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 F _o einer Probe ohne Löcher ca. 70 %, denn es gilt: 0,704

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.