EP0492566A1 - Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht auf aus Kupfer bestehendem Halbzeug - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht auf aus Kupfer bestehendem Halbzeug Download PDF

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EP0492566A1
EP0492566A1 EP91122083A EP91122083A EP0492566A1 EP 0492566 A1 EP0492566 A1 EP 0492566A1 EP 91122083 A EP91122083 A EP 91122083A EP 91122083 A EP91122083 A EP 91122083A EP 0492566 A1 EP0492566 A1 EP 0492566A1
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    • E04D3/24—Roof covering by making use of flat or curved slabs or stiff sheets with special cross-section, e.g. with corrugations on both sides, with ribs, flanges, or the like
    • E04D3/30—Roof covering by making use of flat or curved slabs or stiff sheets with special cross-section, e.g. with corrugations on both sides, with ribs, flanges, or the like of metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/05—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
    • C23C22/06—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6
    • C23C22/48—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6 not containing phosphates, hexavalent chromium compounds, fluorides or complex fluorides, molybdates, tungstates, vanadates or oxalates
    • C23C22/52—Treatment of copper or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a process for the industrial production of a protective and covering layer similar to the natural green-colored patina on rolled strips or sheets made of copper for the roof covering and facade cladding.
  • the resulting patina effectively protects the copper component from further weather influences, so that the rate of removal of the copper approaches zero when the patina reaches the highest basicity. It is therefore not surprising that practitioners began researching and imitating this protective layer at an early stage.
  • the artificial green patina of art objects, such as statues and vessels, has been known for a long time using the dot technique.
  • patina-colored plastic layers are applied to copper strips provided for the roof covering and facade cladding.
  • the disadvantage of this process is that the applied layers flake off very easily and that the self-healing mechanism of the natural patina is then missing.
  • the necessary processing techniques, such as soldering or folding, can only be carried out to a limited extent.
  • the invention is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset with which a green, firmly adhering top layer which is very similar to the natural patina can be produced on an industrial scale on the surface of copper semi-finished products.
  • the artificially green-patinated strips or sheets of copper produced by the process according to the invention have protective layers with excellent adhesive strength. Even the fingerprints that are often inevitable when installing roof covers and facade cladding remain largely unremarkable on the green patinated surface.
  • the protective and covering layer applied acts as a catalyst for the gradually developing natural patina, that is to say that the artificial protective layer changes over time into a natural patina under atmospheric influences.
  • the protective and cover layer consists of copper oxide (Cu2O) and an essentially copper-free metal salt.
  • the weight per unit area of the completely reacted protective layer is 180 to 680 mg / dm2 after aging, the range from 330 to 525 mg / dm2 being preferred.
  • a cold-rolled 1000 mm wide band made of SF copper in accordance with DIN 1787 with a thickness of 0.7 mm is first degreased in a continuous device.
  • the copper strip is first moved through a belt grinding machine to deliberately enlarge the surface, for example by a factor of 2, which, for. B. is provided with one or more sanding belts of grain size 40 to 60 and optionally with an additional brushing device.
  • the installed belt center or belt edge control ensures precise positioning of the copper belt in relation to the sanding belt.
  • the copper strip then passes through a duo-roll stand, the rolls of which are preferably in the direction of the roll axis have roughened or textured surfaces.
  • the copper strip then runs in a line through a spraying and squeezing device in which the chemical reaction solution for green patination is applied evenly to the surface. After the reaction solution has been applied, the copper strip is divided into finished lengths according to customer requirements using a cross-cut shear.
  • the copper tape or sheet coated on one side is separated into racks and the racks are then stored for 6 to 48 hours in an air-conditioned room at a temperature of around 20 ° C and a relative humidity of 70%.
  • an additional electrical voltage can be applied or gaseous reaction media can be introduced.
  • the weight per unit area of the protective and top layer was determined from a few test pieces. It averaged about 430 mg / dm2.
  • the bending and folding operations necessary for use in the construction sector can then be carried out on the artificially patinated copper strip without damage or large-scale detachment of the protective and covering layers.

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Abstract

Unter üblichen atmosphärischen Einflüssen bildet sich auf geneigten Oberflächen aus Kupfer erst nach jahrelanger Bewitterung eine gleichmäßige grüne Deckschicht, die sogenannte Patina. Es besteht schon lange der Wunsch, in großtechnischem Maßstab eine werkseitige Vorbewitterung der Oberfläche von aus Kupfer bestehendem Kalbzeug durchzuführen, die der natürlichen Grünpatinierung sehr ähnlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer künstlichen grünen Schutz- und Deckschicht besteht darin, die Oberfläche von entfetteten Bändern oder Blechen zunächst durch eine mechanische Behandlung gezielt aufzurauhen. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann die aufgerauhte Oberfläche der Bänder oder Bleche im kontinuierlichen Durchlauf mit einer geeigneten chemischen Reaktionslösung zur Grünpatinierung behandelt. Nach der chemischen Behandlung werden die Bänder oder Bleche in Fertigabmessungen in einem klimatisierten Raum einige Zeit ausgelagert.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur großtechnischen Herstellung einer der natürlichen grünfarbigen Patina ähnlichen Schutz- und Deckschicht auf aus Kupfer bestehenden gewalzten Bändern oder Blechen für die Dachabdeckung und Fassadenverkleidung.
  • Unter normalen atmosphärischen Einflüssen bildet Kupfer auf seiner Oberfläche erst nach einem relativ langen Zeitraum und auch nur unter bestimmten Bedingungen eine grün- bis türkisfarbene Schutzschicht, die sogenannte Patina. Die Bildungsgeschwindigkeit dieser natürlichen Patina ist beispielsweise von folgenden Parametern abhängig:
    • Zusammensetzung der Atmosphäre (Feuchtigkeit, Verunreinigungsgehalt)
    • Beanspruchung durch feste Teilchen (Sand, Staub)
    • Umgebungstemperatur
    • Neigung der Oberfläche der Kupferbauteile
    • Lage zur Hauptwetterrichtung
  • So sind in der Veröffentlichung des Deutschen Kupfer-Instituts "Chemische Färbung von Kupfer und Kupferlegierungen" für die verschiedenen atmosphärischen Einflüsse folgende Zeiten für die Ausbildung einer natürlichen Patina angegeben:
    • In Meeresluft nach etwa 6 Jahren
    • In Großstadt- und Industrieatmosphäre nach etwa 5 bis 8 Jahren
    • In normaler Stadtatmosphäre nach etwa 8 bis 12 Jahren.
  • Die entstandene Patina schützt das Kupferbauteil wirkungsvoll vor weiteren Witterungseinflüssen, so daß sich die Abtragungsrate des Kupfers mit Erreichen der höchsten Basizität der Patina dem Wert Null nähert. Es ist daher auch nicht überraschend, daß sich schon frühzeitig Praktiker mit der Erforschung und Nachahmung dieser Schutzschicht befaßt haben. So ist die künstliche Grünpatinierung von Kunstgegenständen, wie beispielsweise Statuen und Gefäßen, mittels der Tüpfeltechnik schon seit langer Zeit bekannt.
  • Weiterhin gibt es eine Reihe von reaktionsfähigen Patinierungslösungen, die in Spritz- oder Bürsttechnik auch auf größere Flächen, wie z. B. Dachabdeckungen, in mehreren Arbeitsgängen aufgetragen werden. Bekannt ist es ebenfalls, Einzelbleche aus Kupfer für die Dachabdeckung vorab mit einer Patinierungslösung zu behandeln.
  • Der Nachteil der bisher bekannten Verfahren ist darin zu sehen, daß sie entweder nur in aufwendiger Handarbeit oder nur für begrenzte Flächen angewendet werden können und damit für eine großtechnische Fertigung zu unwirtschaftlich sind.
  • Schließlich ist noch ein Verfahren bekannt, bei dem patinafarbene Kunststoffschichten auf für die Dachabdeckung und Fassadenverkleidung vorgesehenen Kupferbändern aufgebracht werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die aufgebrachten Schichten sehr leicht abplatzen und daß dann der Selbstheilungsmechanismus der natürlichen Patina fehlt. Hinzu kommt, daß die notwendigen Verarbeitungstechniken, wie Löten oder Abkanten, nur eingeschränkt durchführbar sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem auf der Oberfläche von aus Kupfer bestehendem Halbzeug in großtechnischem Maßstab eine grüne, festhaftende, der natürlichen Patina sehr ähnliche Deckschicht erzeugt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der im Anspruch 1 genannten Verfahrensmaßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß durch die kontinuierliche Fertigung
    • eine äußerst gleichmäßige Vorbehandlung sämtlicher Bänder und Bleche erreicht wird; diese ist eine wichtige Voraussetzung für eine künstliche Grünpatinierung mit einheitlicher Farbgebung,
    • variable Fertiglängen ohne Schneidabfall möglich sind,
    • keine Farbänderungen an den Band- oder Blechenden auftreten können,
    • keine Ausfälle des Schleifbands durch hochstehende Band- oder Blechenden entstehen,
    • eine gezielte Ansteuerung, beispielsweise des Schleifbands, durch die Bandmitten- oder Bandkantenregelung möglich ist.
  • Es hat sich ferner gezeigt, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten künstlich grünpatinierten Bänder oder Bleche aus Kupfer Schutzschichten mit hervorragender Haftfestigkeit aufweisen. Sogar die bei der Montage von Dachabdeckungen und Fassadenverkleidungen häufig unvermeidlichen Fingerspuren bleiben auf der grünpatinierten Oberfläche weitgehend unauffällig.
  • In weiteren Untersuchungen wurde festgestellt, daß die aufgebrachte Schutz- und Deckschicht als Katalysator für die sich allmählich ausbildende natürliche Patina wirkt, daß heißt, die künstliche Schutzschicht wandelt sich unter atmosphärischen Einflüssen im Laufe der Zeit in eine natürliche Patina um. Vorzugsweise besteht die Schutz- und Deckschicht aus Kupferoxid (Cu₂O) und einem im wesentlichen kupferfreien Metallsalz. Das Flächengewicht der vollständig reagierten Schutzschicht beträgt nach der Auslagerung 180 bis 680 mg/dm², wobei der Bereich von 330 bis 525 mg/dm² bevorzugt ist.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch weiter erläutert werden.
  • Ein kaltgewalztes 1000 mm breites Band aus SF-Kupfer gemäß DIN 1787 mit einer Dicke von 0,7 mm wird zunächst in einer Durchlaufeinrichtung entfettet. Unmittelbar anschließend wird daß Kupferband zur gezielten Vergrößerung der Oberfläche, beispielsweise um den Faktor 2, zunächst durch eine Bandschleifmaschine gefahren, die z. B. mit einem oder mehreren Schleifbändern der Körnung 40 bis 60 sowie gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Bürsteinrichtung versehen ist. Die installierte Bandmitten- oder Bandkantenregelung sorgt für eine genaue Positionierung des Kupferbands gegenüber dem Schleifband. Danach durchläuft das Kupferband noch ein Duowalzgerüst, dessen Walzen vorzugsweise in Richtung der Walzenachse aufgerauhte bzw. texturierte Oberflächen aufweisen. In Linie durchläuft das Kupferband anschließend eine Sprüh- und Abquetscheinrichtung, in der die chemische Reaktionslösung zur Grünpatinierung gleichmäßig auf die Oberfläche aufgebracht wird. Nach Aufbringen der Reaktionslösung wird das Kupferband durch eine mitlaufende Querteilschere in Fertiglängen je nach Kundenanforderungen eingeteilt. Das einseitig beschichtete Kupferband oder -blech wird in Gestelle vereinzelt und die Gestelle werden dann 6 bis 48 Stunden in einem klimatisierten Raum bei einer Temperatur von etwa 20 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70 % ausgelagert. Um die Ausbildung der Schutzschicht auf dem Kupfer in dem klimatisierten Raum zu beschleunigen, kann entweder zusätzlich eine elektrische Spannung angelegt oder gasförmige Reaktionsmedien eingeleitet werden. Nach der Auslagerung wurde das Flächengewicht der Schutz- und Deckschicht von einigen Probestücken bestimmt. Es betrug durchschnittlich etwa 430 mg/dm².
  • An dem künstlich grünpatinierten Kupferband können anschließend die für die Verwendung im Baubereich notwendigen Biege- und Abkantoperationen durchgeführt werden, ohne daß Beschädigungen oder großflächige Ablösungen der Schutz- und Deckschicht auftreten.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht auf aus Kupfer bestehenden gewalzten Bändern oder Blechen für die Dachabdeckung und Fassadenverkleidung, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensmaßnahmen:
    - Die Oberfläche von entfetteten Bändern oder Blechen wird zunächst durch eine mechanische Behandlung aufgerauht.
    - Die Bänder oder Bleche werden dann mit einer an sich bekannten chemischen Reaktionslösung zur Grünpatinierung im kontinuierlichen Durchlauf behandelt.
    - Die chemisch behandelten Bänder oder Bleche werden anschließend in einem klimatisierten Raum ausgelagert.
  2. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Behandlung kontinuierlich durch Schleifen und/oder Bürsten oder Rauhwalzen vorgenommen wird.
  3. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kupferbands durch die mechanische Behandlung um den Faktor 1,1 bis 5 vergrößert wird.
  4. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferband von einer Abzugsvorrichtung zu einer Aufwickelvorrichtung gezogen wird, wobei zwischen Kupferband und dem Schleifband und/oder den Bürsten ein definierter Anpreßdruck eingestellt wird.
  5. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Kupferoxid und einem im wesentlichen kupferfreien Metallsalz besteht.
  6. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengewicht der Schicht 180 bis 680 mg/dm², vorzugsweise 330 bis 525 mg/dm² beträgt.
  7. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch behandelten Bänder oder Bleche bei einer im Bereich zwischen 15 und 35 °C liegenden Temperatur und einer Luftfeuchtigkeit zwischen 70 und 100 % ausgelagert werden.
  8. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslagerung der chemisch behandelten Bänder oder Bleche durch Anlegen einer Spannung oder durch Zugabe von gasförmigen Reaktionsmitteln beschleunigt wird.
  9. Verfahren zur Herstellung einer grünen Schutz- und Deckschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferband entweder nach dem mechanischen Behandlungsschritt oder nach dem Auftragen der Reaktionslösung kontinuierlich auf die benötigten Längen quereingeteilt wird.
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