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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtungszusammensetzung,
ein beschichtetes Stahlprodukt und ein Herstellungsverfahren und
insbesondere eine Aluminium-Zink-Beschichtungszusammensetzung, die
effektive Mengen eines partikelförmigen
Bestandteils verwendet, um die Gleichförmigkeit der Erscheinung des
nicht angestrichenen und angestrichenen Blechs zu verbessern, die
sichtbare Flitterpartikelgröße zu verringern
und die Leistungsfähigkeit
im Hinblick auf Rostfleckenbildung aufgrund Biegespannung zu verbessern.
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Die
Beschichtung aus Stahlbestandteilen mit auf Aluminium basierenden
Beschichtungslegierungen, die gewöhnlich als eine Schmelztauchbeschichtung
bezeichnet wird, ist im Stand der Technik gut bekannt. Eine besondere
Beschichtungsart wird unter dem Markenzeichen Galvalume® vertrieben,
deren Inhaber BIEC International, Inc., ist und die für eine Aluminium-Zink-Beschichtungslegierung
repräsentativ
ist.
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Diese
Materialien sind aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit,
Wärmeabstrahlung
und Anstreichbarkeit als Baumaterialien, insbesondere Wand- und
Dachkonstruktion vorteilhaft. In der Regel werden diese Materialien
durch Leiten eines Stahlprodukts wie eines Blechs oder einer Platte
durch ein Bad einer geschmolzenen Legierungsbeschichtungs-Zusammensetzung,
die Aluminium, Zink und Silizium umfasst, hergestellt. Die Beschichtungsmenge,
die auf die Stahlprodukte aufgebracht wird, wird durch Abwischen
gesteuert, wonach die Produkte abgekühlt werden. Ein Merkmal der
auf das Stahlprodukt aufgebrachten Beschichtung ist ihre Korngröße oder
Flitterpartikel-Facettengröße.
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Die
US-Patentschriften Nr. 3,343,930 an Borzillo et al, 5,049,202 an
Willis et al. und 5,789,089 an Maki et al. offenbaren Verfahren
und Techniken zur Herstellung von Stahlblechen, die mit diesen Aluminium-Zink-Legierungen
beschichtet sind. Die drei Referenzen werden hierin durch Bezugnahme
in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
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Die
Europäische
Patentanmeldung Nr. 0 905270 A2 an Komatsu offenbart ein anderes
Beschichtungsverfahren, das Zink, Aluminium und Magnesium benutzt.
Diese Anmeldung betrifft die Lösung
der Korrosionsprobleme, die mit Bädern, die Magnesium als ein
Legierungselement enthalten, verbunden sind. Ferner offenbart sie,
dass das unerwünschte
Streifenmuster, das bei magnesiumhaltigen Bädern auftritt, bei Bädern ohne
Magnesium nicht auftritt.
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US-Patentschrift
Nr. 5,571,566 an Cho offenbart ein anderes Verfahren zur Herstellung
beschichteter Stahlbleche mittels einer Aluminium-Zink-Silizium-Legierung. Es ist
die Aufgabe des Cho-Patents, ein effizienteres Herstellungsverfahren
zur Herstellung eines beschichteten Stahlblechs bereitzustellen. Cho
erfüllt
diese Aufgabe, indem die Größe der Flitterpartikel
durch Einführen
einer großen
Anzahl von Flitterpartikeln in die Beschichtung gleichmäßig minimiert
wird, wodurch das nachfolgende Wachstum der Flitterpartikel eingeschränkt wird,
da diese Partikel ihr jeweiliges Wachstum stören, was zu einer kleineren
Flitterpartikel-Facettengröße führt. Der
Sameneffekt wird durch Verwenden von Titan als Teil der geschmolzenen
Beschichtungszusammensetzung erreicht.
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Eine ähnliche
Offenbarung mit Bezug auf die Verwendung von Titan in Beschichtungsbädern zur Minimierung
der Flitterpartikel-Facettengröße ist in einem
Artikel mit dem Titel "Minimization
of Galvalume Spangle facet size By Titanium Addition To Coating Bath" („Minimierung
der Galvalume-Flitterpartikel-Facettengröße durch
das Hinzufügen
von Titan zum Beschichtungsbad"),
von Cho, vorgestellt für
die INTERZAC 94 Conference in Kanada im Jahre 1994, offenbart. In
diesem Artikel gibt der Autor an, dass Elemente wie Titan, Bor und
Chrom feinere Flitterpartikel in einer Galvalume-Beschichtung erzeugen,
wobei diese Offenbarung mit der Offenbarung des Cho-Patens übereinstimmt.
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Ungeachtet
der Verbesserungen, die von Cho vorgeschlagen werden, haben derzeit
benutzte beschichtete Stahlprodukte noch immer Nachteile. Ein Nachteil
ist, dass, wenn das beschichtete Stahlprodukt angestrichen werden
soll, ein Nachwalzverfahren erforderlich ist, um das Produkt bei
der Vorbereitung zum Anstreichen abzuflachen. Ein anderes Problem
ist das Reißen,
wenn das Produkt ein Blech ist und gebogen wird. Wenn dieses Blechprodukt
gebogen wird, kann die Beschichtung reißen, wobei der Riss den Stahl
der Umgebung und einer vorzeitigen Korrosion aussetzt. Mit derzeit
erhältlichen,
mit Stahl beschichteten Blechen können sich große Risse
bilden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit des Blechprodukts
beeinträchtigt
wird.
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Angesichts
der Unzulänglichkeiten
im Stand der Technik hat sich ein Bedarf an der Bereitstellung eines
mit Aluminium-Zink beschichteten Stahlprodukts mit verminderter
und gleichmäßiger Flitterpartikel-Facettengröße und einer
verbesserten Erscheinung der angestrichenen Oberfläche entwickelt.
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Dementsprechend
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Beschichten eines Stahlprodukts, eine Aluminium-Zink-Stahlprodukt-Beschichtung und
einen beschichteten Stahlgegenstand bereitzustellen, der eine verringerte
und gleichmäßige Flitterpartikel-Facettengröße bereitstellt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1
gelöst.
Es ist herausgefunden worden, dass durch Zugaben von zwischen etwa
0,0008 bis weniger als 0,001 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,00095 Gew.-%
Boridpartikeln zu dem Bad eine gleichmäßige Flitterpartikel-Facettengröße von zwischen
etwa 400 bis 500 Mikrometer (gemessen mittels des mittleren Schnittpunktlängenverfahrens,
das in ASTM E112 beschrieben ist) erhalten werden kann. Hersteller
und Kunden halten solche Produkte mit einer regulierten Flitterpartikelgröße im Hinblick
auf die visuelle Erscheinung im Vergleich zu herkömmlichen,
mit Aluminium-Zink beschichteten Flitterpartikelprodukten, bei denen
Boridzugaben außerhalb
des angegebenen Bereichs fallen, für hochwertiger.
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Der
Bestandteil kann auf verschiedene Arten und Weisen als Teil des
Modifikationsschritts, zum Beispiel als Teil eines Vorläufers oder
Vorlegierungsrohblocks oder Bades, das hauptsächlich Aluminium enthält, hergestellt
werden, wobei die Vorlegierung dann in den notwenigen Anteilen zu
einem Aluminium-Zink-Bad gegeben wird, um eine Badendzusammensetzung
zu erhalten, die zum Beschichten und Bereitstellen der Vorteile
der Erfindung als Ergebnis des Modifikatorbestandteils geeignet
ist. Der Bestandteil kann zu der Vorlegierung als partikelförmige Verbindungen
hinzugegeben werden oder kann in-situ in der Vorlegierung gebildet
und zu dem tatsächlichen
Beschichtungsbad hinzugegeben werden.
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Genauer
kann die Zusammensetzung des Beschichtungsbads wie folgt modifiziert
werden: (1) direktes Hinzufügen
der Partikel (als ein Pulver) zu dem Beschichtungsbad oder einem
Vorschmelztiegel, der das Beschichtungsbad speist; (2) Hinzufügen eines
Rohblocks, der die erforderlichen Partikel enthält; wobei der Rohblock Aluminium
mit Partikeln, Zink mit Partikeln, eine Zink-Aluminium-Legierung mit
Partikeln usw. sein kann; wobei der Rohblock in einen Hauptbeschich tungstiegel
oder einen Vorschmelztiegel gegeben werden kann; (3) Hinzufügen eines
Schmelzbades, das die erforderlichen Partikel, wobei die Flüssigkeit
Aluminium mit Partikeln, Zink mit Partikeln, eine Zink-Aluminium-Legierung mit Partikeln
usw. sein kann; (4) In-Situ-Reaktion
in dem Haupttiegel oder Vorschmelztiegel, zum Beispiel durch die
Reaktion von Elementarspezies wie Titan und Bor in einer Aluminiumzuführschmelze
oder die Reaktion von Salzen auf dem Zuführschmelztiegel, um Partikel
herzustellen.
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Die
Partikelgröße des Bestandteils
in dem Beschichtungsbad kann variieren, liegt jedoch vorzugsweise
im Bereich von etwa 0,01 und 25 Mikrometer.
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Die
Erfindung stellt auch einen beschichteten Stahlgegenstand bereit,
der eine Beschichtung, die einen partikelförmigen Bestandteil enthält, sowie die
Beschichtungszusammensetzung verwendet, die auf das Stahlprodukt
aufgebracht wird. Das Produkt ist vorzugsweise ein Stahlblech oder
eine Stahlplatte für
Bauzwecke.
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Die
vorliegende Erfindung verbessert den Stand der Technik des Schmelztauchens
oder Beschichtens von Stahlprodukten, insbesondere Platten- und
Blechprodukten mittels eines geschmolzenen Aluminium-Zink-Legierungsbades,
zum Beispiel eines Galvalume-Bades. Gemäß der Erfindung wird das Beschichtungsbad
mit partikelförmigen
Bestandteilen modifiziert, um die Flitterpartikel-Facettengröße des beschichteten
Stahlprodukts zu verringern und eine gleichmäßige sichtbare Flitterpartikelgröße zu schaffen.
Die Erfindung ermöglicht
die Herstellung einer Aluminium-Zink-Legierungsbeschichtung, die über die
Breite eines Blechs, entlang der Länge einer Blechrolle und von
Rolle zu Rolle eine gleichmäßige Erscheinung
aufweist. Mit der Zugabe der partikelförmigen Bestandteile können auch
Verbesserungen bezüglich
der Leistung des beschichteten Stahlpro dukts im Hinblick auf Rostfleckenbildung
aufgrund Biegespannung erreicht werden. Die Rostfleckenbildung aufgrund
Biegespannung ist ein diskretes Muster kosmetischen roten Rosts,
der entlang der Rippe einer vorgestrichenen, walzengeformten Bauplatte verläuft und
durch Reißen
der metallischen Beschichtung und des Anstrichs verursacht wird.
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Die
Oberfläche
des beschichteten Stahlprodukts bringt auch eine angestrichene Erscheinung hervor,
die dem herkömmlichen
Galvalume-Produkt überlegen
ist. Es wird angenommen, dass dies die Herstellung eines glatten
beschichteten Stahlblechprodukts ohne die Notwendigkeit für Nachwalzen
ermöglicht.
Die Beseitigung des zusätzlichen
Verarbeitungsschritts des Nachwalzens verringert auch den Energieverbrauch,
beseitigt mögliche
Abwasserströme,
die mit dem Nachwalzen verbunden sind, und vereinfacht das Herstellungsverfahren.
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Bei
der Beschichtung von Stahlprodukten mit einem Aluminium-Zink-Beschichtungsbad
sind die Verarbeitungsschritte des Bildens des Bades zu der gewünschten
Zusammensetzung und Führens
des zu beschichtenden Stahlprodukts durch das Bad gut bekannt. Folglich
wird eine weitere Beschreibung der Verfahren und Vorrichtungen des
Standes der Technik zur Erreichung dieser herkömmlichen Beschichtung für das Verständnis der
Erfindung nicht als notwenig betrachtet.
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Die
Zusammensetzung der Aluminium-Zink-Legierungsbäder des Standes der Technik ist
gut bekannt, wie in den Patenten von Borzillo et al. und Cho und
der oben erwähnten
Veröffentlichung von
Cho erläutert.
Im Allgemeinen umfasst dieses Bad etwa 55 % Aluminium, einen Siliziumanteil
im Allgemeinen von etwa 1,6 Gew.-% und das Restzink. Andere Variationen
in der Zusammensetzung, die dem Durchschnittsfachmann gewöhnlich bekannt sind,
befinden sich innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
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Gemäß der Erfindung
wird das geschmolzene Aluminium-Zink-Bad, das etwa 55 % Aluminium umfasst,
mit einem partikelförmigen
Bestandteil modifiziert, um Verbesserungen im Hinblick auf eine
verminderte Flitterpartikel-Facettengröße, eine verbesserte Oberflächenendbearbeitung,
eine Verringerung der Rissgröße und potenzielle
Verbesserungen bezüglich
der Rostfleckenbildung aufgrund Biegespannung zu erreichen. Der
partikelförmige
Bestandteil ist ein Borid.
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Die
Partikelgröße des partikelförmigen Bestandteils
sollte im Bereich von etwa 0,01 bis 25 Mikrometer liegen.
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Das
geschmolzene Bad, das zum Beschichten dieses Stahlprodukts, das
die modifizierte Aluminium-Zink-Legierungszusammensetzung
enthält, verwendet
wird, kann in einer Reihe von Arten und Weisen hergestellt werden.
In einem Verfahren wird eine Aluminium-Vorlegierung hergestellt
und mit dem partikelförmigen
Borid-Bestandteil
modifiziert. Dieses Bad wird dann zu einem Aluminium-Zink-Beschichtungsbad
hinzugefügt,
wobei die Anteile der zwei Bäder
derart berechnet werden, dass eine Badzielzusammensetzung erreicht
wird, welche die effektive Menge des Borids enthält. Das modifizierte Legierungsbad
würde noch
immer die herkömmlichen
Gewichtsanteile des Aluminiums, Zinks und Siliziums für diese
Arten von Beschichtungsbädern,
zum Beispiel etwa 55 % Aluminium, 1 bis 2 % Silizium und das Restzink
aufweisen, da die effektive Menge des partikelförmigen Bestandteils ein relativ
niedriger Gewichtsanteil der gesamten Badmenge ist. Verfahren zur
Herstellung von Vorlegierungen werden in den US-Patentschriften
Nr. 5,415,708 an Young et al. und 3,785,807 gelehrt, die beide hierin
in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen werden.
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Zweitens
könnte
die Vorlegierung, welche die Partikel enthält, zu dem Beschichtungsbad
in Form eines festen Rohblocks hinzugefügt werden. Der Rohblock kann
primär
Al, primär
Zn oder eine Legierung sein, die Zn, Al und/oder Si zusammen mit den
verfeinernden Flitterpartikeln enthält.
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Als
Alternative könnten
die partikelförmigen Bestandteile
vor der Beschichtung eines Stahlprodukts direkt zu dem Aluminium-Zink-Bad
hinzugefügt werden.
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Bei
der Verwendung von Aluminiumborid als einen Badmodifikator werden
Borpartikel zu einer Aluminium-Vorlegierung
hinzugefügt,
um die Aufnahme der Partikel in die Schmelze zu ermöglichen
und die gleichmäßige Verteilung
der Partikel in der Schmelze zu verbessern. Als Alternative können Aluminiumboridpartikel
zu dem Aluminium-Zink-Bad in den angemessenen Mengen hinzugefügt werden.
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Bei
der Herstellung einer Aluminium-Vorlegierung mit den partikelförmigen Bestandteilen
wie Titanborid kann in dem Bad überschüssiges Titan vorhanden
sein. Dieser Überschuss
kann im Bereich von 0,01 % bis 10 % bezüglich der Gesamtmasse hinzugefügten Bors
liegen. Im Hinblick auf die Stöchiometrie
können übermäßige Titanzugaben
von einem Mol Titan für
2 Mol Bor im Bereich von 0,002 bis 4,5 Überschussmol liegen. Es wird
nicht angenommen, dass das überschüssige Titan,
sei es durch die Verwendung von Titanborid oder einer anderen titanhaltigen
Verbindung wie Titancarbid oder dergleichen vorhanden, zum Erhalt
der mit der Erfindung verbundenen Flitterpartikelverfeinerung notwendig
ist.
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Bei
der Herstellung des Legierungsbads für die Beschichtung kann der
partikelförmige
Bestanteil als ein Pulver eingeführt
oder in dem Bad selbst gebildet werden. Zum Beispiel könnten Titanboridpulver zu
einem Aluminiumbad in den angemessenen Gewichtsanteilen hinzugefügt werden.
Ersatzweise könnte
elementares Titan oder Bor zu einer Aluminiumschmelze hinzugefügt und bei
Temperaturen erwärmt
werden, die hoch genug sind, um Titanboridpartikel darin zu bilden.
Es wird bevorzugt, dass die Verbindungspartikel zu der Vorlegierung
hinzugefügt werden,
da diese Verarbeitung im Hinblick auf den Energieverbrauch viel
effektiver ist. Ähnliche
Verarbeitungstechniken können
für Carbide
und Aluminide angewendet werden.
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Es
wird angenommen, dass nur die Gegenwart von Titan und Bor in einem
Beschichtungsbad im Vergleich zu der Zugabe eines Verbindungspartikels
wie Titanborid nicht die oben gezeigten Kornverfeinerungsvorteile
hervorbringen wird. Es ist beschrieben worden, dass die getrennte
Zugabe von Titan und Bor zu einer Aluminiumschmelze beim Aluminiumguss
keine Titanboridpartikel erzeugte, wenn die Zugabe bei Temperaturen
von unter 1000 °C
(1832 °F)
stattfand. Stattdessen reagierte das Titan mit dem Aluminium, um
TiAl3-Partikel zu bilden. Da das Beschichtungsverfahren
im Allgemeinen bei viel niedrigeren Temperaturen, das heißt, 593 °C (1100 °F) ausgeführt wird,
würde die
Zugabe von Titan und Bor in elementarer Form zu einem Al-Zn-Beschichtungsbad
ein ähnliches
Verhalten hervorrufen. Außerdem ist
die Kinetik der Titan- und Borauflösung bei den niedrigen Temperaturen,
die mit dem Beschichtungsverfahren in Verbindung stehen, sehr langsam.
Wenn das Titanborid folglich in dem Bad selbst gebildet wird, ist
es notwenig, über
herkömmliche
Schmelzparameter hinauszugehen, um den notwenigen Partikel zur Verwendung
in der Erfindung zu erreichen.
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Das
erfinderische Beschichtungsverfahren erzeugt einen beschichteten
Gegenstand, wobei die Beschichtung eine Beschichtungszusammensetzung aufweist,
die den oben beschriebenen hinzugefügten partikelförmigen Bestandteil
enthält.
Das beschichtete Produkt kann dann entsprechend dem Stand der Technik
angestrichen werden, ohne Notwenigkeit für Dressieren oder Nachwal zen.
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Eine
gleichmäßigere,
beständige
Flitterpartikelgröße kann
durch Hinzufügen
einer geringen Menge TiB2-Kornverfeinerers zu dem Schmelztauch-Beschichtungsbad
erzeugt werden. Durch Badzugaben von zwischen etwa 0,0008 bis 0,0012 Gew.-%
Bor in Form von Boridpartikeln zu dem Bad kann eine beständige Flitterpartikel-Facettengröße von zwischen
etwa 400 bis 500 Mikrometern (gemessen mittels des mittleren Schnittpunktlängenverfahrens,
das in ASTM E112 beschrieben ist) hergestellt werden. Hersteller
und Kunden halten solche Produkte mit einer regulierten Flitterpartikelgröße im Hinblick
auf die visuelle Erscheinung im Vergleich zu herkömmlichen,
mit Aluminium-Zink beschichteten Flitterpartikelprodukten, bei denen
Boridzugaben außerhalb
des angegebenen Bereichs fallen, für hochwertiger.