EP3078764A2 - Verfahren zum erzeugen einer schutz- oder sonstigen funktionsschicht auf einem metallischen werkstoff - Google Patents

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EP3078764A2
EP3078764A2 EP16000777.9A EP16000777A EP3078764A2 EP 3078764 A2 EP3078764 A2 EP 3078764A2 EP 16000777 A EP16000777 A EP 16000777A EP 3078764 A2 EP3078764 A2 EP 3078764A2
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EP
European Patent Office
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metallic material
coating material
layer
powder
coating
Prior art date
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Withdrawn
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EP16000777.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3078764A3 (de
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Miriam SARTOR
Martin Wunde
Andrea LEMKE
Tilo REICHARDT
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BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Original Assignee
BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
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Publication date
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Publication of EP3078764A3 publication Critical patent/EP3078764A3/de
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    • 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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B45/00—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B45/02—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills for lubricating, cooling, or cleaning
    • B21B45/0239—Lubricating
    • B21B45/0242—Lubricants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/005—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00 using exothermic reaction compositions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B21/00—Pilgrim-step tube-rolling, i.e. pilger mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B9/00—Measures for carrying out rolling operations under special conditions, e.g. in vacuum or inert atmosphere to prevent oxidation of work; Special measures for removing fumes from rolling mills

Definitions

  • Oxide layers on metallic materials are formed by a chemical reaction of the metal with oxygen. Does this happen at high temperatures, such. As in the heating of the material for hot forming or in the hot forming itself, the oxide layer is often referred to as a scale layer or burn-off. Scale layers are especially with iron materials, such as. B. steel undesirable. In contrast to nobler metals, which do not or only slightly oxidize, forming a solid, dense oxide layer, the oxidation of ferrous materials from the surface progresses further and further into the interior of the material. In this case, metal ions and / or oxygen ions diffuse and iron oxides are formed.
  • Oxidation (especially scale) converts the metallic material into oxide and leads to metal loss or loss of alloying elements (e.g., C). In addition, oxidation or the resulting oxide deteriorates the material properties, in particular the surface properties, of the material. In addition, parts of the oxide layer usually detach in the manufacturing process and lead to abrasive tool wear.
  • alloying elements e.g., C
  • oxidation or the resulting oxide deteriorates the material properties, in particular the surface properties, of the material.
  • parts of the oxide layer usually detach in the manufacturing process and lead to abrasive tool wear.
  • the oxidation of metallic materials is a complex process that depends on many factors. Particularly disadvantageous are high temperatures and a higher residence time of the metallic material under high temperatures. This is a particular problem in the hot forming of metallic materials, as high temperatures and long times are imperative for the production progress.
  • the metallic material is also proposed in the prior art to provide the metallic material with a protective coating.
  • a durable coating which is only suitable for certain applications and is destroyed especially at heating and processing temperatures of over 1000 ° C and forming processes.
  • prior art temporary or permanent coatings are deposited as much as possible prior to processing at room temperature of the metal and are based on a coating technique that requires a liquid carrier medium for the coating material.
  • a scale protection layer for steels that are hot worked is known.
  • the application of the protective layer takes place before hot forming at room temperature.
  • This is a sol-gel coating, which is preferably applied by dip coating.
  • Application to hot metal surfaces is not possible with such liquid-based coating methods.
  • Another disadvantage of the coating according to WO 2011/144603 is that these are not for higher residence times under higher Temperatures, in particular a reheating eliminates in multi-stage hot forming processes as an application.
  • the invention has for its object to propose a method for producing a protective or other functional layer on a metallic material, the effective protection of the metallic material from oxidation and / or other functions, such as corrosion protection, allow and good can be applied.
  • a coating material for such a method should be proposed.
  • the invention is based on the idea that the coating material is applied to the hot metal surface without the need for a liquid carrier medium.
  • a liquid carrier medium In particular, preferably no pasty carrier medium is used.
  • oxide layer is meant a layer in which oxidation has occurred.
  • the oxide layer may at least partially comprise the conditioning layer and / or the metallic material.
  • substances of the conditioning layer and / or substances of the metallic material as well as atmospheric oxygen or other atmospheric constituents may be involved in the oxidation.
  • the term “oxide layer” includes a scale layer, ie an oxide layer, which forms on hot metals.
  • Oxidation is meant, in particular, a chemical reaction in which a substance combines with an oxidizing gas, more preferably oxygen. Oxidation, in a broader sense, involves electron transfer through a substance. The emitted electrons are absorbed by another substance (reduction). Oxidation and reduction are two partial reactions of the redox reaction. In a redox reaction z.
  • iron oxides such as FeO (Wüstit), Fe 3 O 4 (magnetite) and Fe 2 O 3 (hematite). Wüstite, magnetite and hematite are mostly oxide skins or partial oxide layers of the scale layer in iron materials.
  • Oxidation also encompasses the redox reaction and all reactions and processes which adversely affect the metallic material, in particular its surface, such as by decomposition, corrosion or the like. Oxidation can thus also refer to compounds that contain no oxygen.
  • the term "substance” includes all elements and compounds, e.g. For example, molecular and ionic compounds.
  • An oxidizing substance is a substance capable of oxidizing another substance.
  • An oxidizable substance is a substance that is oxidized by another substance.
  • oxidizing means that a substance combines with oxygen.
  • Oxidizing means that a substance emits electrons or forms a compound as a result of a redox reaction or other reactions.
  • the oxidation takes place at high temperatures and in particular during or after the application to the metallic material.
  • the oxidisable substance is particularly preferably an oxide, ie a compound which contains oxygen.
  • the coating material has at least one oxidisable substance.
  • the oxidizable substance thus initially forms a portion of the coating material.
  • the proportion can z. B. in weight percent (wt .-%), with a 100% share is conceivable.
  • the coating material preferably comprises a plurality of oxidizable substances which together form a mixture.
  • the coating material may also contain non-oxidizing or non-oxidizable substances.
  • Application of the coating material to the metallic material produces the conditioning layer on the material.
  • the material sinters after application or melts completely.
  • the method according to the invention it is particularly preferred to carry out a conditioning of the oxide layer on a metallic material.
  • “Conditioning” is to be understood as influencing the oxide layer properties.
  • oxide layer properties in particular, the formation, the adhesion to the metallic material, the composition and the morphology of the oxide layer are considered.
  • the aim is to reduce the oxide layer formation and to improve the removability of the metallic material.
  • the conditioning of the oxide layer leads to the fact that in particular only the conditioning layer oxidizes, but not the metallic material.
  • the conditioning layer may also be a layer which is diffusion-tight in particular for oxygen.
  • the conditioning layer can also be used for refining or functionalizing the metallic material.
  • the method according to the invention can lead to reduced surface defects of the metallic material and reduced tool wear.
  • the inventive method is used at temperatures of the metallic material of at least 150 ° C.
  • the metallic material has a temperature at which hot forming of the metallic material is possible.
  • hot forming a transformation of a material takes place above the recrystallization temperature of the material.
  • the recrystallization temperature depends on the material. As a rule of thumb (rough guideline), 0.4 x melting temperature [K] of the material can be used.
  • the process for conditioning the oxide layer on metallic materials for iron materials, in particular steel preferably takes place, in particular preferably when these have a material temperature between 600 and 1300 ° C. It has been found that the invention is particularly effective in this environment.
  • the carrier medium is a medium which carries the coating material and is applied to the metallic material together with the coating material to form a coating.
  • the carrier medium usually has the task of uniformly distributing a particulate or gelatinous coating material and thus ensuring a uniform coating.
  • the mixture of carrier medium and particles of the coating material is usually a dispersion, in particular a suspension. Such mixtures are therefore based on liquid carrier media (such as gel-sol coatings).
  • a particularly disadvantageous effect of such coatings is that, when applied to hot surfaces, the carrier medium evaporates rapidly, with the coating particles being distributed very unevenly and, in particular, particle agglomerations occurring.
  • the metallic material is preferably an iron material.
  • the inventive method is particularly well suited for use in iron materials, since iron is very susceptible to oxidation compared to other metals, such as chromium or nickel.
  • the metallic material is steel. This includes all types of steel.
  • the coating material can be present in all states of aggregation before application.
  • the coating material according to the invention is powdery before application and in particular preferably before and during application.
  • the powder preferably has microscale, in particular preferably nanoscale particles.
  • the coating material has at least one metallurgical powder, in particular powder types for submerged arc welding or casting powder.
  • Metallurgical powders mostly consist of oxides, such as B 2 O 3 , SiO 2 , CaO, MgO, Al 2 O 3 , Na 2 O and Fe 2 O 3 . They are ideal for forming an oxide layer that protects the underlying material well from the effects of oxidizing gases in the atmosphere. Furthermore, the oxide layer can be removed well after cooling.
  • metallurgical powders are commercially available and can be z. B. by mixing well with other substances, so that their scope can be extended appropriately.
  • the addition of feldspar and borax which may act as fluxes, may influence the solubility of the powder constituents in the molten slag and the melting temperature of the coating material. This makes it possible to adapt the properties of the coating material to the conditions in the manufacturing process, in particular to the high temperatures of the metallic material. It is also possible that the powder contains fractions of a pulverized slag.
  • Preferably used powders are basic powders, in particular aluminate- and fluoride-based, exothermic powders and oxidic powders (SiO 2 , CaO, MgO, Al 2 O 3 , iron oxides, Na 2 O).
  • Powder types for submerged arc welding are particularly suitable for the conditioning of the oxide layer on metallic materials.
  • Powder types are identified by labels and have a characteristic chemical composition.
  • the aluminate-basic type has the characteristic "AB" and has the chemical composition Al 2 O 3 + CaO, + MgO, these substances constituting at least 40% by weight of the powder of aluminate-basic type.
  • CaO and MgO are deoxidizing and ensure a porous and easily removable slag.
  • Al 2 O 3 is refractory and well suited to form solids on the melt which prevent or reduce the diffusion of oxidizing gases.
  • powder types have a basicity indicating whether the powder is basic or acidic. At a basicity value below 1, the powder is considered to be acidic, at a basicity value equal to 1 to be neutral and at a basicity value above 1 to be basic.
  • Casting powder are used for example in continuous casting and have u.a. the task of preventing the adhesion of a molten steel in a mold and to protect the molten steel from oxidation by the ambient air.
  • the powder type is a fluoride-based type, preferably having a basicity of 3.2, an aluminate-basic type, preferably having a basicity of 1.5, an aluminate-rutile type, preferably having a basicity of 0, 6, or used as casting powder an exothermic casting powder.
  • the coating material can also be added to other substances.
  • Coating materials of mixtures of different powder types were applied to hot steel having temperatures of 1000 to 1300 ° C. After cooling, a very porous and partially self-deposited oxide layer formed. Under the oxide layer partially bare metal came to light.
  • the coating material is applied by an electrostatic powder coating method, e.g. the so-called corona process applied to the metallic material.
  • the electrostatic powder coating is known for example from the field of color coating.
  • electrically conductive workpieces are coated with powder coating, wherein the particles of the powder coating are applied electrostatically.
  • An electrostatic charge can, for. B. by high voltage (corona charging) or by friction (triboelectric) done.
  • the powdery coating material without liquid or gel carrier medium, such as in the sol-gel coating, or a plasma is applied to the metallic material.
  • This application technique is therefore particularly suitable for use at very high material temperatures, since above all the low melting temperature and the evaporation of the carrier medium are not problematic here.
  • the electrostatic powder coating is ideal for uniform application of the powder to the metallic material.
  • the layer thickness can be adapted to individual product requirements and production conditions. Another advantage is the reduction of overspray, so the powder portion that could not be applied in an undesirable manner.
  • a circulation coating is possible in which overspray is reused. Likewise, the emission of solvents in the workplace can be avoided.
  • the electrostatic powder coating offers the further advantage in terms of anti-scaling protection that the generation of the conditioning layer by the missing carrier phase (the missing liquid carrier medium) is not bound to any upper substrate temperature (no evaporation or decomposition of the carrier medium). This can lead to the advantage of less influence on the layer structure in comparison to applied at liquid temperatures, based on liquid carrier media coating method. Furthermore, there is the advantage of easy automation and the possibility of application to the hot product, especially on the starting material or intermediates in a multi-stage forming. In addition, the electrostatic powder coating offers the possibility of preventing particle agglomeration and thus the possibility of an efficient and uniform layer structure.
  • the coating material has at least one oxidizable substance having a melting temperature T 1 , which has a higher melting temperature T 2 due to oxidation.
  • T 1 is smaller than the temperature of the metallic material in the application T w .T 2, however, is higher than T w .
  • the increase in the melting temperature is due to oxygen uptake and oxide formation. This allows the oxidizable substance to sinter or melt after application.
  • the layer formed may be diffusion-tight or anti-oxidant for oxidizing gases or oxidized by the oxidizing gases. It has been shown that in this way the oxidation of the metallic material can be effectively reduced or even avoided. Particular preference is given to nanoscale solids, since their sintering and melting points can be specifically influenced and thus form a very effective barrier against oxidizing gases.
  • the melting temperature of the oxidizable substance can be adjusted in a targeted manner. This can be done, for example, by adding certain substances, such as flux, to the coating material or by selecting suitable powders, powder types or powder mixtures. You can take advantage of the fact that certain mixtures of substances depending on their composition and / or the particle size have a variable sintering or melting temperature. For example, a mixture of 67% by weight of Li 2 O (lithium oxide) and 33% by weight of SiO 2 (silicon dioxide) has a melting temperature of about 1000 ° C. If the proportion of silicon dioxide (for example, by enrichment of oxygen and oxide formation) is increased to 50% by weight, the substance mixture has a melting temperature of more than 1200 ° C.
  • Li 2 O lithium oxide
  • SiO 2 silicon dioxide
  • the coating material comprises at least one metallic material of the metallic material, which acts as a sacrificial substance during the oxidation.
  • Sacrificial material means that the metallic material of the coating material is oxidized during application and thereby a sacrificial oxide layer is formed, which prevents or at least reduces progress of the oxidation process in the direction of the metallic material.
  • Wüstite (FeO) is particularly suitable as a sacrificial material for iron materials, since FeO is the iron oxide with the lowest oxygen content.
  • an application is carried out in a manufacturing process with several sub-processes at least before (or after) a sub-process.
  • This embodiment is particularly useful in multi-stage hot forming processes, such as open-die forging, die forging, hot strip production and vocational rolling, and master forming (e.g., strand or ingot casting) and combinatorial (strip casting, CSP).
  • Partial processes include in particular forming and heating (heating) of the material.
  • forging forging forgings are forged several times, with the workpiece approaching the finished shape after each forging operation.
  • the forging blocks can only be reshaped until a temperature of 600 ° C is reached.
  • the forging blocks must be reheated to 1250 ° C in an intermediate heat. It makes sense here several applications that take place in particular between the individual forming processes and the individual warming.
  • Secondary scale arises in particular during the forming and the subsequent cooling. Secondary scale is thinner and more adherent than primary scale, which is predominantly formed when the metallic material is heated and can be removed relatively well. Furthermore, the formation of Tertiärzunder can be reduced in the cooling section.
  • the inventive method is particularly advantageous for conditioning of oxide layers on metallic materials during hot rolling, open-die forging, drop forging, vocational rolling, continuous casting and other manufacturing processes with high material temperatures.
  • the metallic material is processed or produced at very high temperatures.
  • the metallic material is sometimes transformed in several stages, with reheating taking place between the forming stages.
  • the method according to the invention makes it possible to reduce or even completely prevent oxide layers which form on the metallic material during production.
  • the method of the invention is, for example, to reduce the secondary oresund Sieg during forming, to reduce Tertiärzunder when cooling or improving the Entzunder stresses by lower adhesion.
  • the method according to the invention for the combined reduction of scale formation and the change in the tribological properties of the metallic material, for example in use as a lubricant.
  • the method according to the invention may also be suitable for influencing the decarburization.
  • alloying close to the edge for example for corrosion protection, is possible.
  • the inventive method for targeted thermochemical surface treatment can be used.
  • an insert for the hot transfer in the subsequent process for example, for the isolation of the materials can be successfully carried out.
  • the method of the invention for conditioning of surface properties in the subsequent processing or when applying anti-scaling protection for subsequent heating in the rolling process offers.
  • FIG. 1 shows in the upper section the last roll stand (roll pair) 5 of the finishing train of a hot strip mill.
  • the designed as a rolled hot strip metallic material 6 made of steel moves in the direction of the horizontal arrow.
  • the vertical arrows point to four different positions 1 to 4 of the hot strip 6 out.
  • the cross sections of the hot strip 6 at the points 1 to 4 can be seen.
  • the conditioning layer 7 consists of a coating material which contains an oxidizable substance mixture which has a melting temperature of 1000 ° C.
  • the temperature of the hot strip 6 is 1100 ° C here.
  • the temperature of the hot strip 6 is still 1100 ° C. Meanwhile, the melting temperature of the oxidizable substance mixture has increased to 1200 ° C due to the oxidation and the formation of oxidic solids.
  • the conditioning layer 7 prevents the diffusion of oxidizing gases, such as oxygen, from the environment into the hot strip. It can thus form no metal oxides.
  • the hot strip 6 and the conditioning layer 7 are cooled to room temperature.
  • the conditioning layer 7 is now highly porous and easily removable.
  • the oxide layer which has formed here comprises only the conditioning layer, d. H. only substances of the conditioning layer are oxidized, not the hot strip.
  • a post-treatment 8 z. As scale cleaning, the conditioning layer 7 or oxide layer can be easily removed. The hot strip 6 could thus be effectively protected against scaling or oxidation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff, wobei - eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder - eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht und/oder - eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht durch Applikation eines Beschichtungsmaterials, vorzugsweise einem solchen mit mindestens einem oxidierenden Stoff auf den metallischen Werkstoff gebildet wird. Der metallische Werkstoff hat bei der Applikation eine Temperatur von mindestens 150 °C, insbesondere eine Temperatur, bei der eine Warmumformung des metallischen Werkstoffs möglich ist. Dabei kann die Applikation des Beschichtungsmaterials ohne flüssigem Trägermedium erfolgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff, wobei
    • eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder
    • eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht und/oder
    • eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht
    durch Applikation eines Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff gebildet wird. Ebenso betrifft die Erfindung ein Beschichtungsmaterial für ein derartiges Verfahren.
  • Oxidschichten auf metallischen Werkstoffen entstehen durch eine chemische Reaktion des Metalls mit Sauerstoff. Geschieht dies bei hohen Temperaturen, wie z. B. bei der Erwärmung des Materials für die Warmumformung oder bei der Warmumformung selbst, wird die Oxidschicht oft als Zunderschicht oder Abbrand bezeichnet. Zunderschichten sind besonders bei Eisenwerkstoffen, wie z. B. Stahl unerwünscht. Im Gegensatz zu edleren Metallen, die nicht oder nur geringfügig oxidieren und dabei eine feste, dichte Oxidschicht bilden, schreitet die Oxidation bei Eisenwerkstoffen von der Oberfläche immer weiter ins Werkstoffinnere voran. Dabei diffundieren Metallionen und/oder Sauerstoffionen und es bilden sich Eisenoxide.
  • Oxidation (insbesondere Zunder) wandelt den metallischen Werkstoff in Oxid um und führt zu Metallverlust oder zu Verlust von Legierungselementen (z.B. C). Zudem verschlechtert Oxidation bzw. das entstandene Oxid die Materialeigenschaften, insbesondere die Oberflächeneigenschaften, des Werkstoffs. Zudem lösen sich meist Teile der Oxidschicht im Fertigungsprozess ab und führen zu abrasivem Werkzeugverschleiß.
  • Die Oxidation metallischer Werkstoffe ist ein komplexer Vorgang, der von vielen Faktoren abhängt. Besonders nachteilig wirken sich hohe Temperaturen und eine höhere Verweilzeit des metallischen Werkstoffs unter hohen Temperaturen aus. Dies ist insbesondere ein Problem bei der Warmumformung metallischer Werkstoffe, da hohe Temperaturen und lange Zeiten für den Produktionsfortschritt zwingend erforderlich sind.
  • In der metallherstellenden und metallverarbeitenden Industrie werden Maßnahmen getroffen, die eine Oxidation des metallischen Werkstoffs bei Warmumformungen verringern oder verhindern sollen. Teilweise werden metallische Werkstoffe unter Schutzgasatmosphäre mit inerten Gasen, wie Stickstoff, Edelgase oder Wasserstoff, erwärmt und verarbeitet. Problematisch sind hierbei die hohen Investitionskosten für entsprechende Anlagen. Des Weiteren kann hierbei Oxidation nicht verhindert werden, wenn der metallische Werkstoff vom Wärmeaggregat in das Umformaggregat transportiert wird. Wenige Sekunden an der ungeschützten Atmosphäre reichen aus, um Metalloxide an der Oberfläche des metallischen Werkstoffs entstehen zu lassen.
  • Ferner wird im Stand der Technik vorgeschlagen, den metallischen Werkstoff mit einer Schutzbeschichtung zu versehen. Einerseits handelt es sich dabei um eine dauerhafte Beschichtung, die sich nur für bestimmte Anwendungsbereiche eignet und insbesondere bei Wärm- und Bearbeitungstemperaturen von über 1000 °C und Umformprozessen zerstört wird. Andererseits werden temporäre oder dauerhafte Beschichtungen aus dem Stand der Technik weitestgehend vor der Bearbeitung bei Raumtemperatur des Metalls aufgetragen und basieren auf einer Beschichtungstechnik, die ein flüssiges Trägermedium für das Beschichtungsmaterial erfordert.
  • Aus der WO 2011/144603 ist beispielsweise eine Zunderschutzschicht für Stähle, die warmumgeformt werden, bekannt. Die Applikation der Schutzschicht findet vor der Warmumformung bei Raumtemperatur statt. Dabei handelt es sich um eine Sol-Gel-Beschichtung, die bevorzugt durch Tauchbeschichtung aufgetragen wird. Eine Applikation auf heiße Metalloberflächen ist mit derartigen flüssigkeitsbasierten Beschichtungsverfahren nicht möglich. Ein weiterer Nachteil der Beschichtung gemäß WO 2011/144603 ist, dass diese sich nicht für längere Verweilzeiten unter höheren Temperaturen eignet, wobei insbesondere eine Wiedererwärmung bei mehrstufigen Warmumformprozessen als Anwendung ausscheidet.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff vorzuschlagen, die einen effektiven Schutz des metallischen Werkstoffs vor Oxidation und/oder weitere Funktionen, wie beispielsweise einen Korrosionsschutz, ermöglichen und sich gut auftragen lässt. Ebenso soll ein Beschichtungsmaterial für ein derartiges Verfahren vorgeschlagen werden.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 4, 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der hier nachfolgenden Beschreibung angegeben.
  • Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass das Beschichtungsmaterial auf die heiße Metalloberfläche aufgetragen wird, ohne dass dafür ein flüssiges Trägermedium erforderlich ist. Insbesondere bevorzugt wird auch kein pastöses Trägermedium verwendet. Es erfolgt eine Reaktion bzw. eine Wechselwirkung zwischen dem reaktiven Bereich der Substratoberfläche des metallischen Werkstoffs und dem Beschichtungsmaterial, die zu der gewünschten Konditionierungsschicht führt.
  • Unter "Oxidschicht" ist eine Schicht zu verstehen, in der eine Oxidation stattgefunden hat. Die Oxidschicht kann dabei zumindest teilweise die Konditionierungsschicht und/oder den metallischen Werkstoff umfassen. An der Oxidation können somit Stoffe der Konditionierungsschicht und/oder Stoffe des metallischen Werkstoffs sowie Luftsauerstoff o. weiterer atmosphärische Bestandteile beteiligt sein. Insbesondere umfasst der Begriff "Oxidschicht" eine Zunderschicht, also eine Oxidschicht, die sich auf heißen Metallen bildet.
  • Unter "Oxidation" ist insbesondere eine chemische Reaktion zu verstehen, bei der sich ein Stoff mit einem oxidierenden Gas, besonders bevorzugt Sauerstoff, verbindet. Im erweiterten Sinne umfasst Oxidation die Elektronenabgabe durch einen Stoff. Die abgegebenen Elektronen werden von einem anderen Stoff aufgenommen (Reduktion). Oxidation und Reduktion sind zwei Teilreaktionen der Redoxreaktion. Bei einer Redoxreaktion entstehen z. B. Eisenoxide wie FeO (Wüstit), Fe3O4 (Magnetit) und Fe2O3 (Hämatit). Wüstit, Magnetit und Hämatit sind meist Oxidhäute bzw. Teiloxidschichten der Zunderschicht bei Eisenwerkstoffen. Vorliegend umfasst der Begriff "Oxidation" auch die Redoxreaktion sowie alle Reaktionen und Prozesse, die sich nachteilig auf den metallischen Werkstoff, insbesondere seine Oberfläche, auswirken wie durch Zersetzung, Korrosion oder dergleichen. Oxidation kann sich somit auch auf Verbindungen beziehen, die keinen Sauerstoff enthalten.
  • Der Begriff "Stoff" umfasst alle Elemente und Verbindungen, z. B. molekulare und ionische Verbindungen. Ein oxidierender Stoff ist ein Stoff, der in der Lage ist, einen anderen Stoff zu oxidieren. Ein oxidierbarer Stoff ist ein Stoff, der von einem anderen Stoff oxidiert wird. "Oxidieren" bedeutet für den genannten Fall, dass ein Stoff sich mit Sauerstoff verbindet. "Oxidieren" bedeutet, dass ein Stoff Elektronen abgibt bzw. eine Verbindung infolge einer Redoxreaktion oder anderer Reaktionen eingeht. Vorzugsweise findet die Oxidation bei hohen Temperaturen und insbesondere bei oder nach der Applikation auf den metallischen Werkstoff statt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem oxidierbaren Stoff um ein Oxid, also eine Verbindung, die Sauerstoff enthält.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
    • eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder
    • eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht und/oder
    • eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht
    gebildet. Unter einer diffusionshemmenden oder -dichten Konditionierungsschicht wird eine solche Schicht verstanden, die das Eindringen von oxidierenden Stoffen in eine unmittelbar unter der diffusionshemmenden oder -dichten Konditionierungsschicht liegende Schicht hemmt oder zumindest im Wesentlichen verhindert. Unter einer als Opferschicht dienenden Konditionierungsschicht wird eine Schicht verstanden, deren Bestandteile durch einen oxidierenden Stoff oxidiert werden und durch diese Oxidation das Eindringen von oxidierenden Stoffen in eine unmittelbar unter der Konditionierungsschicht liegende Schicht verhindert wird. Unter einer als Funktionsschicht dienenden Konditionierungsschicht wird eine solche Schicht verstanden, die der Oberfläche des metallischen Werkstoffs weitere Funktionen gibt, wie beispielsweise einen Korrosionsschutz.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere bevorzugt in einer solchen Ausführungsform, in der eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht erzeugt werden soll, weist das Beschichtungsmaterial mindestens einen oxidierbaren Stoff auf. Der oxidierbare Stoff bildet somit zunächst einen Anteil des Beschichtungsmaterials. Der Anteil kann z. B. in Gewichtsprozent angegeben werden (Gew.-%), wobei ein 100%iger Anteil denkbar ist. Das Beschichtungsmaterial weist vorzugsweise mehrere oxidierbare Stoffe, die miteinander ein Gemisch bilden, auf. Das Beschichtungsmaterial kann auch nichtoxidierende bzw. nicht oxidierbare Stoffe enthalten. Durch Applikation des Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff entsteht auf dem Werkstoff die Konditionierungsschicht. Vorzugsweise sintert das Material nach der Applikation oder schmilzt vollständig auf.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere bevorzugt eine Konditionierung der Oxidschicht auf einem metallischen Werkstoff durchgeführt. Unter "Konditionierung" ist die Beeinflussung der Oxidschichteigenschaften zu verstehen. Als Oxidschichteigenschaften werden insbesondere die Bildung, die Adhäsion am metallischen Werkstoff, die Zusammensetzung und die Morphologie der Oxidschicht erachtet. Insbesondere wird mit der Konditionierung der Oxidschicht das Ziel verfolgt, die Oxidschichtbildung zu verringern und die Ablösbarkeit vom metallischen Werkstoff zu verbessern. Idealerweise führt die Konditionierung der Oxidschicht dazu, dass insbesondere lediglich die Konditionierungsschicht oxidiert, aber nicht der metallische Werkstoff. Ferner kann die Konditionierungsschicht auch eine insbesondere für Sauerstoff diffusionsdichte Schicht sein. Die Konditionierungsschicht kann auch zur Veredelung oder Funktionalisierung des metallischen Werkstoffs verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zu verringerten Oberflächendefekten des metallischen Werkstoffs und einem verringerten Werkzeugverschleiß führen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Temperaturen des metallischen Werkstoffs von mindestens 150 °C angewandt. Insbesondere weist der metallische Werkstoff dabei eine Temperatur auf, bei der eine Warmumformung des metallischen Werkstoffs möglich ist. Bei einer Warmumformung findet eine Umformung eines Werkstoffs oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs statt. Die Rekristallisationstemperatur ist vom Werkstoff abhängig. Als Faustformel (grober Richtwert) kann 0,4 x Schmelztemperatur [K] des Werkstoffs herangezogen werden.
  • Vorzugsweise findet das Verfahren zur Konditionierung der Oxidschicht an metallischen Werkstoffen für Eisenwerkstoffe, insbesondere Stahl, statt, insbesondere bevorzugt, wenn diese eine Werkstofftemperatur zwischen 600 und 1300 °C aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass die Erfindung in diesem Umfeld besonders wirksam ist.
  • Zwar ist der Temperaturbereich der Warmumformung bevorzugt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Warmumformung beschränkt ist. Prinzipiell kommen alle umformenden und urformenden Fertigungs- und Wärmebehandlungsverfahren hierfür in Betracht.
  • Als Trägermedium ist ein Medium zu verstehen, dass das Beschichtungsmaterial trägt und zur Bildung einer Beschichtung zusammen mit dem Beschichtungsmaterial auf den metallischen Werkstoff aufgetragen wird. Üblicherweise hat das Trägermedium die Aufgabe, ein partikuläres oder gelförmiges Beschichtungsmaterial gleichmäßig zu verteilen und somit eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Das Gemisch aus Trägermedium und Partikeln des Beschichtungsmaterials ist meistens eine Dispersion, insbesondere eine Suspension. Derartige Gemische basieren daher auf flüssigen Trägermedien (wie z. B. Gel-Sol-Beschichtungen). Besonders nachteilig wirkt sich bei derartigen Beschichtungen aus, dass bei einer Applikation auf heiße Oberflächen das Trägermedium schnell verdampft, wobei sich die Beschichtungspartikel sehr ungleichmäßig verteilen und es insbesondere zu Partikelagglomerationen kommt.
  • Als metallischer Werkstoff kommen alle Metallwerkstoffe der metallherstellenden und metallverarbeitenden Industrie in Betracht. Bevorzugt handelt es sich bei dem metallischen Werkstoff um einen Eisenwerkstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Anwendung für Eisenwerkstoffe, da Eisen im Vergleich zu anderen Metallen, wie Chrom oder Nickel, sehr oxidationsanfällig ist. Insbesondere bevorzugt handelt es sich bei dem metallischen Werkstoff um Stahl. Dies umfasst alle Stahlsorten.
  • Das Beschichtungsmaterial kann vor der Applikation in allen Aggregatzuständen vorliegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial vor der Applikation pulverförmig und insbesondere bevorzugt vor und während der Applikation pulverförmig. Vorzugsweise weist das Pulver mikroskalige, insbesondere bevorzugt nanoskalige Partikel auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial mindestens ein metallurgisches Pulver, insbesondere Pulvertypen für das Unterpulverschweißen oder Gießpulver, auf. Metallurgische Pulver bestehen meistens aus Oxiden, wie beispielsweise B2O3, SiO2, CaO, MgO, Al2O3, Na2O und Fe2O3. Sie eignen sich hervorragend zur Bildung einer Oxidschicht, die den darunterliegenden Werkstoff gut vor Einwirkungen oxidierender Gase der Atmosphäre schützt. Des Weiteren lässt sich die Oxidschicht nach der Abkühlung gut entfernen. Zudem sind metallurgische Pulver handelsüblich erhältlich und lassen sich z. B. durch Vermischung mit anderen Stoffen gut modifizieren, so dass ihr Anwendungsbereich zweckgemäß erweitert werden kann. So kann beispielsweise durch die Zugabe von Feldspat und Borax, die als Flussmittel wirken können, die Löslichkeit der Pulverbestandteile in der geschmolzenen Schlacke und die Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials beeinflusst werden. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften des Beschichtungsmaterials an die Bedingungen im Fertigungsverfahren, insbesondere an die hohen Temperaturen des metallischen Werkstoffs, anzupassen. Ebenso ist es möglich, dass das Pulver Anteile einer pulverisierten Schlacke enthält.
  • Bevorzugt eingesetzte Pulver sind basische Pulver, insbesondere aluminat- und fluoridbasisch, exotherme Pulver und oxidische Pulver (SiO2, CaO, MgO, Al2O3, Eisenoxide, Na2O).
  • Pulvertypen für das Unterpulverschweißen eignen sich in besonderem Maße für die Konditionierung der Oxidschicht auf metallischen Werkstoffen. Pulvertypen werden anhand von Kennzeichen identifiziert und verfügen über eine charakteristische chemische Zusammensetzung. Beispielsweise besitzt der Aluminat-basische Typ das Kennzeichen "AB" und weist die chemische Zusammensetzung Al2O3 + CaO, + MgO auf, wobei diese Stoffe mindestens 40 Gew.-% des Pulvers Aluminat-basischen Typs ausmachen. Dabei wirken insbesondere CaO und MgO desoxidierend und sorgen für eine poröse und gut entfernbare Schlacke. Al2O3 ist hochschmelzend und gut geeignet, um Feststoffe auf der Schmelze zu bilden, die ein Diffundieren oxidierender Gase verhindern oder verringern. Ferner weisen Pulvertypen eine Basizität auf, die angibt, ob das Pulver basisch oder sauer ist. Bei einem Basizitätswert unter 1 gilt das Pulver als sauer, bei einem Basizitätswert gleich 1 als neutral und bei einem Basizitätswert über 1 als basisch.
  • Gießpulver kommen beispielsweise beim Stranggießen zum Einsatz und haben u.a. die Aufgabe, das Anhaften einer Stahlschmelze in einer Kokille zu verhindern und die Stahlschmelze vor Oxidation durch die Umgebungsluft zu schützen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Pulvertyp ein Fluoridbasischer Typ, vorzugsweise mit einer Basizität von 3,2, ein Aluminat-basischer Typ, vorzugsweise mit einer Basizität von 1,5, ein Aluminat-Rutil-Typ, vorzugsweise mit einer Basizität von 0,6, oder als Gießpulver ein exothermes Gießpulver verwendet. Dem Beschichtungsmaterial können zudem weitere Stoffe beigegeben werden.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, dass die oben genannte Pulvertypen und ein exothermes Gießpulver die Oxidschicht auf metallischen Werkstoffen nach einer Heißapplikation sehr gut konditionieren können.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial ein Gemisch aus den einzelnen Pulvertypen und/oder dem exothermen Gießpulver auf. Die Zugabe weiterer Stoffe kann durchaus sinnvoll sein. Hervorragende Konditionierungseigenschaften zeigten dabei Gemische, die 70 bis 90 Gew.-%, bevorzugt 80 Gew.-%, exothermes Gießpulver und 10 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 20 Gew.-%, eines der oben bezeichneten Pulvertypen und/oder anderer Stoffe, insbesondere FeO (Wüstit), enthielten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Basismaterial für das Beschichtungsmaterial ein Gießpulver mit folgender Analyse eingesetzt:
    • SiO2 = 40 bis 45 Gew.-%; insbesondere bevorzugt 43 Gew.-%,
    • CaO = 35 bis 45 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 40 Gew.-%,
    • MgO = 4,5 bis 6,5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 5,5 Gew.-%,
    • Al2O3 = 4,0 bis 6,0 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 4,9 Gew.-%,
    • Fe2O3 = 2,0 bis 4,0 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 2,8 Gew.%,
    • Na2O = 3,0 bis 5,0 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 3,9 Gew.-%,
    wobei diesem Basismaterial zur Bildung des Beschichtungsmaterials Feldspat und Borax zugesetzt wurden. Feldspat setzt die Löslichkeit der Pulverbestandteile in der flüssigen Schlacke herab und bildet eine eigene flüssige Phase. Borax erhöht die Löslichkeit der Pulverbestandteile (mit Ausnahme des Al2O3) in der flüssigen Phase und bildet keine eigene flüssige Phase. Durch Zugabe von Borax (und kleiner Mengen Feldspat) kann der Schmelzpunkt ausgewählter metallurgischer Pulver herabgesenkt werden.
  • Beschichtungsmaterialien, aus Gemischen verschiedener Pulvertypen, wurden auf heißem Stahl, das Temperaturen von 1000 bis 1300 °C aufwies, appliziert. Nach dem Abkühlen bildete sich eine sehr poröse und teilweise von alleine abfallende Oxidschicht. Unter der Oxidschicht kam teilweise blankes Metall zum Vorschein.
  • Zur Applikation des Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff sind grundsätzlich alle Beschichtungsverfahren und Applikationstechniken möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Beschichtungsmaterial mittels eines elektrostatischen Pulverbeschichtungsverfahren, z.B. dem sogenannten Coronaverfahren auf den metallischen Werkstoff appliziert.
  • Die elektrostatische Pulverbeschichtung ist beispielsweise aus dem Bereich der Farbbeschichtung bekannt. Dabei werden elektrisch leitfähige Werkstücke mit Pulverlack beschichtet, wobei die Partikel des Pulverlacks elektrostatisch appliziert werden. Eine elektrostatische Aufladung kann z. B. mittels Hochspannung (Corona-Aufladung) oder durch Reibung (triboelektrisch) erfolgen.
  • Es hat sich gezeigt, dass die oben bezeichneten Pulver, Pulvertypen und Pulvergemische sehr gut elektrostatisch auf metallischen Werkstoffen, insbesondere Stahl, anhaften. Eine besonders partikelreiche Anhaftung konnte sogar bei Werkstofftemperaturen von über 1000 °C festgestellt werden.
  • Bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung wird das pulverförmige Beschichtungsmaterial ohne flüssiges oder gelförmiges Trägermedium, wie etwa bei der Sol-Gel-Beschichtung, oder ein Plasma auf den metallischen Werkstoff aufgetragen. Diese Applikationstechnik eignet sich daher besonders gut zur Anwendung bei sehr hohen Werkstofftemperaturen, da vor allem die niedrige Schmelztemperatur und das Verdampfen des Trägermediums hierbei nicht problematisch sind.
  • Des Weiteren eignet sich die elektrostatische Pulverbeschichtung hervorragend für eine gleichmäßige Applikation des Pulvers auf den metallischen Werkstoff. Zudem kann die Schichtdicke individuellen Produktanforderungen und Fertigungsbedingungen angepasst werden. Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung des Oversprays, also des Pulveranteils, der in unerwünschter Weise nicht appliziert werden konnte. Gegebenenfalls ist eine Kreislaufbeschichtung möglich, bei der Overspray wiederverwendet wird. Ebenso kann die Emission von Lösungsmitteln am Arbeitsplatz vermieden werden.
  • Die elektrostatische Pulverbeschichtung bietet im Hinblick auf den Verzunderungsschutz den weiteren Vorteil, dass das Erzeugen der Konditionierungsschicht durch die fehlende Trägerphase (das fehlende flüssige Trägermedium) an keine obere Substrattemperatur gebunden ist (kein Verdampfen oder Zersetzen des Trägermediums). Dies kann zu dem Vorteil einer geringeren Beeinflussung der Schichtstruktur im Vergleich zu bei Raumtemperaturen aufgebrachten, auf flüssigen Trägermedien basierenden Beschichtungsverfahren führen. Ferner bietet sich der Vorteil der leichten Automatisierbarkeit und der Möglichkeit der Anwendung am heißen Produkt, insbesondere am Vormaterial oder Zwischenprodukten bei einer mehrstufigen Umformung. Außerdem bietet die elektrostatische Pulverbeschichtung die Möglichkeit der Verhinderung der Partikelagglomaration und damit die Möglichkeit eines effizienten und gleichmäßigen Schichtaufbaus.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial mindestens einen oxidierbaren Stoff mit einer Schmelztemperatur T1 auf, der durch Oxidation eine höhere Schmelztemperatur T2 hat. Dabei ist T1 kleiner als die Temperatur des metallischen Werkstoffs bei der Applikation Tw.T2 hingegen ist höher als Tw. Insbesondere ist die Erhöhung der Schmelztemperatur durch Sauerstoffaufnahme und Oxidbildung bedingt. Dies ermöglicht, dass nach der Applikation der oxidierbare Stoff versintert oder schmilzt. Die gebildete Schicht kann diffusionsdicht oder -hemmend für oxidierende Gase sein oder durch die oxidierenden Gase oxidiert werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die Oxidation des metallischen Werkstoffs effektiv verringert oder sogar vermieden werden kann. Besonders bevorzugt sind nanoskalige Feststoffe, da deren Sinter- und Schmelzpunkte gezielt beeinflusst werden können und sie so eine sehr effektive Sperrschicht gegen oxidierende Gase bilden.
  • Die Schmelztemperatur des oxidierbaren Stoffs kann gezielt eingestellt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass dem Beschichtungsmaterial bestimmte Stoffe, wie beispielsweise Flussmittel, hinzugefügt werden oder durch die Auswahl geeigneter Pulver, Pulvertypen bzw. Pulvermischungen. Dabei kann man sich zu Nutze machen, dass bestimmte Stoffgemische in Abhängigkeit ihrer Zusammensetzung und/oder der Partikelgröße eine variable Sinter- oder Schmelztemperatur aufweisen. So hat beispielsweise ein Stoffgemisch aus 67 Gew.-% Li2O (Lithiumoxid) und 33 Gew.-% SiO2 (Siliciumdioxid) eine Schmelztemperatur von etwa 1000 °C. Wird nun (beispielsweise durch Anreicherung von Sauerstoff und Oxidbildung) der Anteil des Siliciumdioxids auf 50 Gew.-% erhöht, weist das Stoffgemisch eine Schmelztemperatur von über 1200 °C auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial mindestens einen metallischen Stoff des metallischen Werkstoffs auf, der bei der Oxidation als Opferstoff wirkt. Opferstoff bedeutet, dass der metallische Stoff des Beschichtungsmaterials bei der Applikation oxidiert und dadurch eine Opfer-Oxidschicht entsteht, die einen Fortschritt des Oxidationsprozesses in Richtung des metallischen Werkstoffs verhindert oder zumindest verringert. Für Eisenwerkstoffe eignet sich insbesondere Wüstit (FeO) als Opferstoff, da FeO das Eisenoxid mit dem geringsten Sauerstoffanteil ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt bei einem Fertigungsverfahren mit mehreren Teilverfahren mindestens vor (bzw. nach) einem Teilverfahren eine Applikation. Besonders geeignet ist diese Ausführungsform bei mehrstufigen Warmumformprozessen, wie beispielsweise dem Freiformschmieden, dem Gesenkschmieden, der Warmbandproduktion und dem Pilgerwalzen sowie dem Urformen (z.B. Strang- oder Blockguss) und kombinatorischen Verfahren (Bandgießen, CSP). Als Teilverfahren zählen dabei insbesondere das Umformen und das Erwärmen (Erhitzen) des Werkstoffs.
  • So werden beispielsweise beim Freiformschmieden Schmiedeblöcke mehrfach geschmiedet, wobei sich nach jedem Schmiedevorgang das Werkstück der Fertigform annähert. Die Schmiedeblöcke können dabei nur solange umgeformt werden, bis eine Temperatur von 600 °C nicht unterschritten wird. Für die weitere Bearbeitung müssen die Schmiedeblöcke erneut in einer Zwischenhitze auf 1250 °C erwärmt werden. Sinnvollerweise erfolgen hier mehrere Applikationen, die insbesondere zwischen den einzelnen Umformprozessen und den einzelnen Erwärmungen stattfinden.
  • Auf diese Weise kann die Nachbildung von Primärzunder während der Wiedererwärmung (insbesondere Zwischenhitzen) verhindert werden. Insbesondere effektiv kann die Bildung von Sekundärzunder und dessen Adhäsionsneigung verringert oder vermieden werden. Sekundärzunder entsteht insbesondere während des Umformens und des anschließenden Abkühlens. Sekundärzunder ist im Vergleich zu Primärzunder, der überwiegend beim Erwärmen des metallischen Werkstoffs entsteht und relativ gut entfernt werden kann, dünner und stärker anhaftend. Ferner kann auch die Bildung von Tertiärzunder in der Kühlstrecke verringert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auf besonders vorteilhafte Weise zur Konditionierung von Oxidschichten auf metallischen Werkstoffen beim Warmwalzen, Freiformschmieden, Gesenkschmieden, Pilgerwalzen, Stranggießen und andere Fertigungsverfahren mit hohen Werkstofftemperaturen. Bei derartigen Verfahren wird der metallische Werkstoff bei sehr hohen Temperaturen verarbeitet bzw. hergestellt. Bei der Verarbeitung wird der metallische Werkstoff mitunter mehrstufig umgeformt, wobei zwischen den Umformstufen Wiedererwärmungen stattfinden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Oxidschichten, die sich bei der Fertigung auf dem metallischen Werkstoff bilden, zu verringern oder sogar vollständig zu verhindern. So eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Verminderung der Sekund-ärzunderbildung beim Umformen, zur Verminderung von Tertiärzunder beim Abkühlen oder die Verbesserung der Entzunderbarkeit durch geringere Adhäsion. Es ist auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren zur kombinierten Verminderung der Zunderbildung und der Veränderung der tribologischen Eigenschaften des metallischen Werkstoffs einzusetzen, beispielsweise in der Nutzung als Schmiermittel. Ebenso ist es denkbar, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Randschichteneigenschaften des metallischen Werkstoffs einzustellen. Ferner bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren gegebenenfalls auch zur Beeinflussung der Entkohlung an. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erscheint auch ein randschichtennahes Legieren, beispielsweise zum Korrosionsschutz möglich. Ebenso lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur gezielten thermochemischen Oberflächenbehandlung einsetzen. Denkbar ist auch, dass durch das Beschichtungsmaterial in Form von exothermem Pulver ein Einsatz für die Heißübergabe in den nachfolgenden Prozess, beispielsweise zur Isolierung der Materialien erfolgreich durchgeführt werden kann. Ebenso bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Konditionierung von Oberflächeneigenschaften bei der späteren Verarbeitung oder beim Aufbringen von Verzunderungsschutz für das spätere Erwärmen im Walzprozess an.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Abbildung, die eine lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt, näher erläutert.
  • Darin zeigt:
    • Fig. 1
    schematisch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Fertigwalzen eines Warmbandes aus Stahl.
  • Figur 1 zeigt im oberen Abschnitt das letzte Walzgerüst (Walzenpaar) 5 der Fertigstraße einer Warmbandstraße. Der als gewalztes Warmband ausgeführte metallische Werkstoff 6 aus Stahl bewegt sich in Richtung des horizontalen Pfeiles. Die vertikalen Pfeile weisen auf vier unterschiedliche Stellen 1 bis 4 des Warmbandes 6 hin. Im unteren Abschnitt der Figur 1 sind die Querschnitte des Warmbandes 6 an den Stellen 1 bis 4 erkennbar.
  • An der Stelle 1 wird auf das Walzband 6 eine Konditionierungsschicht 7 appliziert. Die Konditionierungsschicht 7 besteht aus einem Beschichtungsmaterial, das ein oxidierbares Stoffgemisch enthält, welches eine Schmelztemperatur von 1000 °C aufweist. Die Temperatur des Warmbandes 6 beträgt hier 1100 °C.
  • An der Stelle 2 ist zu erkennen, dass die Konditionierungsschicht 7 geschmolzen ist. Die Temperatur des Warmbandes 6 liegt unverändert bei 1100 °C.
  • An der Stelle 3 beträgt die Temperatur des Warmbandes 6 immer noch 1100 °C. Inzwischen hat sich die Schmelztemperatur des oxiderbaren Stoffgemisches infolge der Oxidation und der Bildung von oxidischen Feststoffen auf 1200 °C erhöht. Die Konditionierungsschicht 7 verhindert das Diffundieren von oxidierenden Gasen, wie Sauerstoff, aus der Umgebung in das Warmband. Es können sich somit keine Metalloxide bilden.
  • An der Stelle 4 sind das Warmband 6 und die Konditionierungsschicht 7 auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Konditionierungsschicht 7 ist nun stark porös und gut entfernbar. Die Oxidschicht, die sich gebildet hat, umfasst hierbei nur die Konditionierungsschicht, d. h. es sind nur Stoffe der Konditionierungsschicht oxidiert, nicht des Warmbandes. Durch eine Nachbehandlung 8, z. B. Zunderwäsche, kann die Konditionierungsschicht 7 bzw. Oxidschicht leicht abgetragen werden. Das Warmband 6 konnte somit effektiv vor Verzunderung bzw. Oxidation geschützt werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff (6), wobei
    - eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder
    - eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht (7) und/oder
    - eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht
    durch Applikation eines Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff (6) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (6) bei der Applikation eine Temperatur von mindestens 150 °C aufweist und dass das Beschichtungsmaterial ohne flüssiges Trägermedium appliziert werden kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Applikation eines Beschichtungsmaterials mit mindestens einem oxiderbaren Stoff auf den metallischen Werkstoff (6).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial vor der Applikation pulverförmig ist.
  4. Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff (6), wobei
    - eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder
    - eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht (7) und/oder
    - eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht
    durch Applikation eines Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff (6) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (6) bei der Applikation eine Temperatur von mindestens 150 °C aufweist und dass das Beschichtungsmaterial vor der Applikation pulverförmig ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Applikation eines Beschichtungsmaterials mit mindestens einem oxidierbaren Stoff auf den metallischen Werkstoff (6).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (6) ein Eisenwerkstoff ist.
  7. Beschichtungsmaterial zum Einsatz in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mindestens ein metallurgisches Pulver aufweist.
  8. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als metallurgisches Pulver ein Pulvertyp verwendet wird, der einen Fluorid-basischen Typ, einen Aluminat-basischen Typ, einen Aluminat-Rutil-Typ oder als Gießpulver ein exothermes Gießpulver enthält.
  9. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial ein Gemisch aus
    - 70 bis 90 Gew.-% exothermem Gießpulver und
    - 10 bis 30 Gew.-% eines oder mehreren der Pulvertypen eines Fluorid-basischen Typ, eines Aluminat-basischen Typ oder eines Aluminat-Rutil-Typ und/oder eines anderen Stoffs
    aufweist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschichtungsmaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 9 auf den metallischen Werkstoff appliziert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mittels eines elektrostatischen Pulverbeschichtungsverfahrens auf den metallischen Werkstoff (6) appliziert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mindestens einen oxidierbaren Stoff mit einer Schmelztemperatur T1 aufweist, der durch Oxidation eine höhere Schmelztemperatur T2 aufweist, wobei T1 kleiner ist als die Temperatur des metallischen Werkstoffs (6) bei der Applikation Tw und T2 höher ist als Tw.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mindestens einen metallischen Stoff des metallischen Werkstoffs (6) aufweist, der bei der Oxidation als Opferstoff wirkt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Fertigungsverfahren mit mehreren Teilverfahren mindestens vor oder nach einem Teilverfahren eine Applikation erfolgt.
  15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder einem der Ansprüche 10 bis 14 zur Konditionierung von Oxidschichten auf metallischen Werkstoffen beim Warmwalzen, Freiformschmieden, Gesenkschmieden, Pilgerwalzen, Stranggießen oder anderen Fertigungsverfahren mit hohen Werkstofftemperaturen.
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