Stahlglühen fast ohne Zunder

Hochtemperaturbeschichtung reduziert Materialverlust bei Warmumformung

Bei Glühprozessen vor und bei der Warmumformung von Stahl entsteht Zunder. Industriebetrieben verursacht das Oxidationsprodukt hohe Kosten, denn sie müssen den Stahl nachbearbeiten. Doch es gibt eine umweltfreundliche Lösung, ein hitzebeständiger ökologisch unbedenklicher Schutzlack der die Zunderbildung vor der Umformung unddamit den Ausschuss und CO2-Emissionen vermindert. Sein Name: DELTA-HEAT®. Eine Entwicklung, die nicht nur den Produktionsprozess effektiver gestaltet, sondern auch einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leistet. Dafür wurde das Projekt in die landesweite Leistungsschau für den Klimaschutz, der KlimaExpo.NRW, aufgenommen.

Einsal zwischen Iserlohn und Lüdenscheid. Im gleichnamigen Walzwerk glüht leuchtend orange der Stahl, bereit eine neue Form anzunehmen. Doch an einigen Stellen zeichnen sich dunkle Flecken ab. Kein gutes Zeichen, denn sobald das Material abkühlt, bilden sich in diesen dunklen Bereichen feine Blättchen, die sich von der Oberfläche des Stahls abschälen. Zunder. Er entsteht, wenn Metalle und Sauerstoff unter Hitzeeinfluss reagieren, wie etwa vor und bei der Wärmeumformung von Stahl. Durch diese Oxidation verschleißt das Material und Oberflächenfehler können auftreten. Für die Stahlindustrie bedeutet das: Nachbearbeitung, Ausschuss – kurzum Kosten. Eine Hochtemperaturbeschichtung soll die Zunderbildung im Glühprozess vor der Umformung reduzieren. Entwickelt hat sie Dörken MKS gemeinsam mit dem Betriebsforschungsinstitut VDEh Düsseldorf und den Walzwerken Einsal.


Auf dem wiedererhitzten Stahl ist Zunderbildung als dunkle Flecken erkennbar.

Aufwändige Zunderentfernung

Rund 36,6 Millionen Tonnen warmgewalzte Stahlerzeugnisse entstehen in Deutschland jährlich. Und immer mit dabei: der Zunder. Als graue Schicht legt er sich auf die Oberfläche des Stahls – zusammengerechnet etwa 915.000 Tonnen pro Jahr. Gerade auf Walzprodukten bilden sich häufig sogenannte Nester, also Stellen, an denen die Zunderschicht besonders dick ist. Diese müssen mittels mechanischer (Strahlen) oder chemischer (Beizen) Verfahren aufwändig entfernt werden – oft auch von Hand. Dadurch kommt es zu einem prozessabhängigen Materialverlust von ein bis drei Prozent. Zusätzlich verursacht das Oxidationsprodukt Schäden an den Umformwerkzeugen.

„Viel hilft nicht viel“

Der Hochtemperaturlack DELTA-HEAT® schafft Abhilfe. Der wässerige Korrosionsschutz kann die Zunderbildung um bis zu 80 Prozent verringern. „Das ist schon eine Hausnummer“, sagt Dr. Marcel Roth, Leiter Forschung und Entwicklung bei Dörken MKS. Die Schutzwirkung des Lackes hängt jedoch stark von der Stahlsorte ab. Besonders hoch ist sie bei Walzstahl (Materialnummer 1.3.05), geringer dagegen bei Vergütungsstahl (1.7.225). Ein weiterer Faktor ist die Schichtdicke. „Viel hilft nicht viel“, sagt Dr. Roth. Ideal ist eine gleichmäßige Schicht von sieben Mikrometer. „Natürlich wissen wir auch, dass sich der Lack mit dem Pinsel nicht so präzise auftragen lässt wie beispielsweise im Sprühverfahren“, sagt Dr. Roth. 


Bei der nicht lackierten Stahlprobe (links) ist eine deutliche Zunderbildung erkennbar.

Wasser statt Chemikalien

Seine volle Schutzwirkung entfaltet DELTA-HEAT® während des Erhitzungsprozesses vor der Umformung, genauer gesagt ab 660 Grad Celsius. Er fällt in die Kategorie diffusionshemmender Beschichtungen, die verhindern, dass Sauerstoff an die Oberfläche des Stahls gelangt oder deren Reaktivität herabsetzt. Chemiker entwickelten den Lack nach dem Sol-Gel-Verfahren. „Ein ‚grüner‘ Lack“, sagt Dr. Roth. Denn im Vergleich zu anderen Produkten verzichtet DELTA-HEAT® auf organische Lösungsmittel und chemische Zusatzstoffe. Das hat zwei Vorteile: Es ist umweltfreundlicher und sicherer. Herkömmliche Lacke sondern unter Extremtemperaturen giftige Zersetzungsprodukte ab. Außerdem erhöhen die darin enthaltenen Lösungsmittel die Explosionsgefahr in der Nähe von Ringöfen, ein ständiger Risikofaktor. „Und außerdem ist unser wasserbasiertes Produkt günstiger“, ergänzt Dr. Roth.


Winzige Partikel verleihen DELTA-HEAT® seine charakteristische silbergraue Farbe.

Zunderschutz bis 1.250 Grad 

Während des Glühprozesses verschmelzen die Inhaltsstoffe auf der Oberfläche des Stahls zu einer feinen Schicht. Sie bildet die eigentliche Barriere. Bei 1.000 Grad Celsius ist sie bis zu zwei Stunden stabil und eignet sich somit für Stahlerzeugnisse mit langen Glühprozessen. Die kritische Grenze erreicht der Lack aber bei 1.250 Grad. Auch wenn er die Zunderbildung deutlich verlangsamt, kann er sie nicht vollständig verhindern. Das liegt daran, dass immer noch eine Restmenge Sauerstoff an die Oberfläche gelangen kann. „Sicherlich lässt sich das Produkt optimieren, einen 100-prozentigen Schutz werden wir aber wohl nie gewährleisten können“, sagt Dr. Roth. Doch der ist auch nicht zwangsläufig erforderlich.


An sogenannten Stahlknüppeln testen die Forscher die Wirkung des Speziallacks.

Technologie mit Klimaschutzpotenzial

Walzwerke beispielsweise profitieren von einer weiteren Wirkung von DELTA-HEAT®. Denn der Lack sorgt dafür, dass sich beim Erhitzen eine gleichmäßige Zunderschicht bildet – also keine Nester. Der Vorteil: Diese Schicht lässt sich einfacher und mit weniger Materialverlust entfernen. Teilweise stört sie bei den anschließenden Bearbeitungsschritten auch überhaupt nicht. Stahlbetrieben spart das enormen Arbeitsaufwand und Kosten. Nicht zu vergessen: CO2-Emissionen. Denn auch die sinken durch die Verwendung von DELTA-HEAT®. Ein mittelgroßes Walzwerk kann mit dem Verfahren jährlich rund 750 Tonnen Kohlenstoffdioxid einsparen, weil eine Nachbereitung des Stahls größtenteils wegfällt. 

Weniger Emissionen bedeuten auch weniger treibhauswirksames Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre. Und das schützt das Klima. Denn hochgerechnet auf die gesamte deutsche Stahlindustrie bietet der Speziallack ein enormes Klimaschutzpotenzial. Aus diesem Grund nahm die KlimaExpo.NRW, die Leistungsschau des Landes, DELTA-HEAT® als Vorreiterprojekt für den Klimaschutz in das Themenfeld „Ressourcen schonen“ auf. Für Stahlbetriebe bedeutet der Lack vor allem eines: Mit Nachhaltigkeit wirtschaftlicher zu werden. Eine lohnende Aussicht.