WO2023152305A1 - Verfahren zum erzeugen von beschichtetem perforiertem stahlband - Google Patents

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WO2023152305A1
WO2023152305A1 PCT/EP2023/053329 EP2023053329W WO2023152305A1 WO 2023152305 A1 WO2023152305 A1 WO 2023152305A1 EP 2023053329 W EP2023053329 W EP 2023053329W WO 2023152305 A1 WO2023152305 A1 WO 2023152305A1
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strip
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coated
metal
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PCT/EP2023/053329
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Wolfgang Burgstaller
Siegfried Kolnberger
Arnold Kapellner
Peter Pentschev
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Voestalpine Stahl Gmbh
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    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266—Magnetic control means

Definitions

  • the invention relates to a method for producing coated, perforated steel strip and the steel strip produced in this way.
  • the holes can be circular, but they can also have any other shape, so that a hole pattern on the one hand or a grid on the other hand is produced.
  • Zinc coatings of this type are known and are either pure zinc coatings that are applied using the electrolytic dip process (ELO galvanizing) or via hot-dip galvanizing (hot-dip galvanizing process). Alloys based on zinc but with admixtures of aluminum or magnesium or other elements are usually used in the hot-dip galvanizing process.
  • strip-galvanized material In the production of corrosion-protected perforated sheets, strip-galvanized material is usually used, which is either electrolytically or hot-dip galvanized and then receives the intended hole pattern by punching.
  • the disadvantage here is that, depending on the sheet metal thickness, there is little or no corrosion protection on the punched surfaces.
  • it is known to punch non-galvanized strip material, to process it accordingly into blanks and then to galvanize it as piece goods, although the disadvantage here is that perforations can become clogged from a defined minimum opening cross section.
  • the sequence of stamping, blank production and piece galvanizing is expensive and time-consuming.
  • a PVD coating method for metal grids is known from GB 1325933 A1.
  • a strip is guided horizontally through a PVD coating chamber.
  • the walls of the coating chamber run very close to the strip in order to keep losses low.
  • the coating material is only evaporated on the underside, but the strip should be coated homogeneously and equally on the top and bottom. However, this can only be achieved if the ratio of hole area/total area ⁇ 1 (in the projection perpendicular to the belt), i.e. the holes/recesses make up the majority.
  • a ratio of hole area/total area > 0.8 is required for this.
  • electrochemical pre-cleaning before vacuum coating is sufficient.
  • the thickness of the coating should be regulated by the line speed or the line temperature.
  • a PVD method for applying pyrolytic carbon to carbon structures is known from DE 2526036 C2.
  • the object of the invention is to create a method for producing coated, perforated steel strips which, in particular, also enables corrosion protection in the area of the hole edges and the outer surface of the hole.
  • the object is achieved with a method in which a perforated steel strip, which also includes expanded metal or long blanks, is coated in a PVD coating chamber using a PVD method. It was found that using a plasma evaporator, the particle density in the PVD chamber can be adjusted by adapted plasma parameters for coating the perforated strip, the particle flow being a function of the metal vapor density and the quotient of (layer thickness at the punching surface)/(mean layer thickness unpunched range) can be 0.4 to 1.2.
  • a plasma evaporator enables an easily controllable evaporation rate and thus a high metal vapor density, with the particles having a high kinetic energy, so that this combination can be used to achieve a uniform and efficient coating of the punched surfaces and punched edges in the continuous process.
  • the process can be run in two stages, so that the strip is first fed in one direction, e.g. upwards, then diverted outside the stacking chamber and then guided downwards to ensure a symmetrical coating of both the punched surfaces and the unpunched surfaces to reach.
  • guide devices can be provided which z. B. regulate and steer the steam flow via baffles in order to avoid unfavorable layer thickness distributions.
  • an electrical potential difference in the range of 10 to 500 volts at the substrate, z. B. the metal strip, are applied relative to the chamber wall via an external electrical circuit, so that the local steam flow can be acted on specifically in the area around the substrate to be coated.
  • the plasma output which is proportional to the belt speed and can be adjusted accordingly, results from the entire surface of the perforated sheet, the desired average layer thickness and the evaporation enthalpy of the coating materials.
  • a hole pattern or a perforation within the meaning of the invention can include a wide variety of patterns, which are repeated like a repeat, as well as having unperforated areas lengthwise and/or crosswise to the direction of the strip, which, for example, result from mechanical requirements (stability, rigidity) or for subsequent processing operations (e.g. bending) can be provided.
  • a correspondingly perforated metal strip can be produced in a separate plant and then delivered to the coating plant or, alternatively, can be produced inline continuously in a stamping plant upstream of the coating plant.
  • PVD coating according to the invention allows perforated steel strip to be coated very efficiently, with corrosion protection for the punched surface being able to be achieved here.
  • a further advantage here is that the punching waste can also be returned directly to the production plant for reuse, without a coating already present having to be removed before it can be used again.
  • coating materials are possible that are difficult or impossible to separate with hot-dip galvanizing or electrolytic galvanizing, since the PVD process generally allows a wider range of coating materials.
  • the layer thickness can be regulated across the strip width, whereby both sides of the strip can be vapour-deposited with different thicknesses and different materials and, depending on the system configuration, multi-layer layers are also possible.
  • the method according to the invention provides for a steam stream to be applied to both sides of a strip in order to coat it on both sides, or to apply a steam stream to one side in order to coat only one side.
  • the proportion of the hole area to the projected total area can be selected to be in particular less than 0.7, in particular less than 0.6 and in particular less than 0.5, so that for a hexagonal hole pattern with a hole spacing of 7 mm and a hole radius of 2.5 mm in the projection results in a ratio of hole area to total area of 0.46, for example.
  • the chamber walls or the evaporator must be at least ten times the strip thickness away from the strip, or alternatively the hole area ratios mentioned above must be observed.
  • a vacuum-based pretreatment by means of plasma is carried out before coating in a vacuum, regardless of any chemical pre-cleaning of the substrate that may have been carried out beforehand.
  • the layer thickness is controlled by the plasma output of the evaporator, with both the strip speed and the strip temperature being kept as constant as possible.
  • the plasma power can be adjusted within very short time intervals and in particular within seconds and faster.
  • the invention thus relates in particular to a method for producing metallically coated and perforated metal strips, with metal strips and in particular sheet steel strips with a perforation or with a hole pattern being fed to and guided through a coating device in which the sheet metal strip is continuously PVD-coated with a metal vapor stream .
  • the metal strip has a sheet metal thickness of 0.3 mm to 2.5 mm.
  • the advantage here is that, on the one hand, sufficient mechanical rigidity and stability can be ensured and, in addition, a reliably uniform coating is achieved with such thicknesses. From 2.5 mm there is a risk of uneven coating in the walls and along the edges.
  • the strip is coated with one or more layers, with the layers of the coating consisting of one, several or all of the group metals, oxides, carbides, nitrides, carbonitrides.
  • the desired layers or plies can thus be produced by means of PVD in accordance with the desired field of application or corrosion protection.
  • both sides of the strip are coated with the same or different coatings. The advantage here is that, for example in the case of outdoor applications, the weather side can be provided with an increased layer application. Alternatively, for example in the case of interior use or desired adhesive or welded joints, one side of the strip can be coated with easily weldable/adhesive layers.
  • the strip is coated with one, several or all of the group zinc, magnesium, manganese, copper, chromium, aluminum, titanium, silicon or alloys with these elements or alloys of these elements as the main components.
  • Main component within the meaning of the patent means that the element has the largest proportion of the coating alloy, preferably >50%.
  • the layer thickness of the PVD coating is 20 nm to 100 ⁇ m, preferably 100 nm to 50 ⁇ m, per strip side surface.
  • the advantage here is that thick coatings can also be deposited, which meet the high corrosion protection requirements, especially in the construction sector.
  • Another advantage is that comparatively very thin coatings can be deposited, which means that excellent adhesion can be achieved without loss of hardness, distortion or changes in the microstructure of the base material.
  • the layer thickness ratio of the coating of the strip side surface to the walls of the perforations is between 0.4 and 1.2, preferably between 0.6 and 0.9.
  • the advantage here is that such a ratio is absolutely sufficient for good corrosion protection, since the corrosive attack begins at the edges and does not first take place in the middle of the wall.
  • the inventors have therefore recognized that a layer thickness ratio of around 0.4 can already offer sufficient protection.
  • One embodiment provides that the flow of particles in the coating chamber is directed onto the belt using guide devices.
  • the guide devices are mechanical guide plates or electromagnetic guide devices.
  • One embodiment provides that the coating thickness is measured and the guide devices are controlled in such a way that a desired coating thickness and layer thickness distribution is achieved.
  • One embodiment provides that the distance between the walls of the coating chamber and the metal sheet is set in such a way that it corresponds to 10 to 10,000 times, in particular 100 to 2,500 times the sheet metal thickness. The advantage here is that due to the comparatively large distance, the vapor flow can be made more uniform and the coating can therefore be deposited as homogeneously as possible.
  • the distance between the guide devices and the metal sheet is set to 0.005 to 1 times, in particular 0.01 to 0.7 times, the sheet metal strip width.
  • the sheet metal strip width can be between 500 mm and 2000 mm. The advantage here is that due to the comparatively large distance from the guide devices, the steam flow hits the strip in a homogenized manner.
  • One embodiment provides that the metal strip is punched or perforated continuously to produce the desired hole pattern and is then continuously PVD-coated inline.
  • the metal strip first being punched or perforated continuously to produce the desired hole pattern.
  • the strip can then be fed to a pre-treatment station for cleaning and/or pickling.
  • the edges of the holes can also be treated here, for example by sandblasting.
  • the strip can then enter the coating department, where it is then continuously PVD-coated inline.
  • the inline process results in a number of advantages.
  • the punching waste is generated before coating.
  • the uncoated punching waste can be reused directly as steel scrap in the steelworks.
  • the transport routes are short.
  • Another advantage of the inline process is that the surfaces created are less aged. On the one hand, this eliminates the possibly necessary removal of corrosion products on the uncoated metal sheet through storage and/or transport of the same.
  • the pretreatment of slightly oxidized or non-corroded surfaces can be carried out comparatively more efficiently.
  • One embodiment provides that the strip is guided horizontally and/or vertically through the coating chamber.
  • One embodiment provides that, with the strip running vertically, the process is carried out as a multi-stage process in which the strip is passed through at least twice, namely at least once moving upwards and at least once moving downwards.
  • the advantage here is that both sides of the strip can be exposed to comparable coating conditions and therefore comparable and reproducible properties can be achieved for the coating on both sides.
  • Fig. 3 Highly schematized coating chamber
  • a hexagonal hole pattern is shown in FIG.
  • the ratio of the coated area F including the hole walls to the area F o of a sample without holes is approx. 70%, because the following applies: 0.704
  • the smallest cross-section of the stamped sheet in relation to the cross-section of the un-stamped sheet is (a-2r)/a, i.e. 2/7.
  • FIG. 1 A typical schematic hole pattern is shown in FIG.
  • Such a perforated metal sheet is supplied to a PVD system with a corresponding coating chamber.
  • the coating chamber is designed with locks in such a way that the strip can be fed in and out without negatively changing the pressure conditions in the interior of the coating chamber.
  • the perforated strip is coated by controlling the particle density in the coating chamber using defined plasma parameters.
  • the plasma evaporator produces a high vapor density that is easy to control, with the particles having a high kinetic energy.
  • the combination of both enables efficient die-cutting surface coating in the continuous process.
  • the process can be carried out as a two-stage process (upwards and downwards moving strip) in order to achieve a symmetrical coating of the entire strip surface including punching surfaces, although this also depends on the design of the evaporator.
  • Guide devices for guiding or distributing and controlling the particle stream can be present in the coating chamber. This can be both guide plates but also electromagnetic guide devices. This regulates the local steam flow.
  • Corresponding measurements can be taken on the coated metal sheets emerging from the vapor deposition chamber and fed back to the control devices in such a way that they carry out a desired coating thickness or layer thickness distribution.
  • An effect on the local vapor flow, especially in the area around the substrate to be coated, can also be achieved by applying an electrical potential difference to the substrate relative to the chamber wall.
  • a comparatively simple control of the evaporator or the evaporator output is achieved by calculating the heat of condensation for a specific amount of substance. Since the entire surface of the perforated sheet, the strip speed and the desired mean layer thickness are known as input parameters, the evaporator output can be easily determined from the heat of condensation.
  • Efficient coating of perforated steel strip is achieved with the method according to the invention.
  • a zinc coating with a uniform corrosion protection of the punching surface can be achieved.
  • the resulting uncoated punching waste can be returned directly to the production of the perforated steel strip and reused in the steel production plant without further processing.
  • a very wide range of possible layer thicknesses can be realized, ranging from 0.1 ⁇ m to about 20 ⁇ m.
  • the layer thickness can also be regulated over the bandwidth, in particular by means of the guide devices. It is also possible to vapor-deposit both sides of the strip with different materials. In addition, multi-layer coatings of different coating materials are also possible without great effort thanks to the coating process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von perforierten Metallbändern mit metallischer Beschichtung, wobei Metallbänder und insbesondere Stahlblechbänder mit einer Perforation bzw. mit einem Lochbild einer Beschichtungseinrichtung zugeführt und durch diese hindurchgeführt werden, in der das Blechband kontinuierlich mit einem Dampfstrom PVD-beschichtet wird.

Description

Verfahren zum Erzeugen von beschichtetem perforiertem Stahlband
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von beschichtetem perforiertem Stahlband und das so hergestellte Stahlband.
Es ist bekannt, Stahlband vor der Weiterverarbeitung mit einer Perforation zu versehen, insbesondere mit einem Lochmuster. Hierbei können die Löcher kreisrund sein, aber auch jede andere beliebige Form annehmen, so dass ein Lochmuster einerseits oder auch ein Gitter anderseits erzeugt wird.
Ein Einsatzbereich für derartige perforierte Stahlbänder sind zum Beispiel Verkleidungen von Lärmschutzwänden und dergleichen. Da derartige Lärmschutzwände, aber auch andere Anwendungen im Außenbereich üblicherweise vor Korrosion geschützt werden sollen, werden häufig Stahlbleche mit einer entsprechenden Korrosionsschutzschicht hierfür verwendet, wobei die am häufigsten verwendete Korrosionsschutzschicht eine Zinkbeschichtung ist. Derartige Zinkbeschichtungen sind bekannt und sind entweder Reinzinkbeschichtungen, die im elektrolytischen Tauchverfahren (ELO-Verzinken) oder über Schmelztauchverzinken (Feuerverzinkungsprozess) aufgebracht werden. Im Feuerverzinkungsprozess werden hierbei üblicherweise Legierungen eingesetzt, die auf Basis von Zink beruhen, jedoch Beimischungen aus Aluminium oder Magnesium oder anderen Elementen besitzen.
Bei der Erzeugung von korrosionsgeschützten perforierten Blechen wird üblicherweise bandverzinktes Material verwendet, welches entweder elektrolytisch oder feuerverzinkt ist und anschließend durch Stanzen das vorgesehene Lochmuster erhält.
Hierbei ist von Nachteil, dass je nach Blechdicke weniger oder gar kein Korrosionsschutz an den Stanzflächen gegeben ist. Darüber hinaus ist es bekannt, unverzinktes Bandmaterial zu stanzen, entsprechend zu Platinen zu verarbeiten und anschließend als Stückgut zu verzinken, wobei hier jedoch von Nachteil ist, dass Perforationen ab einem definierten minimalen Öffnungsquerschnitt verstopft werden können. Zudem ist die Abfolge des Stanzens, der Platinenherstellung und der Stückverzinkung teuer und aufwändig.
Darüber hinaus ist es denkbar, derartige unverzinkte Bleche mit einem Lochmuster nach dem Sendzimir-Verfahren kontinuierlich zu beschichten, jedoch ist eine solche Feuerverzinkung mit großen Problemen behaftet, da dies nur bei relativ großen Lochdurchmessern größer 8 mm möglich ist, zudem werden üblicherweise beim Feuerverzinken nach dem Durchlaufen durch das Zinkbad Abstreifdüsen eingesetzt, welche mit Druckluft das anhaftende überschüssige Zink auf die gewollte Schichtdicke abstreifen. Diese Behandlung führt bei perforiertem Band zu Verwirbelungen im Bereich der Löcher, was zum einen in ungleichmäßiger Schichtdicke resultiert und zum anderen die gegenüberliegenden Düsen beeinträchtigt.
Beim bekannten Gravitel-Verfahren sind ähnliche Nachteile ebenfalls zu erwarten. Durch die Löcher im Band wird die Stromdichte und damit auch die Schichtdicke ungleichmäßig und entlang der Kanten bilden sich Dendriten.
Aus der GB 1325933 Al ist ein PVD Beschichtungsverfahren für Metallgitter bekannt. Hierbei wird ein Band horizontal durch eine PVD-Beschichtungskammer geführt. Die Wände der Beschichtungskammer verlaufen hierbei ganz nah am Band, um die Verluste gering zu halten. Das Beschichtungsmaterial wird nur auf der Unterseite verdampft, das Band soll aber auf Ober- und Unterseite homogen und gleich beschichtet sein. Das ist aber nur erreichbar, wenn das Verhältnis Lochfläche/Gesamtfläche < 1 (in der Projektion senkrecht aufs Band), also die Löcher/Ausnehm ungen den Großteil ausmachen. Es wird hierfür ein Verhältnis Lochfläche/Gesamtfläche > 0,8 verlangt. Zudem wird angegeben, dass eine elektrochemische Vorreinigung vor der Vakuum-Beschichtung ausreicht. Die Dicke der Beschichtung soll durch die Bandgeschwindigkeit oder die Bandtemperatur reguliert werden. Beide Methoden haben deutliche Schwächen und schränken die Beschichtungsmöglichkeiten ein. Bei höheren Schichtdicken muss also die Bandgeschwindigkeit verringert werden, was auch die Produktivität des Verfahrens verschlechtert. Bei Änderung der Bandtemperatur, ändert sich die Schichtausbildung (Morphologie), die Schichthaftung wird verschlechtert und eine höhere Bandtemperatur führt zu weiteren prozesstechnischen Problemen.
Aus der DE 2526036 C2 ist ein PVD-Verfahren zum Aufbringen von pyrolytischem Kohlenstoff auf Kohlenstoffstrukturen bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzeugen beschichteter perforierter Stahlbänder zu schaffen, welches insbesondere einen Korrosionsschutz auch im Bereich der Lochkanten und Lochmantelflächen ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfinder haben erkannt, dass eine gleichmäßige Verteilung der Beschichtung, aus Zink oder Zinklegierungen und gegebenenfalls anderen Metallen, insbesondere eine Beschichtung der Stanzkanten und Stanzflächen notwendig ist. Hierbei sollen minimale Schichtdickenabweichungen und eine gute Oberflächenbeschaffenheit mit einer ausgezeichneten Schichtqualität verbunden sein.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem ein perforiertes Stahlband, dies umfasst auch Streckmetall oder lange Platinen, im Durchlauf in einer PVD-Beschichtungskammer mit einem PVD-Verfahren beschichtet wird. Es wurde herausgefunden, dass unter Verwendung eines Plasmaverdampfers die Partikeldichte in der PVD-Kammer durch adaptierte Plasmaparameter zur Beschichtung des perforierten Bandes anpassbar ist, wobei der Partikelstrom eine Funktion der Metalldampfdichte ist und der Quotient aus (Schichtdicke an der Stanzfläche)/(mittlere Schichtdicke ungestanzter Bereich) 0,4 bis 1,2 betragen kann.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass ein Plasmaverdampfer eine gut regelbare Verdampfungsrate und somit eine hohe Metalldampfdichte ermöglicht, wobei die Teilchen eine hohe kinetische Energie haben, so dass durch diese Kombination eine gleichmäßige und effiziente Beschichtung der Stanzflächen und Stanzkanten im Durchlaufprozess erzielbar ist.
Es wurde herausgefunden, dass hierbei sowohl ein horizontaler Bandlauf durch eine PVD- Kammer, als auch ein vertikaler Bandlauf durch eine PVD-Kammer möglich sind.
Bei vertikalem Bandlauf kann der Prozess zweistufig gefahren werden, so dass das Band zunächst in einer Richtung, zum Beispiel aufwärts, geführt wird, dann außerhalb der Schichtungskammer umgelenkt wird und anschließend abwärts geführt wird, um eine symmetrische Beschichtung sowohl der Stanzflächen als auch der ungestanzten Flächen zu erreichen.
Zudem können Leiteinrichtungen vorgesehen sein, welche z. B. über Leitbleche den Dampfstrom regulieren und lenken um unvorteilhafte Schichtdickenverteilungen zu vermeiden.
Zudem kann eine elektrische Potenzialdifferenz im Bereich von 10 bis 500 Volt am Substrat, z. B. dem Metallband, relativ zur Kammerwand über einen externen elektrischen Kreis angelegt werden, so dass auf den lokalen Dampfstrom speziell im Bereich um das zu beschichtende Substrat eingewirkt werden kann. Aus der gesamten Oberfläche des Lochbleches, der gewünschten mittleren Schichtdicke und den Verdampfungsenthaltpien der Beschichtungsmaterialien ergibt sich eine zur Bandgeschwindigkeit proportionale Plasmaleistung, die entsprechend eingestellt werden kann.
Ein Lochbild bzw. eine Perforation im Sinne der Erfindung kann verschiedenste Muster umfassen, welche ähnlich eines Rapports wiederholend sind, als auch längs und/oder quer zur Bandrichtung ungelochte Bereiche aufweisen, welche beispielsweise aus mechanischen Anforderungen (Stabilität, Steifigkeit) oder für spätere Bearbeitungvorgänge (z.B. Abkanten) vorgesehen werden.
Ein entsprechend perforiertes Metallband kann in einer getrennten Anlage erzeugt werden und dann zur Beschichtungsanlage geliefert werden oder alternativ inline kontinuierlich in einer, der Beschichtungsanlage vorgelagerten Stanzanlage, erzeugt werden.
Durch die erfindungsgemäße PVD-Beschichtung kann perforiertes Stahlband sehr effizient beschichtet werden, wobei hier ein Korrosionsschutz der Stanzfläche erreicht werden kann. Hierbei ist weiter von Vorteil, dass auch der Stanzabfall direkt im Herstellungswerk zur Wiederverwendung zurückgeführt werden kann, ohne dass vor Wiedereinsatz eine schon vorhandene Beschichtung entfernt werden müsste.
Zudem sind Beschichtungsmaterialien möglich, die beim Feuerverzinken oder bei der elektrolytischen Verzinkung nur schwer oder unmöglich abzuscheiden sind, da generell das PVD-Verfahren eine größere Bandbreite von Beschichtungsmaterialien zulässt.
Zudem konnte herausgefunden werden, dass ein breiter Bereich an möglichen Schichtdicken von beispielhaft 0,1 pm bis etwa 20 pm bei einer gleichzeitig optimalen Beschichtung der Stanzkante möglich ist. Ferner ist die Schichtdicke über die Bandbreite regulierbar, wobei beide Seiten des Bandes mit unterschiedlichen Dicken und unterschiedlichen Materialien bedampft werden können und je nach Anlagenkonfiguration auch Mehrlagenschichten möglich sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, ein Band beidseitig mit einem Dampfstrom zu beaufschlagen, um es beidseitig zu beschichten oder mit einem Dampfstrom auf einer Seite zu beaufschlagen, um nur eine Seite zu beschichten.
Der Anteil der Lochfläche zur projizierten Gesamtfläche kann hierbei insbesondere kleiner 0,7, insbesondere kleiner 0,6 und insbesondere kleiner 0,5 gewählt werden, sodass sich für ein hexagonales Lochmuster bei einem Lochabstand von 7 mm und einem Lochradius von 2,5 mm in der Projektion beispielsweise ein Verhältnis von Lochfläche zu Gesamtfläche von 0,46 ergibt. Um eine gleichmäßige Beschichtung zu bewerkstelligen, müssen die Kammerwände bzw. muss der Verdampfer mindestens die zehnfache Banddicke vom Band entfernt sein oder alternativ müssen die oben genannten Lochflächenverhältnisse eingehalten werden.
Erfindungsgemäß wird vor der Beschichtung im Vakuum jedenfalls, unabhängig einer gegebenenfalls vorher durchgeführten chemischen Vorreinigung des Substrates, eine vakuumbasierte Vorbehandlung mittels Plasma durchgeführt.
Erfindungsgemäß wird die Schichtdicke durch die Plasmaleistung des Verdampfers geregelt, wobei sowohl die Bandgeschwindigkeit als auch die Bandtemperatur möglichst konstant gehalten werden sollen. Die Plasmaleistung lässt sich innerhalb sehr kurzer Zeitintervalle und insbesondere innerhalb von Sekunden und schneller anpassen.
Wie schnell die Schichtdicke in Bandlängsrichtung geändert werden kann, ist im Wesentlichen durch die Länge der Beschichtungskammer und die Bandgeschwindigkeit begrenzt. Um das Band auf Ober- und Unterseite gleichmäßig zu beschichten, werden bei einem horizontalen Bandlauf mit einem auf der Unterseite angeordnetem Verdampfer Leiteinrichtungen zur gleichmäßigen Beschichtung beider Seiten verwendet, oder bei einem senkrechten Bandlauf auf beiden Seiten symmetrisch angeordnete Verdampfer verwendet.
Die Erfindung betrifft somit insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen von metallisch beschichteten und perforierten Metallbändern, wobei Metallbänder und insbesondere Stahlblechbänder mit einer Perforation bzw. mit einem Lochbild einer Beschichtungseinrichtung zugeführt und durch diese hindurchgeführt werden, in der das Blechband kontinuierlich mit einem Metalldampfstrom PVD-beschichtet wird.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Metallband eine Metallblechdicke von 0,3 mm bis 2,5 mm aufweist. Hierbei ist von Vorteil, dass einerseits eine ausreichende mechanische Steifigkeit und Stabilität gewährleistet werden kann und zusätzlich bei derartigen Dicken eine zuverlässig gleichmäßige Beschichtung erzielt wird. Ab 2,5 mm besteht die Gefahr der ungleichmäßigen Beschichtung in den Wandungen sowie entlang der Kanten.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Band mit einer oder mehreren Lagen beschichtet wird, wobei die Lagen der Beschichtung aus einem, mehreren oder allen der Gruppe Metalle, Oxide, Carbide, Nitride, Carbonitride bestehen. Vorteilhafterweise können damit entsprechend des gewünschten Einsatzgebietes bzw. Korrosionsschutzes mittels PVD die gewünschten Schichten bzw. Lagen erzeugt werden. Eine Ausführungsform sieht vor, dass beide Seiten des Bandes mit gleichen oder unterschiedlichen Beschichtungen beschichtet werden. Dabei ist von Vorteil, dass man beispielsweise bei Außenanwendungen die Witterungsseite mit erhöhter Schichtauflage versehen kann. Alternativ kann beispielweise bei Innenanwendung oder gewünschten Klebeoder Schweißverbindungen eine Bandseite mit gut schweißbaren/klebbaren Lagen beschichten werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Band mit einem, mehreren oder allen der Gruppe Zink, Magnesium, Mangan, Kupfer, Chrom, Aluminium, Titan, Silizium oder Legierungen mit diesen Elementen oder Legierungen aus diesen Elementen als Hauptbestandteilen beschichtet wird. Hauptbestandteil im Sinne des Patents bedeutet, dass das Element den größten Anteil an der Beschichtungslegierung aufweist, bevorzugt > 50 %.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Schichtdicke der PVD-Beschichtung 20 nm bis 100 pm bevorzugt 100 nm bis 50 pm je Bandseitenoberfläche beträgt. Hierbei ist von Vorteil, dass sich auch dicke Beschichtungen abscheiden lassen, die die hohen Korrosionsschutzanforderungen insbesondere im Baubereich erfüllen. Weiter ist von Vorteil, dass sich vergleichsweise sehr dünne Beschichtungen abscheiden lassen, wodurch eine ausgezeichnete Haftfestigkeit ohne Härteverlust, Verzug oder Veränderung der Mikrostruktur des Grundwerkstoffes erzielt werden kann.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Schichtdickenverhältnis der Beschichtung von Bandseitenoberfläche zu Wandungen der Perforationen zwischen 0,4 und 1,2 bevorzugt zwischen 0,6 und 0,9 beträgt. Hierbei ist von Vorteil, dass ein solches Verhältnis für einen guten Korrosionsschutz absolut ausreichend ist, da der korrosive Angriff bei den Kanten beginnt und nicht in der Wandungsmitte zuerst stattfindet. Daher haben die Erfinder erkannt, dass ein Schichtdickenverhältnis von etwa 0,4 bereits ausreichend Schutz bieten kann.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Partikelstrom in der Beschichtungskammer mit Leiteinrichtungen auf das Band gelenkt wird.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Leiteinrichtungen mechanische Leitbleche oder elektromagnetische Leiteinrichtungen sind.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Beschichtungsdicke gemessen wird und die Leiteinrichtungen so gesteuert werden, dass eine gewünschte Beschichtungsdicke und Schichtdickenverteilung erzielt wird. Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Abstand zwischen den Wänden der Beschichtungskammer und dem Blech so eingestellt wird, dass er dem 10- bis 10.000-fachen insbesondere dem 100-bis 2.500- fachen der Blechdicke entspricht. Hierbei ist von Vorteil, dass durch den vergleichsweise großen Abstand sich der Dampfstrom vergleichmäßigen und daher die Beschichtung möglichst homogen abgeschieden werden kann.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Abstand zwischen den Leiteinrichtungen und dem Blech auf das 0,005- bis 1-fache, insbesondere auf das 0,01- bis 0,7- fache der Blechbandbreite eingestellt wird. Die Blechbandbreite kann zwischen 500 mm und 2000 mm betragen. Hierbei ist von Vorteil, dass durch den vergleichsweise großen Abstand von den Leiteinrichtungen der Dampfstrom homogenisiert auf das Band trifft.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Metallband kontinuierlich zur Erzeugung des gewünschten Lochbilds gestanzt bzw. perforiert wird und anschließend inline kontinuierlich PVD-beschichtet wird.
Dabei ist es vorteilhafterweise möglich, einen Inline-Prozess, insbesondere schon im Stahlwerk vorzusehen, wobei das Metallband zunächst kontinuierlich zur Erzeugung des gewünschten Lochbilds gelocht bzw. perforiert wird. Anschließend kann das Band einer Vorbehandlungsstation zum Reinigen und/oder Beizen zugeführt werden. Insbesondere können hierbei auch die Lochkanten behandelt werden, beispielsweise durch Sandstrahlen. Hiernach kann das Band dann in die Beschichtung einlaufen, wo es anschließend inline kontinuierlich PVD-beschichtet wird.
Durch den Inline-Prozess ergeben sich einige Vorteile. Zunächst fallen die Stanzabfälle vor dem Beschichten an. Die unbeschichteten Stanzabfälle lassen sich als Stahlschrott im Stahlwerk direkt wiedereinsetzen. Hierbei sind zudem die Transportwege kurz. Zudem ist bei dem Inline-Prozess von Vorteil, dass die geschaffenen Oberflächen weniger gealtert sind. Hierdurch entfällt einerseits eine möglicherweise notwendige Entfernung von Korrosionsprodukten auf dem unbeschichteten Metallblech durch Lagerung und/oder Transport desselben. Zudem kann die Vorbehandlung gering oxidierter oder nicht korrodierter Oberflächen vergleichsweise effizienter durchführbar sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Band horizontal und/oder vertikal durch die Beschichtungskammer geführt wird. Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei vertikalem Bandlauf der Prozess als mehrstufiger Prozess durchgeführt wird, bei dem das Band mindestens zwei Mal, nämlich mindestens einmal aufwärtsfahrend und mindestens einmal abwärtsfahrend durchgeführt wird. Hierbei ist von Vorteil, dass beide Bandseiten vergleichbaren Beschichtungsbedingungen ausgesetzt werden können und daher für die Beschichtung vergleichbare und reproduzierbare Eigenschaften beidseitig erzielt werden können.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1: Ein schematisches Lochbild;
Fig. 2: Mögliche Ausführungsformen von Lochbildern;
Fig. 3: Stark schematisiert eine Beschichtungskammer;
In Figur 1 ist ein hexagonales Lochmuster dargestellt. Beispielsweise ist für Lochabstand a=7 mm, Lochradius r=2,5 mm und Blechdicke 0,9 mm das Verhältnis beschichteter Fläche F samt den Lochwandungen im Vergleich zur Fläche Fo einer Probe ohne Löcher ca. 70 %, denn es gilt: 0,704
Figure imgf000009_0001
Der kleinste Querschnitt des gestanzten Bleches im Verhältnis zum Querschnitt des ungestanzten Bleches ist (a-2r)/a, also 2/7.
In Figur 1 ist ein typischen schematisiertes Lochbild dargestellt. Die Lochstruktur ist wabenförmig mit einem Lochabstand a=7 mm, Lochradius r=5 mm und einer Blechdicke s=0,9 mm ausgebildet.
Ein derartiges perforiertes Blech wird einer PVD-Anlage mit einer entsprechenden Beschichtungskammer zugeführt. Die Beschichtungskammer ist dabei derart mit Schleusen ausgebildet, dass das Band ein- und ausgeschleust werden kann ohne die Druckverhältnisse im Innenraum der Beschichtungskammer negativ zu verändern.
Über die Regelung der Partikeldichte in der Beschichtungskammer durch definierte Plasmaparameter wird das perforierte Band beschichtet. Hierbei ist der Partikelstrom eine Funktion der Metalldampfdichte, wobei bezogen auf das Blech zum Beispiel gilt, dass mittlere Schichtdicke (Mantelfläche des gestanzten Bereichs) - - - - - - = 0,6 bis 0,9 mitlere Schichtdicke (Oberfläche ungestanzter Bereich)
Der Plasmaverdampfer erbringt gut regelbar eine hohe Dampfdichte, wobei die Teilchen eine hohe kinetische Energie besitzen. Beides in Kombination ermöglicht eine effiziente Stanzflächenbeschichtung im Durchlaufprozess.
Bei vertikalem Bandlauf kann der Prozess als zweistufiger Prozess (aufwärtsfahrendes und abwärts-fahrendes Band) durchgeführt werden um eine symmetrische Beschichtung der gesamten Bandoberfläche inkl. Stanzflächen zu erreichen, wobei dies auch von der Ausführungsform des Verdampfers abhängig ist.
In der Beschichtungskammer können Leiteinrichtungen zum Leiten bzw. Verteilen und Steuern des Partikel Stromes vorhanden sein. Dies können sowohl Leitbleche aber auch elektromagnetische Leiteinrichtungen sein. Hiermit wird der lokale Dampfstrom reguliert.
An den aus der Bedampfungskammer austretenden beschichteten Blechen können entsprechende Messungen vorgenommen und auf die Leiteinrichtungen so rückgekoppelt werden, dass diese eine gewünschte Beschichtungsstärke oder Schichtdickenverteilung vornehmen.
Auch mit dem Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz am Substrat relativ zur Kammerwand kann eine Einwirkung auf den lokalen Dampfstrom, speziell im Bereich rund um das zu beschichtende Substrat erzielt werden.
Eine vergleichsweise einfache Regelung des Verdampfers bzw. der Verdampferleistung gelingt über die Berechnung der Kondensationswärme für eine bestimmte Stoffmenge. Da die gesamte Oberfläche des Lochbleches, die Bandgeschwindigkeit und die gewünschte mittlere Schichtdicke als Inputparameter bekannt sind, lässt sich aus der Kondensationswärme gut die Verdampferleistung ermitteln.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt eine effiziente Beschichtung von perforiertem Stahlband. Hierbei kann zum Beispiel eine Zinkbeschichtung mit einem gleichmäßigen Korrosionsschutz der Stanzfläche erzielt werden. Als weiterer Vorteil kann der in Folge dessen unbeschichtete Stanzabfall direkt bei der Herstellung des perforierten Stahlbandes rückgeführt und ohne weitere Aufbereitung im Werk für die Stahlherstellung wiederverwendet werden.
Zudem ist, je nach gewähltem Beschichtungsmaterial, ein sehr weiter Bereich an möglichen Schichtdicken realisierbar, der von 0,1 pm bis etwa 20 pm reicht. Insbesondere durch die Leiteinrichtungen ist zudem die Schichtdicke über Bandbreite regulierbar. Ferner ist es möglich, beide Seiten des Bandes mit unterschiedlichen Materialen zu bedampfen. Zudem sind durch den Beschichtungsprozess ohne großen Aufwand auch Mehrlagenschichten verschiedener Beschichtungsmaterialien möglich.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von perforierten Metallbändern mit metallischer Beschichtung, wobei Metallbänder und insbesondere Stahlblechbänder mit einer Perforation bzw. mit einem Lochbild einer Beschichtungseinrichtung zugeführt und durch diese hindurchgeführt werden, in der das Blechband kontinuierlich mit einem Dampfstrom PVD- beschichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Band eine Metallblechdicke von 0,3 mm bis 2,5 mm aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Band mit einer oder mehreren Lagen beschichtet wird, wobei die Lagen der Beschichtung aus einem, mehreren oder allen der Gruppe Metalle, Oxide, Carbide, Nitride, Carbonitride bestehen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Seiten des Bandes mit gleichen oder unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien und/oder Schichtdicken beschichtet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Band mit einem, mehreren oder allen der Gruppe Zink, Magnesium, Mangan, Kupfer, Chrom, Aluminium, Titan, Silizium oder Legierungen mit diesen Elementen oder aus diesen Elementen als Hauptbestandteilen beschichtet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der PVD-Beschichtung 20 nm bis 100 pm bevorzugt 100 nm bis 50 pm je Bandseitenoberfläche beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtdickenverhältnis der Beschichtung von Bandseitenoberfläche zu Wandungen der Perforationen zwischen 0,4 und 1,2 bevorzugt 0,6 und 0,9 beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrom in der Beschichtungskammer mit Leiteinrichtungen auf das Band gelenkt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtungen mechanische Leitbleche oder elektromagnetische Leiteinrichtungen sind.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsdicke gemessen wird und die Leiteinrichtungen so gesteuert werden, dass eine gewünschte Beschichtungsdicke und Schichtdickenverteilung erzielt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Wänden der Beschichtungskammer und dem Blech so eingestellt wird, dass er dem 10-bis 10.000-fachen insbesondere 100- bis 2.500-fachen der Blechdicke entspricht.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Leiteinrichtungen und dem Blech auf das 0,005-bis 1-fache, insbesondere 0,01-bis 0,75-fache der Blechbandbreite eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Metallband kontinuierlich zur Erzeugung des gewünschten Lochbilds gestanzt bzw. perforiert wird und anschließend inline kontinuierlich PVD-beschichtet wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Band horizontal und/oder vertikal durch die Beschichtungskammer geführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei vertikalem Bandlauf der Prozess als mehrstufiger Prozess durchgeführt wird, bei dem das Band mindestens zwei Mal, nämlich mindestens einmal aufwärtsfahrend und mindestens einmal abwärtsfahrend, durchgeführt wird.
16. Perforiertes Band mit metallischer Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtdickenverhältnis der Beschichtung von Bandseitenoberfläche zu Wandungen der Perforationen zwischen 0,4 und 1,2 bevorzugt 0,6 und 0,9 beträgt.
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