DE68912243T2

DE68912243T2 - Verfahren zur kontinuierlichen Heisstauchbeschichtung eines Stahlbandes mit Aluminium.

Info

Publication number: DE68912243T2
Application number: DE68912243T
Authority: DE
Inventors: Steven L Boston; Richard A Coleman; Farrell M Kilbane; Danny E Lee; William R Seay
Original assignee: Armco Steel Co LP
Current assignee: Cleveland Cliffs Steel Corp
Priority date: 1988-08-29
Filing date: 1989-08-10
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2009-08-11
Also published as: ATE100153T1; EP0356783A3; FI894015A0; ES2048795T3; ZA896221B; NO178977B; JP2516259B2; CN1020928C; BR8904258A; NO893424L; EP0356783B1; FI90668C; YU46769B; YU161889A; CN1040828A; DE68912243D1; FI90668B; CA1330506C; JPH02104650A; AR245228A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Heißtauchbeschichtung von Stahlbändern aus ferritischem Chromlegierungsstahi mit Aluminium entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stahl, der durch Heißtauchen mit Aluminium beschichtet ist, weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Salze auf und findet vielfältige Anwendungen in Automobilauspuffanlagen und Verbrennungsanlagen. In den letzten Jahren haben die Anforderungen an Auspuffanlagen im Hinblick auf die Langlebigkeit und die Ästhetik zugenommen. Aus diesem Grund ist ein Bedarf entstanden, die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und die Korrosionsbeständigkeit gegen Salze zu erhöhen, indem mit Aluminium beschichtete kohlenstof farme oder niedriglegierte Stähle durch aluminiumbeschichtete Chromlegierungsstähle ersetzt werden. Bei der Oxidation bei hohen Temperaturen kann zumindest ein Teil der Aluminiumüberzugsschicht aufgrund der Hitze bei der Verwendung unter Bildung einer Fe-Al-Legierungsschicht in die Eisenunterlage eindiffundieren. Falls in der Aluminiumüberzugsschicht unbeschichtete Bereiche vorhanden sind, kann es zu einer beschleunigten Oxidation kommen, die zu einer Durchlöcherung der Metallunterlage führt, falls keine zusammenhängende Fe-Al-Legierung auf der Metallunterlage erzeugt wird. Bei niedrigeren Temperaturen wirkt die Aluminiumüberzugsschicht wie eine Schutzbarriere gegen atmosphärische Einflüsse und wie ein kathodischer Überzug in Umgebungen mit hohem Salzgehalt. Falls nichtbeschichtete Bereiche vorhanden sind, kann auch hier eine beschleunigte Korrosion stattfinden, die zum Ausfall der beschichteten Struktur führt.
Es ist wohlbekannt, kohlenstoffarme Stahlbänder ohne ein Flußmittel durch Heißtauchen mit einem metallischen Überzug zu versehen, indem die Bänder einer Vorbehandlung zur Erzeugung einer sauberen, von Öl, Schmutz und Eisenoxiden freien Oberfläche unterzogen werden, die ohne weiteres mit dem Beschichtungsmetall benetzbar ist. Eine Art der Inline-Glühbehandlung von kohlenstoffarmen Stählen wird in US-A-3 320 085 beschrieben, wobei das auch als Selas-Verfahren bekannte Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffarmen Stahlbändern für die Heißtauchbeschichtung mit Metallen die Durchführung des Bandes durch einen direkt beheizten Ofen mit einer auf eine Temperatur von mindestens 1316 ºC erhitzten Atmosphäre umfaßt. Die Atmosphäre wird aus den gasförmigen Verbrennungsprodukten von Brennstoff und Luft erzeugt und enthält keinen freien Sauerstoff. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis wird kontrolliert, um die notwendigen reduzierenden Bedingungen für die Reinigung der Stahlbänder zu liefern. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis wird so reguliert, daß ein geringer Überschuß an Brennstoff vorliegt, so daß kein freier Sauerstoff, sondern ein Überschuß an Brennstoffen in Form von Kohlenmonoxid und Wasserstoff vorhanden ist. Eine Ofenatmosphäre, die auf mindestens 1316 ºC mit einem mindestens 3%igen Brennstoffüberschuß gehalten wird, wirkt bis 927 ºC reduzierend auf den Stahl. Das gereinigte Band wird anschließend durch eine abgedichtete Zuführung mit neutraler oder schützender Atmosphäre geführt, bevor es in einen Beschichtungsbehälter geführt wird. Für die Beschichtung mit geschmolzenem Zink wird das Band auf 538 ºC aufgeheizt. Zur Beschichtung mit geschmolzenem Aluminium wird das Band in dem direkt beheizten Ofen bis in einen Temperaturbereich von 677 bis 704 ºC aufgeheizt, da die Atmosphäre bei diesen Temperaturen immer noch reduzierend auf den Stahl wirkt.
Moderne direkt beheizte Öfen weisen einen zusätzlichen, üblicherweise mit Röhren zur Strahlungsbeheizung beheizten Ofenbereich auf. Dieser Ofenbereich enthält die gleiche neutrale oder reduzierende Schutzgasatmosphäre, z. B. 75 % Stickstoff und 25 % Wasserstoff, wie die zuvor beschriebene Zuführung.
US-A-3 935 579 beschreibt eine In-line-Vorbehandlung für die Heißtauchbeschichtung niedriglegierter Stahlbänder mit Aluminium zur Verbesserung der Benetzbarkeit durch das Beschichtungsmetall. Der Stahl enthält 1 bis 5 % Chrom, bis zu 3 % Aluminium, bis zu 2 % Silicium und bis zu 1 % Titan, alle Angaben in Gewichtsprozent. Das Band wird auf eine Temperatur über 593 ºC in einer auf Eisen oxidierend wirkenden Atmosphäre unter Erzeugung einer Oberflächenoxidschicht aufgeheizt und unter Bedingungen weiterbehandelt, die reduzierend auf das Eisenoxid wirken, wodurch die Oberflächenschicht zu einer reinen Eisenmatrix reduziert wird, die eine einheitliche Dispersion von Oxiden der Legierungsbestandteile enthält.
Die mit dem Nichtbenetzen von ferritischen Chromlegierungsstählen durch Aluminiumbeschichtungen verbundenen Probleme sind ebenfalls wohlbekannt. Durch Heißtauchen hergestellte Aluminiumüberzüge ergeben eine schlechte Benetzung von Metallen auf der Basis ferritischer Chromlegierungsstähle und weisen üblicherweise unbeschichtete oder freigebliebene Stellen in der Aluminiumüberzugsschicht auf. Mit schwacher Haftung sind hier ein Abblättern des Überzugs oder eine Rißbildung im Überzug während des Biegens des Bandes gemeint. Um das Haftproblem zu überwinden, wurde bereits mehrfach eine Vergütung des aluminiumbeschichteten Stahls vorgeschlagen, um die Überzugsschicht auf der Metallunterlage zu verankern. Nach anderen Angaben wird eine leichte Nachwalzung des beschichteten Chromlegierungsstahls durchgeführt, um die Aluminiumbeschichtung damit zu verbinden. Von anderen Herstellern wurde schließlich wegen der Bedenken in bezug auf unbeschichtete Stellen die kontinuierliche Heißtauchbeschichtung generell vermieden. Stattdessen wurden eine Heißtauchbeschichtung im diskontinuierlichen Chargenbetrieb oder ein Spritzbeschichtungsverfahren angewandt. Zum Beispiel wurde ein Gegenstand aus Chromlegierungsstahl nach seiner Herstellung über einen längeren Zeitraum zur Erzeugung einer sehr dicken Überzugsschicht in ein Aluminiumbeschichtungsbad eingetaucht.
In US-A-4 675 214 als am nächsten kommendem Stand der Technik wird eine Lösung für die Erhöhung der Benetzung von Bändern aus ferritischem Chromlegierungsstahl mit Aluminiumbeschichtungen durch Heißtauchen vorgeschlagen. Das Verfahren umfaßt die Reinigung des ferritischen Chromlegierungsstahls und das Durchleiten des gereinigten Stahls durch eine Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre, die weitgehend frei von Stickstoff ist, vor dem Eintauchen des Stahls in das Aluminiumbeschichtungsbad. Dieses Verfahren ergab eine verbesserte Benetzung des ferritischen Chromlegierungsstahls, sofern der Stahl nicht durch Erhitzen auf eine höhere Temperatur in einem direkt beheizten Ofen gereinigt wurde. Der direkt beheizte Ofen mit einer auf 1316 ºC erwärmten Atmosphäre mit mindestens 3 % Brennstoff wirkt bis 927 ºC reduzierend auf Stahl. Dessenungeachtet führte das Erhitzen von ferritischem Chromlegierungsstahl auf Temperaturen um und über 677 ºC in einem direkt beheizten Ofen, dessen Atmosphäre keinen freien Sauerstoff enthielt, und die anschließende Führung des Stahls durch eine Schutzgasatmosphäre aus weitgehend reinem Wasserstoff unmittelbar vor der Heißtauchbeschichtung mit Aluminium immer noch zu großen unbeschichteten Bereichen. Ohne hierfür eine Theorie angeben zu können, wird angenommen, daß die von Sauerstoff freie Atmosphäre im direkt beheizten Ofen durch die Gegenwart von Wasser ein bedeutendes Oxidationspotential besitzt und offensichtlich auf das in Eisenbändern aus Chromlegierungen enthaltene Chrom oxidierend wirkt. Das auf der Oberfläche des Bandes erzeugte Chromoxid wird offensichtlich vor dem Eintritt in das Beschichtungsbad nicht hinreichend durch die Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre entfernt, wodurch eine vollständige Benetzung der Oberfläche des Bandes verhindert wird.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft kontinuierlich durch Heißtauchen mit Aluminium beschichtete Bänder aus ferritischem Chromlegie rungsstahl, die durch Verbrennung eines Brennstoffs mit Luft in einem direkt beheizten Ofen erhitzt werden, wobei die gasförmigen Verbrennungsprodukte keinen freien Sauerstoff enthalten. Die Oberfläche des Bandes wird auf eine Temperatur erhöht, die für die Entfernung von Öl, Schmutz, Eisenoxiden u. dgl. ausreicht, die aber unterhalb einer Temperatur liegt, bei der eine übermäßige Oxidation des Chroms im Grundmetall des Bandes verursacht wird. Das Band wird weiterhin in einem anderen Ofenbereich erhitzt und, falls erforderlich, auf eine Temperatur in der Nähe des Schmelzpunkts des Aluminium-Beschichtungsmetalls oder leicht darüber gekühlt. Das Band wird anschließend durch eine Schutzgasatmosphäre aus mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff und danach aus dem Aluminiumbeschichtungsmetall zur Aufbringung einer Schicht des Beschichtungsmetalls auf dem Band in ein Schmelzbad geführt.
Es ist Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, durch Heißtauchen mit Aluminium beschichtete ferritische Chromlegierungsstähle mit verbesserter Benetzung durch das Beschichtungsmetall zu erzeugen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, durch Heißtauchen eine Aluminiumbeschichtung auf einem Chromlegierungsstahlband zu erzeugen, das in einem direkt beheizten Ofen gereinigt wurde.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Aluminiumbeschichtung durch Heißtauchen auf einem aus einer Chromiegierung bestehenden Tiefziehstahlband zu erzeugen, das in-line in der Beschichtungsanlage geglüht wird.
Ein Merkmal der Erfindung ist die Reinigung des Bandes aus ferritischem Chromlegierungsstahl, wodurch sich eine verbesserte Benetzung mit dem Aluminiumüberzug ergibt, durch Erhitzen des Bandes in einem direkt beheizten Ofen an einer Aluminiumbeschichtungsanlage unterhalb einer Temperatur, bei der eine übermäßige Oxidation des in dem Band enthaltenen Chroms verursacht wird.
Ein anderes Merkmal der Erfindung ist das weitere Erwärmen des gereinigten Chromlegierungsstahlbandes in einem anderen Ofenbereich mit einer Schutzgasatmosphäre, die mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, bis zu einem völlig getemperten Zustand.
Ein anderes Merkmal der Erfindung ist, daß weniger als 80 % der für die vollständige Temperung des aus einer ferritischen Chromlegierung bestehenden Tiefziehstahlbandes benötigten Energie in dem direkt beheizten Ofen der Aluminiumbeschichtungsanlage bereitgestellt wird.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist das Halten des gereinigten Chromlegierungsstahlbandes in einer Schutzgasatmosphäre, die mindestens etwa 95 Vol.-% Wasserstoff und weniger als 200 ppm Sauerstoff enthält und einen Taupunkt unter +4 ºC aufweist, bis das gereinigte Band in das Aluminiumbeschichtungsmetall geführt wird.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die vollständige Temperung und Abkühlung des erhitzten Chromlegierungsstahlbandes in einer Schutzgasatmosphäre, die mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält und deren Taupunkt nicht über -18 ºC liegt, die Führung des Bandes durch einen Auslaßbereich, der eine Schutzgasatmosphäre aus mindestens 97 Vol.-% Wasserstoff enthält und deren Taupunkt nicht höher als -29 ºC liegt, und das Eintauchen des Bandes in das Aluminiumbeschichtungsmetall.
Es ist Aufgabe der Erfindung, unbeschichtete Bereiche zu vermeiden und die Haftung der Aluminiumüberzugsschicht auf dem in einem direkt beheizten Ofen gereinigten Band aus ferritischem Chromlegierungsstahl zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 offenbart.
Da die Wasserstoffatmosphäre auch beim zweiten Heizschritt beibehalten wird, wird die vollständige Temperung des Bandes aus ferritischem Chromlegierungsstahl ohne jede Reaktion des Chroms mit Sauerstoff verbessert. Aus diesem Grund ist das beschichtete Band weitgehend frei von unbeschichteten Bereichen, und die Überzugsschicht haftet fest auf dem Bandmaterial.
Im folgenden wird eine Vorrichtung zur Bandbeschichtung, bei der das Verfahren angewandt wird, auf der Basis der Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Eisenbandes, das in einer erfindungsgemäß betriebenen Anlage zur Heißtauchbeschichtung mit Aluminium verarbeitet wird;
Fig. 2 zeigt eine schematische Teilansicht der Beschichtungsanlage aus Fig. 1, die die Eintrittsöffnung und den Beschichtungskessel zeigt.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein Stahl-Coil, von dem aus ein Band 11 um die Rollen 12, 13 und 14 geführt wird, bevor es in den oberen Teil eines ersten Ofenbereichs 15 eintritt. Dieser erste Ofenbereich 15 ist vom Typ eines direkt beheizten Ofens und wird durch die Verbrennung eines Brennstoffs mit Luft beheizt. Das Verhältnis von Brennstoff zu Luft ist so gewählt, daß die gasförmigen Verbrennungsprodukte keinen freien Sauerstoff und vorzugsweise mindestens 3 Vol.-% überschüssigen Brennstoff enthalten. Die Atmosphäre im Ofen 15 wird vorzugsweise auf mehr als 1316 ºC erhitzt und das Band 11 bei einer so hohen Geschwindigkeit gehalten, daß die Oberflächentemperatur des Bandes nicht übermäßig oxidierend auf Chrom wirkt, während Oberflächenverunreinigungen, wie Ölfilme aus dem Walzwerk, Eisenoxidabfall u. dgl., entfernt werden. Außer während eines kurzen Zeitraums, der später im Detail erklärt wird, sollte das Band beim Aufenthalt im Ofen 15 nicht auf eine Temperatur über etwa 649 ºC und vorzugsweise nicht über 621 ºC erhitzt werden.
Der zweite, mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnete Bereich des Ofens kann ein Ofen vom Typ eines Strahlungsrohrofens sein. Die Temperatur des Bandes 11 wird weiter auf mindestens etwa den Schmelzpunkt des Aluminium-Beschichtungsmetalls, d. h. 649 ºC, und bis auf etwa 955 ºC erhöht, wobei die Höchsttemperatur in etwa bei Punkt 18 erreicht wird. Eine Schutzgasatmosphäre aus mindestens etwa 95 Vol.-% Wasserstoff wird vorzugsweise sowohl im Ofenbereich 16 als auch in den weiter unten beschriebenen folgenden Bereichen des Ofens aufrechterhalten.
Die Bereiche 20 und 22 sind Kühlzonen. Das Band 11 wird vom Ofenbereich 22 über eine abwärts führende Rolle 24 durch den Auslaßbereich 26 in den Beschichtungsbehälter 28 befördert, der das geschmolzene Aluminium enthält. Die Verweilzeit des Bandes in dem Beschichtungsbehälter ist nur sehr kurz, nämlich 2 bis 5 Sekunden. Das Band 11, das auf beiden Seiten eine Schicht des Überzugsmetalls enthält, wird senkrecht aus dem Beschichtungsbehälter 28 herausgezogen. Die Überzugsschichten erstarren, und das beschichtete Band wird um eine Umlenkrolle 32 geführt und zur Lagerung oder weiteren Verarbeitung zu einem Coil 34 aufgewickelt. Wie zuvor angemerkt, enthalten die Ofenbereiche 20, 22 und 26 die Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre.
Wie Fig. 2 zeigt, wird der Auslaßbereich 26 dadurch vor der Atmosphäre geschützt, daß seine untere Öffnung oder Auslaßöffnung 26a unter die Oberfläche 44 des Aluminium-Beschichtungsmetalls 42 untergetaucht ist. Im Beschichtungsbehälter sind drehbare Umlenkrollen 36 und 38 sowie eine Stabilisierungsrolle 40 vorgesehen. Das Gewicht des beim Herausziehen aus dem Beschichtungsbehälter 28 auf dem Band 11 verbleibenden Beschichtungsmetalls 42 wird durch eine Endbearbeitungseinrichtung wie das Luftmesser 30 kontrolliert. Das Band 11 wird in den Ofenbereichen 20, 22 und 26 auf eine Temperatur nahe oder leicht über dem Schmelzpunkt des Aluminium-Beschichtungsmetalls abgekühlt, bevor es in den Beschichtungsbehälter 28 eintritt. Diese Temperatur kann für Beschichtungsmetalle aus Aluminiumlegierungen, z. B. vom Typ 1, der ungefähr 10 Gew.-% Silicium enthält, bei nur 620 ºC liegen und kann bis zu 732 ºC für ein handelsübliches Aluminium-Beschichtungsmetall aus Reinaluminium, z. B. vom Typ 2, betragen.
Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung dient zur beidseitigen Beschichtung unter Verwendung von Luft zur Endbehandlung. Für den Fachmann ist es verständlich, daß auch ein abgedichteter Behälter, der eine nichtoxidierende Atmosphäre enthält, verwendet werden kann.
Wasserstoffgas von handelsüblicher Reinheit kann in die Ofenbereiche durch die Einlässe 27 im Auslaßbereich 26 zugeführt werden, um vorzugsweise eine Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre zu erreichen, die weniger als etwa 200 ppm Sauerstoff enthält und deren Taupunkt nicht höher als +4 ºC ist. In Abhängigkeit von Faktoren wie der Wasserstof fdurchsatzmenge und dem Ofenvolumen können zusätzliche Wasserstoffeinlässe in den Ofenbereichen 16, 20 und 22 erforderlich sein.
Ferritische Chromlegierungsstähle wie die hier definierten schließen magnetische Materialien auf der Basis von Eisen ein, die durch eine kubisch-innenzentrierte Struktur gekennzeichnet sind und ungefähr 0,5 Gew.-% oder mehr Chrom enthalten. Die vorliegende Erfindung ist z. B. besonders brauchbar für ferritische rostfreie Stähle mit bis zu 35 Gew.-% Chrom, die durch Heißtauchen mit Aluminium beschichtet werden und die in Autoauspuffanlagen Verwendung finden, beispielsweise für stärkere Auspuffrohre mit einer Wandstärke von 1,2 mm oder mehr,
Folien mit einer Dicke unter 0,25 mm, die durch Kaltwalzen aus mit Aluminium beschichteten Bändern hergestellt werden, die als Katalysatorträger in Katalysatoren verwendet werden, und
vollständig getemperte Bänder, die zu Formteilen, wie Rohrverzweigungen, Teile des Auspufftopfes, Katalysatoren, Schalldämpfern u. dgl. tiefgezogen werden, wofür leichte Aluminiumüberzüge mit z. B. insgesamt nicht mehr als 185 g/m² auf beiden Seiten erforderlich sind. Mit vollständigem Tempern ist gemeint, daß das Band im Ofen 16 auf mindestens etwa 830 ºC erwärmt wird und daß es, gemessen im Zugversuch, eine Dehnung von mindestens etwa 25 % aufweist. Ferritischer rostfreier Stahl vom Typ 409 ist als Ausgangsmaterial für die vorliegende Erfindung besonders bevorzugt. Dieser Stahl weist eine Standardzusammensetzung von etwa 11 Gew.-% Chrom, etwa 0,5 Gew.-% Silicium und einem im wesentlichen aus Eisen bestehenden Rest auf. Allgemei wird ferritischer Stahl bevorzugt, der aus etwa 10,0 bis etwa 14,5 Gew.-% Chrom, etwa 0,1 bis 1,0 Gew.-% Silicium und einem im wesentlichen aus Eisen bestehenden Rest zusammengesetzt ist.
Die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung:

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

Ein 1,02 mm dickes und 122 cm breites Band aus rostfreiem Stahl vom Typ 409 wurde bei einer Temperatur von 699 bis 704 ºC mit einem Überzug aus reinem geschmolzenem Aluminium (Typ 2) unter Verwendung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Beschichtungsanlage beschichtet. Wasserstoff von handelsüblicher Reinheit strömte bei einem Durchsatz von etwa 380 m³/h in die Eintrittsöffnung 26, wobei eine Atmosphäre aus 75 Vol.-% Stickstoff und 25 Vol.-% Wasserstoff im zweiten Bereich des Ofens 16 aufrechterhalten wurde. Der Taupunkt der reinen Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre im Auslaßbereich 26 betrug anfänglich +9 ºC. Das Verhältnis von Brennstoff zu Luft in dem direkt beheizten Bereich 15 des Ofens wurde auf einen Brennstoffüberschuß von etwa 5 Vol.-% eingeregelt. Bei verschiedenen Bandgeschwindigkeiten und Temperaturen wurden die folgenden sichtbaren Beobachtungen gemacht: Probe Geschwindigkeit (m/min) DBO(ºC)* SRO(ºC)** Oxid*** Beschichtungsbedingungen dunkelblau hellblau golden zufällig verteilte unbeschichtete Bereiche lediglich unbeschichtete Bandkanten gute Beschichtung * Temperatur des Bandes im Ofenbereich 15 (direkt beheizter Ofen) ** Temperatur des Bandes im Ofenbereich 16 (Strahlungsrohrofen) *** Aussehen der Oberfläche des aus dem Ofen 15 austretenden Bandes 11.
Wie oben gezeigt, wird ferritischer Chromlegierungsstahl oxidiert, wenn er auf eine Temperatur von mindestens 649 ºC in der von Sauerstoff freien Atmosphäre aus Verbrennungsprodukten erhitzt wird. Der Taupunkt der Wasserstoffatmosphäre in der Eintrittsöffnung 26 infolge einer zumindest teilweisen Reduktion der Eisen- und/oder Chromoxide durch die Wasserstof fatmosphäre zu Metall und Wasser wird auf ein Maximum von etwa +14 ºC erhöht. Die auf mindestens 704 ºC in dem direkt beheizten Ofen erwärmten Proben A und B wurden übermäßig oxidiert und nicht richtig vom Aluminium-Beschichtungsmetall benetzt. Das Ausmaß der Oxidation des Bandes bei Erwärmung auf 649 ºC im direkt beheizten Ofen war geringfügig zu groß, was aus der schlechten Benetzung von Probe C mit dem Beschichtungsmittel entlang einer Kante hervorgeht. Die Verwendung einer sehr trockenen Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre, z. B. mit einem Taupunkt nicht über -19 ºC in allen Ofenbereichen 16, 20, 22 und dem Auslaßbereich 26, hätte wahrscheinlich das Oxid auf Probe C genügend entfernt und zu einer besseren Benetzung mit dem Aluminium-Beschichtungsmetall geführt. Im Gegensatz zu dem bekannten Verhalten von kohlenstoffarmem Stahl wird ferritischer Chromstahl ohne weiteres in einer Atmosphäre oxidiert, die frei ist von Sauerstoff und einen Überschuß an Brennstoffen enthält, wenn er auf mindestens 649 ºC erhitzt wird.

Beispiel 2

Ein 1,64 mm dickes und 94 cm breites Coil aus rostfreiem Stahl vom Typ 409 wurde mit 183 g/m² Aluminium vom Typ 2 (Gesamtmenge auf beiden Seiten) unter gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 beschichtet mit dem Unterschied, daß die reine Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre auch in dem Ofenbereich 16 und den Kühlzonen 20, 22 aufrechterhalten wurde. Bevor das Coil durch die Beschichtungsanlage geführt wurde, betrug der Taupunkt der Wasserstof fatmosphäre im Aus laß bereich 26 -23 ºC. Es wurden folgende Feststellungen bezüglich der Beschichtung für verschiedene Bandtemperaturen gemacht: Probe Aussehen der Beschichtung schlecht, zahlreiche unbeschichtete Stellen gut, selten unbeschichtete Stellen

Beispiel 3

Drei Coils aus rostfreiem Stahl vom Typ 409 wurden verarbeitet und mit 137 g/m² Aluminium vom Typ 2 (Gesamtmenge auf beiden Seiten) unter gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2 beschichtet mit dem Unterschied, daß der Taupunkt der Wasserstoffatmosphäre in dem Auslaßbereich 26 -46 ºC und im Bereich des Strahlungsrohrofens 16 -20 ºC betrug. Es wurden folgende Feststellungen bezüglich der Beschichtung für verschiedene Bandtemperaturen gemacht: Probe Dicke (mm) Breite (cm) Aussehen der Beschichtung Einige unbeschichtete Stellen Verstreute unbeschichtete Stellen, insbesondere 10 cm von einer Kante Keine unbeschichteten Stellen
Wie die Beispiele 1 bis 3 deutlich zeigen, verursachte die Erwärmung des Bandes auf Temperaturen von 676 ºC oder darüber im direkt beheizten Ofen eine übermäßige Oxidation des Bandes. Die Verwendung einer sehr trockenen Wasserstoffschutzgasatmosphäre in allen Ofenbereichen 16, 20, 22 und der Eintrittsöffnung 26 ergab keine Entfernung der Oxide, die für die Erzielung einer guten Benetzung mit dem Beschichtungsmetall ausreichend war. Andererseits führte die Erwärmung des Bandes auf nicht mehr als etwa 650 ºC in dem direkt beheizten Ofen und weiteres Erwärmen des Bandes auf Temperaturen über etwa 830 ºC in dem Strahlungsrohrofen zu haftenden Aluminiumbeschichtungen mit nur minimalen unbeschichteten Bereichen auf einem vollständig getemperten Band, das zum Tiefziehen ohne Abblättern oder oberflächliches Reißen der Beschichtung geeignet war.

Beispiel 4

Ein 1,08 mm dickes und 76 cm breites Coil aus rostfreiem Stahl vom Typ 409 wurde ebenfalls erfolgreich durch kontinuierliches Heißtauchen mit 119 g/m² (Gesamtmenge auf beiden Seiten) einer Aluminiumlegierung (Typ 1) beschichtet, die 9 Gew.-% Silicium enthielt. Die Arbeitsbedingungen waren die gleichen wie in Beispiel 2. Das Band wurde im Ofenbereich 15 auf etwa 627 ºC und im Ofenbereich 16 auf 829 ºC erwärmt. Es wurden sehr wenig unbeschichtete Bereiche festgestellt.

Beispiele 5 bis 10

Die Beispiele 5 bis 10 betreffen 0,38 mm dicke und 12,7 cm breite Bänder aus ferritischen kohlenstof farmen und titanstabilisierten Stählen, die 2,01, 4,22 bzw. 5,99 Gew.-% Chrom enthielten. Diese Proben wurden unter Bedingungen, wie in Beispiel 2 kontinuierlich in einer Beschichtungsanlage im Labormaßstab, die der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Anlage ähnelte, durch Heißtauchen mit Aluminium (Typ 2) beschichtet. Das Gewicht der Beschichtungen wurde nicht gemessen. Nr. Geschwindigkeit (m/min) DBO* (ºC) % H&sub2;** Beschaffenheit schlechter Überzug sehr guter Überzug guter Überzug * Temperatur im Ofenbereich ** Gehalt der Schutzgasatmosphäre an Wasserstoff
Obgleich Bandtemperaturen außerhalb des direkt beheizten Ofens nicht gemessen wurden, sprechen die Daten deutlich für eine Verwendung einer Atmosphäre aus 100 Vol.-% Wasserstoff in allen Bereichen des Ofens außer dem direkt beheizten Bereich. Da der Chromgehalt in den Beispielen 5 bis 10 im Vergleich zu den vorhergehenden Beispielen (11 Gew.-%) verringert war, kann bei den niedrigeren Chromlegierungen (2, 4, 6 Gew.-%) eine geringere Abhängigkeit von der Austrittstemperatur aus dem direkt beheizten Ofen erwartet werden. Anders ausgedrückt liegt bei einem geringeren Chromgehalt ein geringeres Oxidationspotential vor.
Wie zuvor bemerkt, wirkt die direkt beheizte Atmosphäre aus den gasförmigen Verbrennungsprodukten von Brennstoff und Luft, die frei ist von Sauerstoff, bei etwa 649 ºC oxidierend auf ferritischen Chromlegierungsstahl. Demgemäß sollte die Bandtemperatur in dem direkt beheizten Ofen 15 diese Temperatur, insbesondere bei ferritischem rostfreiem Stahl mit einem Chromgehalt von 10 Gew.-% oder mehr, nicht übersteigen. Vorzugsweise sollte die Temperatur zur Reinigung des Bandes nicht höher als 621 ºC liegen. Dessenungeachtet wird die Bandtemperatur gelegentlich infolge von Änderungen der Breite des Bandes und/oder der Materialstärke 649 ºC übersteigen. Kurze Ausnahmen, d. h. weniger als 10 min bei einer Temperatur von etwa 649 ºC oder wenig darüber, können bei sorgfältiger Kontrolle des Zustands der Schutzgasatmosphäre innerhalb des Ofenbereichs 16, der Kühlzonen 20, 22 und des Auslaßbereichs 26 hingenommen werden. Durch Beibehalten einer Schutzgasatmosphäre, die mindestens etwa 95 Vol.-% Wasserstoff im Ofenbereich 16, den Kühlzonen 20, 22 und der Eintrittsöffnung 26 enthält, können geringfügige Oxide des Bandes 11 im Ofenbereich 15 entfernt werden. In dieser Hinsicht wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß es besonders vorteilhaft ist, extrem niedrige Taupunkte in der Wasserstoffschutzgasatmosphäre beizubehalten, um die Bildung von Wasser infolge der Reduktion von Eisenund/oder Chromoxiden durch Wasserstoff in der Schutzgasatmosphäre auszugleichen. Vorzugsweise enthält die Schutzgasatmosphäre im Auslaßbereich 26 mindestens 97 Vol.-% Wasserstoff, und der Taupunkt sollte -29 ºC nicht übersteigen. Vorzugsweise sollte ein Taupunkt von -18 ºC im Ofenbereich 16 und den Kühlzonen 20, 22 beibehalten werden.
Wie in US-A-4 675 214 angegeben, nimmt die Reaktivität des Aluminium-Beschichtungsmetall s bei erhöhten Temperaturen zu. Demgemäß trägt ein Halten der Aluminiumbeschichtung auf 693 bis 716 ºC dazu bei, restliche Oberflächenoxide, die nicht durch die Schutzgasatmosphäre entfernt wurden, zu entfernen. Die Entfernung von Oxiden von der Oberfläche des Bandes ist jedoch unerwünscht, wenn dieses in das Metallbad zur Beschichtung mit Aluminium eingetaucht ist, da das reduzierte Oxid auf der Oberfläche des Beschichtungsbades Aluminiumoxid (Metallschlacke) erzeugt. Das Aluminiumoxid kann ebenfalls unbeschichtete Bereiche durch das Anhaften von Resten auf dem Band verursachen, wenn dieses aus dem Beschichtungsbehälter herausgeführt wird, wodurch die metallurgische Verbindung des Aluminium-Beschichtungsmetalls mit dem Stahlband verhindert wird.
Die Lehre der vorliegenden Erfindung ist besonders wichtig, wenn hohe Bandtemperaturen, z. B. über 830 ºC für die vollständige Temperung, benötigt werden, um Tiefziehstahlbänder für hochverformbare Produkte herzustellen. Für die Temperung von Bändern aus kohlenstoffarmem Stahl bei hohen Temperaturen werden bis etwa 90 % der dem Band insgesamt zugeführten Wärme in dem direkt beheizten Bereich des Ofens erbracht. Die folgenden Tabellen zeigen den prozentualen Anteil der insgesamt in das Bad eingebrachten Wärmemenge, der im Bereich des direkt beheizten Ofens für kohlenstoffarmen Stahl (Stand der Technik) und für ferritischen Chromlegierungsstahl (Erfindung) erbracht wurde. Stand der Technik d(mm) b(cm) v(m/min) T&sub1;(ºC) T&sub2;(ºC) % T2* Erfindung d Dicke des Bandes b = Breite des Bandes v = Geschwindigkeit des Bandes durch den Ofen T&sub1; = Temperatur des Bandes im direkt beheizten Ofen T&sub2; = Temperatur des Bandes im Strahlungsrohrofen * = % gesamter Wärmeinhalt.
Wie oben gezeigt, werden annähernd 90 % der gesamten Wärmemenge für vollständig getemperten kohlenstof farmen Stahl in dem direkt beheizten Bereich des Ofens aufgebracht, während weniger als 80 % der gesamten Wärmemenge für vollständig getemperten, durch Heißtauchen mit Aluminium beschichteten Chromlegierungsstahl in dem direkt beheizten Bereich des Ofens erbracht werden können, wenn eine übermäßige Oxidation vermieden werden soll. Mit anderen Worten muß für ein vollständig getempertes erfindungsgemäßes Band die maximal zulässige Bandtemperatur im direkt beheizten Ofen niedriger liegen als die Temperatur, die für die Bereitstellung von mindestens 80 % der gesamten Wärmezufuhr benötigt wird.
Die Wasserstoffatmosphäre kann für jeden Heiz- und Kühlbereich der Beschichtungsanlage zwischen dem direkt beheizten Ofen und der Zuführung des Beschichtungsbehälters verwendet werden. Die Beschichtungsmetalle schließen reines Aluminium sowie Legierungen auf Aluminiumbasis ein. Das Gewicht des Beschichtungsmetalls kann durch eine Endbehandlung an der Luft oder in einem abgedichteten Behälter kontrolliert werden.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Heißtauchbeschichtung von Stahlbändern mit einem Aluminium-Beschichtungsmetall, das folgende Schritte umfaßt:

- Erhitzen eines ferritischen Chromlegierungsstahlbandes in einer ersten Aufheizstufe in einer aus gasförmigen Verbrennungsprodukten eines Brennstoffs mit Luft bestehenden Atmosphäre, die keinen freien Sauerstoff enthält;

- weiteres Erhitzen des Bands in einer zweiten Heizstufe mindestens auf die Schmelztemperatur des Aluminium-Beschichtungsmetalls;

- Kühlen des Bands, falls erforderlich, bis nahe zur oder geringfügig über die Schmelztemperatur des Aluminium- Beschichtungsmetalls in einer Schutzgasatmosphäre aus mindestens etwa 95 Vol.-% Wasserstoff;

- Tauchen des Bands in ein Schmelzbad aus dem Beschichtungsmetall zum Aufbringen einer Überzugsschicht auf dem Band,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Band in der ersten Aufheizstufe auf eine Temperatur von nicht mehr als etwa 650 ºC aufgeheizt wird

und

- das Band in der zweiten Heizstufe in einer Schutzgasatmosphäre aus mindestens etwa 95 Vol.-% Wasserstoff auf eine Temperatur von mindestens etwa 830 ºC aufgeheizt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band in der ersten Aufheizstufe durch die direkte Verbrennung von Brennstoff und Luft auf eine Temperatur von nicht größer als etwa 621 ºC aufgeheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band in der zweiten Heizstufe in der Wasserstoffatmosphäre weiter auf eine Temperatur von 845 bis 955 ºC aufgeheizt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffatmosphäre weniger als etwa 200 ppm Sauerstoff enthält und einen Taupunkt unter etwa +4 ºC hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Band in der ersten Heizstufe beim Durchlaufen eines ersten direkt beheizten Ofenbereichs mit kontrollierter Durchlaufgeschwindigkeit aufgeheizt wird und ferner in der zweiten Heizstufe beim Durchlaufen eines zweiten Ofenbereichs vom Typ eines Strahlungsrohrofens aufgeheizt wird, wobei die Aufheizung im ersten Ofenbereich weniger als 80 % des gesamten Wärmegehalts des Bands nach der weiteren Aufheizung im zweiten Ofenbereich liefert.