Verfahren und Anlage zum elektrolytischen Beschichten eines Stahlbandes mittels Pulstechnik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein galvanisches Verfahren sowie eine Anlage zum elektrolytischen Beschichten eines Stahlbandes, insbesondere für den Automobilbereich, mit einem Überzug auf Basis von Zink und/oder einer Zinklegierung

Elektrolytisch veredelte Stahlbänder werden heutzutage als Halbzeuge in vielen Industriezweigen verwendet, wie beispielsweise der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Maschinenbau, in der Verpackungsindustrie, sowie in der Haushalt- und Elektrogeräteherstellung. Die Herstellung solcher Bänder erfolgt klassischerweise in kontinuierlich arbeitenden Bandbehandlungsanlagen mit einem geschwindigkeitskonstanten Durchlauf des Stahlbandes durch eine oder mehrere hintereinander geschaltete Elektrolysezellen.

Die hierbei elektrolytisch auf dem Stahlband ein- oder beidseitig abgeschiedenen Beschichtungen können verschiedene Aufgaben übernehmen und verleihen dem jeweiligen Stahlband neue Produkteigenschaften. Diese sind beispielsweise der Schutz vor Korrosion oder Oxidation, der Verschleißschutz, die Herstellung dekorativer Produkteigenschaften, und/oder die Herstellung von magnetischen und/oder elektrischen Oberflächeneigenschaften.

So erhält beispielsweise ein elektrolytisch verzinktes Stahlband durch den Zinküberzug einen aktiven Korrosionsschutz und bietet einen guten Haftgrund für Lackierungen und/oder oder Laminierungen mit Kunststofffolien. Ein Chromüberzug verleiht einem Stahlband oder einem Kunststoffband ebenfalls einen erhöhten Korrosions- und Verschleißschutz sowie zudem dekorative Eigenschaften. Nickel- und Nickellegierungen können hingegen die Oberflächenhärte des jeweiligen Substrates erhöhen.

Die Herstellung der jeweiligen Überzüge mit den gewünschten Eigenschaften ist, insbesondere unter ökonomischen und wirtschaftlichen Aspekten, von diversen Parametern, wie der Art und Zusammensetzung des Elektrolyten, seiner Metallsalzkonzentration und Temperatur, der geometrischen Anordnung der Elektrolysezellen und ihrer Elektroden, der elektrochemischen Stromführung sowie von deren Betrag, Zeit und Polarität, stark abhängig

Die elektrolytische Beschichtung von Stahlbändern wird im Stand der Technik mittels Gleichstroms durchgeführt, wobei hierbei die Thyristortechnik angewendet wird. Diese sog. DC-Elektrolyse kann unipolar und teilweise umpolbar ausgelegt werden, erlaubt jedoch keine spezifischen Stromfolgen in Betrag, Zeit und Polarität. Hierbei erweist sich insbesondere die hohe Wasserstoffentwicklung als besonders problematisch, da der in das Stahlband eindiffundierende Wasserstoff die Produkteigenschaften des Stahlbandes in den nachfolgenden Produktionsschritten massiv negativ beeinflusst. So ist der eindiffundierende Wasserstoff primär für den sogenannten spontanen Sprödbruch und die Herabsetzung der Materialstreckgrenze bzw. der geforderten Festigkeit eines Stahlbandes verantwortlich. Weiterhin führt der in einem verzinkten Stahlband gefangene Wasserstoff beim Aushärteprozess eines lackierten Bauteils, vorzugsweise eines mittels KTL-Prozesses lackierten Bauteils, zur Effusion des gefangenen Wasserstoffes mit der Folge, dass sich unterhalb der Lackschicht Wasserstoffbläschen bilden, die zu sogenannten „Lackplatzern“ führen.

Der Wasserstoff-bedingte Rückgang der Materialfestigkeit stellt einen weiteren signifikanten Prozessnachteil im Stand der Technik dar, denn bei einer nicht mehr gegebenen Festigkeit des Materials ist dieses für eine Anwendung im Bereich sicherheitsrelevanter Bauteile, beispielsweise im Automotive-Bereich, in der Regel unbrauchbar. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Anlage zum elektrolytischen Beschichten von Stahlbändern mit einem Überzug auf Basis von Zink und/oder einer Zinklegierung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21 gelöst

Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Stahlband nach einer ggf. vorherigen Reinigung und/oder Aktivierung, einer Beschichtungsstrecke umfassend zumindest eine, bevorzugt zumindest zwei oder mehr, Elektrolysezelle(n) zugeführt und in dieser sukzessiv elektrolytisch beschichtet wird, wobei das Stahlband zunächst über zumindest eine Stromrolle kathodisch geschaltet und innerhalb der zumindest einen Elektrolysezelle in einem definierten Abstand parallel zur zumindest einer in der Elektrolysezelle angeordneten Anode geführt wird. Die zumindest eine Anode wird erfindungsgemäß mittels eines modulierten Stroms bestromt, wobei der Beschichtungsprozess innerhalb der Beschichtungsstrecke unter Anwendung einer definierten Pulsmustersequenz erfolgt, die aus zumindest einem Pulsmuster gebildet wird, wobei gemäß der Pulsmustersequenz Zink und/oder eine Zinklegierung aus einem Elektrolyten auf dem Stahlband abgeschieden und der Überzug auf Basis von Zink und/oder einer Zinklegierung gebildet wird.

In gleicherweise sieht die vorliegende Erfindung eine Anlage zum elektrolytischen Beschichten eines Stahlbandes vor. Die Anlage umfasst ggf. eine Reinigungs- und/oder eine Aktivierungs-Einheit, in der das Stahlband gereinigt und/oder aktiviert werden kann; eine Beschichtungsstrecke mit zumindest einer, bevorzugt zumindest zwei oder mehr Elektrolysezelle(n), in der das Stahlband sukzessiv elektrolytisch beschichtbar ist, und zumindest eine Stromrolle, über die das Stahlband kathodisch geschaltet werden kann, wobei die zumindest eine Elektrolysezelle zumindest eine Anode umfasst, die derart angeordnet ist, dass das durch die zumindest eine Elektrolysezelle durchführbare Stahlband in einem definierten und parallelen Abstand zur der zumindest einen Anode durchführbar ist. Erfindungsgemäß umfasst die Anlage zumindest einen Pulsgleichrichter, der in Schaltnetzteiltechnik ausgeführt ist, dessen Minuspol mit der zumindest einen Stromrolle elektrisch verbunden und der Pluspol mit der zumindest einen Anode elektrisch verbunden ist, derart, dass die zumindest eine Anode mittels eines modulierten Stroms derart bestrombar ist, dass der Beschichtungsprozess innerhalb der Beschichtungsstrecke unter Anwendung einer definierten Pulsmustersequenz durchführbar ist, wobei die Pulsmustersequenz aus einzelnen Pulsmustern gebildet ist, wobei gemäß der Pulsmustersequenz ein Überzug auf Basis von Zink und/oder einer Zinklegierung aus einem Elektrolyten auf dem Stahlband abscheidbar ist.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass unter Anwendung einer definierten Pulsmustersequenz, die aus einzelnen Pulsmustern gebildet wird, die kathodische Wasserstoffabscheidung und deren Diffusion in das Stahlband soweit reduzierbar ist, dass der wasserstoffinduzierte Sprödbruch, der Rückgang der Zugfestigkeit sowie die Ausbildung von Oberflächendefekten in nachfolgenden Prozessschritten wirkungsvoll vermieden werden können. Ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Zink- und/oder einer Zinklegierungs-Beschichtung beschichtetes Stahlband kann daher direkt festigkeitserhaltend produziert werden, so dass ein ggf. erforderlicher, dem Beschichtungsprozess nachgelagerter, Wärmeprozessschritt eingespart werden.

Der erfindungsgemäße Beschichtungsprozess erfolgt innerhalb der Beschichtungsstrecke unter Anwendung einer definierten Pulsmustersequenz, die aus einzelnen Pulsmustern gebildet wird. Die Pulsmustersequenz kann dabei aus einem einzigen Pulsmuster und/oder aus einer Kombination von zumindest zwei oder einer Mehrzahl von gleichen und/oder unterschiedlichen Pulsmustern einer Pulsmustersammlung gebildet werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass sämtliche gegenständliche Vorrichtungsmerkmale, die im Zuge der einzelnen Verfahrensschritte erläutert werden oder umgekehrt, in gleicher Weise mit der erfindungsgemäßen Anlage und/oder dem Verfahren kombinierbar sind, ohne darauf explizit zu verweisen.

Vorzugsweise ist das Stahlband eines, welches eine Zugfestigkeit von zumindest R _e ^ 500 MPa, mehr bevorzugt von zumindest R _e ^ 600 MPa und am meisten bevorzugt von zumindest R _e ^ 800 MPa aufweist. Hinsichtlich der maximalen Zugfestigkeit ist das Stahlband auf eine Zugfestigkeit von R _e ^ 2000 MPa, mehr bevorzugt auf eine Zugfestigkeit von R _e ^ 1500 MPa, noch mehr bevorzugt auf eine Zugfestigkeit von R _e ^ 1200 MPa limitiert.

Eine bevorzugte Zinklegierungs-Beschichtung umfasst Zink-Magnesium.

Die Beschichtungsstrecke der Anlage kann grundsätzlich eine Elektrolysezelle mit einer Anode, die beispielsweise in Form einer Plattenanode ausgebildet ist, umfassen. In einer Weiterbildung kann die lediglich eine Elektrolysezelle zwei Anoden umfassen, die beispielsweise in Bandlaufrichtung hintereinander angeordnet sind, derart, dass das Stahlband einseitig beschichtbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsvariante können die zwei Anoden in einer Anodenanordnung ausgebildet sein, in der die beiden Anoden sodann parallel zueinander innerhalb der einen Elektrolysezelle angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst die Beschichtungsstrecke zumindest zwei Elektrolysezellen, mehr bevorzugt zumindest drei Elektrolysezellen, noch mehr bevorzugt zumindest vier Elektrolysezellen, weiter bevorzugt zumindest fünf Elektrolysezellen, und ist aus verfahrensökonomischen Gründen auf maximal zwanzig Elektrolysezellen, bevorzugt auf maximal 16, mehr bevorzugt auf maximal fünfzehn Elektrolysezellen beschränkt. Die Mehrzahl von Elektrolysezellen ist bevorzugt in Bandlaufrichtung hintereinander angeordnet, durch die das Stahlband sodann innerhalb der Beschichtungsstrecke geführt wird.

Die einzelnen Elektrolysezellen können in Form von horizontal oder bevorzugt in Form von vertikal ausgebildeten Elektrolysezellen ausgebildet sein, durch die das Stahlband über Umlenkrollen geführt wird.

Der Abscheideprozess innerhalb der einzelnen Elektrolysezellen erfolgt in einem Elektrolyten, durch den das Stahlband geführt wird. Das Elektrolytmedium ist für gewöhnlich wässrig und weist in der Regel einen pFI-Wert von kleiner 5.0 auf. Alternativ kann das Elektrolytmedium auch aus einem nichtwässrigen Medium, wie beispielsweise einer ionischen Flüssigkeit, gebildet werden. Eine bevorzugte ionische Flüssigkeit umfasst ein Gemisch aus Cholinchlorid und Flarnstoff.

Der modulierte Strom wird von einem Pulsgleichrichter bereitgestellt, der in Schaltnetzteiltechnik ausgeführt ist. Der Einsatz eines solchen Pulsgleichrichters erlaubt den Betrag, den zeitlichen Verlauf sowie die Polarität des jeweiligen gewünschten Pulsmusters und somit der gesamten Pulsmustersequenz derart zu definieren, dass der elektrolytische Prozess entsprechend der vorgegebenen Parameter optimal angepasst werden kann. Ein derart ausgebildeter Pulsgleichrichter definiert sich dadurch, dass die netzseitige Wechselspannung zunächst gleichgerichtet und geglättet wird. Die sodann generierte Gleichspannung, die wesentlich höheren Frequenzen, in der Regel im Bereich von 5 kHz bis 300 kHz, aufweist, wird sodann aufgeteilt, mit dieser hohen Frequenz transformiert und anschließend gleichgerichtet und gesiebt. Die überlagerte Spannungs- und Stromregelung funktioniert in der Regel über eine Pulsbreitenmodulation oder Pulsphasenmodulation.

Durch die hohe Frequenz am Leistungsüberträger ist der Transformator wesentlich kleiner ausgebildet, so dass die Energieverluste wesentlich geringer sind. Daraus ergibt sich systembedingt eine wesentlich höhere Leistungseffektivität der Gleichstromversorgung und somit der Gesamtproduktionsanlage. Bauartbedingt kann der Pulsgleichrichter in Modulbauweise bereitgestellt werden.

Dies führt zu einer wesentlich höheren Verfügbarkeit, da die bereitzustellende Leistung eines defekten Moduls durch ein anderes Modul übernommen werden kann und bei der Reparatur eines defekten Moduls dieses schnell ausgetauscht werden kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Qualität des Gleichstromes, insbesondere seine geringere Restwelligkeit, bei geringeren Verlusten wesentlich besser ist, als bei der herkömmlichen thyristorbasierten DC-Elektrolyse, die Reparatur von defekten Geräten wesentlich schneller und einfacher realisierbar ist, und bestehende Gleichstrom-/Gleichspannungsversorgungssysteme durch weitere Module nachträglich durch Verwendung entsprechender Regelungstechnik, mittels derer die Leistung des Gleichstrom-

/Gleichspannungsversorgungssystems erhöht werden kann, erweiterbar sind. Der zumindest eine Pulsgleichrichter, der den modulierten Strom bereitstellt, ist vorteilhafterweise über seinen Minuspol mit der zumindest einen Stromrolle und der Pluspol mit der zumindest einen Anode elektrisch verbunden. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass der zumindest eine Pulsgleichrichter mit einer zentralen Steuereinheit elektrisch verbunden ist, über die der gesamte Beschichtungsprozess geregelt wird. Über die Steuereinheit wird das zumindest eine Pulsmuster der Pulsmustersequenz an den zumindest einen, vorzugsweise jeden, Pulsgleichrichter übertragen, der dieses sodann signaltechnisch auf die jeweilige zugeordnete Elektrolysezelle überträgt.

Für gewöhnlich umfasst ein Pulsmuster der Pulsmustersequenz zumindest einen kathodischen Puls, zumindest einen anodischen Puls, und/oder zumindest eine Pulsauszeit, wobei der kathodische und anodische Puls über eine Pulsdauer und seine jeweilige Form, beispielsweise rechteckförmig, definiert wird. Über den kathodischen Puls wird das Zink und/oder die Zinklegierung auf dem Stahlband abgeschieden. Über einen anodischen Puls kann insbesondere der naszierende Wasserstoff, der an der Stahlbandoberfläche adsorbiert ist, wieder zum Proton oxidiert und somit von der Stahlbandoberfläche gezielt entfernt werden.

Die zumindest eine Anode ist vorzugsweise als Plattenanode ausgebildet. Solche Plattenanoden können grundsätzlich in Form einer löslichen oder einer unlöslichen Anode ausgestaltet sein. Bei löslichen Anoden, die auch als aktives Anodensystem bezeichnet werden, geht die Anode während der Elektrolyse in Lösung über. Unlösliche Anoden, auch als inertes Anodensystem bezeichnet, gehen hingegen während der Elektrolyse nicht in Lösung über. Unlösliche Anoden bestehen aus einem Trägermaterial einerseits und einer darauf aufgebrachten Beschichtung, die als Aktiv-Schicht bezeichnet werden kann, andererseits. Dabei werden als Trägermaterial üblicherweise Titan, Niob oder andere Reaktionsträgermetalle verwendet, in jedem Fall aber solche Materialien, die unter den Elektrolysebedingungen passivieren. Als Material für die Aktiv-Schicht kommen üblicherweise elektronenleitende Materialien, wie zum Beispiel Platin, Iridium oder andere Edelmetalle, deren Mischoxide oder Verbindungen dieser Elemente zum Einsatz. Dabei kann die Aktiv-Schicht entweder direkt auf die Oberfläche des Trägermaterial aufgebracht sein oder sich auf einem zum Trägermaterial beabstandet angeordneten Substrat befinden. Als Substrat können unter anderem auch solche Materialien dienen, die als Trägermaterial in Betracht kommen, also beispielsweise Titan, Niob oder dergleichen.

Die zumindest eine Anode kann vorzugsweise einstückig und/oder gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante aus zumindest zwei oder mehr stabförmig ausgebildeten Teilanoden ausgebildet sein, wobei sodann jede der Teilanoden elektrisch mit der Stromquelle verbunden ist. Die zumindest zwei oder mehr stabförmig ausgebildeten Teilanoden werden vorteilhafterweise derart angeordnet, dass der Abstand einer jeden Teilanode zum Band über dessen Breite einstellbar ist. Hierdurch können entlang der Bandbreite des Stahlbandes, über die Einstellung des Abstands jeder der Teilanoden zu dem Band und/oder der Stromdichte, lokal unterschiedliche Schichtstärken aufgebracht und/oder durch Desorption korrigiert werden. So können beispielsweise die an den Bandkanten angeordneten Teilanoden, im Vergleich zu denen im mittleren Segment angeordneten, mit einer geringeren Stromdichte bestromt und/oder einem größeren Abstand zum Band positioniert werden, um die Abscheidung des Zinks und/oder der Zinklegierung an den Bandkanten zu steuern.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die zumindest eine Elektrolysezelle zumindest eine Anodenanordnung aus zwei parallel zueinander angeordneten Anoden, durch die das Stahlband geführt wird. In einer derart ausgebildeten Konfiguration ist bevorzugt vorgesehen, dass jede der Anoden der zumindest einen Anodenanordnung über einen separaten Pulsgleichrichter bestromt wird, derart, dass jede der Anoden mit jeweils einem Pluspol eines jeden Pulsgleichrichters und der Minuspol eines jeden Pulsgleichrichters mit der zumindest einen Stromrolle elektrisch verbunden ist. Mit anderen Worten umfasst die Elektrolysezelle in dieser Konfiguration zwei Anoden, zwei Pulsgleichrichter sowie eine Stromrolle, über die das Bandsubstrat kathodisch geschaltet wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante umfasst die zumindest eine Elektrolysezelle zumindest zwei Anodenanordnungen mit jeweils zwei parallel zueinander angeordneten Anoden, durch die das Stahlband geführt wird. Sofern eine solche Elektrolysezelle als Tauchtank ausgebildet ist, ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Stahlband zwischen den zumindest zwei Anodenanordnungen über eine, ggf. innerhalb der Elektrolysezelle angeordnete, Umlenkrolle umgelenkt wird. In einer derart ausgebildeten Konfiguration wird ebenfalls jede der Anoden der zumindest zwei Anodenanordnung über einen separaten Pulsgleichrichter bestromt, so dass in dieser Konfiguration insgesamt vier Pulsgleichrichter vorgesehen sind. Hierbei ist jede der vier Anoden mit jeweils einem Pluspol eines jeden Pulsgleichrichters und der Minuspol von jeweils zwei Pulsgleichrichters mit jeweils einer der zwei Stromrollen elektrisch verbunden. Mit anderen Worten umfasst die Elektrolysezelle in dieser Konfiguration vier Anoden, vier Pulsgleichrichter, zwei Stromrollen sowie eine, ggf. innerhalb der Elektrolysezelle angeordnete, Umlenkrolle.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante kann die Elektrolysezelle im Wesentlichen aus der Anodenanordnung gebildet werden, indem die beiden offenen Flanken dieser verschlossen werden. Das Stahlband wird hierbei durch den von der Anodenanordnung begrenzten teilverschlossenen Raum durchgeführt und in diesem von dem Elektrolyten umspült. Der Elektrolyt kann beispielsweise über entsprechende Pumpen über den gesamten Querschnitt dem Raum zugeführt werden und diesen durchfließen. Ein solcher Aufbau weist gegenüber einem Tauchtank einen kleineren Bauraum auf und benötigt somit geringere Volumina des Elektrolyten.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante umfasst die

Beschichtungsstrecke eine Mehrzahl von in Bandlaufrichtung hintereinander angeordneten Elektrolysezellen, durch die das Stahlband geführt wird. In diesem Zusammenhang ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Stahlband zwischen zumindest zwei, mehr bevorzugt zwischen jeder der Mehrzahl von Elektrolysezellen, über zumindest eine als Zwischenstromrolle ausgebildete Umlenkrolle umgelenkt, und ggf. zusätzlich kathodisch geschaltet wird. In einer beispielhaften Ausführungsvariante mit zwei Elektrolysezellen umfassend jeweils zwei Anodenanordnungen wird ebenfalls jede der Anoden der vier Anodenanordnungen über einen separaten Pulsgleichrichter bestromt, so dass in dieser Konfiguration insgesamt acht Pulsgleichrichter vorgesehen sind. Hierbei ist jede der insgesamt acht Anoden mit jeweils einem Pluspol eines jeden Pulsgleichrichters elektrisch verbunden. Hinsichtlich der kathodischen Schaltung ist vorgesehen, dass diese sich auf die insgesamt drei Stromrollen verteilt, derart, dass der Minuspol von jeweils zwei Pulsgleichrichter mit jeweils einer der beiden äußeren Stromrollen (Bandeinlauf-Stromrolle und Bandauslauf-Stromrolle) und der Minuspol von den übrigen vier Pulsgleichrichtern mit der als Zwischenstromrolle ausgebildeten Umlenkrolle elektrisch verbunden ist. In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird in der zumindest einen Elektrolysezelle, mehr bevorzugt in jeder der Elektrolysezellen, eine Wasserstoffkonzentration ermittelt. Das Detektieren der Wasserstoffkonzentration erfolgt vorzugsweise über Wasserstoffsonden, die die Konzentration in der Abluft der Elektrolysezelle(n) direkt messen. Durch das Detektieren des Wasserstoffs kann mittelbar auf die auf dem Stahlband adsorbierte und/oder in das Stahlband eindiffundierte Menge des Wasserstoffs geschlossen werden, so dass noch im Beschichtungsprozess, durch Anpassung der Pulsmuster innerhalb der Pulsmustersequenz, eine Korrektur vorgenommen werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird das zumindest eine Pulsmuster der Pulsmustersequenz in der zumindest einen, mehr bevorzugt ersten Elektrolysezelle der Mehrzahl von Elektrolysezellen in Bezug auf seine Pulsart, also kathodischen und anodischen Puls, seine Pulsform, seine Pulsauszeit, seine Pulslänge sowie seine Pulsanzahl derart ausgewählt, dass das Stahlband gegenüber einer Wasserstoffadsorption isoliert wird. Hierzu wird vorteilhafterweise ein Pulsmuster ausgewählt, das eine schnelle Ausbildung einer feinkörnigen, geschlossenen Zink- und/oder Zinklegierungsbeschichtung ermöglicht. Über eine Abfolge von kurzen kathodischen Pulsen kann eine hohe Anzahl gleichmäßig verteilter Kristallkeimzellen auf der Stahlbandoberfläche ausgebildet werden, die sodann mit weiterem Kristallwachstum an jeder Keimzelle zu einer ebenen, geschlossenen und mit wenig Fehlstellen besetzter Zink- und/oder Zinklegierungsschicht ausgebildet werden kann. Die Reduzierung von Fehlstellen, an denen sich bevorzugt Wasserstoff abscheidet, reduziert die Wasserstoffadsorption und isoliert die Stahlbandoberfläche gegenüber den im Elektrolyten vorliegenden Protonen. Über die zunehmende Menge des adsorbierten Zinks und/oder der Zinklegierung auf der Stahlbandoberfläche wird sodann die Wasserstoff-Abscheidung zu Gunsten des Zinks und/oder der Zinklegierung reduziert. Die Pulslänge des zumindest einen kathodischen Pulses und/oder des zumindest einen anodischen Pulses beträgt vorteilhafterweise 3.0 bis 100 ms, mehr bevorzugt 3.0 bis 50 ms, noch mehr bevorzugt 3.0 bis 20 ms, weiter bevorzugt 3.0 bis 10 ms und am meisten bevorzugt 3.0 bis 5 ms. Vorteilhafte Pulsauszeiten zwischen jeweils zwei der Vielzahl von Pulsen betragen 1.0 bis 200 ms, bevorzugt 1.0 bis 100 ms, mehr bevorzugt 1.0 bis 50 ms, noch mehr bevorzugt 1.0 bis 25 ms und am meisten bevorzugt 1.0 bis 5.0 ms.

Hinsichtlich der Pulsanzahl zwischen den beiden Pulsarten ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass diese 1 bis 5000, bevorzugt 1 bis 2500, mehr bevorzugt 1 bis 2000, noch mehr bevorzugt 1 bis 1000, weiter bevorzugt 1 bis 200, bevorzugter 1 bis 100, und am meisten bevorzugt 1 bis 50 betragen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante beträgt das Verhältnis von Pulslänge zur Pulsauszeit des kathodischen Pulses 0.1 und/oder 0.02, was vorteilhafterweise zur Reduzierung des Diffusionskoeffzienten von Wasserstoff um bis zu 40 % gegenüber der DC-Elektrolyse führt.

Nach der Beschichtung des Stahlbands in der Beschichtungsstrecke der Anlage kann dieses einer Nachbehandlungseinheit zugeführt wird, in der das beschichtete Stahlband getempert wird. Vorzugsweise umfasst die Anlage hierzu einen induktiven Banderwärmungsofen und/oder einen gasbeheizten Umluftdurchlaufofen, insbesondere einen Schwebebanddurchlaufofen, der ein berührungsloses tempern ermöglicht und somit die Zink- und/oder Zinklegierungsbeschichtung schützt.

Das Tempern des beschichteten Stahlbands erfolgt vorteilhafterweise bei einer maximalen Temperatur von < 300 °C (PMT), mehr bevorzugt in einem Bereich von 150 bis 250 °C (PMT).

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren und Beispielen näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante eines Teils einer

Beschichtungsstrecke einer Anlage zum elektrolytischen Beschichten eines Stahlbandes mit einem Überzug in einer schematischen

Darstellung, Fig. 2 eine zweite Ausführungsvariante eines Teils der Beschichtungsstrecke der Anlage zum elektrolytischen Beschichten eines Stahlbandes mit einem Überzug in einer schematischen Darstellung,

Fig. 3 eine Ausführungsvariante eines Teils einer Beschichtungsstrecke mit n-Zellen, Fig. 4 eine Ausführungsvariante einer Teilanodenanordnung,

Fig. 5 eine dritte Ausführungsvariante eines Teils der Beschichtungsstrecke der Anlage zum elektrolytischen Beschichten eines Stahlbandes mit einem Überzug in einer schematischen Darstellung,

Fig. 6 eine erste Ausführungsvariante eines Pulsmusters, das einen Teil der Pulsmustersequenz bilden kann,

Fig. 7 eine zweite Ausführungsvariante eines Pulsmusters, das einen Teil der Pulsmustersequenz bilden kann,

Fig. 8 eine dritte Ausführungsvariante eines Pulsmusters, das einen Teil der Pulsmustersequenz bilden kann, und Fig. 9 eine vierte Ausführungsvariante eines Pulsmusters, das einen Teil der Pulsmustersequenz bilden kann.

In Figur 1 ist ein Teil einer Beschichtungsstrecke 1 einer Anlage zum elektrolytischen Beschichten eines Stahlbandes mit einem Überzug auf Basis von Zink und/oder einer Zinklegierung in einer schematischen Darstellung gezeigt. Eine derartige Anlage kann ein oder mehrere Flaspeleinrichtungen zum Ab- und Aufwickeln des zu beschichtenden Stahlbandes, einen Einlaufspeicher, einen Streckrichter, eine Reinigungs- und Aktivierungseinheit, die Beschichtungsstrecke 1, eine Nachbehandlungseinheit, einen Auslaufspeicher, eine Inspektionsstrecke sowie eine vor der Aufwickelstation (Haspeleinrichtung) angeordnete Einölvorrichtung, umfassen.

Gemäß der vorliegend dargestellten Beschichtungsstrecke 1 kann ein Stahlband 2 mit einem Überzug auf Basis von Zink und/oder einer Zinklegierung elektrolytisch beschichtet werden. Hierzu umfasst die Beschichtungsstrecke 1 in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsvariante eine Elektrolysezelle 3, die vorliegend als Tauchtank ausgebildet ist und einen entsprechend elektrochemisch eingestellten Elektrolyten 4 enthaltend Zink und/oder eine Zinklegierung in kationischer Form aufweist. Die Elektrolysezelle 3 umfasst in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante zwei Anoden 5, die derart in der Elektrolysezelle 3 positioniert sind, dass das durch die Elektrolysezelle 3 durchführbare zu beschichtende Stahlband 2 in einem definierten und parallelen Abstand zu diesen durchführbar ist. Beide Anoden 5 sind als einstückige Plattenanoden ausgebildet und in Bandlaufrichtung R hintereinander angeordnet, derart, dass das Stahlband 2 einseitig mit dem Überzug auf Basis von Zink und/oder der Zinklegierung beschichtet werden kann.

Der Elektrolysezelle 3 sind vorliegend zwei Stromrollen 6, 7 zugeordnet, wobei die eine erste Stromrolle 6 innerhalb der Beschichtungsstrecke 1 einlaufseitig (Bandeinlauf-Stromrolle) der Elektrolysezelle 3 und die zweite Stromrolle 7 auslaufseitig (Bandauslauf-Stromrolle) der Elektrolysezelle 3 angeordnet ist. Über die Bandeinlauf-Stromrolle 6 wird das Stahlband 2, das ggf. einem vorherigen Reinigungs- und/oder Aktivierungsschritt unterzogen worden ist, aus einer horizontalen Bewegung in eine vertikale Bewegung umgelenkt, so dass es in die Elektrolysezelle 3 eintritt, und dabei gleichzeitig kathodisch geschaltet. Über die Bandauslauf-Stromrolle 7 wird das Stahlband 2 sodann nach dem Beschichtungsprozess aus der vertikalen wieder in die horizontale Bewegung umgelenkt, wobei es ggf. zusätzlich über die Bandauslauf-Stromrolle 7 kathodisch geschaltet werden kann. Innerhalb der Elektrolysezelle 3 ist zudem eine Umlenkrolle 8 angeordnet, über die das Stahlband 2 umgelenkt wird.

Zur Durchführung des Beschichtungsprozesses werden beide Anoden 5 mittels eines modulierten Stroms bestromt, der von jeweils einem separaten Pulsgleichrichter 9, der in Schaltnetzteiltechnik ausgeführt ist, bereitgestellt wird. Dabei ist jeder der Pulsgleichrichter 9 über seinen Minuspol mit jeweils einer der beiden Stromrollen 6, 7 und der Pluspol mit jeweils einer der beiden Anoden 5 elektrisch verbunden. Über den modulierten Strom sind die beiden Anoden 5 derart bestrombar, dass der Beschichtungsprozess unter Anwendung einer definierten Pulsmustersequenz 10, die aus einzelnen Pulsmustern 11 gebildet wird, durchführbar ist.

Vorteilhafterweise sind beide Pulsgleichrichter 9 mit einer zentralen Steuereinheit 12 elektrisch verbunden ist, über die das jeweilige gewünschte Pulsmuster 11 der Pulsmustersequenz 10 an jeden der Pulsgleichrichter 9 übertragen wird. Hierdurch kann der gesamte Beschichtungsprozess in automatisierter Form geregelt werden.

In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsvariante eines Teils der Beschichtungsstrecke 1 gezeigt. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsvariante umfasst die Elektrolysezelle 3 zwei Anodenanordnungen 13 mit jeweils zwei parallel zueinander angeordneten Anoden 5, durch die das Stahlband 2 geführt wird. Wie aus der Figur 2 ersichtlich, wird ebenfalls jede der Anoden 5 der zwei Anodenanordnungen 13 über einen separaten Pulsgleichrichter 9 bestromt. Hierbei ist jede der vier Anoden 5 mit jeweils einem Pluspol eines jeden Pulsgleichrichters 9 und der Minuspol von jeweils zwei Pulsgleichrichtern 9 mit jeweils einer der beiden Stromrollen 6 bzw. 7 elektrisch verbunden. In Figur 3 ist eine Ausführungsvariante eines Teils einer Beschichtungsstrecke 1 mit n-Elektrolysezellen 3 gezeigt, von denen exemplarisch vier dargestellt sind. Alle Elektrolysezellen 3 sind in Bandlaufrichtung R hintereinander angeordnet. Hierbei ist zwischen jeder der Mehrzahl von Elektrolysezellen 3 eine als Zwischenstromrolle 14 ausgebildete Umlenkrolle angeordnet, über die das Stahlband 2 von einer vorhergehenden in die nächste Elektrolysezelle 3 umgelenkt und hierbei zusätzlich kathodisch geschaltet wird. Wie der Figur 3 entnehmbar, wird jede der Anoden 5 der Mehrzahl von Anodenanordnungen 13 über einen separaten Pulsgleichrichter 9 bestromt. Hierbei ist jede der Anoden 5 mit jeweils einem Pluspol eines jeden Pulsgleichrichters 9 elektrisch verbunden. Hinsichtlich der kathodischen Schaltung ist vorgesehen, dass diese sich auf die unterschiedlichen Stromrollen 6, 7, 14 verteilt, derart, dass der Minuspol von jeweils zwei Pulsgleichrichter 9 mit jeweils einer der beiden äußeren Stromrollen 6, 7, also der Bandeinlauf-Stromrolle 6 sowie der Bandauslauf-Stromrolle 7, und der Minuspol von den übrigen Pulsgleichrichtern 9 mit der als Zwischenstromrolle 14 ausgebildeten Umlenkrolle elektrisch verbunden ist.

In Figur 4 ist eine Ausführungsvariante einer Teilanodenanordnung 15 gezeigt, die eine Mehrzahl von stabförmig ausgebildeten Teilanoden 16 umfasst, wobei jede der Teilanoden 16 elektrisch mit der Stromquelle bzw. mit einem Minuspol eines Pulsgleichrichters 9 verbunden ist.

In Figur 5 ist eine dritte Ausführungsvariante eines Teils einer Beschichtungsstrecke 1 gezeigt. Hierbei wird die Elektrolysezelle 3 im Wesentlichen aus der Anodenanordnung 13 gebildet, indem die beiden offenen Flanken dieser verschlossen werden. Das Stahlband 2 wird in dieser Ausführungsvariante durch den von der Anodenanordnung 13 begrenzten teilverschlossenen Raum durchgeführt und in diesem von dem Elektrolyten 4 umspült. Der Elektrolyt 4 wird von einem unterhalb der Anodenanordnung 13 angeordneten Reservoir 17 über eine Pumpe 18 in den Raum gefördert, wo er diesen über den gesamten Querschnitt durchfließt. In den Figuren 6 bis 9 sind unterschiedliche Ausführungsvarianten von Pulsmustern 11 gezeigt, die einen Teil der Pulsmustersequenz 10 bilden. In Figur 6 ist ein Initialstromimpuls der zeitlichen Länge t dargestellt, der anschließend auf eine konstante Stromstärke reduziert wird. Der Initialstromimpuls kann zur Erhöhung der Kristallkeimanzahl auf der Kathode verwendet werden, mit dem Ergebnis der Abscheidung feiner und kleiner Kristallformen. Im Unterschied hierzu ist mit der gestrichelten Linie in den Figuren 6 bis 8 ein zeitlich konstanter, kathodischer Strom, wie er in der Gleichstromelektrolyse (DC-Elektrolyse) angewendet wird, dargestellt.

In Figur 7 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, das ein sich in Strombetrag und Zeit gleichartig ausgestaltetes, sich wiederholendes Pulsmuster 11 zeigt. Durch die Abschaltpausen des Stromflusses wird eine Relaxation der Nernstschen Doppelschicht erzielt, die mit einem Abbau der, den Stofftransport behindernden, Diffusionsschicht verbunden ist und somit die Ausbildung einer homogenen Beschichtungsdicke über die Fläche des Bandes unterstützt. Figur 8 zeigt ein Pulsmuster 11 mit einem periodisch, rechteckförmig gebildeten Stromimpuls, das in Kombination mit einem der vorhergehenden Muster zur Ausbildung eines mehrschichtigen, kathodischen Überzugs verwendet werden kann. Hierbei wird in der kathodischen Phase der Überzug auf dem Stahlband galvanisch abgeschieden, durch den Reversimpuls sodann anodisch, mit vom Betrag her geringeren Strömen beaufschlagt, und die Abscheidung unterbunden. Durch die anodische Schaltzeit werden bevorzugt Kristallspitzen abgebaut und, erneut durch kathodische Schaltung, eine weitere Zink- und/oder

Zinklegierungsschicht auf der bereits vorhandenen Schicht abgeschieden. Mittels des in Figur 8 gezeigten Pulsmusters können die metallischen Überzüge periodisch und schichtartig aufgebaut werden, was mit einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit verbunden ist. Dieses sogenannte Umkehrpulsstromverfahren wird auch bipolares Pulsstromverfahren genannt, da hierbei die kathodische und anodische Stromführung gewechselt wird, also der Stromfluss mit Schneiden des Nulldurchganges verändert wird. Mit anderen Worten wird die Kathode zeitweise zur Anode geschaltet, so dass der galvanische Abscheideprozess zeitweise reversibel ausführbar ist. Der Strombetrag, die Dauer und der Polaritätswechsel kann nach Vorgabe durch den Anwender gestaltet und auf den Prozess optimiert werden.

Beispiele:

Zur Untersuchung der Wasserstoffabscheidung und der Wasserstoffdiffusion wurde ein Stahlband mit einer Zugfestigkeit von R _e = 1200 MPa mit einem Zinküberzug in einer Anlage mit zehn Elektrolysezellen beschichtet. Jede der Zellen wies hierzu einen schwefelsauren, wässrigen Elektrolyten mit Zinksulfat in einer Konzentration im Bereich von 280 und 320 g/l auf. Die Badtemperatur betrug 50 und 70 °C.

Beispiel 1 : Zur Isolation des Stahlbandes gegenüber der Wasserstoffadsorption wurde eine Pulsmustersequenz mit dem nachfolgenden Pulsmuster (Fig. 9) ausgewählt, welches eine schnelle Abscheidung einer feinkristallinen, dichten, Zinkbeschichtung erlaubt. Pulsmuster:

Puls: kathodisch

Pulsform: rechteckförmig

Pulsauszeit: 5 ms Pulslänge: 5 ms Pulsanzahl: 10 Puls: anodisch

Pulsform: rechteckförmig

Pulslänge: 5 ms Pulsanzahl: 2

Pulsauszeit: 2 ms

Die Pulsstromdichte betrug 100 A/dm ² Bei dem beschichteten Stahlband konnte keine signifikante Reduzierung der Streckgrenze (R _e ) nachgewiesen werden.

Beispiel 2: Zur Untersuchung der Diffusion von Wasserstoff in das Stahlband wurde eine Pulsmustersequenz mit dem nachfolgenden Pulsmuster ausgewählt.

Pulsmuster: Puls: kathodisch

Pulsform: rechteckförmig

Pulsauszeit: 135 ms

Pulslänge: 3 ms Die Pulsstromdichte betrug 50 A/dm ² .

Die Analyse des derart beschichteten Stahlbandes zeigte im Vergleich zu einem Pulsmuster mit einem Verhältnis von Pulslänge zu Pulsauszeit von 3/1 eine signifikante Reduzierung des gemessenen Wasserstoffs. Bezugszeichenliste

1 Beschichtungsstrecke

2 Band / Gewebe / Kathode

3 Elektrolysezelle

4 Elektrolyt

5 Anode

6 erste Stromrolle / Bandeinlauf-Stromrolle

7 zweite Stromrolle / Bandauslauf-Stromrolle

8 Umlenkrolle

9 Pulsgleichrichter

10 Pulsmustersequenz 11 Pulsmuster 12 Steuereinheit

13 Anodenanordnung

14 Zwischenstrom rol le

15 Teilanodenanordnung

16 Teilanoden

17 Reservoir

18 Pumpen

R Bandlaufrichtung