Verfahren zur Herstellung von Edelstahlbändern mit verbesserten Oberflächeneigenschaften

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Edelstahlbändern mit verbesserten Oberflächeneigenschaften. Sie ist vornehmlich dadurch gekennzeichnet, daß das Edelstahlband erst einem Blankglühprozeß und anschließend einer elektrochemische Behandlung bei Stromdichten bis zu 200 A/dm² unterworfen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Edelstahlbändern mit verbesserten Oberflächeneigenschaften.

[0002] Grundsätzlich besteht eine Blankglühanlage aus einem Blankglühofen und einer vorgeschalteten Entfettung. Der Ofen wird mit einer Wasserstoffatmosphäre betrieben so daß bei den hohen Glühtemperaturen keine Verzunderung des Bandes stattfinden kann. In der Ofenatmosphäre ist jedoch, in Spuren, auch Sauerstoff vorhanden. Je nach der Höhe des Taupunktes bilden sich Oxidschichten am Band.

[0003] Besonders während der Inbetriebnahme, kann es vorkommen, daß höhere Sauerstoffkonzentrationen vorliegen so daß die Oxidbildung so intensiv wird, daß sie durch Anlauffarben sichtbar wird. Für die Behebung solcher Probleme wurden viele Blankglühanlagen mit einer elektrochemischen Salpetersäure-Behandlung im Auslaufteil ausgestattet. Der Erfolg der Behandlung ist jedoch nicht genau quantifizierbar - manchmal hat das Band nach der Behandlung noch stärkere Anlauffarben. Tatsache ist, daß die meisten neuen Blankglühanlagen ohne diese elektrochemische Salpetersäure Nachbehandlung geplant und gebaut werden.

[0004] Das liegt vor allem daran, daß die Ofenatmosphäre wesentlich besser kontrolliert wird und der Taupunkt nicht mehr in dem Ausmaß wie früher schwankt.

[0005] Der Vorteil einer Blankglühanlage ist es, daß die erzielbaren Oberflächenqualitäten sehr hohe Glanzwerte und sehr geringe Rauhigkeitswerte auf aufweisen. Der Nachteil jedoch ist, daß im Vergleich zu einem konventionell hergestellten, geglühten und gebeizten, Edelstahlkaltband das auf der Blankglühanlage hergestellte Material eine andere Oberflächenzusammensetzung aufweist, welche die nachfolgenden mechanischen Weiterverarbeitungsschritte nachteilig beeinflußt:

• Streckrichten
• Dressieren
• Stanzen
• Tiefziehen

[0006] Das BA-Material (Material nach einem Blankglühofen - "bright annealing") kann immer wieder große Schwierigkeiten bereiten, wenn es zur Planheitsverbesserung auf der Streckbiegerichtmaschine gefahren wird.

[0007] Es kann zur Belegung der Walzen durch Ablagerungen aus der Bandoberfläche kommen und es können Mikrorisse in der Bandoberfläche entstehen welche nachteilig den Glanzgrad beeinflussen.

[0008] Beim Dressieren ergeben sich durch die harten Partikel, die sich an der Oberfläche des BA-Materials befinden, wesentlich kürzere Standzeiten der Arbeitsrollen.

[0009] Die gleiche Problematik der kürzeren Standzeiten der Werkzeuge ist gegeben beim Stanzen und Tiefziehen des BA-Materials. Weiters können die moderne Stanzmaschinen, welche bis zu 1000 Stanzungen pro Minute schaffen können, mit dem BA-Material oft die Produktivität nicht erreichen.

[0010] Bei dem Tiefziehverfahren ist oft die Präzision nicht gegeben, wenn das Material verschiedene Reibungswerte an der Oberfläche aufweist.

[0011] Ziel der Erfindung ist es daher ein Verfahren zu schaffen, bei dem die nachfolgenden mechanischen Behandlungsschritte wesentlich erleichtert werden und eine wesentlich bessere Verarbeitbarkeit mit längeren Werkzeugstandzeiten gegeben ist.

[0012] Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß das Edelstahlband erst einem Blankglühprozeß und anschließend einer elektrochemische Behandlung bei Stromdichten bis zu 200 A/dm² unterworfen wird. Der Vorteil höherer Stromdichten liegt vor allem darin, daß die Bandoberfläche elektrochemisch poliert wird und daß sich höhere Potentiale auf der Bandoberfläche einstellen und dadurch der Reinigungseffekt gesteigert wird.

[0013] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Behandlung in sulfathältigem (SO₄^2-) Elektrolyt erfolgt. Der Vorteil dieser Behandlung besteht darin, daß die Reinigung der Bandoberfläche von den harten Ablagerungen im Hinblick auf Abtragsrate und Rauhigkeit zum gewünschten Glanzgrad optimiert werden kann und das Anodenmaterial kein wesentliches Problem darstellt (Blei od Si-Guss).

[0014] Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt Na₂SO₄ bei pH-Werten zwischen 4 und 12, vorzugsweise bei etwa pH 7, eingesetzt wird. Bei kleinen pH-Werten ergeben sich größere Abtragsraten. Bei den neutralen und alkalischen, d.h. höheren pH-Werten ergibt sich ein Elektropoliereffekt, so daß die harten Verunreinigungen von der Bandoberfläche entfernt werden können und gleichzeitig ein Zuwachs an Glanzgrad gegeben ist.

[0015] Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zwischen 30 °C und 95 °C, vorzugsweise etwa 85°C, beträgt. Der Vorteil, der sich bei einer genauen Temperatureinstellung ergibt, liegt darin, daß die Wirkung der jeweiligen Elektrolytlösung zwischen höheren Abtragraten und dem Elektropoliereffekt eingestellt werden kann.

[0016] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm² und 3000 C/dm², vorzugsweise etwa 500 C/dm² erfolgt. Bei einer Elektrolyteinstellung, wie z.B. pH=7 und Stromdichten bei etwa 50A/dm² über-wiegt der Elektropoliereffekt. Je länger die Behandlung ist, d.h. je größer die Ladungsdichte ist, mit der das Band behandelt wurde, ergeben sich zunehmend höhere Glanzgrade.

[0017] Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte zwischen 20 und 200 A/dm², vorzugsweise 50 A/dm², beträgt.

[0018] Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt Schwefelsäure (H₂SO₄ ) mit einer Konzentration an freier Säure von mindestens 5 g/l eingesetzt und das Redox-Potential durch Zugabe von Substanzen zur Veränderung des Redox-Potentiales (Metallionen, Oxidationsmittel), vorzugsweise durch Chromationen (Cr⁶⁺) auf etwa 860 mV eingestellt wird. Gegenüber dem reinen Schwefelsäureelektrolyt ergibt sich hierbei der Vorteil der hohen Abtragsraten, wobei gleichzeitig die Glanzwerte wesentlich weniger herabgesetzt werden.

[0019] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zwischen 20 und 95 °C, vorzugsweise etwa 50 °C, beträgt. Der Vorteil, der sich bei einer genauen Temperatureinstellung ergibt, liegt darin, daß dadurch zwischen höheren Abtragraten und dem Elektropoliereffekt die jeweilige Elektrolytlösung eingestellt werden kann.

[0020] Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm² und 3000 C/dm², vorzugsweise etwa 350 C/dm², beträgt. Bei Elektrolyteinstellungen, wie z.B. pH=7 und Stromdichten bei etwa 50A/dm² überwiegt der Elektropoliereffekt. Je länger die Behandlung ist, d.h. je größer die Ladungsdichte ist, mit der das Band behandelt wurde, ergeben sich zunehmend höhere Glanzgrade. Die extrem hohen Ladungsdichten bringen den Vorteil, daß relativ schlechtes BA-Material von der Oberflächencharakteristik her (=Glanzgrad) aufgewertet werden kann.

[0021] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte zwischen 5 und 100 A/dm², vorzugsweise etwa 40 A/dm², beträgt.

[0022] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt Schwefelsäure (H₂SO₄) mit einer Konzentration von mindestens 5 g/l freier Säure eingesetzt wird. Der Vorteil dieser Fahrweise liegt darin, daß relativ hohe Abtragsraten erzielbar sind.

[0023] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm² und 3000 C/dm², vorzugsweise etwa 150 C/dm², beträgt.

[0024] Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zwischen 20 und 95 °C, vorzugsweise etwa 30 °C, beträgt.

[0025] Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte zwischen 5 und 100 A/dm², vorzugsweise etwa 30 A/m² beträgt.

[0026] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Elektrolyte eingesetzt werden, die Anionen wie Phosphat, Sulfat, Fluorid, Nitrat, Chlorid oder Mischungen davon enthalten. Dadurch können auch bekannte Elektrolyte, die für das Elektropolieren von Edelstahloberflächen verwendet werden, eingesetzt werden.

[0027] Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Substanzen zur Oxidation bzw. Reduktion der gelösten Metallionen zugesetzt werden.

[0028] Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt Alkalisulfat, Erdalkalisulfat oder Ammonsulfat eingesetzt wird.

[0029] Im Rahmen der Versuche für das Beizen von Edelstahl mit dem elektrochemischen Beizverfahren wurde auch versucht das BA Material auf diese Art zu behandeln. Dabei wurden auch verschiedene Elektrolyte unter verschiedenen Betriebsbedingungen getestet. Die wichtigsten Daten für die einzelnen Elektrolyte sind in den folgenden Versuchsbeispielen zusammengefaßt.

[0030] Nachdem bei den BA - Materialqualitäten die Oberflächeneigenschaften (Glanzgrad, Farbe) oft im Vordergrund stehen wurden Untersuchungen durchgeführt um festzustellen, in wieweit die Glanzgrade (Rauhigkeit) mit verschiedenen Elektrolyteinstellungen (pH-Wert, Temperatur, Redox-potential) beeinflußbar sind.

Ausführungsbeispiele:

Versuch 1:

[0031] BA Material (nach einem Blankglühofen) wurde mit Schwefelsäureelektrolyt (H₂SO₄ = 50g/l; Fe²⁺= 7 g/l, Fe³⁺= 7g/l, T=70°C, Redoxpotential=480mV) behandelt. Die Glanzwerte bei 60° sind, nach einer Behandlung mit bis zu 1000 C/dm², von 400 bis auf 330 gefallen.

[0032] Die Glanzmessung wurde mit dem Glanzmeßgerät: REFO 3-D (Reflektometer von der Fa. Dr. Lange) durchgeführt.

[0033] Es wurde der M-Modus eingesetzt und das Gerät mit dem Metallstandard gemäß ISO 7668 kalibriert. Die Glanzmessungen wurden bei einem Meßwinkel von 60° durchgeführt. Vor jeder Meßserie wurde das Glanzmeßgerät auf dem Standard Metall (Typ Nr.: LZM155) kalibriert.

[0034] Die Metallstandards werden bei der Bundesanstalt für Material - Prüfung (BAM) in Berlin gemäß ISO 7668 gegen einen Quarzkeil kalibriert (20° ca. 1900, 60° ca. 800, 85° ca. 150).

[0035] Das Redoxpotential wurde gegenüber einer Wasserstoffelektrode gemessen.

Versuch 2:

[0036] BA Material wurde mit Redox-Elektrolyt (H₂SO₄ = 50g/l, Fe³⁺=14g/l, Cr⁶⁺=1g/l, Redoxpotential=860mV) behandelt. Die Glanzwerte bei 60° sind, nach einer Behandlung mit bis zu 1000 C/dm², von 400 bis auf 370 gefallen.

Versuch 3:

[0037] BA Material wurde mit Neutralelektrolyt (Na₂SO₄, pH=6, T=85°C) behandelt. Die Glanzwerte bei 60° sind, nach einer Behandlung mit bis zu 1000 C/dm², von 400 bis auf 440 gestiegen.

[0038] Nach einer Behandlung mit ca. 1000 C/dm² in einem pH-neutralen Na₂SO₄ -Elektrolyt stellte sich heraus, daß anhand des empirischen Tests die Tiefzieheigenschaften des BA Materials wesentlich verbessert wurden. Weiters konnte auch unter dem Elektronenmikroskop, bei einer Vergrößerung von 15000, beobachtet werden, daß die in Spuren vorhandenen Ablagerungen auf der Bandoberfläche (wahrscheinlich Oxidreste) nicht mehr da waren. Weiteres wurden Tiefenprofile mittels absputtern mit Auger-Elektronen aufgenommen. Hierbei konnten folgende Unterschiede in der Zusammensetzung der Schichten beobachtet werden. Der Schnittpunkt zwischen Sauerstoff und Eisen ist in etwa vergleichbar. Die Sauerstoffdurchdringung ist bei unbehandelten Proben wesentlich tiefer (bis ca. 15 nm) als bei behandelten (bis ca. 8 nm). Die Kohlenstoff-Konzentration der unbehandelten Proben weist höhere Werte auf, als die der behandelten Proben.

[0039] Nach diesen positiven Vorversuchen wurden auf der Versuchsanlage mehrere Bunde des blankgeglühten Materials elektrochemisch behandelt. Mit dem so produzierten Material (ca. 10 t) wurden anschließend zwei Tests durchgeführt. Der erste war ein Versuch auf der Streckbiegerichtmaschine. Hier wurde bestätigt, was die Oberflächenanalysen schon angedeutet hatten - es waren durch das weichere Material die Walzen kaum beschädigt und es konnten auch keinerlei Beschädigungen der Bandoberfläche durch sog. "Mikrokratzer" festgestellt werden. Als zweiter Versuch wurde die Auswirkung der neuen elektrochemischen Behandlung auf die Standzeit der Tiefziehwerkzeuge untersucht. Erwartungsgemäß stellte sich dabei heraus, daß die Standzeit durch die Behandlung günstig beeinflußt wird.

[0040] Die Fotos Fig. 1a und 1b zeigen REM-(Rasterelektronenmikroskop) Aufnahmen mit 1.000 facher Vergrößerung unbehandelt (Fig. 1a) und behandelt (Fig. 1b), wobei die Behandlung mit 70 A/dm², einer Temperatur von 85 °C und einer Beladungsdichte von 500 C/dm² erfolgte.

[0041] Die Fotos Fig. 2a und 2b zeigen analoge Aufnahmen bei 15.000 facher Vergrößerung. Deutlich ist erkennbar, daß die Partikel auf der Bandoberfläche nach der Behandlung nicht mehr vorhanden sind.

[0042] Bei allen Versuchen wurden die Tiefzieheigenschaften verbessert. Bei den etwas angerauhten Proben (Versuch 1 und 2) wurde ein zusätzlicher Effekt durch verbesserte Ölhaftung erzielt.

[0043] Damit wird ein Verfahren verwirklicht, welches ermöglicht, einerseits die chemische Zusammensetzung und andererseits die physikalischen Eigenschaften der Bandoberfläche des BA-Materials so zu beeinflussen, daß die nachfolgenden mechanischen Behandlungsschritte wesentlich erleichtert werden und eine wesentlich bessere Verarbeitbarkeit mit längeren Werkzeugstandzeiten gegeben ist.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Edelstahlbändern mit verbesserten Oberflächeneigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelstahlband erst einem Blankglühprozeß und anschließend einer elektrochemische Behandlung bei Stromdichten bis zu 200 A/dm² unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Behandlung in sulfathältigem (SO₄^2-) Elektrolyt erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt Na₂SO₄ bei pH-Werten zwischen 4 und 12, vorzugsweise bei etwa pH 7, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zwischen 30 °C und 95 °C, vorzugsweise etwa 85°C, beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm² und 3000 C/dm^2, vorzugsweise etwa 500 C/dm² erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte zwischen 20 und 200 A/dm², vorzugsweise 50 A/dm², beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt Schwefelsäure (H₂SO₄ ) mit einer Konzentration an freier Säure von mindestens 5 g/l eingesetzt und das Redox-Potential durch Zugabe von Substanzen zur Veränderung des Redox-Potentiales (Metallionen, Oxidationsmittel), vorzugsweise durch Chromationen (Cr⁶⁺) auf etwa 860 mV eingestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zwischen 20 °C und 95 °C, vorzugsweise etwa 50 °C, beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm² und 3000 C/dm², vorzugsweise etwa 350 C/dm², beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diie Stromdichte zwischen 5 und 100 A/dm², vorzugsweise etwa 40 A/dm², beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt Schwefelsäure (H₂SO₄) mit einer Konzentration von mindestens 5 g/l freier Säure eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ladungsdichten zwischen 100 C/dm² und 3000 C/dm², vorzugsweise etwa 150 C/dm², beträgt

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zwischen 20 °C und 95 °C, vorzugsweise etwa 30 °C, beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte zwischen 5 und 100 A/dm², vorzugsweise etwa 30 A/m² beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektrolyte eingesetzt werden, die Anionen wie Phosphat, Sulfat, Fluorid, Nitrat, Chlorid oder Mischungen davon enthalten.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Substanzen zur Oxidation bzw. Reduktion der gelösten Metallionen zugesetzt werden oder Substanzen welche selbst das RedOx-potential des Elektrolyts verändern.

17. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt Alkalisulfat, Erdalkalisulfat oder Amonsulfat eingesetzt wird.

Zeichnung