Metallische Beschichtungen für Stahl: Expertenführer für höhere Haltbarkeit

Metallische Beschichtungen von Stählen

Metallisch beschichtete Stähle sind definiert als Stahlsubstrate, die mit einer Schicht aus Zink, Zn/Al (Zink/Aluminium)-Legierung, Zn/Si (Zink/Silicium)-Legierung oder reinem Al usw. beschichtet sind. Die schematischen Anordnungen der Metallbeschichtungsstruktur mit und ohne Passivierung sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Metallbeschichtungsstruktur mit und ohne Passivierung

Metallische Beschichtungen von Stählen erhöhen die Lebensdauer und Leistung der Stähle. Sie bieten die effektivste und wirtschaftlichste Methode, Stähle vor Korrosion zu schützen. Metallisch beschichtete Stähle bieten eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, die hohe Festigkeit, Umformbarkeit, geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, Ästhetik, Recyclingfähigkeit und niedrige Kosten umfassen.

Beschichtungsverfahren

Es gibt mehrere Verfahren für die metallische Beschichtung von Stählen:

• Das Heißtauchbeschichtungsverfahren, bei dem das Stahlband in ein Bad aus geschmolzenem Metall getaucht wird. Die Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls (Zn, Zn/Al, Al/Si oder reines Al usw.) bestimmt die Art der Metallbeschichtung.
• Das Elektroverzinkungsverfahren, bei dem Metall elektrolytisch auf das kalte Stahlband abgeschieden wird.
• Beschichtung unter Vakuum, wie PVD (Physical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition) usw.

Heißtauchbeschichtungsverfahren sind die beliebtesten Verfahren für die metallische Beschichtung von Stahlbändern. Normalerweise werden kontinuierliche Beschichtungslinien für die Produktion von metallisch beschichteten Stahlprodukten eingesetzt.

Metallisch beschichtete Stähle, die in kontinuierlichen Beschichtungslinien hergestellt werden, haben ein bemerkenswertes Wachstum erlebt und werden weiterhin in zunehmend vielfältigen neuen Bereichen eingesetzt. Dies ist auf ihre herausragenden wirtschaftlichen, technologischen und ökologischen Vorteile zurückzuführen.

Die breite Palette der heute verfügbaren metallisch beschichteten Stahlprodukte erfüllt die Anforderungen aller Sektoren. Die folgenden Parameter bestimmen die Wahl des metallisch beschichteten Stahlmaterials:

• Qualität oder Güte des Stahlsubstrats
• Art der Metallbeschichtung
• Masse oder Dicke der Metallbeschichtung
• Oberflächenaspekt
• Oberflächenqualität
• Oberflächenbehandlung
• Toleranzen bei Abmessungen und Form

Metallische Beschichtung verbessert die Korrosionsbeständigkeit von Stahl und verlängert die Produktlebensdauer. Eine geeignete Metallbeschichtung ermöglicht es, die Umform- und Widerstandsschweißeigenschaften des Stahls sowie seine Lackierbarkeit zu verbessern.

Arten beschichteter Produkte

Die folgenden sind die Haupttypen der metallisch beschichteten Produkte:

• Heißgetaucht verzinktes Stahlblech – ASTM-Normen für diese Stahlbleche sind A653M und A1063M. Verzinkungsbeschichtung ist im Wesentlichen eine Zn-Beschichtung auf Stahlblech. Der Begriff „verzinken“ stammt vom galvanischen Schutz, den Zn dem Stahl bietet, wenn er einer korrodierenden Umgebung ausgesetzt ist. Es ist bei weitem das häufigste heißgetaucht beschichtete Produkt mit einer breiten Anwendungspalette. Zn bietet sowohl galvanischen als auch Barriereschutz. Der galvanische Schutz ist größer als bei jedem anderen Typ heißgetauchter Beschichtung auf Stahl. Die Beschichtung enthält Al, typischerweise im Bereich von 0,20 % bis 0,30 %. Al wird dem geschmolzenen Zn-Bad zugesetzt, um die Wachstumsrate der Legierungsschicht (Bindzone zwischen Stahl und Zn-Beschichtung) zu kontrollieren. Es verbessert die Haftung der Beschichtung dramatisch, um starkes Umformen des beschichteten Blechs zu ermöglichen. Die Beschichtung kann eine kleine Menge Blei (Pb) und/oder Antimon (Sb) für die Spangenbildung enthalten. Fast alle verzinkten Stähle enthalten kein Pb, und falls doch, ist Pb weniger als 0,03 %. Beschichtungsgewicht (Masse) liegt üblicherweise im Bereich von 90 bis 1200 g/m² für A653M und 90 bis 600 g/m² für A1063M insgesamt auf beiden Seiten.
• Heißgetaucht verzinklegiertes Stahlblech (Galvannealed) – ASTM-Spezifikation für diese Stahlbleche ist A653M. Bei der Herstellung des verzinklegierten Stahlblechs wird die heißgetauchte Verzinkungsbeschichtung durch zusätzliche Erwärmung im Turm über dem Beschichtungsbad mit dem Stahl diffusionslegiert. Typische Metallbeschichtung enthält 8 % bis 11 % Eisen. Diese Bleche sind meist für die Lackierung für die meisten Anwendungen vorgesehen. Sie zeichnen sich durch hohe Härte und sprödes Verhalten beim Umformen aus. Verzinklegierte Bleche sind einfacher zu punktschweißen und zu lackieren als verzinkte Bleche. Die Leistung bei der Lackierung wird synergistisch verbessert, wegen der hervorragenden Bindung zwischen Lack und Beschichtungsoberfläche. Im Vergleich zu verzinktem Stahl weisen verzinklegierte Stahlbleche normalerweise weniger Unterwanderungskorrosion unter dem Lack an freiliegenden Kanten, Kratzern oder anderen Fehlern im Lack auf. Diese Stahlbleche werden für Auto-Karosserieteile verwendet. Beschichtungsgewicht (Masse) liegt üblicherweise im Bereich von 90 bis 180 g/m² insgesamt auf beiden Seiten.
• Heißgetaucht 55 % Al-Zn-Legierung beschichtetes Stahlblech – Auch bekannt als Galvalume-Bleche. ASTM-Norm für diese Bleche ist A792M. Die Beschichtung ist eine Al-Zn-Legierungsbeschichtung, die ca. 55 % Al, 43,5 % Zn und 1,5 % Si enthält. Diese Beschichtung bietet ausgezeichneten Barriereschutz kombiniert mit etwas galvanischem Schutz. Die Beibehaltung des galvanischen Schutzes ist ein wichtiges Merkmal dieser Beschichtung. Diese spezielle Al-Zn-Kombination bewirkt die Bildung einer Beschichtungsmikrostruktur, die für gute Leistung sehr wichtig ist. Diese Beschichtung bietet eine sehr gute Balance zwischen galvanischem und Barriereschutz. Si wird zur Kontrolle der Legierungsschicht-Wachstumsrate zugesetzt. Die Beschichtung verbessert die Haftung beim Umformen. Die Beschichtung hat eine viel höhere Korrosionsbeständigkeit als Verzinkungsbeschichtungen in den meisten Umgebungen. Ihre langfristige Haltbarkeit wurde nachgewiesen. Beschichtungsgewicht (Masse) liegt üblicherweise im Bereich von 100–210 g/m² insgesamt auf beiden Seiten.
• Heißgetaucht Zn-5 % Al-Legierung beschichtetes Stahlblech – Auch bekannt als Galfan-Bleche. ASTM-Norm für diese Bleche ist A875M. Die galvanische Beschichtung enthält ca. 95 % Zn und 5 % Al. Diese Beschichtung bietet etwa den gleichen galvanischen Schutz wie verzinktes und verbesserte Korrosionsbeständigkeit in den meisten Umgebungen. Diese Beschichtung wird normalerweise meist für Anwendungen verwendet, die gute Beschichtungsduktilität (wie tiefgezogene Teile und vorlackierte Bleche) und überlegene Korrosionsbeständigkeit erfordern. Beschichtungsgewicht (Masse) liegt üblicherweise im Bereich von 90–700 g/m² insgesamt auf beiden Seiten.
• Heißgetaucht Zn-Al-Mg (Magnesium)-Legierung beschichtetes Stahlblech – ASTM-Norm für diese Bleche ist A1046M. Die Beschichtung ist eine galvanische Beschichtung, die Zn, Al (5 % bis 11 %) und Mg (2 % bis 4 %) enthält. Diese Beschichtung bietet überlegene Korrosionsbeständigkeit in vielen aggressiven Umgebungen. Die Beschichtung wird in Anwendungen wie Transport, Infrastruktur, Bauwesen, Landwirtschaft, Elektrizität und Automobil eingesetzt. Beschichtungsgewicht (Masse) liegt üblicherweise im Bereich von 60–600 g/m² insgesamt auf beiden Seiten.
• Heißgetaucht aluminisiertes Stahlblech – ASTM-Spezifikation für diese Bleche ist A463M. Es gibt zwei Arten von Aluminiumbeschichtungen: (i) Typ 1 – Al mit 5 % bis 11 % Si, und (ii) Typ 2 – reines Al-Beschichtung. Die häufigste Form ist Typ 1; verwendet für Anwendungen, die Hitzebeständigkeit erfordern, wie Ofenteile, Kleingeräte und Abgassysteme usw. Aluminisierte Beschichtung ist die beste Beschichtung auf Stahlblech für Hitzebeständigkeit. Sie kann auf rostfreien Stahl aufgebracht werden, um noch bessere Hochtemperaturleistung zu bieten. Reines Al Typ 2 wird für Außenanwendungen verwendet. Die Korrosionsleistung dieser Beschichtung basiert auf Barriereschutz ohne galvanischen Schutz in den meisten Umgebungen. Der Barrierekorrosionsschutz ist hier sehr gut, da Al der Beschichtung einen stabilen Aluminiumoxidfilm auf der Beschichtungsoberfläche bildet. Beschichtungsgewicht (Masse) liegt üblicherweise im Bereich von 75–300 g/m² insgesamt auf beiden Seiten für Typ 1 und für Typ 2 im Bereich von 200–300 g/m² insgesamt auf beiden Seiten.
• Terne-beschichtetes Stahlblech – ASTM-Norm für diese Bleche ist A308M. Diese Beschichtung ist eine Pb-Legierungsbeschichtung, die 3 % bis 15 % Sn (Zinn) enthält. Sn wird zugesetzt, um eine Bindung zwischen Beschichtung und Stahl zu entwickeln. Die Beschichtung ist sehr formbar und verbessert das Tiefeziehverhalten. Auch kann das beschichtete Blech leicht geschweißt werden. Das beschichtete Blech hat eine sehr gute Beständigkeit gegen Benzin, obwohl die Verwendung für Kraftstofftanks abnimmt (bezogen auf das Umweltproblem im Zusammenhang mit Pb und nicht auf die Leistung des beschichteten Blechs). Beschichtungsgewicht (Masse) liegt üblicherweise im Bereich von 75–335 g/m² insgesamt auf beiden Seiten.

Metallbeschichtungslinie

Die Metallbeschichtungslinie ist der Ort, an dem das Stahlsubstrat mit einer schützenden, bewährten Metallkombination beschichtet wird, die effektiven Korrosionsschutz bietet. Die Linie hat zwei Bandakkumulatoren, einen jeweils am Ein- und Auslauf der Linie, die es ermöglichen, das Stahlband für kurze Zeit zu puffern. Diese Fähigkeit ermöglicht es der Linie, auf ein neues Coil zu wechseln oder ein fertiges Coil zu entfernen, während der Rest der Linie mit konstanter Geschwindigkeit weiterläuft. Präzision kann an jedem Teil des Prozesses gehalten werden, was zu einer konsistenten Oberfläche und gleichmäßigen Beschichtung führt. Die folgenden sind die grundlegenden Komponenten einer Metallbeschichtungslinie:

• Das Coil kommt vom Kaltwalzwerk (CRM) zur Beschichtungslinie über einen von zwei Abwickelhaspeln. Das Ende des vorherigen Coils und der Anfang des neuen Coils werden abgeschnitten. Die neuen Enden werden entweder durch einen elektrischen Nahtschweißer miteinander verschweißt oder mechanisch verbunden, um einen kontinuierlichen Stahlstreifen im Prozessabschnitt der Linie zu erzeugen.
• Das Band tritt in den ersten Bandakkumulator ein, normalerweise in Form eines Turms.
• Nach der Kaltreduzierung im CRM muss der Restfilm von Schmieröl vom Stahl vor dem Glühen entfernt werden, um sicherzustellen, dass die Metallbeschichtung perfekt auf dem Stahlsubstrat haftet. Der Ölfilm wird in einer alkalischen Entfettungswanne entfernt. Nach der Reinigung wird das Stahlband gespült und getrocknet.
• Das kalte Stahlband tritt in den Ofen ein. Der Zweck des Ofens ist eine abschließende Reinigung der Oberfläche durch Abbrand des restlichen Ölfilms auf der Stahloberfläche durch offene Flammenbrenner in der Vorheizzone des Glühabschnitts. Der zweite Zweck des Ofens ist das Erhitzen des Stahls zur Entwicklung der richtigen mechanischen Eigenschaften.
• Durch das Kaltwalzen des Stahls zeigt das Stahlsubstrat extreme Kaltverfestigung und wird normalerweise als vollhart bezeichnet. Der Glühabschnitt bietet die Wärmebehandlung des Stahls, um seine mechanischen Eigenschaften wiederherzustellen und den Stahl für den vorgesehenen Einsatz geeignet zu machen. Während der Wärmebehandlung rekristallisiert das stark kaltverfestigte Mikrogefüge.
• Der Glühabschnitt ist in drei Zonen unterteilt: (i) Vorheizen, (ii) Halten, und (iii) kontrolliertes Abkühlen. Innerhalb der Glühzone wird der Stahl durch Verwendung eines Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisches vor Oxidation geschützt. Alle Brenner sind normalerweise Strahlungsbrenner, um direkten Kontakt zwischen Flamme und Stahloberfläche zu vermeiden. Die Glühzyklen werden entsprechend den erforderlichen endgültigen mechanischen Eigenschaften gesteuert.
• Am Ende der Kühlzone wird die Bandtemperatur auf ein angemessenes Niveau in Bezug auf die Temperatur des zu beschichtenden geschmolzenen Metalls abgekühlt.
• Sobald das Stahlband die erforderliche Temperatur erreicht hat, wird es in ein Bad aus geschmolzenem Metall getaucht. Wenn das Band das Bad verlässt, ist es mit einer dicken Schicht geschmolzenen Metalls beschichtet. Ein Satz Luft- (oder Stickstoff-) Messer, oberhalb des Bades angeordnet, justiert das Beschichtungsgewicht auf die erforderlichen Werte. Das Beschichtungsgewicht wird normalerweise dauerhaft durch automatische Messgeräte kontrolliert und überwacht.
• Das beschichtete Stahlband läuft durch einen Kühlturm, der das beschichtete Band fast auf Raumtemperatur zurückbringt.
• Falls erforderlich, kann das Band durch ein Oberflächenkonditionierwalzwerk laufen, um eine glatte Oberfläche für die Farbbeschichtung zu erzeugen.
• Der Spannungsrichtwalzenzug zieht das metallisch beschichtete Stahlband über eine Reihe von Walzen, um überragende Flachheit zu gewährleisten.
• Das metallisch beschichtete Stahlband, das nicht für die Farbbeschichtungslinie bestimmt ist, erhält eine chemische Behandlung, die einen vorläufigen Schutz gegen Beschichtungsverschlechterung bietet. Diese Oberflächenbehandlung erfolgt durch konventionelles Sprühen oder Tauchen und anschließendes Auspressen oder durch direkte Applikation mit einer Rollenbeschichtung. Nachbehandlungen sind entweder Oberflächenpassivierung oder dünne organische Beschichtungen. Sie können in einigen Fällen im Auslaufabschnitt aufgebracht werden.
• Das beschichtete Stahlband tritt in den Auslaufakkumulator ein, wo es auf das erneute Aufwickeln wartet.
• Das beschichtete Stahlband wird auf den Spannhaspel aufgewickelt und zur Farbbeschichtung oder Verpackung geschickt.

Ein typisches Schemadiagramm der Metallbeschichtungslinie mit Hauptausrüstung ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2 Typisches Schemadiagramm der Metallbeschichtungslinie mit Hauptausrüstung

Anwendungen

Die Verwendung einer Vielzahl von metallisch beschichteten Stählen ist zu einem integralen Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Diese Stähle werden zum Schutz, zur Unterbringung, Verpackung und für den Transport sowie gleichzeitig zur Erfüllung der Nachfrage nach festen, langlebigen und ästhetisch ansprechenden Materialien eingesetzt.

Im Bauwesen werden metallisch beschichtete Stähle seit vielen Jahren für Profilierung, Verkleidung und Dachdeckung verwendet, aber auch für Anwendungen wie Türen, Treppen und Decken usw.

Metallisch beschichtete Stahlprodukte haben eine sehr breite Anwendungspalette in der allgemeinen Industrie. Beispiele sind Möbel, Klimaanlagen, Lüftungskanäle, Tanks und Wärmeschilde usw.

Der Haushaltsgerätesektor ist auch ein großer Nutzer von metallisch beschichteten Stählen. Es gibt sogar einen Trend, Haushaltsgeräte vollständig aus metallisch beschichteten Stählen zu bauen, sowohl Weiße Ware (Kühlschränke, Waschmaschinen, Öfen usw.) als auch Braune Ware (Unterhaltungselektronik, Video, Hi-Fi usw.).