenden kontinuierlichen Elektrolyseprozeß durchgeführt.
Hierbei dient der elektrische Strom zur Reduzierung der alkali
schen oder sauren Elektrolyte des Zinns, wodurch dieses zur Ab
lagerung auf dem Kohlenstoffstahl gebracht wird. Die Dicke
der Zinnbeschichtung liegt zwischen 3,8 × 10-4 mm und
20,7 × 10-4 mm. Die für das Galvanisieren der Kohlenstoffstähle
verwendeten Anlagen und Materialien sind sehr teuer und in der
Anwendung verhältnismäßig kompliziert. Außerdem wird hier nur
mit dünnen Zinnbeschichtungen gearbeitet, um die Kosten für das
teure Zinnmaterial niedrig zu halten.
Ein in der Praxis bei Kohlenstoffstählen weniger angewandtes
Verfahren ist das sogenannte Heißtauchverfahren. Auf die Anwen
dung dieses Verfahrens wird im allgemeinen verzichtet, weil sich
hierbei Fehlstellen in der gleichmäßigen Zinnbeschichtung erge
ben. Ein solches Material ist daher für die Verwendung als
Werkstoff für Nahrungsmittelbehälter weniger geeignet. Außerdem führt
das Heißtauchverfahren zu größeren Beschichtungsdicken, die zum
Abblättern der Beschichtung neigen. Da im übrigen Zinn ein kor
rosionsbeständiges Material ist, lassen sich mit ihm Werkstoffe,
die, wie Kohlenstoffstahl, stark korrosionsanfällig sind, be
schichten, um Erzeugnisse mit hoher Korrosionsfestigkeit zu er
halten.
Es sind in der Vergangenheit zahlreiche Metallegierungen, wie
vor allem rostfreie Stähle, entwickelt worden, die erhöhte Kor
rosionsbeständigkeit aufweisen. Rostfreier Stahl ist eine Legie
rung von Eisen und Chrom und kann Nickel und Molybdän sowie wei
tere Elemente in kleinen Anteilen enthalten. Das Chrom in der
Legierung des rostfreien Stahls ist im Hinblick auf den Korrosi
onsschutz eines der Hauptelemente. Es bildet Chromoxid und ist
in die Oberfläche des rostfreien Stahls dicht eingebunden, wo
durch es das Eindringen von Sauerstoff in den rostfreien Stahl
verhindert und damit die Bildung von korrodierendem Eisenoxid
unterdrückt. Kohlenstoffstahl weist, wenn überhaupt, so nur
einen kleinen Chromgehalt auf, so daß das Eisen von dem Sauer
stoff der Umgebung leicht unter Bildung von Eisenoxiden oxidiert
wird, was gleichbedeutend mit Korrosion ist. Obgleich rostfreier
Stahl im Vergleich zu herkömmlichem Kohlenstoffstahl sehr viel
langsamer korrodiert, unterliegt er unter Umständen ebenfalls
der Korrosion. Seine Korrosionsanfälligkeit ist deutlich größer
als diejenige eines zinnbeschichteten Kohlenstoffstahls. Vor
allem ist rostfreier Stahl korrosionsanfällig gegenüber Seewas
ser, da er durch die chlorhaltigen Salze stark angegriffen wird.
Die Beschichtung von rostfreiem Stahl mit Zinn-Legierungen im
Heißtauchverfahren führt zu besseren Ergebnissen. Eine weit ver
breitete Beschichtung von Kohlenstoffstahl und rostfreiem Stahl
ist die Beschichtung mit einer Zinn-Blei-Legierung, die in der
Praxis als Terne-Beschichtung bezeichnet wird. Die Zusammenset
zung der Terne-Legierung beträgt im allgemeinen etwa 80 Gew.-%
an Blei und etwa 20 Gew.-% an Zinn. Das Blei in der Terne-Legie
rung bindet sich leicht an den Kohlenstoffstahl bzw. den rost
freien Stahl und bildet auf diese Weise eine feste und dauer
hafte Beschichtung aus der Blei-Zinn-Legierung. Obgleich terne
beschichtete Metallbleche eine hervorragende Korrosionsbestän
digkeit aufweisen und in der Vergangenheit eine weite Verbrei
tung im Baubereich, z. B. für Dachbeläge u. dgl., gefunden haben,
stoßen die ternebeschichteten Materialien neuerdings aufgrund
des Bleigehalts in der Terne-Legierung auf hohe Umweltbedenken.
Obgleich das Blei in der Terne-Legierung stabilisiert ist, be
stehen, wenn auch unbegründet, Bedenken, daß das Blei aus der
Terne-Legierung ausgelaugt wird.
Die DE-OS 43 09 500 offenbart ein Verfahren zur erfolgreichen
Beschichtung von Materialien aus rostfreiem Stahl mit Zinn,
wobei die Beschichtung nur einen geringen Bleigehalt aufweist.
Die hierbei erzielten Beschichtungen sind deutlich dicker als
diejenigen, die sich bei dem galvanischen Verfahren ergeben. Ob
gleich die Zinnbeschichtung gegenüber rostfreiem Stahl in einer
marinen bzw. salzhaltigen Umgebung zu einer höheren Korrosions
beständigkeit führt, korrodiert das Zinn unter solchen Einflüs
sen mit einer deutlich erhöhten Geschwindigkeit, so daß es der
Forderung nach hoher Korrosionsfestigkeit unter diesen Einsatz
bedingungen nur ungenügend entspricht. Weltweit unterliegen die
in den Küstenregionen befindlichen Gebäude den salzhaltigen Um
weltbedingungen. Diese Regionen sind zumeist solche mit über
durchschnittlichen Regenfallmengen, wobei die salzhaltige Umge
bung sich aus dem nahegelegenen Seewasser ergibt. Die salzhal
tige Atmosphäre greift Metalle, wie Eisen und rostfreien Stahl,
leicht an und beschleunigt dadurch die Korrosionsgeschwindigkei
ten. Bauwerke in Nähe oder im Seewasser können unmittelbar vom
Seewasser angegriffen werden und unterliegen daher in erhöhtem
Maße der Korrosion. Es sind spezielle und teure Legierungen, wie
Nickel-Chrom- und Kupfer-Nickel-Legierungen entwickelt worden,
die in mariner bzw. salzhaltiger Umgebung verbesserte Korrosi
onseigenschaften aufweisen. Aufgrund der hohen Kosten dieser
Spezial-Legierungen werden diese aber als Dachbelagwerkstoffe
u. dgl. nicht verwendet. Außerdem muß bei Verwendung dieser ver
schiedenen Metallwerkstoffe für Baumaterialien eine dunkel-ver
witterte Oberfläche in Kauf genommen werden. Diese Farbgebung
der Flächen ergibt sich aus dem Umstand, daß sie der Atmosphäre
ausgesetzt sind. Selbst mit einem Schwefelgehalt läßt sich unter
den verschiedenen Einsatzbedingungen eine gleichmäßige Farbge
bung der Werkstoffe nicht immer sicher erreichen. Bei Verwendung
von rostfreiem Stahl hat man eine gezielte Farbgebung durch
elektrolytische Oxidation in Betracht gezogen, um die Lichtbre
chung durch Oxidation zu beeinflussen oder man hat mit Farbbe
schichtungen gearbeitet. Diese Verfahren sind teuer und auch
nicht immer erfolgreich. Bei den meisten Farbgebungsprozessen
ergeben sich oft Fehlflächen in der Farbfläche durch Fingerab
drücke u. dgl.
Aufgrund des Fehlens kostengünstiger Baumaterialien, die auch in
mariner oder salzhaltiger Umgebung hervorragende Korrosionsbe
ständigkeiten aufweisen und zugleich farblich ansprechend sind,
besteht vor allem seitens der Verbraucher im engeren oder nähe
ren Küstenbereich die Forderung nach Baumaterialien, die vor
allem unter den salzhaltigen bzw. marinen Umweltbedingungen eine
hervorragende Korrosionsbeständigkeit und, ohne zu untragbaren
Kosten zu führen, auch eine Farbgebung aufweisen.
Daher ist es vor allem Aufgabe der Erfindung, auf
der Basis von rostfreiem Stahl einen witterungsbeständigen Werk
stoff zu schaffen, der eine gefärbte Oberfläche von hoher Korro
sionsfestigkeit aufweist, insbesondere derart, daß an der frei
liegenden Fläche des mit dem Werkstoff hergestellten Erzeugnis
ses eine gefärbte Schutzsperre od. dgl. gebildet wird. Ferner
soll mit der Erfindung ein in dieser Hinsicht vorteilhaftes Ver
fahren geschaffen werden, das besonders wirtschaftlich durch
führbar ist.
Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß mit den in den
einzelnen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich vor allem witte
rungsbeständige Baumaterialien aus rostfreiem Stahl mit einer
Zinnbeschichtung herstellen, die mit einer Oxidationslösung
nachbehandelt wird, um auf diese Weise eine ausgeprägte Sperr
schicht von hervorragender Korrosionsbeständigkeit an der inter
metallischen Schicht des rostfreien Stahls zu bilden. Obgleich
der erfindungsgemäß in spezieller Weise behandelte rostfreie
Stahl hauptsächlich für Baumaterialien, wie vor allem Dachbelag
werkstoffe, Fassadenverkleidungen u. dgl. bestimmt ist, läßt sich
der so behandelte rostfreie Stahl für zahlreiche unterschied
liche Anwendungszwecke und in unterschiedlichen Anwendungen ver
wenden, und zwar vor allem als Blech- oder Bandmaterial oder
auch als Gußerzeugnis.
Nach einem wesentlichen und bevorzugten Merkmal dem Erfindung
wird ein Streifen oder Bandmaterial aus rostfreiem Stahl nach
dem Heißtauchverfahren, also durch Eintauchen in die heiße Zinn
schmelze mit einem haftenden Zinnüberzug von der gewünschten
Dicke versehen, wobei sich eine intermetallische Schicht, die
hauptsächlich aus einer Legierung von Chrom, Eisen und Zinn be
steht, zwischen dem rostfreien Stahl und dem Zinnüberzug ausbil
det. Mit einer Nachbehandlung mit Hilfe einer Oxydationslösung
kann der Zinnüberzug entfernt werden, um die intermetallische
Legierungsschicht freizulegen und damit eine ausgeprägte Sperr
verbindung zu bilden, von der angenommen wird, daß die Sperre
aus einer passivierten Legierungsschicht besteht. Diese Sperre zeigt
eine hervorragende Korrosionsfestigkeit. Für den rostfreien
Stahl kann mit Vorteil ein solcher der Type 304 oder 316 ver
wendet werden, also ein austenitischer Stahl, obwohl auch andere
Arten rostfreier Stähle verwendbar sind. Bei der bevorzugten
Verwendung von Blech oder Bandmaterial aus rostfreiem Stahl be
trägt dessen Dicke im allgemeinen nicht mehr als 0,76 mm, wobei
üblicherweise eine Dicke von etwa 0,38 mm vorgesehen wird. Die
Erfindung ist im übrigen bei rostfreiem Stahl jeder Form oder
Gestaltung anwendbar und insofern nicht auf Bleche oder Bandma
terial aus rostfreiem Stahl beschränkt. Die Verwendung eines
Bandmaterials aus rostfreiem Stahl ist im Hinblick auf die kon
tinuierliche Verfahrensführung vorteilhaft, da hier das Band
material abgerollt und kontinuierlich durch die verschiedenen
Behandlungsstufen hindurchgeführt werden kann, um die gefärbte
Sperrschicht an der Oberfläche des rostfreien Bandmaterials zu
bilden. Der rostfreie Stahl kann auch aus einem anderen Material
bestehen, welches sich nicht kontinuierlich von einer Rolle ab
wickeln läßt. Es kann von Baumaterialien und Bauteilen anderer
Art, wie z. B. von Pfeilern, Trägern, Stützen, Masten, Pfählen
u. dgl. gebildet werden. Alle diese Materialien werden üblicher
weise in Partien oder Chargen behandelt, um die genannte farbige
Schutz- bzw. Sperrschicht zu erhalten. Obgleich die Erfindung
sich auf die Bildung einer Chrom-Eisen-Zinn-Legierung durch Be
handlung des rostfreien Stahls mit Zinnbeschichtung bezieht,
schließt sie auch eine Arbeitsweise ein, bei der zunächst ein
Legierungsmaterial, enthaltend Chrom, Eisen und Zinn, welches
die gesteigerte Korrosionsbeständigkeit aufweist, hergestellt
wird. Das Legierungsmaterial kann mit einer Oxidationslösung
behandelt werden, um die Legierung zu passivieren und dadurch
die Korrosionsbeständigkeit der Legierung weiter zu erhöhen und
eine Farbgebung der Legierung zu bewirken.
Die Vorbehandlung des rostfreien Stahls umfaßt die Reinigung
seiner Oberfläche von Fremdstoffen und das anschließende inten
sive Beizen und/oder das chemische Aktivieren der Oberfläche des
rostfreien Stahls, bevor dieser dem Heißtauchverfahren in der
Zinnschmelze unterworfen wird. Die an der Oberfläche des rost
freien Stahls befindlichen Fremdstoffe umfassen Schmutzstoffe,
Öl, Papier, Leim und eine Reihe weiterer Stoffe. Der Fremdstoff
kann den Beiz- und/oder chemischen Aktivierungsprozeß, bei dem
Oxide von der Oberfläche des rostfreien Stahls entfernt werden,
behindern. Die Entfernung der Fremd- bzw. Schmutzstoffe kann da
durch bewirkt werden, daß die Oberfläche des rostfreien Stahls
einer Scheuer- oder Schleifbehandlung und/oder einer Absorpti
onsbehandlung unterworfen wird. Auch kann die Oberfläche des
rostfreien Stahls zur Entfernung der Fremdstoffe mit Reinigungs
mitteln oder Lösungsmitteln behandelt werden.
Die aggressive Beizbehandlung dient zur Entfernung der Oxide von
der Oberfläche des rostfreien Stahls. Diese Oxidentfernung emp
fiehlt sich, bevor sich die eigentliche intermetallische Schicht
zwischen der Zinnbeschichtung und der Oberfläche des rostfreien
Stahls ausbilden läßt. Rostfreier Stahl enthält hauptsächlich
Eisen und Chrom. Das Chrom an der Oberfläche des rostfreien
Stahls reagiert mit atmosphärischem Sauerstoff unter Bildung von
Chromoxid, welches eine nahezu undurchlässige Sperre zwischen
dem Eisen im rostfreien Stahl und dem atmosphärischen Sauerstoff
bildet. Das Chromoxid bildet einen sehr dichten und fest haften
den Film am rostfreien Stahl, der sich nicht leicht entfernen
läßt. Obgleich die Bildung des Chromoxidfilms im Hinblick- auf
die korrosionsbeständigen Eigenschaften des rostfreien Stahls
wichtig ist, kann der Chromoxidfilm die Ausbildung der interme
tallischen Schicht bei der Zinnbeschichtung beeinträchtigen. Die
intensive Beizbehandlung entfernt das Chromoxid von der Fläche
des rostfreien Stahls, so daß sich das im Heißtauchverfahren
aufgebrachte Zinn unter Ausbildung der intermetallischen Schicht
mit der oxidfreien Oberfläche des rostfreien Stahls vereinigen
läßt. Die Beizlösung kann unterschiedliche Säuren oder Kombina
tionen von Säuren enthalten, insbesondere Fluorwasserstoffsäure,
Schwefelsäure, Salpetersäure, Salzsäure, Phosporsäure und/oder
Bromsäure. Als Beizlösung zur Entfernung des Chromoxids vom
rostfreien Stahl kann mit Vorteil Salzsäure in Kombination mit
Salpetersäure verwendet werden. Hierbei enthält die Beizlösung
zweckmäßig etwa 5-25% Salzsäure und 1-15% Salpetersäure. Die
Verwendung einer sowohl Salzsäure als auch Salpetersäure
enthaltenden Beizlösung ermöglicht eine durchgreifende und
rasche Entfernung des Chromoxids vom rostfreien Stahl, ohne daß
sich an dessen Oberfläche nachteilige Einfressungen od. dgl. ein
stellen. Die Temperatur der Beizlösung ist im Hinblick auf deren
hochaktive Säurewirkung und das durchgreifende Entfernen des
Chromoxids von der Oberfläche des rostfreien Stahls von Bedeu
tung. Die Temperatur der Beizlösung sollte im allgemeinen zwi
schen 48,9° und 60,0° C liegen. Bei einer Beizlösung aus Salz-
Salpetersäure liegt deren Temperatur zweckmäßig in der Größen
ordnung von 26,6°C. Die Beizlösung kann während des intensiven
Beizprozesses bewegt bzw. umgerührt werden, um einen Stau und
eine Änderung ihrer Konzentration zu vermeiden und eventuell vorhandene
Gastaschen, die sich an der Oberfläche des rostfreien Stahls be
finden können, zu verteilen. Die Zeitdauer der Behandlung des
rostfreien Stahls mit der Beizlösung zur Entfernung des Chrom
oxids bei Vermeidung von Anfressungen der Oberfläche des rost
freien Stahls beträgt im allgemeinen weniger als eine Minute.
Nach erfolgter intensiver Beizbehandlung wird der rostfreie
Stahl zweckmäßig weiterbehandelt, um durch chemische Aktivierung
seiner Oberfläche nochmals Oxide zu entfernen. Die chemische Ak
tivierung des rostfreien Stahls umfaßt seine chemische Behand
lung mit einem Desoxidationsmittel, um an seiner Oberfläche ver
bliebene Oxide zu entfernen. Hierfür können unterschiedliche
Desoxidationslösungen, z. B. Zinkchlorid, verwendet werden. Das
Zinkchlorid wirkt sowohl als Desoxidationsmittel als auch als
Schutzüberzug auf dem rostfreien Stahl. Die Temperatur der Zink
chloridlösung liegt im allgemeinen im Bereich der Umgebungstem
peratur (15,5-32,2°C). Die Zinkchloridlösung wird zweckmäßig
gerührt, um eine gleichmäßige Lösungskonzentration zu gewährlei
sten. Zu der Desoxidationslösung können kleinere Mengen an Salz
säure beigesetzt werden, um die Oxidentfernung noch zu unter
stützen.
Nach einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäß vorgesehenen
Zinnbeschichtungsbehandlung wird die Oberfläche des rostfreien
Stahls in einer Umgebung mit niedrigem Sauerstoffgehalt gehal
ten, bis die Zinnbeschichtung auf den rostfreien Stahl aufge
bracht wird. Die Wahrung einer Umgebung mit niedrigem Sauer
stoffgehalt verhindert die Oxidbildung an der Fläche des rost
freien Stahls. Die Umgebung mit niedrigem Sauerstoffgehalt kann
in unterschiedlicher Weise erreicht werden, z. B. durch Verwen
dung eines Gases mit niedrigem Sauerstoffgehalt im Umgebungsbe
reich des rostfreien Stahles oder durch Eintauchen desselben in
eine flüssige Umgebungsphase mit geringem Sauerstoffgehalt. Bei
de Maßnahmen wirken als Schutzmaßnahmen gegen Oxidbildung.
Wird diese Umgebung mit Hilfe eines Gases bewirkt, so lassen
sich hierfür vor allem Stickstoff, Kohlenwasserstoffe, Wasser
stoff, Edelgase und/oder andere oxidfreie Gase verwenden. Im
allgemeinen bietet sich die Verwendung von Stickstoff an. Eine
flüssige Umgebung mit niedrigem Sauerstoffgehalt läßt sich vor
allem mit Hilfe von erhitztem Wasser mit entsprechend geringem
gelösten Sauerstoffgehalt erreichen, das auf die Oberflächen des
rostfreien Stahls aufgesprüht wird. Statt dessen kann der rost
freie Stahl aber auch in erhitztes Wasser getaucht werden. Die
Temperatur des erhitzten Wassers sollte im allgemeinen oberhalb
37,8°C und zweckmäßig bei 43,30 C oder darüber liegen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Zinnbeschichtung läßt sich
vorteilhaft mittels eines Verzinnungstanks vornehmen, mit dessen
Hilfe schmelzflüssiges Zinn auf die Oberseite des rostfreien
Stahls aufgebracht wird. Der Verzinnungstank weist zweckmäßig
einen Flußmittelbehälter auf, durch den hindurch der rostfreie
Stahl bzw. das aus diesem bestehende Stahlband in die Zinn
schmelze eingeführt wird. Der Flußmittelbehälter enthält einen
Zuschlag bzw. ein Flußmittel, dessen spezifisches Gewicht klei
ner ist als dasjenige der Zinnschmelze, so daß das Flußmittel
auf der Oberfläche der Zinnschmelze aufschwimmt. Das Flußmittel
bewirkt eine abschließende Oberflächenbehandlung am rostfreien
Stahl zur Entfernung eventuell noch verbliebener Oxide von dessen
Oberfläche. Es wirkt zugleich als Schutz der Stahloberfläche ge
genüber Sauerstoff, bis die Zinnbeschichtung aufgebracht ist.
Für das Flußmittel kann Zinkchlorid und Ammoniumchlorid verwen
det werden. Solche Flußmittellösungen enthalten etwa
30-60 Gew.-% Zinkchlorid und etwa 5-40 Gew.-% Ammoniumchlorid.
Es versteht sich aber, daß die Konzentrationen dieser beiden
Flußmittelbestandteile auch hiervon abweichend gewählt werden
können.
Nach dem Durchgang durch das Flußmittel gelangt das Band aus
rostfreiem Stahl in die Zinnschmelze, deren Temperatur zweckmä
ßig im Bereich von 301,6-343,°C am Boden des Zinnbehälters
gehalten wird und an der Oberseite des Zinnbehälters um mehr als
etwa 40°C kühler sein kann. Das Zinn muß zur Vermeidung einer
ungenügenden Zinnbeschichtung auf einer Temperatur oberhalb sei
nes Schmelzpunktes von 232°C gehalten werden. Vorzugsweise wird
mit einer Zinntemperatur von 310°C gearbeitet. Bei der Verzin
nungsbehandlung lagert sich die Zinnschmelze an der oxidfreien
Oberfläche des rostfreien Stahls an. An der Stelle der Anlage
rung bildet sich dabei eine intermetallische Schicht, die dazu
beiträgt, eine feste Bindung zwischen dem rostfreien Stahl und
dem Zinnüberzug zu bewirken. Es wird angenommen, daß die inter
metallische Schicht durch Zinnatome gebildet wird, die mit den
Chrom- und Eisenatomen im rostfreien Stahl molekularverknüpft
sind. Das Einwandern des Zinns in die Oberflächenschicht des
rostfreien Stahls bewirkt die Bildung der intermetallischen
Schicht, die somit ihrem Wesen nach Teil der Oberfläche des
rostfreien Stahls ist. Wenn der zinnbeschichtete rostfreie
Stahl die Zinnschmelze verläßt, wird das beschichtete rostfreie
Stahlband durch ein oder mehrere Walzenpaare von Beschichtungs
walzen hindurchgeführt, um eine gleichmäßige Dicke der Zinnbe
schichtung zu erhalten. Die Dicke der Zinnbeschichtung sollte
gering gehalten werden und weniger als 0,05 mm betragen. Selbst
verständlich lassen sich auch dickere Zinnüberzüge auf dem rost
freien Stahl aufbringen. Aus dem zinnbeschichteten rostfreien
Stahl lassen sich Baumaterialien u. dgl. von hervorragender
Korrosionsfestigkeit herstellen. Allerdings kann der zinnbe
schichtete rostfreie Stahl, wenn auch langsam, korrodieren, wenn
er einer chlorhaltigen Atmosphäre ausgesetzt ist.
Nach einem weiteren grundlegenden Erfindungsmerkmal wird der
zinnbeschichtete rostfreie Stahl mit Hilfe einer Oxidationslö
sung weiterbehandelt. Die Oxidationslösung reagiert mit dem
Zinnüberzug, wodurch dieser entfernt und die intermetallische
Schicht freigelegt wird, die mit der Säure unter Bildung einer
dünnen Sperrschicht reagiert, die von hoher Korrosionsfestig
keit, insbesondere in einer salzhaltigen Umgebung ist. Die Oxi
dationslösung kann darüber hinaus mit der intermetallischen
Schicht reagieren, wodurch diese eine Farbgebung erhält. Die
Oxidationslösung kann eine beliebige Anzahl saurer Lösungen,
neutraler oder alkalischer Lösungen enthalten. Vorzugsweise ent
hält sie Salpetersäure in einer Konzentration von 5-60 Gew.-% der Oxi
dationslösung. Außerdem kann die Oxidationslösung Kupfersulfat
enthalten, welches das Entfernen des Zinnüberzuges unterstützt.
Kupfersulfat kann in Mengen bis zu 10 Gew.-% der Oxidationslösung zu
gesetzt werden. Die Temperatur der Oxidationslösung liegt zweck
mäßig etwa zwischen 20° und 80°C. Die Zeitdauer zur Entfernung
des Zinnüberzuges und damit zur Freilegung der intermetallischen
Schicht läßt sich durch Erhöhung der Temperatur der Oxidations
lösung und/oder durch Erhöhung ihrer Konzentration verringern.
Im allgemeinen beträgt die Zeitdauer der Zinnentfernungsbehand
lung weniger als zwei Minuten. Wenn die intermetallische Schicht
freigelegt ist, kann das Metallband abgespült werden, um etwaige
an ihm verbliebene Oxidationslösung, die eine Schutzsperre über
der intermetallischen Schicht bildet, zu entfernen. Die Arbeits
weise, bei der die Zinnschicht von einem zinnbeschichteten
rostfreien Stahl entfernt wird, ist in der Technik neu, insbe
sondere im Lichte der Tatsache, daß die Zinnbeschichtung ur
sprünglich zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit von rost
freiem Stahl vorgesehen wurde.
Mit der Erfindung lassen sich witterungsbeständige
Erzeugnisse aus rostfreiem Stahl erzeugen, die eine eingefärbte
Oberfläche mit hoher Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Ferner
wird mit der Erfindung ein Verfahren angegeben, mit dem sich ei
ne farbliche Schutzsperre an der freiliegenden Außenfläche eines
Erzeugnisses aus rostfreiem Stahl herstellen läßt. Insbesondere
ermöglicht die Erfindung auch ein Verfahren zur Bildung einer
farblichen Schutzschicht an der Oberfläche eines Metallwerk
stoffs aus Chrom und Eisen-Legierung, wobei zunächst ein dünne
Zinnschicht, vorzugsweise im Heißtauchverfahren, aufgebracht
wird, die anschließend mit Hilfe einer Oxidationslösung durch
einen autokatalytisch gesteuerten Vorgang entfernt wird, um die
Schutzschicht aus Eisen-Zinn-Legierung freizulegen, wobei an
schließend die Schutzschicht eingefärbt und/oder passiviert wer
den kann.
Im Rahmen der Erfindung liegt eine Arbeitsweise, bei der Zinn
schmelze auf die oxidfreie Oberfläche von rostfreiem Stahl auf
gebracht wird, um auf diese eine intermetallische Schicht zu
bilden, die freigelegt und unter Bildung einer Schutzsperre be
handelt wird. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht außer
dem die Herstellung einer intermetallischen Schicht, die Chrom,
Eisen und Zinn enthält, an einem Erzeugnis, wobei diese interme
tallische Schicht eine eingefärbte Schutzschicht bildet, was
durch Entfernen von Überschußzinn und Passivieren der interme
tallischen Schicht bewirkt werden kann. Mit der Erfindung wird
ein Metallwerkstoff mit einer vorgefärbten Oberfläche geschaf
fen, wobei der Werkstoff sehr beständig ist und seine Oberfläche
ähnlich einer witterungsbeständigen Terne-Schicht aussieht, je
doch kein Blei enthält. Mit der Erfindung läßt sich im übrigen
ein hochkorrosionsfestes Material in einem wirtschaftlichen und
auch kontinuierlich durchzuführenden Verfahren herstellen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt eine komplette Anlage zur Herstellung
einer intermetallischen Oberflächenschicht auf einem
rostfreien Stahlband gem. der Erfindung;
Fig. 2 im Querschnitt ein zinnbeschichtetes Stahlband aus
rostfreiem Stahl mit hieran gebildeter
intermetallischer Schicht;
Fig. 3 das Stahlband aus rostfreiem Stahl ebenfalls im
Querschnitt, eingetaucht in eine Oxidationslösung.
Die Zeichnung zeigt bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin
dung, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre. Dabei ist
in Fig. 1 das gesamte kontinuierliche Verfahren nach der Erfin
dung zur Bildung einer intermetallischen Schicht an der Oberflä
che eines Stahlbandes aus rostfreiem Stahl dargestellt. Dieses
Stahlband 12 wird im laufenden Verfahren von einer Wickelrolle
10 des Stahlbandes abgewickelt und der erfindungsgemäßen Anlage
zugeführt. Das Stahlband kann aus einem rostfreien Stahl der Ty
pe 304 bestehen, der etwa 18% Chrom und etwa 8% Nickel enthält.
Statt dessen können aber auch Stahlbänder aus rostfreiem Stahl
anderer Stahlsorten verwendet werden. Die Dicke des Stahlbandes
12 aus dem Edelstahl bzw. rostfreien Stahl liegt bei etwa 0,38
mm, jedoch kann die Banddicke auch kleiner oder größer als die
ser Wert sein. Das Stahlband 12 wird zweckmäßig von der Rolle 10
mit einer Geschwindigkeit abgewickelt, die weniger als 45,7
m/min. beträgt und zweckmäßig zwischen 21,3 und 30,5 m/min.
liegt. Bandführungen 13 sind über die Gesamtanlage hinweg ver teilt, um das Stahlband 12 durch die verschiedenen Behandlungs zonen hindurchzuführen bzw. innerhalb der Behandlungszonen zu führen. Das von der Rolle 10 ablaufende Stahlband 12 gelangt zunächst zu einer Vorrichtung 14 zu seiner Schleif- oder Scheu erbehandlung. Diese Vorrichtung 14 besteht aus von einem Motor angetriebenen Drahtbürsten 16, die in Kontakt mit dem rostfreien Stahlband 12 an diesem anhaftende Fremd- bzw. Schmutzstoff ent fernen und die Chromoxid von der Oberfläche des Stahlbandes 12 mechanisch abtragen. Die Schleif- bzw. Scheuervorrichtung 14 wird zweckmäßig gegen das Stahlband 12 angedrückt, um die für seine Reinigung erforderliche Reibung zwischen den Bürsten 16 und dem Stahlband zu erreichen. Vorzugsweise ist sowohl an der Oberseite wie auch an der Unterseite des Stahlbandes 12 eine Vorrichtung 14 angeordnet, so daß das Stahlband 12 beidseitig mechanisch gereinigt wird. Die Scheuerbürste 16 besteht zweck mäßig aus einem Metallmaterial, dessen Härte größer ist als die jenige des rostfreien Stahlbandes 12, so daß die Scheuerbürste 16 Fremdstoffe vom Stahlband wirksam entfernen kann, ohne selbst hierbei zu schnell zu verschleißen. Vorzugsweise dreht sich die Schleif- oder Scheuerbürste 16, bezogen auf die Bewe gung des Stahlbandes 12, in Gegenrichtung, um eine besonders gründliche Scheuerbehandlung am Stahlband 12 zu erreichen.
liegt. Bandführungen 13 sind über die Gesamtanlage hinweg ver teilt, um das Stahlband 12 durch die verschiedenen Behandlungs zonen hindurchzuführen bzw. innerhalb der Behandlungszonen zu führen. Das von der Rolle 10 ablaufende Stahlband 12 gelangt zunächst zu einer Vorrichtung 14 zu seiner Schleif- oder Scheu erbehandlung. Diese Vorrichtung 14 besteht aus von einem Motor angetriebenen Drahtbürsten 16, die in Kontakt mit dem rostfreien Stahlband 12 an diesem anhaftende Fremd- bzw. Schmutzstoff ent fernen und die Chromoxid von der Oberfläche des Stahlbandes 12 mechanisch abtragen. Die Schleif- bzw. Scheuervorrichtung 14 wird zweckmäßig gegen das Stahlband 12 angedrückt, um die für seine Reinigung erforderliche Reibung zwischen den Bürsten 16 und dem Stahlband zu erreichen. Vorzugsweise ist sowohl an der Oberseite wie auch an der Unterseite des Stahlbandes 12 eine Vorrichtung 14 angeordnet, so daß das Stahlband 12 beidseitig mechanisch gereinigt wird. Die Scheuerbürste 16 besteht zweck mäßig aus einem Metallmaterial, dessen Härte größer ist als die jenige des rostfreien Stahlbandes 12, so daß die Scheuerbürste 16 Fremdstoffe vom Stahlband wirksam entfernen kann, ohne selbst hierbei zu schnell zu verschleißen. Vorzugsweise dreht sich die Schleif- oder Scheuerbürste 16, bezogen auf die Bewe gung des Stahlbandes 12, in Gegenrichtung, um eine besonders gründliche Scheuerbehandlung am Stahlband 12 zu erreichen.
In der Zeichnung nicht dargestellt ist, daß das Stahlband 12 vor
oder hinter der Vorrichtung 14 zur Schleif- oder Scheuerbehand
lung mit einem alkalischen Reiniger oder einem organischen Lö
sungsmittel behandelt werden kann, um an der Bandoberfläche be
findliche Fremdstoffe zu entfernen.
Nach Vorbeilauf an der Schleif- oder Scheuervorrichtung 14 wird
das Stahlband 12 zweckmäßig über eine Strecke 20 mit niedrigem
Sauerstoffgehalt geführt. Auf dieser Strecke 20 durchläuft das
Stahlband 12 eine Gaszone 22 mit geringem Sauerstoffgehalt. Vor
zugsweise arbeitet die Gaszone 22 im wesentlichen mit Stick
stoffgas. Das Stickstoffgas, welches das durchlaufende Stahlband
12 umgibt, wirkt als Sperre gegen den Sauerstoff der Atmosphäre
und verhindert, daß der Sauerstoff mit dem Chrom und Eisen im
Stahlband 12 reagieren kann.
Nach Durchlauf durch die im wesentlichen sauerstofffreie Gaszone
20 gelangt das Stahlband 12 in einen Beiztank 30. Dieser weist
im allgemeinen eine Länge von etwa 7,6 m und eine solche Tiefe
auf, daß das Stahlband 12 vollständig in die Beizlösung 32 ein
taucht. Die Beizlösung 32 besteht vorzugsweise aus einer Salz
säure-Salpetersäure-Lösung. Vorzugsweise hat diese Lösung im
Beiztank 32 einen Gehalt von etwa 10 Gew.-% Salzsäure und
3 Gew.-% Salpetersäure. Die Beizlösung 32 wird zweckmäßig auf
eine Temperatur zwischen 53° und 56°C gehalten, so daß sich die
Beizlösung 32 in einem für die Entfernung von Chromoxid von der
Oberfläche des Stahlbandes 12 hochreaktiven Zustand befindet.
Der Beiztank 30 weist vorzugsweise mindestens einen Rührer 34
auf, um die Beizlösung 32 in Umlauf und Bewegung zu halten und
damit eine gleichmäßige Konzentration der Lösung und eine
gleichmäßige Lösungstemperatur sicherzustellen und um außerdem eventuell
am Band 12 befindliche Gastaschen auf zubrechen. Oberhalb
des Beiztanks 30 ist vorzugsweise ein Abzug 36 für die Beizlö
sung vorgesehen. Der Abzug 36 sammelt und entfernt die aus dem
Beiztank 30 entweichenden Säuredämpfe und andere Gase. Das Band
material 12 gelangt hinter dem Ausgang des Beiztanks 30 zweck
mäßig in einen Umgebungsbereich 20 mit einem Gas mit niedrigem
Sauerstoffgehalt.
Die am Band 12 verbliebene Beizlösung 32 wird hinter dem Beiz
tank 30 in einem Spültank 40 entfernt. Dieser enthält eine Spül
lösung 42, wofür vorzugsweise Wasser verwendet wird. Das Wasser
im Spültank 40 ist vom Sauerstoff befreit, was durch Erhitzen
des Wassers auf eine Temperatur oberhalb von 37,8°C und vor
zugsweise auf etwa 43,3°C erfolgt. Aufgrund der geringfügigen
Säureeigenschaften der Spüllösung 42 kann diese auch noch eventuell
an der Oberfläche des Bandmaterials 12 noch verbliebene
kleine Mengen an Oxiden entfernen. Die Spüllösung 32 wird zweck
mäßig ebenfalls gerührt oder in Bewegung versetzt, um das Abspü
len der Beizlösung 32 vom Bandmaterial 12 zu verbessern.
Das den Spültank 40 verlassende Bandmaterial 12 aus dem rost
freien Stahl durchläuft vorzugsweise eine Zone 50 einer Flüssig
keit mit niedrigem Sauerstoffgehalt. Diese Zone 50 weist min
destens eine Sprühdüse 52 auf, die die Flüssigkeit mit dem nied
rigen Sauerstoffgehalt auf die Oberfläche des Bandmaterials 12
versprüht und damit verhindert, daß Sauerstoff mit dem Chrom
und/oder dem Eisen an der Oberfläche des Bandmaterials 12 rea
gieren kann.
Außerdem kann die Flüssigkeit 56 noch vorhandene Reste an Beizlö
sung 32, die nach dem Spülvorgang im Spültank 40 noch verblieben
sind, entfernen. Für die Flüssigkeit 56 mit niedrigem Sauer
stoffgehalt wird zweckmäßig erhitztes Wasser mit einer Tempera
tur von etwa 43°C verwendet.
Das die Zone 50 verlassende Bandmaterial 12 aus dem rostfreien
Stahl wird vorzugsweise einem chemischen Aktivierungstank 60 zu
geführt, der eine chemische Aktivierungslösung 62 enthält, die
zusätzlich an der Oberfläche des Bandmaterials 12 noch
verbliebene Oxide entfernt. Für die chemische Aktivierungslösung
62 wird vorzugsweise eine Zinkchloridlösung verwendet, deren
Temperatur auf einen Wert von 26,5-32,5°C gehalten wird. Das
im chemischen Aktivierungstank 60 enthaltene Zinkchlorid ent
fernt nicht nur am Bandmaterial 12 noch enthaltene Oxide, son
dern bewirkt zugleich die Ausbildung einer Schutzschicht am
Bandmaterial 12, welche die Oxidbildung am Bandmaterial bis zu
dessen Eintritt in einen nachgeschalteten Verzinnungstank 70
verhindert. Auch der chemische Aktivierungstank 60 kann ein
Rührwerk aufweisen, um die Oxidentfernung zu unterstützen und
die Stagnation der Lösung 62 zu verhindern.
Bevor das Bandmaterial 12 mit der Zinnschmelze 76 beschichtet wird,
gelangt es in einen im Verzinnungstank 70 angeordneten Flußmit
telbehälter 72, der ein Flußmittel 74 mit einem spezifischen Ge
wicht enthält, das kleiner ist als dasjenige der Zinnschmelze
76. Das Flußmittel 74 besteht vorzugsweise aus einer Zinkchlo
rid- und Ammoniumchloridlösung, zweckmäßig mit etwa 50 Gew.-% Zink
chlorid und etwa 8 Gew.-% Ammoniumchlorid. Das Flußmittel 74 entfernt
eventuell noch an der Oberfläche des Bandmaterials 12 verbliebene
Oxide. Das den Flußmittelbehälter 72 verlassende Bandmaterial 12
gelangt dann in die Zinnschmelze 76. Diese wird im Verzinnungs
tank 70 auf einer Temperatur oberhalb 232°C, vorzugsweise um
310°C gehalten. Vorzugsweise ist der Verzinnungstank 70 durch
eine Palmölsperre 80 in zwei Kammern unterteilt, die verhindert,
daß sich Palmöl 78 über die gesamte Oberfläche des schmelzflüs
sigen Zinnbades 76 im Verzinnungstank 70 ausbreiten kann. Die
Zinnschmelze 76 enthält hauptsächlich Zinn, kann jedoch in klei
nen Anteilen noch andere Metalle, wie z. B. Zink, Eisen, Kupfer
u. dgl. enthalten. Der Zinngehalt ist vorzugsweise höher als
95 Gew.-%. Der Bleigehalt der Zinnschmelze 76 liegt unter
0,1 Gew.-% und vorzugsweise unter 0,01 Gew.-%. Beim Durchgang
des Bandmaterials 12 durch die Zinnschmelze 76 kommt es zu einem
Eindringen der Zinnatome und/oder zu einer Reaktion derselben
mit der oxidfreien Oberfläche des Bandmaterials unter Bildung
einer sehr dünnen intermetallischen Schicht 142 zwischen dem
Zinnüberzug 140 und dem eigentlichen Teil aus rostfreiem Stahl,
wie dies in Fig. 2 im Querschnitt durch das Bandmaterial 12 ge
zeigt ist. Die genaue Zusammensetzung bzw. Beschaffenheit der
intermetallischen Schicht ist nicht sicher bestimmbar. Es wird
angenommen, daß sie aus einer Legierung auf Molekularbasis be
steht, die hauptsächlich Chrom, Eisen und Zinn (Cr-Fe-Sn) ent
hält. Auch kann die intermetallische Schicht 142 ggf. Nickel und
in kleinen Anteilen weitere Elemente oder Verbindungen enthal
ten. Die intermetallische Schicht 142 läßt sich als Übergangs
schicht zwischen dem Körper 146 und der Zinnbeschichtung 140
vorstellen. Sie kann auch noch Wasserstoff, Stickstoff und
Sauerstoff enthalten, obwohl ihre genaue Formulierung bisher
nicht bekannt ist. Es wird davon ausgegangen, daß die Bildung
der intermetallischen Schicht 142 maßgeblich ist für die feste
Bindung zwischen dem Zinnüberzug 140 und dem rostfreien Stahl
des Bandmaterials 12.
Bevor das Bandmaterial 12 den Verzinnungstank 70 verläßt, ge
langt es zwischen mindestens einen Walzensatz an Beschichtungs
walzen 82, mit deren Hilfe die gewünschte Dicke der Zinnbe
schichtung auf dem Bandmaterial 12 gewährleistet werden kann.
Die Dicke der Zinnbeschichtung auf dem Bandmaterial 12 beträgt
vorzugsweise weniger als 0,5 mm; sie liegt zweckmäßig bei etwa
0,02 mm.
Das Palmöl 78 befindet sich vorzugsweise in Nähe der Beschich
tungswalzen 82. Es schwimmt auf der Oberfläche der Zinnschmelze
76 auf und verhindert ein Erstarren und eine Oxidation des
Zinns. Außerdem trägt es zur Verteilung des Zinns auf dem Band
material 12 aus rostfreiem Stahl bei.
Es besteht die Möglichkeit, Metallbeschichtungsdüsen vorzusehen,
die Zinnschmelze gegen die Außenfläche der Beschichtungswalze 82
versprühen, wenn das Bandmaterial über die Beschichtungswalze 82
hinweggeführt wird, wodurch kleine Oberflächenbereiche
des Bandmaterials 12, die im Verzinnungstank 70 eventuell nicht mit der
Zinnschmelze 76 beschichtet worden sind, ausgefüllt bzw. besei
tigt werden.
Beim Austritt des Bandmaterials 12 aus dem Verzinnungstank 70
wird der Zinnüberzug mit Hilfe von Kühlwasser 96 gekühlt, das
mittels mindestens einer Kühlwasser-Düsensprühvorrichtung 92
versprüht wird. Statt dessen oder zusätzlich hierzu kann das
Bandmaterial aber auch durch einen nichtdargestellten Kühltank
hindurchgeführt werden. Das Kühlwasser 76 wird zweckmäßig auf
Umgebungstemperatur gehalten. Wie erwähnt, ist der mit dem Zinn
überzug versehene rostfreie Stahl in Fig. 2 mit der Zinnbe
schichtung 140 auf dem Bandmaterial 12 gezeigt, wobei die inter
metallische Legierungsschicht 142 auf der Oberfläche des rost
freien Stahls 146 dargestellt ist.
Nach dem Abkühlen des Zinnüberzug gelangt das Bandmaterial 12 in
einen Oxidationstank 100. Dieser enthält eine Oxidationslösung
102, die den Zinnüberzug 140 vom Bandmaterial 12 entfernt und
damit die intermetallische Schicht 142 freilegt, wie dies in
Fig. 3 gezeigt ist. Von der Oxidationslösung 102 wird angenom
men, daß sie mit der intermetallischen Schicht 142 reagiert und
dadurch im oberen Bereich der Legierung 142 eine Sperre. 148 bil
det. Wie Versuche ergeben haben, wird durch diese Sperre 148
eine beträchtlich verbesserte Schutzwirkung des Bandmaterials
aus rostfreiem Stahl bewirkt. Die Oxidationslösung 102 kann au
ßerdem zu einer Einfärbung der intermetallischen Schicht 142
führen. Vorzugsweise wird für die Oxidationslösung 102 eine Sal
petersäurelösung verwendet. Dabei kann die Konzentration der
Salpetersäure im Bereich von 5-60 Gew.-% liegen, vorzugsweise
bei etwa 20 Gew.-%. Durch Erhöhung der Konzentration an Salpe
tersäure läßt sich die Zeit für die Entfernung des Zinnüberzugs
140 herabsetzen. Im allgemeinen beträgt die Zeitdauer für die
Entfernung des Zinnüberzuges 140 weniger als zwei Minuten. Der
Salpetersäure kann Kupfersulfat zugesetzt werden, um die Ge
schwindigkeit der Entfernung des Zinnüberzugs 140 zu erhöhen.
Falls vorhanden, wird Kupfersulfat zweckmäßig in einer Konzen
tration von weniger als 10 Gew.-% der Oxidationslösung 102 zuge
setzt, vorzugsweise in einer Konzentration von 1 Gew.-%. Die
Temperatur der Oxidationslösung 102 sollte auf einem Temperatur
wert gehalten werden, bei dem die Oxidationslösung 102 ausrei
chende Aktivität entfalten kann. Vorzugsweise wird die Tempera
tur auf einem Wert zwischen 30° und 80°C gehalten, zweckmäßig
auf einen Wert um 50°C. Durch Temperaturerhöhung läßt sich eine
Erhöhung der Aktivität der Oxidationslösung 102 und damit eine
Verkürzung der für die Entfernung des Zinnüberzugs 140 vom Band
material 12 erforderlichen Zeitdauer erreichen. Auch der Oxida
tionstank 100 kann mit einem Rührwerk versehen sein, um den
Ruhezustand der Oxidationslösung 102 zu verhindern und/oder aus
geprägte Konzentrationsunterschiede der Oxidationslösung 102 im
Tank 101 zu vermeiden, wobei mit dem Rührwerk auch die Bildung
von Gasblasen an der Oberfläche des Bandmaterials 12 unterdrückt
werden kann.
Nach dem Durchgang des Bandmaterials 12 durch den Oxidationstank
100 gelangt das Bandmaterial in einen Spültank 110.
Dieser enthält eine Flüssigkeit 112, die etwaige noch am Bandma
terial 12 verbliebene Oxidationslösung 102 entfernt. Vorzugs
weise besteht die Flüssigkeit 112 aus Wasser von Raumtemperatur.
Auch der Spültank 110 kann ein Rührwerk enthalten, um das Ent
fernen der Oxidationslösung 102 vom Bandmaterial 12 zu verbes
sern. Obgleich es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann das
Bandmaterial 12 statt durch Behandlung im Spültank 10 auch durch
Abspülen mittels Sprühdüsen von der Oxidationslösung 102 gerei
nigt werden, wobei die Sprühdüsen die Flüssigkeit 112 gegen das
Bandmaterial 12 ausspritzen. Diese Sprühdüsen können vergleich
bar den Sprühdüsen 92 ausgeführt sein.
Nach Verlassen des Spültanks 110 wird das Bandmaterial zweckmä
ßig einem Richtvorgang unterworfen, was in der Zeichnung nicht
gezeigt ist. Diese Richtvorrichtung weist vorzugsweise mehrere
(17) Richtwalzen auf, mit deren Hilfe eine gleichmäßige und
glatte Oberfläche am Bandmaterial 12 erzeugt wird. Nach Verlas
sen der Richteinrichtung wird das Bandmaterial 12 mittels einer
Schere 120 in die gewünschten Längenabschnitte geschnitten.
Die Sperrschicht 148 an der intermetallischen Schicht 142 des
Bandmaterials 12 hat sich als überraschend korrosionsfest her
ausgestellt, insbesondere in salzhaltiger Umgebung. Ohne Bindung
an eine Theorie im Bezug auf diese Erscheinung ist anzunehmen,
daß die spezielle Legierungsstruktur von Cr-Fe-Sn in der Schicht
142 und ihre Reaktion auf die oxidierende Lösung 102 zur Bildung
einer Verbindung führt, die so stabil ist, daß sie der Reaktion
mit Ionen in einer Salzlösung widersteht. Nickel kann ebenfalls
Bestandteil der intermetallischen Schicht 142 sein, insbesondere
bei rostfreiem Stahl, der Nickel enthält. Weitere Elemente, wie
Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff können ebenfalls in der
Sperre 148 zur Förderung der Stabilität der Zwischenschicht der
oberen Sperre vorhanden sein, die von mikroskopischer Dicke zu
sein scheint. Während der oxidierenden und/oder spülenden Be
handlung kann die ausgeprägte intermetallische Schicht 142 mit
dem in der Umgebung verfügbaren Sauerstoff unter Bildung der
korrosionsbeständigen Sperre 148 und unter Farbgebung der inter
metallischen Schicht 142 oxidieren. Es ist anzunehmen, daß für
die überraschend gute Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in
salzhaltiger Umgebung, die Kombination des speziellen Aufbaus
der intermetallischen Schicht mit der Oxidschutzschicht bzw. der
Sperre 148 maßgebend ist. Es konnte festgestellt werden, daß die
intermetallische Sperrschicht 148 nicht nur korrosionsbeständig
ist, sondern daß auch die intermetallische Schicht 142 mit ihrer
oberen Sperre 148 dehn- bzw. streckbar ist und folglich nicht
zur Rissigkeit neigt, wenn sie in verschiedene Gestaltungsfor
men für Dachbelagmaterialien od. dgl. ausgeformt wird. Die Sperre
148 kann mit der oxidierenden Lösung 102 so gefärbt werden, daß
sie eine dunkelgraue oder erdfarben-graue, nichtreflektierende
Oberfläche bildet. Diese nichtreflektierende Oberfläche ist vor
allem für die Verwendung ans Gebäuden vorteilhaft, die sich in
Flughafennähe befinden. Das Fehlen von Blei in der intermetal
lischen Schicht 142 und dem Sperre 148 ermöglicht es, die terne
beschichteten Werkstoffe durch den erfindungsgemäßen Werkstoff
bzw. das Band 12 mit überlegenen Eigenschaften zu ersetzen. Da
bei ist nicht nur die Korrosionsbeständigkeit der intermetalli
schen Schicht 142 und der Sperre 148 vor allem auch in salzhal
tiger Umgebung größer als diejenige der Terne-Beschichtungen,
sondern das Fehlen von Blei in der intermetallischen Schicht 142
beseitigt auch die mit der Verwendung von bleihaltigen Materia
lien verbundenen Probleme. Außerdem hat sich die intermetalli
sche Schicht 142 mit der Sperre 148 als kratz- und reißfest ge
zeigt, wodurch auch die visuelle Qualität des Bandmaterials 12
verbessert und seine Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigung
erhöht wird.
Das nachfolgende Beispiel gibt die verbesserte Korrosionsfestig
keit des Bandmaterials 12 mit der Sperre 148 in salzhaltiger Um
gebung wieder. Dabei wurde rostfreier Stahl der Type 304 aggres
siv gebeizt, chemisch aktiviert und mit einem Zinnüberzug von
0,02 mm Dicke beschichtet. Der beschichtete rostfreie Stahl
wurde dann mit einer Oxidationslösung, enthaltend 20 Gew.-%
Salpetersäure und 1 Gew.-% Kupfersulfat, behandelt. Die Tempera
tur der Oxidationssäure betrug 50°C und die Zeitdauer der Be
handlung zur Freilegung der intermetallischen Schicht etwa 20
Sekunden. Die freigelegte Schicht hatte eine dunkelgraue bzw.
erdgraue Färbung, ähnlich der Farbe von verwittertem ternebe
schichtetem rostfreien Stahl in einer Schwefelatmosphäre. Der so
behandelte rostfreie Stahl wurde dann einem Vergleich mit rost
freiem Stahl der Type 316 und einem ternebeschichteten
(80 Gew.-% Blei, 20 Gew.-% Zinn) rostfreien Stahl der Type 304
unterzogen, um die jeweilige Korrosionsfestigkeit in einer
salzhaltigen Umgebung mit 5 Gew.-% Chlor zu bestimmen. Dabei
wurden folgende Ergebnisse erzielt:
Tabelle 1
Aus Tabelle 1 ergibt sich, daß der rostfreie Stahl mit interme
tallischer Schicht 142 und Schutzsperre 148 nach der vorliegen
den Erfindung gegenüber einem Standard-Edelstahl der Type 316
und einem ternebeschichteten rostfreien Stahl erheblich verbes
serte Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Es hat sich gezeigt, daß eine Oxidationslösung von nur 20 Gew.-%
Salpetersäure ausreicht, um zur Freilegung der intermetallischen
Schicht 142 den Zinnüberzug 140 zu entfernen. Die Salpetersäure
kann ferner die intermetallische Schicht 142 zu einer dunkel
grauen bzw. zu einer erdgrauen Färbung in etwa 20 Sekunden pas
sivieren. Diese Oxidationsbehandlung über die Zeitdauer von 20
Sekunden entfernt den Zinnüberzug 140 auf der intermetallischen
Schicht 142, jedoch nicht die intermetallische Schicht 142
selbst. Unregelmäßigkeiten in der Dicke der Zinnbeschichtung
werden daher durch die autokatalytische Steuerung des Zinnent
fernungsprozesses kompensiert. Die Farbe der intermetallischen
Schicht 142 ist ähnlich derjenigen eines verwitterten ternebe
schichteten Stahls. Darüber hinaus enthält die Schicht 142 kein
Blei, mit Ausnahme möglicher Spurenmengen. Wie erwähnt, ist an
zunehmen, daß die intermetallische Schicht eine Eisen-, Chrom-
und Zinnlegierung darstellt. Demgemäß lassen sich beliebige Ei
sen-Legierungen mit Chrom behandeln, um die intermetallische
Schicht 142 bei Beschichtung mit heißem Zinn zu bilden, wobei
die Zinnbeschichtung entweder durch das beschriebene Heißtauch
verfahren, durch einen Luftrakelprozeß (Rakelstreichverfahren)
oder im Ofenerhitzungsprozeß erfolgen kann, bei dem elektroly
tisch abgelagerter Zinn aufgeschmolzen und im schmelzflüssigen
Zustand zum Fluß über die Oberfläche des rostfreien Stahls ge
bracht wird. Die sich dabei bildende intermetallische Schicht
142 ist nach Entfernung des Zinns mit Hilfe der Oxidationslösung
eine hochkorrosionsbeständige Sperrschicht. Die Oxidationslösung
102 passiviert die Schicht 142 unter Bildung der Sperre 148 und
bewirkt außerdem die Farbgebung der Sperre 148.
Fingerabdrücke führen nicht zu einer Entfärbung der Oberfläche
der Sperrschicht 148. Es hat sich gezeigt, daß eine bessere
Gleichmäßigkeit der Farbgebung erhalten wird, wenn der Zinnüber
zug 140 mit einem Lösungsmittel oder einer alkalischen Lösung
entfettet wird, bevor er der Einwirkung der Oxidationslösung 102
unterworfen wird. Das Entfetten hat aber keine Einwirkung auf
den Prozeßablauf. Die Entfernung des Zinnüberzugs 140 findet au
tomatisch an der intermetallischen Schicht 142 ihr Ende, die
dann zur Bildung der Sperre 140 und einer gleichmäßigen Farbge
bung passiviert wird. Kupfersulfat ist ein möglicher Zusatz zu
der Salpetersäure. Bei einer Oxidationslösung 102 fällt Zinn
nitrat an, aus dem nachträglich das Zinn zurückgewonnen werden
kann. Die Dicke des Zinnüberzugs 140 ist ohne Einfluß auf die
Korrosionsbeständigkeit des fertigen Werkstoffes solange das
Zinn zur Bildung der intermetallischen Schicht 142 an der Ober
fläche des rostfreien Stahls zu dem Schmelzzustand erhitzt wird.
Da Zinn teuer ist, sind dünnere Zinnüberzüge wünschenswert.
Die Erfindung schließt die Beschichtung von rostfreiem Stahl mit
heißem Zinn und daran anschließend die Entfernung des Überschuß
zinns ein, um lediglich die intermetallische Schicht 142 an der
Oberfläche des rostfreien Stahls freizulegen.
Claims (40)
1. Korrosionsbeständiges Metallmaterial, insbesondere für Dach
beläge und sonstige Baumaterialien, auf der Basis von rost
freiem Stahl, dadurch gekennzeichnet,
daß der rostfreie Stahl mit einer durch seine Zinnbe
schichtung (140) gebildeten korrosionsbeständigen interme
tallischen Oberflächenschicht (142) versehen ist.
2. Metallmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die intermetallische Schicht (142)
aus einer Legierung, enthaltend Chrom, Eisen und Zinn, be
steht.
3. Metallmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die intermetallische Schicht
(142) Nickel enthält.
4. Metallmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Zinnbe
schichtung (140) mittels einer Oxidationslösung zur
Freilegung der intermetallischen Schicht entfernt ist.
5. Metallmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Zinnbe
schichtung (140) folgende Bestandteile (in Gew.-%) enthält.
Zinn 90-100%
Blei 0,00-0,10%
Wismut 0,00-1,7%
Antimon 0,00-7,5%
Zink 0,00-1,5%
Eisen 0,00-0,1%
Kupfer 0,00-2,7%
6. Metallmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Zinnbe
schichtung (140) eine Heißtauchbeschichtung ist.
7. Metallmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Zinnbe
schichtung (140) eine elektrolytisch mit nachfolgender
Fließerhitzung aufgebrachte Beschichtung ist.
8. Metallmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Zinnbe
schichtung (140) eine nach der Luftrakel-Methode aufgebrachte
Beschichtung ist.
9. Metallmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Zinnbe
schichtung (140) auf eine im wesentlichen oxidfreie Fläche
des rostfreien Stahls aufgebracht ist.
10. Metallmaterial nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die im wesentlichen oxidfreie Fläche
durch Beizen der Oberfläche des rostfreien Stahls mit einer
Säurelösung vor der Zinnbeschichtung gebildet ist.
11. Metallmaterial nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche des
rostfreien Stahls nach dem Beizvorgang und vor seiner Zinn
beschichtung chemisch aktiviert ist.
12. Metallmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß es aus einem
Bandmaterial oder Blech aus rostfreiem Stahl als Basismate
rial gebildet ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen Metall-
Materials, insbesondere für Dachbeläge und sonstige Baumate
rialien, aus einem Band aus rostfreiem Stahl, dadurch
gekennzeichnet, daß das Band (12) mit Zinn
beschichtet und dabei eine intermetallische Schicht (142),
enthaltend Chrom, Eisen und Zinn, zwischen der Zinnbeschich
tung (140) und der Oberfläche des rostfreien Stahls gebildet
wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die intermetallische Schicht (142)
zusätzlich unter Einschluß von Nickel gebildet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zinnbeschichtung (140)
im Heißtauchverfahren aufgebracht wird.
16 Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zinnbeschichtung (140)
elektrolytisch mit nachfolgender Fließerhitzung aufgebracht
wird.
17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zinnbeschichtung (140)
nach der Luftrakel-Methode aufgebracht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zinnschmelze zur Be
schichtung des Bandes eine Temperatur oberhalb 232°C auf
weist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche des rost
freien Stahls vor der Zinnbeschichtung gebeizt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß vor der Beschichtung die
Außenfläche des rostfreien Stahls chemisch aktiviert wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche des rost
freien Stahls einer Inert-Umgebung unterworfen wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Zinnbeschichtung
ein Beschichtungsmaterial verwendet wird, das (in Gew.-%)
enthält:
Zinn 90-100%
Blei 0,00-0,10%
Wismut 0,00-1,7%
Antimon 0,00-7,5%
Zink 0,00-1,5%
Eisen 0,00-0,1%
Kupfer 0,00-2,7%
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zinnbeschichtung
(140) zur Freilegung der intermetallischen Schicht (142) ent
fernt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zinnbeschichtung (140) mittels
einer Oxidationslösung entfernt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Oxidationslösung, enthaltend
mindestens 5 Gew.-% Salpetersäure und bis zu 10 Gew.-% Kupfersulfat, ver
wendet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Oxidationslösung auf
eine Temperatur zwischen 30° und 80°C eingestellt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß die freigelegte interme
tallische Schicht (142) zur Bildung einer eingefärbten Außen
fläche passiviert wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, daß das Band (12) zur Ent
fernung von Oxiden an seiner Oberfläche vorbehandelt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 28, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zinnbeschichtung mit
einer Dicke unter 0,05 mm auf der Bandoberfläche zur Bildung
der intermetallischen Legierungsschicht (142) zwischen Band
oberfläche und Zinnbeschichtung (140) aufgebracht wird, wobei
das Band (12) mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von weniger
als 45,5 m/min. durch das auf einer Temperatur von mindestens
232°C gehaltene Zinnschmelzbad durchgeführt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 29, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zinnbeschichtung mit
einer Dicke unter 0,025 mm ausgeführt wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch
gekennzeichnet, daß die Behandlung mit der
Oxidationslösung zur Entfernung der Zinnbeschichtung (140)
über eine Dauer von weniger als etwa zwei Minuten durchge
führt wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Oxidationslösung
mit mindestens 5 Gew.-% Salpetersäure verwendet wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Oxidationslösung
mit weniger als 60 Gew.-% Salpetersäure verwendet wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch
gekennzeichnet, daß eine mit Kupfersulfat
versetzte Oxidationslösung verwendet wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Anteil an Kupfersulfat in der
Oxidationslösung unter 10 Gew.-% liegt.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 35, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur der Oxi
dationslösung im Bereich zwischen 30° und 80°C eingestellt
wird.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 36, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Band- bzw. Flachma
terial aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke unter 0,76 mm
verwendet wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 37, dadurch
gekennzeichnet, daß die Durchlaufgeschwin
digkeit des Bandes mindestens 21,3 m/min. beträgt.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 38, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer
Farbgebung die freigelegte Schutzschicht (142) passiviert
wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 39, dadurch
gekennzeichnet, daß die Passivierung mittels
einer auf Stickstoff basierenden sauren Lösung bewirkt wird.
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Representative=s name: RIECHELMANN & CARLSOHN, 01219 DRESDEN |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20130702 |