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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR IMPROVING THE COATABILITY OF A METAL STRIP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/025259
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for treating a metal strip (1). According to this method, the metal strip (1) is heat-treated in a furnace (2) and is subsequently coated in a coating system (3). According to the invention, surface oxides on the metal strip (1) are removed by means of a laser (5) after the thermal treatment and prior to coating.

More Like This:
Inventors:
LAVRIC TOMAZ (AT)
SANTER HANNES (AT)
Application Number:
EP2019/068251
Publication Date:
February 06, 2020
Filing Date:
July 08, 2019
Export Citation:
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Assignee:
ANDRITZ AG MASCHF (AT)
International Classes:
B23K26/03; B08B7/00; B08B15/04; B23K26/06; B23K26/0622; B23K26/067; B23K26/352; C21D8/02; C21D8/04; C21D9/46; C21D9/48; C21D9/573; C22F1/04; C23C2/02; C23C2/40; C23C14/02; C23C14/16; C23C14/22; C23C14/24; C23C14/56; C23C22/00; C25D5/36; C25D5/44; C25D7/06; B23K101/16; B23K103/04; B23K103/10
Domestic Patent References:
WO2018096382A12018-05-31
Foreign References:
US20130288073A12013-10-31
KR20030052753A2003-06-27
US20110104396A12011-05-05
US5948172A1999-09-07
EP1829983A12007-09-05
EP2956296A12015-12-23
EP2631319A12013-08-28
Attorney, Agent or Firm:
TSCHINDER, Thomas (AT)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Behandlung eines Metallbandes (1), wobei das Metallband (1) in einem Ofen (2) wärmebehandelt und nachfolgend in einer Beschichtungsanlage (3,4) beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Wärmebehandlung und vor der Beschichtung Oberflächenoxide am Metallband (1) mit Hilfe zumindest eines Lasers (5) entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (1) in der Beschichtungsanlage (3, 4) mit einer metallischen Beschichtung beschichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, dass das Metallband (1) kontinuierlich in einem Ofen (2) wärmebehandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (2) einen Heizabschnitt (9) und einen

nachfolgenden Kühlabschnitt (8) aufweist und dass die

Oberflächenoxide im Kühlabschnitt (8) entfernt werden.

5. Verfahren einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (1) direkt im Anschluss an den Ofen (2) in ein Metallbad (7) eintaucht und dort beschichtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (1) im Metallbad (7) verzinkt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (1) in der Beschichtungsanlage (4) durch das Ablagern von Metalldampf beschichtet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (1) in der

Beschichtungsanlage elektrolytisch beschichtet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Laser (5) die Oberflächenoxide auf beiden Bandseiten entfernt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die entfernten Oberflächenoxide abgesaugt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbandoberfläche mit einem Scanner (12) abgetastet wird, um so die Bereiche, in denen sich die Oberflächenoxide befinden, zu identifizieren und dass nur diese Bereiche mit dem Laser (5) behandelt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die die Bandgeschwindigkeit gemessen wird und die Intensität der Laserstrahlung entsprechend der Bandgeschwindigkeit geregelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidierungsgrad auf der

Metallbandoberfläche ermittelt wird und die Intensität der Laserstrahlung oder die Bestrahlungsdauer entsprechend geregelt wird.

14. Anwendung des Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass damit ein Metallband (1), das auch die Legierungselemente Si, Mn und Al enthält, behandelt wird.

Description:
VERFAHREN ZUR VERBESSERUNG DER BESCHICHTBARKEIT EINES

METALLBANDES

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zur Behandlung eines Metallbandes. Dabei wird das Metallband in einem Ofen wärmebehandelt und nachfolgend in einer

Beschichtungsanlage beschichtet.

Hochfeste Stahlsorten wie Dualphasenstahl (DP-Stahl) ,

Mehrphasenstahl, Complexphasenstahl (CP-Stahl) , AHSS

(Advanced High Strength Steels) oder UHSS (Ultra High

Strength Steels) kombinieren eine hohe Festigkeit mit optimierter Umformbarkeit. Diese Stähle finden vor allem als Bleche im Automobilbau Anwendung. So ermöglichen sie bei verschiedenen Strukturverstärkungen und Crashbauteilen ein reduziertes Gewicht sowie größere Freiheiten im Design.

Als Dualphasenstahl (DP-Stahl) werden alle Stähle

bezeichnet, deren Gefüge aus einer ferritischen (weichen) Matrix besteht, in die eine überwiegend martensitische (festigkeitssteigernde) Zweitphase inselförmig an den

Korngrenzen eingelagert ist. Dieses Gefüge hat eine relativ niedrige und somit für den Umformprozess günstige

Streckgrenze sowie hohe Zugfestigkeit. Diese Eigenschaften sind für komplexe Tiefziehteile von Vorteil.

Advanced High Strength Steel (Deutsch etwa:

weiterentwickelter hochfester Stahl) bezeichnet moderne hochfeste Stahlsorten, die zu den Kaltarbeitsstählen gehören. Sie werden im Handel auch Kohlenstoffstahl ,

Karbonstahl, C-Stahl und AHS-Stahl genannt. Damit diese hochfesten Stähle ausreichend gegen Korrosion geschützt sind, werden sie beschichtet. Beispielsweise werden sie in einem Metallbad mit einer Zinkschicht oder einer Zinklegierung überzogen. In neueren Verfahren werden diese Bänder auch im Vakuum mit einer Metallschicht

bedampft (Jet Vapor Deposition (JVD) ) . Vor der Beschichtung werden diese Stähle, die in der Regel kaltgewalzt sind, zur Gefügeänderung einer Wärmebehandlung unterzogen,

vorzugsweise in einem Glühofen.

Diese hochfesten Stähle enthalten in der Regel einen hohen Anteil an Legierungselementen wie Silizium (Si) , Mangan (Mn) oder Aluminium (Al) , teilweise auch Chrom (Cr) oder Phosphor (P) . Einige dieser Spezialstähle können auch

Molybdän (Mo) , Niob (Nb) , Titan (Ti) oder Bor (B)

enthalten .

Diese Legierungselemente bilden während der Wärmebehandlung Oberflächenoxide wie Si0 2 , Mn0 2 , MnSi0 3 , Mn 2 Si04, AI2O3, Cr 2 0 3 etc. an der Bandoberfläche aus. Die Dicke dieser

Oxidschicht ist sehr dünn und liegt in der Regel im

Nanometerbereich (200 bis 500 nm) . Diese Oxidschichten sind daher im Vergleich zu herkömmlichen Zunderschichten

(Eisenoxid) , die im Bereich von 7 bis 10 ym liegt,

erheblich dünner.

Trotzdem wirken sich diese Metalloxide an der

Bandoberfläche sehr negativ auf die Beschichtbarkeit der Metallbänder aus. Durch die Metalloxide wird beispielsweise die Benetzbarkeit für Zink erheblich reduziert, sodass es bei der Feuerverzinkung zu Problemen kommen kann. Im Stand der Technik gibt es bereits mehrere Ansätze, die die Bildung dieser Metalloxide an der Bandoberfläche verhindern sollen, beispielsweise durch eine stark

reduzierende Atmosphäre im Glühofen. Jedoch führen bereits kleinste Sauerstoff- bzw. Wassermengen zur Bildung dieser Oxide .

Die EP 1 829 983 Bl versucht das Problem mit einem Ofen mit einer nicht-oxidierenden Zone, einer oxidierenden Zone und einer reduzierenden Zone zu lösen, wobei das Luft- Brennstoff-Verhältnis in der direkt befeuerten Zone

bestimmten Vorgaben genügen muss.

Bei einem anderen Lösungsansatz wird das geglühte

Metallband gebeizt, sodass die Oxide der Legierungselemente durch die Säure entfernt werden. Danach muss jedoch das Metallband wieder erneut erwärmt werden, um die passende Temperatur fürs Zinkbad aufzuweisen. Dieser Prozess ist daher aufwändig und teuer, außerdem lassen sich die Oxide der Legierungselemente in der Regel schwerer entfernen als Eisenoxid .

In einem weiteren Ansatz wird vor der Wärmebehandlung elektrolytisch eine dünne Eisenschicht auf das Metallband aufgebracht (Fe flash layer) . Es hat sich gezeigt, dass durch diese aufgebrachte Eisenschicht die Bildung von Mn-, Al- und Si-Oxiden an der Bandoberfläche reduziert wird.

Dies funktioniert jedoch nicht bei allen hochfesten Stählen zufriedenstellend. Es ist auch bekannt, elektrolytisch eine dünne Nickelschicht (Nickel Flash) aufzubringen, die dann zumindest teilweise als Diffusionssperre für die

Legierungselemente dient. Die EP 2 956 296 Bl beschreibt ein Verfahren bei dem vor der Wärmebehandlung nacheinander zwei Trennschichten auf das Metallband aufgebracht werden, nämlich zuerst eine Kupferschicht und danach eine Eisenschicht. Dieses

Verfahren ist jedoch recht aufwendig.

Die EP 2 631 319 Al versucht das Benetzungsproblem beim Feuerverzinken durch die Zugabe einer definierten Menge Aluminium in das Zinkbad und durch genau definierte

Temperaturfenster in den Griff zu bekommen.

Der Erfindung liegt daher ebenfalls die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem wärmebehandelte Metallbänder, die vorzugsweise Legierungselemente wie Si, Mn, und Al enthalten, zuverlässig beschichtet werden können, vorzugsweise handelt es sich dabei um eine

metallische Beschichtung, also beispielsweise um eine

Zinkschicht oder um eine Aluminiumschicht. Es kann sich dabei um eine Zinkschicht mit geringem Aluminiumanteil (Galfan) , um eine Zinkschicht mit höheren Aluminiumanteil (Galvalume) oder auch um eine Zinkschicht mit Mangan oder mit Al/Si Zusätzen handeln.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß

Patentanspruch 1.

Erfindungsgemäß werden nach der Wärmebehandlung und vor der Beschichtung Oberflächenoxide am Metallband mit Hilfe zumindest eines Lasers entfernt. Durch den Laserstrahl wird die dünne Oxidschicht verdampft bzw. zum Abplatzen

gebracht. Dadurch kann die nachfolgende Beschichtung problemlos durchgeführt werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zur

Behandlung von kaltgewalzten wärmebehandelten hochfesten Stahlbändern, die Elemente enthalten, wie beispielsweise Silizium, Mangan oder Aluminium, welche während der

Wärmebehandlung an die Oberfläche diffundieren und dort durch den Restsauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre diverse Oxide bilden. Diese Oxide sind dann in der normalen reduzierenden Atmosphäre sehr schwer bzw. kaum

wegzubringen .

Gegenwärtige Metallbänder, die von der

Beschichungsproblematik durch die Oberflächenoxide

besonders betroffen sind, beinhalten folgende

Legierungselemente :

Si: 0,5 - 2,5%

Mn : 0,5 - 2,5%

Al : 0,5 - 1,5%

Cr : 0,2 - < 1%

Mo: < 1 %

Zukünftige Stahlsorten können aber auch Silizium-, Mangan- und Aluminiumanteile von bis zu 5% aufweisen. Es gibt auch Spezialstähle mit einem sehr hohen Mangananteil von 30 - 50%.

Es ist auch denkbar, dass es sich bei der Beschichtung um eine Passivierungsschicht als Korrosionsschutz handelt. Diese Passivierungsschichten werden häufig auf

Aluminiumbänder oder Aluminiumlegierungen aufgetragen, sie dienen als Korrosionsschutz, verbessern aber auch die Haftbarkeit von Lacken, Klebern und Pulverbeschichtungen. Beispielsweise könnten Oberflächenoxide von Aluminiumbändern nach der Wärmebehandlung und vor der

Passivierung mit einem Laser entfernt werden.

Vorzugsweise wird das Metallband kontinuierlich in einem Ofen wärmebehandelt.

Dabei ist es günstig, wenn der Ofen einen Heizabschnitt und einen nachfolgenden Kühlabschnitt aufweist und wenn die Oberflächenoxide im Kühlabschnitt entfernt werden.

Kontinuierliche Öfen haben häufig am Ende des

Kühlabschnittes zwei Bandzugrollen, die für einen

entsprechenden Bandzug im Ofen sorgen. Die Laserbehandlung kann vorzugsweise im Bereich dieser Bandzugrollen

stattfinden, idealerweise beidseitig, da dort der Bandlauf sehr stabil ist.

Es ist vorteilhaft, wenn das Metallband direkt im Anschluss an den Ofen in ein Metallbad, beispielswiese in ein Zinkbad (gegebenenfalls mit Legierungszusätzen wie Aluminium) eintaucht und beschichtet wird.

Es ist aber auch denkbar, dass das Metallband in einer Beschichtungsanlage durch das Ablagern von Metalldampf (Jet Vapor Deposition) beschichtet wird oder auch elektrolytisch beschichtet wird. Die Erfindung setzt nicht voraus, dass das Metallband unmittelbar nach der Wärmebehandlung

beschichtet werden muss. Es kann auch eine Zwischenlagerung des Metallbandes erfolgen. Wesentlich ist nur, dass

zwischen dem Wärmebehandlungsprozess und dem

Beschichtungsprozess eine Oberflächenreinigung mit Hilfe zumindest eines Lasers erfolgt, zur Beseitigung der während der Wärmebehandlung gebildeten Oxide an der

Metallbandoberfläche . Idealerweise werden durch den oder die Laserstrahlen die Oberflächenoxide auf beiden Bandseiten entfernt.

Es ist günstig, wenn die entfernten Oberflächenoxide unmittelbar nach deren Loslösung abgesaugt werden. Die Oberflächenoxide können dabei in Dampfform oder als feine Partikel vorliegen.

Es ist zu erwarten, dass die Oxide nicht die gesamte

Metallbandoberfläche bedecken, sondern nur bereichsweise, beispielsweise als Spots, vorliegen. Diesbezüglich ist es günstig, die Metalloberfläche mit einem Scanner abzutasten und die mit Oxid bedeckten Bereiche zu identifizieren. Die Laserbehandlung erfolgt dann nur in diesen Bereichen.

Vorzugsweise wird die Bandgeschwindigkeit gemessen und die Intensität der Laserstrahlung entsprechend der

Bandgeschwindigkeit geregelt.

Es ist auch denkbar, dass der Oxidierungsgrad, also beispielswiese die Dicke der Oberflächenoxide ermittelt wird und die Intensität der Laserstrahlung oder die

Bestrahlungsdauer entsprechend geregelt wird. Dabei kann die gesamte Bandoberfläche kontinuierlich vermessen werden und die Verteilung der Oxide auf der Bandoberfläche

ermittelt werden. Die Laserbehandlung erfolgt dann

entsprechend der Verteilung bzw. Dicke der

Oberflächenoxide. Bereiche mit vermehrten Oberflächenoxiden werden dann entsprechend länger bestrahlt bzw. wird für diese Bereiche die Intensität der Laserbestrahlung erhöht. Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der

Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei mögliche

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Feuerverzinkungslinie.

Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele für eine Anlage, in der das Metallband im Vakuum mit

Metalldampf beschichtet wird.

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen jeweils gleiche Anlagenteile.

Figur 1 zeigt eine Feuerverzinkungsanlage in der ein

Metallband 1 zuerst in einem Ofen 2 kontinuierlich

wärmebehandelt und danach in einer Beschichtungsanlage 3 beschichtet wird. Die Wärmebehandlung im Ofen 2 ist

notwendig, um das durch den vorangegangenen Kaltwalzschritt walzhart gewordene Metallband 1 wieder weich zu glühen und um dort die gewünschten Eigenschaften des Metallbandes 1 durch entsprechende Glüh- und Kühlzyklen zu definieren. Im Ofen 2 wird das Metallband 1 über diverse Umlenkrollen 10 hindurchgeführt .

Der beheizte Abschnitt 9 des Ofens 2 kann entweder direkt befeuert (DFF, direct fired furnace) oder über Strahlrohre indirekt beheizt (RTF, radiant tube furnace) werden, auch eine Induktionsheizung ist denkbar. In der Regel sind mehrere dieser Heizkonzepte in einem Ofen 2 vereint.

Im Kühlabschnitt 8 des Ofens 2 wird das Metallband 1 beispielsweise mit Wasserstoff gekühlt. Der notwendige Bandzug im Ofen 2 wird durch die beiden Bandzugrollen 6 am Ende des Kühlabschnittes 8 erzeugt. Im Anschluss an den Ofen 2 taucht das Metallband 1 in an sich bekannter Art und Weise über den Rüssel 11 in das Zinkbad 7 ein und wird dort verzinkt .

Im Bereich der beiden Bandzugrollen 6 befinden sich die Laser 5. Die Laserstrahlen sind dabei auf die jeweilige von der Bandzugrolle 6 wegweisende Metallbandoberfläche

gerichtet. Der Laser ist hier direkt in den Bereichen angeordnet, in denen das Metallband 1 über die

Bandzugrollen 6 läuft. In diesen Bereichen läuft das

Metallband 1 sehr stabil (es flattert nicht) , somit kann der Laserstrahl sehr genau fokussiert werden.

Bei den Lasern 5 kann es sich beispielsweise um einen

Nd:YAG-, einen CO2- oder um einen Diodenlaser handeln.

Durch die Laser 5 werden die bei der Wärmebehandlung gebildeten Oxide entfernt und durch die Absaugung 13 abgesaugt. Abhängig von der Laserleistung werden die Oxide verdampft oder sie platzen von der Metallbandoberfläche ab.

Es können hierbei mehrere Laser 5 über die Bandbreite nebeneinander angeordnet sein, damit die gesamte Bandbreite gleichzeitig behandelt werden kann. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Laserstrahlen die Bandoberfläche zellenförmig abfahren (quer zur Bandlaufrichtung) . Die Laser 5 können auch außerhalb des Ofens 2 angeordnet sein, die Laserstrahlen werden dann durch spezielle

Lichtwellenleiter oder Spezialglasfenster ins Ofeninnere geleitet . Über Scanner 12 werden die beiden Bandoberflächen kontinuierlich gescannt und so die Oberflächenbereiche identifiziert, auf denen sich die Oxide befinden. Es ist nämlich denkbar, dass die Oxide die Metallbandoberfläche nicht vollflächig bedecken. Die Laserstrahlen werden dann so gesteuert, dass nur die mit Oxid bedeckten Bereiche gereinigt bzw. behandelt werden.

Natürlich ist es auch denkbar, dass immer die gesamte

Bandoberfläche mit dem Laser oder den Lasern behandelt wird .

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anlage wie Figur 1, nur sind hier die Scanner 12, die Laser 5 und die Absaugung 13 im Kühlabschnitt 8 bereits vor den Bandzugrollen 6 angeordnet.

In Figur 3 sind die Scanner 12, die Laser 5 und die

Absaugung 13 im Rüssel 11 der Beschichtungsanlage 3

angeordnet .

Figur 4 zeigt eine weitere Anlage 4 zur Beschichtung eines Metallbandes 1. Nach der Wärmebehandlung 14 passiert das Metallband 1 zunächst ein Schleusensystem 15 aus mehreren Rollen 16. Hier wird der Druck schrittweise abgebaut, da die Beschichtung im Vakuum bzw. bei Unterdrück durchgeführt wird. Danach erfolgt eine kurze Aufwärmung über

Heizelemente 17 und dann die Beschichtung in der

Vakuumkammer 18. Bei der Beschichtung wird hier

dampfförmiges Zink über Düsen 19 auf das Metallband 1 abgeschieden. Die Beschichtungsmethode ist in Fachkreisen unter dem Begriff „Jet Vapor Deposition" bekannt.

Anschließend wird der Druck über ein zweites

Schleusensystem 20 wieder aufgebaut. Direkt vor der Beschichtung in der Vakuumkammer 18, d.h. nach der Erwärmung durch die Heizelemente 17, erfolgt die Oxidentfernung mit Hilfe von Lasern 5. In Figur 4 sind die Laserstrahlen und die Absaugung 13 auf die Umlenkrollen 21 gerichtet .

In Figur 5 befinden sich die Laser 5 und die Absaugung 13 zwischen den beiden Umlenkrollen 21.

Auch hier können die mit Oxid bedeckten Oberflächenbereiche durch einen Scanner 12 identifiziert und die Laser 5 entsprechend gesteuert werden.

Die erfindungsgemäße Laserreinigung nach der

Wärmebehandlung kann auch vor einer elektrogalvanischen Beschichtungsanlage (EGL) erfolgen.

BezugsZeichen

1 Metallband

2 Ofen

3 Beschichtungsanlage

4 JVD-Beschichtungsanlage

5 Laser

6 Bandzugrollen

7 Zinkbad

8 Kühlabschnitt

9 Heizabschnitt

10 Umlenkwalzen

11 Rüssel

12 Scanner

13 Absaugung

14 Wärmebehandlung

15 Schleusensystem

16 Rollen

17 Heizelemente

18 Vakuumkammer

19 Düsen

20 zweites Schleusensystem

21 Umlenkrollen