Fehlerfreie Wärmebehandlung von Kaltband

Definierte Oxidation vermeidet Bandkleber

Beim Glühen von kaltgewalzten Stahl- oder Buntmetallbändern in Haubenöfen können zwischen den Windungen Diffusions-Verschweißungen (Bandkleber) auftreten. Solche Bandkleber führen zu Qualitäts- und Quantitätseinbußen und treiben die Kosten in die Höhe. Durch gezielten und kontrollierten Einsatz von Schutzgasen wie Kohlendioxid und Wasserstoff ist es möglich, solche Oberflächenfehler ebenso wie Rußauscheidungen, Glühwolken und schwarze Ränder weitgehend zu vermeiden. Ohne größeren technischen und finanziellen Aufwand können kleberfreie und saubere Metalloberflächen beim Glühen in Haubenöfen hergestellt werden.

10. April 2001
Die Bandkleber sind bei dieser Probe deutlich zu erkennen. (Foto: Messer Griesheim)
Bild 1: Fehlerfreie Wärmebehandlung von Kaltband (Die Bandkleber sind bei dieser Probe deutlich zu erkennen. (Foto: Messer Griesheim) )

Glühtemperatur, Glühzeit, Schutzgasart, Oberflächenrauheit und Kontaktdruck beeinflussen die Bandkleberneigung von Kaltband im Haubenofen. Bandkleber entstehen bei Eisen-Werkstoffen vor allem dann, wenn während des Glühens ein erhöhter Kontaktdruck und eine Relativbewegung der Windungen auftreten. Einen wichtigen Faktor bei der Verklebung spielt die Sauberkeit der Oberfläche: Je sauberer, desto höher die Wahrscheinlichkeit von Bandklebern.

Bislang wurden zur Verminderung des Ausschusses aufwendige Prozesse wie das Aufrauhen der Oberflächen, die Benetzung mit Silikaten oder das zeitaufwendige, langsame Abkühlen der Coils mit dem Haubenofen gewählt. Ein von Messer Griesheim, Krefeld, patentiertes Verfahren zur temporären, gezielten und definierten Oxidation mit Kohlendioxid und anschließender Reduktion mit Wasserstoff löst das Bandkleberproblem jedoch ohne größere Zeit- und Quantitätsverluste. Das „Defox“-Verfahren ist sowohl für eine reduzierend wirkende Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre als auch für eine reine Wasserstoffatmosphäre (entsprechend der Konvektionstechnik) geeignet. Das Prinzip: Während der Haltephase wird der Reaktionsgas-Atmosphäre CO2 beigemischt. Durch verschiedene Verfahrensschritte (im Temperaturbereich zwischen 600 und 700°C) bildet sich auf der Oberfläche des Glühgutes eine dünne Zwischenschicht, die das Kleben der einzelnen Windungen verhindert. Die Gase stehen untereinander in einem thermodynamisch stationären Gleichgewicht. Oberhalb einer bestimmten Temperatur (& t; 560°C) wirkt Kohlendioxid auf die Metallbänder oxidierend. Auf der Metalloberfläche entstehen je nach Zusammensetzung verschiede Metall- oxid-Mischungen. Obwohl natürlich eine absolut oxidfreie und somit saubere Metalloberfläche erwünscht ist, bringt die Ausbildung dieser Metalloxid-Schicht einen entscheidenden Vorteil: Die äußerst dünne Oxidschicht wirkt wie ein Schutzschild - ähnlich einer dünnen Folie zwischen zwei weichen Käsescheiben - und verhindert während der Abkühlphase das Verkleben der Windungen. Unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur dominiert dann wieder die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs, die Metalloxidschicht wird abgebaut, und die Coils verlassen den Haubenofen sauber und ohne Verklebung.

Der Reaktionprozess (Hin- und Rückreaktion) lässt sich vereinfacht darstellen: Me + CO2 Q MeO + CO (Me = Metall)

Im Prinzip wird somit während der Haltephase eine gezielte, jedoch nur temporäre Verunreinigung der Metalloberfläche durch die oxidierend wirkende Gasatmosphäre hervorgerufen. Die eigentliche, im Endprodukt gewollte, oxidfreie Oberfläche würde während dieser entscheidenden Phase des Glühprozesses das Gegenteil bewirken - daraus resultiert gewissermaßen ein „Schutz durch Schmutz“.

Für Haubenöfen ist das Defox-Verfahren besonders gut geeignet, weil die einzelnen Glühphasen (Aufheizphase, Haltephase und Abkühlphase) lange genug dauern, um mit der Schutzgas-Zusammensetzung das gewünschte, stationäre Gleichgewicht der oben beschriebenen Reaktion einzustellen.

Auch für Buntmetalle geeignet

Neben der Vermeidung von Bandklebern führt die definierte Oxidation nach bisherigen Erfahrungen im Kaltwalzwerk zu einer verbesserten Organisation von Produktionschritten und Planungsabläufen und zu Leistungssteigerungen bis zu 25 Prozent, da auf die oftmals übliche kontrollierte Abheizphase mit dem Ofen verfahrensbedingt verzichtet werden kann. Dies verkürzt den gesamten Glühprozess erheblich.

Das in den 90er-Jahren zunächst für die Behandlung von kaltgewalzten Stahlbändern eingeführte Defox-Verfahren von Messer ist mittlerweile auch für den Einsatz in reinen Wasserstoffatmosphären (zum Beispiel in der Hochkonvektionstechnik in Haubenöfen) optimiert worden und auch für die Wärmebehandlung von Buntmetallen geeignet. Das Grundprinzip ähnelt sich in den differenzierten Verfahren Defox, Defox-Plus, Defox- Bunt: kontrollierte Oxidations-/Reduktions-Vorgänge mit Hilfe einer Kohlendioxid-Sonderbehandlung in einer stickstoff-wasserstoff-haltigen beziehungsweise wasserstoffhaltigen Atmosphäre.

Defox-Plus für das Glühen unter reinem Wasserstoff wird über einen längeren Zeitraum bereits unter Produktionsbedingungen getestet. Die Ergebnisse sind vielversprechend. Mit Defox-Bunt ist das Verfahren der „definierten Oxidation“ mittlerweile auch für Buntmetalle zugänglich. Der Mechanismus, der das Kleben von Buntmetallen verursacht, ist anders als bei Eisen-Werkstoffen: Untersuchungen haben ergeben, dass das Glühen kaltumgeformter Bronze-Gussproben unter reduzierenden Schutzgasatmosphären von einem starken „Ausschwitzen“ auf der Oberfläche begleitet ist. Dieses Ausschwitzen tritt bevorzugt dort auf, wo die Konzentration von Zinn durch Seigerung am größten ist. Die nach außen thermisch angeätzten Korngrenzen sind die Stellen, an denen durch Umwandlung einer noch nicht homogenen Struktur schon in der Aufheizphase eine niedrig schmelzende Zinnphase ausgeschwitzt wird. So entstehen beim Glühen von Coils Brücken, die eine festgeschmolzene Verbindung zweier benachbarter Oberflächen bilden - die Folge sind Verklebungen. Mit Hilfe von Kohlendioxid lässt sich das Ausschwitzen verhindern und eine homogene Struktur erreichen, indem die Korngrenzen versiegelt und die Metalloberfläche mit einer Oxidschicht während der Aufheiz- und Haltephase umhüllt wird. Eine Zinnverarmung tritt nicht auf, was die mechanischen Eigenschaften positiv beeinflusst. Auch andere Eigenschaften, wie die Lötbarkeit, verbessern sich deutlich. Der Abbau der Oxidschicht durch Wasserstoff erfolgt erst nach der vollständigen Strukturumwandlung, also am Ende der Halte- und in der Abkühlphase. Das Verfahren wurde in Laborversuchen optimiert und anschließend den Produktionsbedingungen angepasst. Mit Defox-Bunt können Bronze- und Neusilberdraht sowie Bronze- und Neusilberfolien im Haubenofen kleberfrei geglüht werden.

Spülen beim Glühen macht Oberflächen glänzend

Neben dem Verkleben von Kaltbändern lauert beim Glühen in Haubenöfen noch eine weitere Gefahr, wenn beispielsweise Walzmittel erst während des Glühprozesses von der Bandoberfläche entfernt werden. Bei der Beseitigung der Walzmittelrückstände beim konventionellen Haubenglühprozess können sich Kohlenstoffrückstände in das Metall einbrennen und Rußrückstände den Glanz der Bänder erheblich beeinträchtigen. Es bilden sich unansehnliche schwarze Ränder. Bei der Beseitigung der Walzmittelreste während des Glühprozesses spielt die Crack-Temperatur eine entscheidende Rolle. Unterhalb dieser Temperatur lassen sich die Walzmitteldämpfe (überwiegend Kohlenwasserstoff-Verbindungen) durch das Spülen mit Schutzgas aus der Glühhaube entfernen. Oberhalb der Temperatur zersetzen sich die Dämpfe und es bilden sich besagte Kohlenstoff-Verunreinigungen.

Bei der Entstehung von Methan muss verhindert werden, dass es wieder in seine Bestandteile zerfällt, das heißt, es muss rechtzeitig und gezielt aus dem Haubenofen entfernt werden. In dieser Phase des Glühprozesses greift das von Messer Griesheim entwickelte Hydro-Clean- Verfahren. Um den Prozess rußfrei zu halten, wird bei dem Verfahren jeweils bei Überschreiten einer bestimmten Grenzkonzentration von Methan eine Schutzgasspülung aktiviert. Methan wird taktweise aus der Glühhaube entfernt.

Kostenreduzierung und Leistungssteigerung durch interdisziplinäre Zusammenarbeit

Die Taktspülung erfolgt in der Haltephase des Glühprozesses nur bei Bedarf. Dadurch ergibt sich ein optimierter, weil genau an die Situation angepasster Schutzgasverbrauch. Das Verfahren wurde unter Betriebsbedingungen bereits in einigen Kaltwalzwerken (mit Schutzgasatmosphären auf Wasserstoffbasis) erfolgreich getestet. Mit dem neuen Spülmodell können unerwünschte und bisher wenig kontrollierbare Prozesse im Haubenofen besser beherrscht werden. Je nach Steuerungsart des Ofens kann eine passende Variante der Systemüberwachung ausgewählt werden. Die Entwicklung der genannten Verfahren ist Teil des Service- und Dienstleistungsprinzips von Messer. Dazu gehört vor allem die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Unternehmen der Kaltwalzbranche, um weitere Potenziale für Kostenreduzierung und Leistungssteigerungen zu erschließen.

Erschienen in Ausgabe: 01/2000