VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINER SCHUTZ- ODER SONSTIGEN FUNKTIONSSCHICHT AUF EINEM METALLISCHEN WERKSTOFF

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff, wobei
- eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder
- eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht und/oder
- eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht
durch Applikation eines Beschichtungsmaterials, vorzugsweise einem solchen mit mindestens einem oxidierenden Stoff auf den metallischen Werkstoff gebildet wird. Der metallische Werkstoff hat bei der Applikation eine Temperatur von mindestens 150 °C, insbesondere eine Temperatur, bei der eine Warmumformung des metallischen Werkstoffs möglich ist. Dabei kann die Applikation des Beschichtungsmaterials ohne flüssigem Trägermedium erfolgen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff, wobei

• eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder
• eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht und/oder
• eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht

durch Applikation eines Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff gebildet wird. Ebenso betrifft die Erfindung ein Beschichtungsmaterial für ein derartiges Verfahren.

[0002] Oxidschichten auf metallischen Werkstoffen entstehen durch eine chemische Reaktion des Metalls mit Sauerstoff. Geschieht dies bei hohen Temperaturen, wie z. B. bei der Erwärmung des Materials für die Warmumformung oder bei der Warmumformung selbst, wird die Oxidschicht oft als Zunderschicht oder Abbrand bezeichnet. Zunderschichten sind besonders bei Eisenwerkstoffen, wie z. B. Stahl unerwünscht. Im Gegensatz zu edleren Metallen, die nicht oder nur geringfügig oxidieren und dabei eine feste, dichte Oxidschicht bilden, schreitet die Oxidation bei Eisenwerkstoffen von der Oberfläche immer weiter ins Werkstoffinnere voran. Dabei diffundieren Metallionen und/oder Sauerstoffionen und es bilden sich Eisenoxide.

[0003] Oxidation (insbesondere Zunder) wandelt den metallischen Werkstoff in Oxid um und führt zu Metallverlust oder zu Verlust von Legierungselementen (z.B. C). Zudem verschlechtert Oxidation bzw. das entstandene Oxid die Materialeigenschaften, insbesondere die Oberflächeneigenschaften, des Werkstoffs. Zudem lösen sich meist Teile der Oxidschicht im Fertigungsprozess ab und führen zu abrasivem Werkzeugverschleiß.

[0004] Die Oxidation metallischer Werkstoffe ist ein komplexer Vorgang, der von vielen Faktoren abhängt. Besonders nachteilig wirken sich hohe Temperaturen und eine höhere Verweilzeit des metallischen Werkstoffs unter hohen Temperaturen aus. Dies ist insbesondere ein Problem bei der Warmumformung metallischer Werkstoffe, da hohe Temperaturen und lange Zeiten für den Produktionsfortschritt zwingend erforderlich sind.

[0005] In der metallherstellenden und metallverarbeitenden Industrie werden Maßnahmen getroffen, die eine Oxidation des metallischen Werkstoffs bei Warmumformungen verringern oder verhindern sollen. Teilweise werden metallische Werkstoffe unter Schutzgasatmosphäre mit inerten Gasen, wie Stickstoff, Edelgase oder Wasserstoff, erwärmt und verarbeitet. Problematisch sind hierbei die hohen Investitionskosten für entsprechende Anlagen. Des Weiteren kann hierbei Oxidation nicht verhindert werden, wenn der metallische Werkstoff vom Wärmeaggregat in das Umformaggregat transportiert wird. Wenige Sekunden an der ungeschützten Atmosphäre reichen aus, um Metalloxide an der Oberfläche des metallischen Werkstoffs entstehen zu lassen.

[0006] Ferner wird im Stand der Technik vorgeschlagen, den metallischen Werkstoff mit einer Schutzbeschichtung zu versehen. Einerseits handelt es sich dabei um eine dauerhafte Beschichtung, die sich nur für bestimmte Anwendungsbereiche eignet und insbesondere bei Wärm- und Bearbeitungstemperaturen von über 1000 °C und Umformprozessen zerstört wird. Andererseits werden temporäre oder dauerhafte Beschichtungen aus dem Stand der Technik weitestgehend vor der Bearbeitung bei Raumtemperatur des Metalls aufgetragen und basieren auf einer Beschichtungstechnik, die ein flüssiges Trägermedium für das Beschichtungsmaterial erfordert.

[0007] Aus der WO 2011/144603 ist beispielsweise eine Zunderschutzschicht für Stähle, die warmumgeformt werden, bekannt. Die Applikation der Schutzschicht findet vor der Warmumformung bei Raumtemperatur statt. Dabei handelt es sich um eine Sol-Gel-Beschichtung, die bevorzugt durch Tauchbeschichtung aufgetragen wird. Eine Applikation auf heiße Metalloberflächen ist mit derartigen flüssigkeitsbasierten Beschichtungsverfahren nicht möglich. Ein weiterer Nachteil der Beschichtung gemäß WO 2011/144603 ist, dass diese sich nicht für längere Verweilzeiten unter höheren Temperaturen eignet, wobei insbesondere eine Wiedererwärmung bei mehrstufigen Warmumformprozessen als Anwendung ausscheidet.

[0008] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff vorzuschlagen, die einen effektiven Schutz des metallischen Werkstoffs vor Oxidation und/oder weitere Funktionen, wie beispielsweise einen Korrosionsschutz, ermöglichen und sich gut auftragen lässt. Ebenso soll ein Beschichtungsmaterial für ein derartiges Verfahren vorgeschlagen werden.

[0009] Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 4, 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der hier nachfolgenden Beschreibung angegeben.

[0010] Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass das Beschichtungsmaterial auf die heiße Metalloberfläche aufgetragen wird, ohne dass dafür ein flüssiges Trägermedium erforderlich ist. Insbesondere bevorzugt wird auch kein pastöses Trägermedium verwendet. Es erfolgt eine Reaktion bzw. eine Wechselwirkung zwischen dem reaktiven Bereich der Substratoberfläche des metallischen Werkstoffs und dem Beschichtungsmaterial, die zu der gewünschten Konditionierungsschicht führt.

[0011] Unter "Oxidschicht" ist eine Schicht zu verstehen, in der eine Oxidation stattgefunden hat. Die Oxidschicht kann dabei zumindest teilweise die Konditionierungsschicht und/oder den metallischen Werkstoff umfassen. An der Oxidation können somit Stoffe der Konditionierungsschicht und/oder Stoffe des metallischen Werkstoffs sowie Luftsauerstoff o. weiterer atmosphärische Bestandteile beteiligt sein. Insbesondere umfasst der Begriff "Oxidschicht" eine Zunderschicht, also eine Oxidschicht, die sich auf heißen Metallen bildet.

[0012] Unter "Oxidation" ist insbesondere eine chemische Reaktion zu verstehen, bei der sich ein Stoff mit einem oxidierenden Gas, besonders bevorzugt Sauerstoff, verbindet. Im erweiterten Sinne umfasst Oxidation die Elektronenabgabe durch einen Stoff. Die abgegebenen Elektronen werden von einem anderen Stoff aufgenommen (Reduktion). Oxidation und Reduktion sind zwei Teilreaktionen der Redoxreaktion. Bei einer Redoxreaktion entstehen z. B. Eisenoxide wie FeO (Wüstit), Fe₃O₄ (Magnetit) und Fe₂O₃ (Hämatit). Wüstit, Magnetit und Hämatit sind meist Oxidhäute bzw. Teiloxidschichten der Zunderschicht bei Eisenwerkstoffen. Vorliegend umfasst der Begriff "Oxidation" auch die Redoxreaktion sowie alle Reaktionen und Prozesse, die sich nachteilig auf den metallischen Werkstoff, insbesondere seine Oberfläche, auswirken wie durch Zersetzung, Korrosion oder dergleichen. Oxidation kann sich somit auch auf Verbindungen beziehen, die keinen Sauerstoff enthalten.

[0013] Der Begriff "Stoff" umfasst alle Elemente und Verbindungen, z. B. molekulare und ionische Verbindungen. Ein oxidierender Stoff ist ein Stoff, der in der Lage ist, einen anderen Stoff zu oxidieren. Ein oxidierbarer Stoff ist ein Stoff, der von einem anderen Stoff oxidiert wird. "Oxidieren" bedeutet für den genannten Fall, dass ein Stoff sich mit Sauerstoff verbindet. "Oxidieren" bedeutet, dass ein Stoff Elektronen abgibt bzw. eine Verbindung infolge einer Redoxreaktion oder anderer Reaktionen eingeht. Vorzugsweise findet die Oxidation bei hohen Temperaturen und insbesondere bei oder nach der Applikation auf den metallischen Werkstoff statt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem oxidierbaren Stoff um ein Oxid, also eine Verbindung, die Sauerstoff enthält.

[0014] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird

• eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder
• eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht und/oder
• eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht

gebildet. Unter einer diffusionshemmenden oder -dichten Konditionierungsschicht wird eine solche Schicht verstanden, die das Eindringen von oxidierenden Stoffen in eine unmittelbar unter der diffusionshemmenden oder -dichten Konditionierungsschicht liegende Schicht hemmt oder zumindest im Wesentlichen verhindert. Unter einer als Opferschicht dienenden Konditionierungsschicht wird eine Schicht verstanden, deren Bestandteile durch einen oxidierenden Stoff oxidiert werden und durch diese Oxidation das Eindringen von oxidierenden Stoffen in eine unmittelbar unter der Konditionierungsschicht liegende Schicht verhindert wird. Unter einer als Funktionsschicht dienenden Konditionierungsschicht wird eine solche Schicht verstanden, die der Oberfläche des metallischen Werkstoffs weitere Funktionen gibt, wie beispielsweise einen Korrosionsschutz.

[0015] In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere bevorzugt in einer solchen Ausführungsform, in der eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht erzeugt werden soll, weist das Beschichtungsmaterial mindestens einen oxidierbaren Stoff auf. Der oxidierbare Stoff bildet somit zunächst einen Anteil des Beschichtungsmaterials. Der Anteil kann z. B. in Gewichtsprozent angegeben werden (Gew.-%), wobei ein 100%iger Anteil denkbar ist. Das Beschichtungsmaterial weist vorzugsweise mehrere oxidierbare Stoffe, die miteinander ein Gemisch bilden, auf. Das Beschichtungsmaterial kann auch nichtoxidierende bzw. nicht oxidierbare Stoffe enthalten. Durch Applikation des Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff entsteht auf dem Werkstoff die Konditionierungsschicht. Vorzugsweise sintert das Material nach der Applikation oder schmilzt vollständig auf.

[0016] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere bevorzugt eine Konditionierung der Oxidschicht auf einem metallischen Werkstoff durchgeführt. Unter "Konditionierung" ist die Beeinflussung der Oxidschichteigenschaften zu verstehen. Als Oxidschichteigenschaften werden insbesondere die Bildung, die Adhäsion am metallischen Werkstoff, die Zusammensetzung und die Morphologie der Oxidschicht erachtet. Insbesondere wird mit der Konditionierung der Oxidschicht das Ziel verfolgt, die Oxidschichtbildung zu verringern und die Ablösbarkeit vom metallischen Werkstoff zu verbessern. Idealerweise führt die Konditionierung der Oxidschicht dazu, dass insbesondere lediglich die Konditionierungsschicht oxidiert, aber nicht der metallische Werkstoff. Ferner kann die Konditionierungsschicht auch eine insbesondere für Sauerstoff diffusionsdichte Schicht sein. Die Konditionierungsschicht kann auch zur Veredelung oder Funktionalisierung des metallischen Werkstoffs verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zu verringerten Oberflächendefekten des metallischen Werkstoffs und einem verringerten Werkzeugverschleiß führen.

[0017] Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Temperaturen des metallischen Werkstoffs von mindestens 150 °C angewandt. Insbesondere weist der metallische Werkstoff dabei eine Temperatur auf, bei der eine Warmumformung des metallischen Werkstoffs möglich ist. Bei einer Warmumformung findet eine Umformung eines Werkstoffs oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs statt. Die Rekristallisationstemperatur ist vom Werkstoff abhängig. Als Faustformel (grober Richtwert) kann 0,4 x Schmelztemperatur [K] des Werkstoffs herangezogen werden.

[0018] Vorzugsweise findet das Verfahren zur Konditionierung der Oxidschicht an metallischen Werkstoffen für Eisenwerkstoffe, insbesondere Stahl, statt, insbesondere bevorzugt, wenn diese eine Werkstofftemperatur zwischen 600 und 1300 °C aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass die Erfindung in diesem Umfeld besonders wirksam ist.

[0019] Zwar ist der Temperaturbereich der Warmumformung bevorzugt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Warmumformung beschränkt ist. Prinzipiell kommen alle umformenden und urformenden Fertigungs- und Wärmebehandlungsverfahren hierfür in Betracht.

[0020] Als Trägermedium ist ein Medium zu verstehen, dass das Beschichtungsmaterial trägt und zur Bildung einer Beschichtung zusammen mit dem Beschichtungsmaterial auf den metallischen Werkstoff aufgetragen wird. Üblicherweise hat das Trägermedium die Aufgabe, ein partikuläres oder gelförmiges Beschichtungsmaterial gleichmäßig zu verteilen und somit eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Das Gemisch aus Trägermedium und Partikeln des Beschichtungsmaterials ist meistens eine Dispersion, insbesondere eine Suspension. Derartige Gemische basieren daher auf flüssigen Trägermedien (wie z. B. Gel-Sol-Beschichtungen). Besonders nachteilig wirkt sich bei derartigen Beschichtungen aus, dass bei einer Applikation auf heiße Oberflächen das Trägermedium schnell verdampft, wobei sich die Beschichtungspartikel sehr ungleichmäßig verteilen und es insbesondere zu Partikelagglomerationen kommt.

[0021] Als metallischer Werkstoff kommen alle Metallwerkstoffe der metallherstellenden und metallverarbeitenden Industrie in Betracht. Bevorzugt handelt es sich bei dem metallischen Werkstoff um einen Eisenwerkstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Anwendung für Eisenwerkstoffe, da Eisen im Vergleich zu anderen Metallen, wie Chrom oder Nickel, sehr oxidationsanfällig ist. Insbesondere bevorzugt handelt es sich bei dem metallischen Werkstoff um Stahl. Dies umfasst alle Stahlsorten.

[0022] Das Beschichtungsmaterial kann vor der Applikation in allen Aggregatzuständen vorliegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial vor der Applikation pulverförmig und insbesondere bevorzugt vor und während der Applikation pulverförmig. Vorzugsweise weist das Pulver mikroskalige, insbesondere bevorzugt nanoskalige Partikel auf.

[0023] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial mindestens ein metallurgisches Pulver, insbesondere Pulvertypen für das Unterpulverschweißen oder Gießpulver, auf. Metallurgische Pulver bestehen meistens aus Oxiden, wie beispielsweise B₂O₃, SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃, Na₂O und Fe₂O₃. Sie eignen sich hervorragend zur Bildung einer Oxidschicht, die den darunterliegenden Werkstoff gut vor Einwirkungen oxidierender Gase der Atmosphäre schützt. Des Weiteren lässt sich die Oxidschicht nach der Abkühlung gut entfernen. Zudem sind metallurgische Pulver handelsüblich erhältlich und lassen sich z. B. durch Vermischung mit anderen Stoffen gut modifizieren, so dass ihr Anwendungsbereich zweckgemäß erweitert werden kann. So kann beispielsweise durch die Zugabe von Feldspat und Borax, die als Flussmittel wirken können, die Löslichkeit der Pulverbestandteile in der geschmolzenen Schlacke und die Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials beeinflusst werden. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften des Beschichtungsmaterials an die Bedingungen im Fertigungsverfahren, insbesondere an die hohen Temperaturen des metallischen Werkstoffs, anzupassen. Ebenso ist es möglich, dass das Pulver Anteile einer pulverisierten Schlacke enthält.

[0024] Bevorzugt eingesetzte Pulver sind basische Pulver, insbesondere aluminat- und fluoridbasisch, exotherme Pulver und oxidische Pulver (SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃, Eisenoxide, Na₂O).

[0025] Pulvertypen für das Unterpulverschweißen eignen sich in besonderem Maße für die Konditionierung der Oxidschicht auf metallischen Werkstoffen. Pulvertypen werden anhand von Kennzeichen identifiziert und verfügen über eine charakteristische chemische Zusammensetzung. Beispielsweise besitzt der Aluminat-basische Typ das Kennzeichen "AB" und weist die chemische Zusammensetzung Al₂O₃ + CaO, + MgO auf, wobei diese Stoffe mindestens 40 Gew.-% des Pulvers Aluminat-basischen Typs ausmachen. Dabei wirken insbesondere CaO und MgO desoxidierend und sorgen für eine poröse und gut entfernbare Schlacke. Al₂O₃ ist hochschmelzend und gut geeignet, um Feststoffe auf der Schmelze zu bilden, die ein Diffundieren oxidierender Gase verhindern oder verringern. Ferner weisen Pulvertypen eine Basizität auf, die angibt, ob das Pulver basisch oder sauer ist. Bei einem Basizitätswert unter 1 gilt das Pulver als sauer, bei einem Basizitätswert gleich 1 als neutral und bei einem Basizitätswert über 1 als basisch.

[0026] Gießpulver kommen beispielsweise beim Stranggießen zum Einsatz und haben u.a. die Aufgabe, das Anhaften einer Stahlschmelze in einer Kokille zu verhindern und die Stahlschmelze vor Oxidation durch die Umgebungsluft zu schützen.

[0027] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Pulvertyp ein Fluoridbasischer Typ, vorzugsweise mit einer Basizität von 3,2, ein Aluminat-basischer Typ, vorzugsweise mit einer Basizität von 1,5, ein Aluminat-Rutil-Typ, vorzugsweise mit einer Basizität von 0,6, oder als Gießpulver ein exothermes Gießpulver verwendet. Dem Beschichtungsmaterial können zudem weitere Stoffe beigegeben werden.

[0028] Es hat sich überraschend gezeigt, dass die oben genannte Pulvertypen und ein exothermes Gießpulver die Oxidschicht auf metallischen Werkstoffen nach einer Heißapplikation sehr gut konditionieren können.

[0029] In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial ein Gemisch aus den einzelnen Pulvertypen und/oder dem exothermen Gießpulver auf. Die Zugabe weiterer Stoffe kann durchaus sinnvoll sein. Hervorragende Konditionierungseigenschaften zeigten dabei Gemische, die 70 bis 90 Gew.-%, bevorzugt 80 Gew.-%, exothermes Gießpulver und 10 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 20 Gew.-%, eines der oben bezeichneten Pulvertypen und/oder anderer Stoffe, insbesondere FeO (Wüstit), enthielten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Basismaterial für das Beschichtungsmaterial ein Gießpulver mit folgender Analyse eingesetzt:

SiO₂ = 40 bis 45 Gew.-%; insbesondere bevorzugt 43 Gew.-%,

CaO = 35 bis 45 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 40 Gew.-%,

MgO = 4,5 bis 6,5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 5,5 Gew.-%,

Al₂O₃ = 4,0 bis 6,0 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 4,9 Gew.-%,

Fe₂O₃ = 2,0 bis 4,0 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 2,8 Gew.%,

Na₂O = 3,0 bis 5,0 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 3,9 Gew.-%,

wobei diesem Basismaterial zur Bildung des Beschichtungsmaterials Feldspat und Borax zugesetzt wurden. Feldspat setzt die Löslichkeit der Pulverbestandteile in der flüssigen Schlacke herab und bildet eine eigene flüssige Phase. Borax erhöht die Löslichkeit der Pulverbestandteile (mit Ausnahme des Al₂O₃) in der flüssigen Phase und bildet keine eigene flüssige Phase. Durch Zugabe von Borax (und kleiner Mengen Feldspat) kann der Schmelzpunkt ausgewählter metallurgischer Pulver herabgesenkt werden.

[0030] Beschichtungsmaterialien, aus Gemischen verschiedener Pulvertypen, wurden auf heißem Stahl, das Temperaturen von 1000 bis 1300 °C aufwies, appliziert. Nach dem Abkühlen bildete sich eine sehr poröse und teilweise von alleine abfallende Oxidschicht. Unter der Oxidschicht kam teilweise blankes Metall zum Vorschein.

[0031] Zur Applikation des Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff sind grundsätzlich alle Beschichtungsverfahren und Applikationstechniken möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Beschichtungsmaterial mittels eines elektrostatischen Pulverbeschichtungsverfahren, z.B. dem sogenannten Coronaverfahren auf den metallischen Werkstoff appliziert.

[0032] Die elektrostatische Pulverbeschichtung ist beispielsweise aus dem Bereich der Farbbeschichtung bekannt. Dabei werden elektrisch leitfähige Werkstücke mit Pulverlack beschichtet, wobei die Partikel des Pulverlacks elektrostatisch appliziert werden. Eine elektrostatische Aufladung kann z. B. mittels Hochspannung (Corona-Aufladung) oder durch Reibung (triboelektrisch) erfolgen.

[0033] Es hat sich gezeigt, dass die oben bezeichneten Pulver, Pulvertypen und Pulvergemische sehr gut elektrostatisch auf metallischen Werkstoffen, insbesondere Stahl, anhaften. Eine besonders partikelreiche Anhaftung konnte sogar bei Werkstofftemperaturen von über 1000 °C festgestellt werden.

[0034] Bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung wird das pulverförmige Beschichtungsmaterial ohne flüssiges oder gelförmiges Trägermedium, wie etwa bei der Sol-Gel-Beschichtung, oder ein Plasma auf den metallischen Werkstoff aufgetragen. Diese Applikationstechnik eignet sich daher besonders gut zur Anwendung bei sehr hohen Werkstofftemperaturen, da vor allem die niedrige Schmelztemperatur und das Verdampfen des Trägermediums hierbei nicht problematisch sind.

[0035] Des Weiteren eignet sich die elektrostatische Pulverbeschichtung hervorragend für eine gleichmäßige Applikation des Pulvers auf den metallischen Werkstoff. Zudem kann die Schichtdicke individuellen Produktanforderungen und Fertigungsbedingungen angepasst werden. Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung des Oversprays, also des Pulveranteils, der in unerwünschter Weise nicht appliziert werden konnte. Gegebenenfalls ist eine Kreislaufbeschichtung möglich, bei der Overspray wiederverwendet wird. Ebenso kann die Emission von Lösungsmitteln am Arbeitsplatz vermieden werden.

[0036] Die elektrostatische Pulverbeschichtung bietet im Hinblick auf den Verzunderungsschutz den weiteren Vorteil, dass das Erzeugen der Konditionierungsschicht durch die fehlende Trägerphase (das fehlende flüssige Trägermedium) an keine obere Substrattemperatur gebunden ist (kein Verdampfen oder Zersetzen des Trägermediums). Dies kann zu dem Vorteil einer geringeren Beeinflussung der Schichtstruktur im Vergleich zu bei Raumtemperaturen aufgebrachten, auf flüssigen Trägermedien basierenden Beschichtungsverfahren führen. Ferner bietet sich der Vorteil der leichten Automatisierbarkeit und der Möglichkeit der Anwendung am heißen Produkt, insbesondere am Vormaterial oder Zwischenprodukten bei einer mehrstufigen Umformung. Außerdem bietet die elektrostatische Pulverbeschichtung die Möglichkeit der Verhinderung der Partikelagglomaration und damit die Möglichkeit eines effizienten und gleichmäßigen Schichtaufbaus.

[0037] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial mindestens einen oxidierbaren Stoff mit einer Schmelztemperatur T₁ auf, der durch Oxidation eine höhere Schmelztemperatur T₂ hat. Dabei ist T₁ kleiner als die Temperatur des metallischen Werkstoffs bei der Applikation T_w.T₂ hingegen ist höher als T_w. Insbesondere ist die Erhöhung der Schmelztemperatur durch Sauerstoffaufnahme und Oxidbildung bedingt. Dies ermöglicht, dass nach der Applikation der oxidierbare Stoff versintert oder schmilzt. Die gebildete Schicht kann diffusionsdicht oder -hemmend für oxidierende Gase sein oder durch die oxidierenden Gase oxidiert werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die Oxidation des metallischen Werkstoffs effektiv verringert oder sogar vermieden werden kann. Besonders bevorzugt sind nanoskalige Feststoffe, da deren Sinter- und Schmelzpunkte gezielt beeinflusst werden können und sie so eine sehr effektive Sperrschicht gegen oxidierende Gase bilden.

[0038] Die Schmelztemperatur des oxidierbaren Stoffs kann gezielt eingestellt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass dem Beschichtungsmaterial bestimmte Stoffe, wie beispielsweise Flussmittel, hinzugefügt werden oder durch die Auswahl geeigneter Pulver, Pulvertypen bzw. Pulvermischungen. Dabei kann man sich zu Nutze machen, dass bestimmte Stoffgemische in Abhängigkeit ihrer Zusammensetzung und/oder der Partikelgröße eine variable Sinter- oder Schmelztemperatur aufweisen. So hat beispielsweise ein Stoffgemisch aus 67 Gew.-% Li₂O (Lithiumoxid) und 33 Gew.-% SiO₂ (Siliciumdioxid) eine Schmelztemperatur von etwa 1000 °C. Wird nun (beispielsweise durch Anreicherung von Sauerstoff und Oxidbildung) der Anteil des Siliciumdioxids auf 50 Gew.-% erhöht, weist das Stoffgemisch eine Schmelztemperatur von über 1200 °C auf.

[0039] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial mindestens einen metallischen Stoff des metallischen Werkstoffs auf, der bei der Oxidation als Opferstoff wirkt. Opferstoff bedeutet, dass der metallische Stoff des Beschichtungsmaterials bei der Applikation oxidiert und dadurch eine Opfer-Oxidschicht entsteht, die einen Fortschritt des Oxidationsprozesses in Richtung des metallischen Werkstoffs verhindert oder zumindest verringert. Für Eisenwerkstoffe eignet sich insbesondere Wüstit (FeO) als Opferstoff, da FeO das Eisenoxid mit dem geringsten Sauerstoffanteil ist.

[0040] In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt bei einem Fertigungsverfahren mit mehreren Teilverfahren mindestens vor (bzw. nach) einem Teilverfahren eine Applikation. Besonders geeignet ist diese Ausführungsform bei mehrstufigen Warmumformprozessen, wie beispielsweise dem Freiformschmieden, dem Gesenkschmieden, der Warmbandproduktion und dem Pilgerwalzen sowie dem Urformen (z.B. Strang- oder Blockguss) und kombinatorischen Verfahren (Bandgießen, CSP). Als Teilverfahren zählen dabei insbesondere das Umformen und das Erwärmen (Erhitzen) des Werkstoffs.

[0041] So werden beispielsweise beim Freiformschmieden Schmiedeblöcke mehrfach geschmiedet, wobei sich nach jedem Schmiedevorgang das Werkstück der Fertigform annähert. Die Schmiedeblöcke können dabei nur solange umgeformt werden, bis eine Temperatur von 600 °C nicht unterschritten wird. Für die weitere Bearbeitung müssen die Schmiedeblöcke erneut in einer Zwischenhitze auf 1250 °C erwärmt werden. Sinnvollerweise erfolgen hier mehrere Applikationen, die insbesondere zwischen den einzelnen Umformprozessen und den einzelnen Erwärmungen stattfinden.

[0042] Auf diese Weise kann die Nachbildung von Primärzunder während der Wiedererwärmung (insbesondere Zwischenhitzen) verhindert werden. Insbesondere effektiv kann die Bildung von Sekundärzunder und dessen Adhäsionsneigung verringert oder vermieden werden. Sekundärzunder entsteht insbesondere während des Umformens und des anschließenden Abkühlens. Sekundärzunder ist im Vergleich zu Primärzunder, der überwiegend beim Erwärmen des metallischen Werkstoffs entsteht und relativ gut entfernt werden kann, dünner und stärker anhaftend. Ferner kann auch die Bildung von Tertiärzunder in der Kühlstrecke verringert werden.

[0043] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auf besonders vorteilhafte Weise zur Konditionierung von Oxidschichten auf metallischen Werkstoffen beim Warmwalzen, Freiformschmieden, Gesenkschmieden, Pilgerwalzen, Stranggießen und andere Fertigungsverfahren mit hohen Werkstofftemperaturen. Bei derartigen Verfahren wird der metallische Werkstoff bei sehr hohen Temperaturen verarbeitet bzw. hergestellt. Bei der Verarbeitung wird der metallische Werkstoff mitunter mehrstufig umgeformt, wobei zwischen den Umformstufen Wiedererwärmungen stattfinden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Oxidschichten, die sich bei der Fertigung auf dem metallischen Werkstoff bilden, zu verringern oder sogar vollständig zu verhindern. So eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Verminderung der Sekund-ärzunderbildung beim Umformen, zur Verminderung von Tertiärzunder beim Abkühlen oder die Verbesserung der Entzunderbarkeit durch geringere Adhäsion. Es ist auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren zur kombinierten Verminderung der Zunderbildung und der Veränderung der tribologischen Eigenschaften des metallischen Werkstoffs einzusetzen, beispielsweise in der Nutzung als Schmiermittel. Ebenso ist es denkbar, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Randschichteneigenschaften des metallischen Werkstoffs einzustellen. Ferner bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren gegebenenfalls auch zur Beeinflussung der Entkohlung an. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erscheint auch ein randschichtennahes Legieren, beispielsweise zum Korrosionsschutz möglich. Ebenso lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur gezielten thermochemischen Oberflächenbehandlung einsetzen. Denkbar ist auch, dass durch das Beschichtungsmaterial in Form von exothermem Pulver ein Einsatz für die Heißübergabe in den nachfolgenden Prozess, beispielsweise zur Isolierung der Materialien erfolgreich durchgeführt werden kann. Ebenso bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Konditionierung von Oberflächeneigenschaften bei der späteren Verarbeitung oder beim Aufbringen von Verzunderungsschutz für das spätere Erwärmen im Walzprozess an.

[0044] Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Abbildung, die eine lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt, näher erläutert.

[0045] Darin zeigt:

Fig. 1

schematisch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Fertigwalzen eines Warmbandes aus Stahl.

[0046] Figur 1 zeigt im oberen Abschnitt das letzte Walzgerüst (Walzenpaar) 5 der Fertigstraße einer Warmbandstraße. Der als gewalztes Warmband ausgeführte metallische Werkstoff 6 aus Stahl bewegt sich in Richtung des horizontalen Pfeiles. Die vertikalen Pfeile weisen auf vier unterschiedliche Stellen 1 bis 4 des Warmbandes 6 hin. Im unteren Abschnitt der Figur 1 sind die Querschnitte des Warmbandes 6 an den Stellen 1 bis 4 erkennbar.

[0047] An der Stelle 1 wird auf das Walzband 6 eine Konditionierungsschicht 7 appliziert. Die Konditionierungsschicht 7 besteht aus einem Beschichtungsmaterial, das ein oxidierbares Stoffgemisch enthält, welches eine Schmelztemperatur von 1000 °C aufweist. Die Temperatur des Warmbandes 6 beträgt hier 1100 °C.

[0048] An der Stelle 2 ist zu erkennen, dass die Konditionierungsschicht 7 geschmolzen ist. Die Temperatur des Warmbandes 6 liegt unverändert bei 1100 °C.

[0049] An der Stelle 3 beträgt die Temperatur des Warmbandes 6 immer noch 1100 °C. Inzwischen hat sich die Schmelztemperatur des oxiderbaren Stoffgemisches infolge der Oxidation und der Bildung von oxidischen Feststoffen auf 1200 °C erhöht. Die Konditionierungsschicht 7 verhindert das Diffundieren von oxidierenden Gasen, wie Sauerstoff, aus der Umgebung in das Warmband. Es können sich somit keine Metalloxide bilden.

[0050] An der Stelle 4 sind das Warmband 6 und die Konditionierungsschicht 7 auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Konditionierungsschicht 7 ist nun stark porös und gut entfernbar. Die Oxidschicht, die sich gebildet hat, umfasst hierbei nur die Konditionierungsschicht, d. h. es sind nur Stoffe der Konditionierungsschicht oxidiert, nicht des Warmbandes. Durch eine Nachbehandlung 8, z. B. Zunderwäsche, kann die Konditionierungsschicht 7 bzw. Oxidschicht leicht abgetragen werden. Das Warmband 6 konnte somit effektiv vor Verzunderung bzw. Oxidation geschützt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff (6), wobei

- eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder

- eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht (7) und/oder

- eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht

durch Applikation eines Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff (6) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (6) bei der Applikation eine Temperatur von mindestens 150 °C aufweist und dass das Beschichtungsmaterial ohne flüssiges Trägermedium appliziert werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Applikation eines Beschichtungsmaterials mit mindestens einem oxiderbaren Stoff auf den metallischen Werkstoff (6).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial vor der Applikation pulverförmig ist.

4. Verfahren zum Erzeugen einer Schutz- oder sonstigen Funktionsschicht auf einem metallischen Werkstoff (6), wobei

- eine diffusionshemmende oder -dichte Konditionierungsschicht und/oder

- eine als Opferschicht dienende Konditionierungsschicht (7) und/oder

- eine als Funktionsschicht dienende Konditionierungsschicht

durch Applikation eines Beschichtungsmaterials auf den metallischen Werkstoff (6) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (6) bei der Applikation eine Temperatur von mindestens 150 °C aufweist und dass das Beschichtungsmaterial vor der Applikation pulverförmig ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Applikation eines Beschichtungsmaterials mit mindestens einem oxidierbaren Stoff auf den metallischen Werkstoff (6).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (6) ein Eisenwerkstoff ist.

7. Beschichtungsmaterial zum Einsatz in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mindestens ein metallurgisches Pulver aufweist.

8. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als metallurgisches Pulver ein Pulvertyp verwendet wird, der einen Fluorid-basischen Typ, einen Aluminat-basischen Typ, einen Aluminat-Rutil-Typ oder als Gießpulver ein exothermes Gießpulver enthält.

9. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial ein Gemisch aus

- 70 bis 90 Gew.-% exothermem Gießpulver und

- 10 bis 30 Gew.-% eines oder mehreren der Pulvertypen eines Fluorid-basischen Typ, eines Aluminat-basischen Typ oder eines Aluminat-Rutil-Typ und/oder eines anderen Stoffs

aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschichtungsmaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 9 auf den metallischen Werkstoff appliziert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mittels eines elektrostatischen Pulverbeschichtungsverfahrens auf den metallischen Werkstoff (6) appliziert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mindestens einen oxidierbaren Stoff mit einer Schmelztemperatur T₁ aufweist, der durch Oxidation eine höhere Schmelztemperatur T₂ aufweist, wobei T₁ kleiner ist als die Temperatur des metallischen Werkstoffs (6) bei der Applikation T_w und T₂ höher ist als T_w.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mindestens einen metallischen Stoff des metallischen Werkstoffs (6) aufweist, der bei der Oxidation als Opferstoff wirkt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Fertigungsverfahren mit mehreren Teilverfahren mindestens vor oder nach einem Teilverfahren eine Applikation erfolgt.

15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder einem der Ansprüche 10 bis 14 zur Konditionierung von Oxidschichten auf metallischen Werkstoffen beim Warmwalzen, Freiformschmieden, Gesenkschmieden, Pilgerwalzen, Stranggießen oder anderen Fertigungsverfahren mit hohen Werkstofftemperaturen.

Zeichnung