Proceso para producir una capa de hierro y estaño sobre un sustrato de acero de embalaje.

Un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje, caracterizado porque comprende

- un sustrato de acero reducido con un solo recocido por recristalización (lámina negra SR) o

- un sustrato de acero doblemente reducido el cual es sometido a recocido por recristalización entre el primero y segundo tratamiento de laminación en frío (lámina negra DR),

donde uno o ambos lados del sustrato de lámina negra SR o DR es recubierto con una capa de aleación de hierro y estaño que contiene al menos 80 por ciento en peso (% p) de FeSn el cual consiste de (50 at.% de estaño y 50 at.% de hierro) y donde la capa de aleación de hierro estaño fue formada recociendo una capa de estaño electrodepositada a una temperatura Ta de al menos 513ºC durante un tiempo de recocido ta suficiente para convertir la capa de estaño en una capa de aleación hierro-estaño, seguido por enfriamiento rápido en un medio de enfriamiento no oxidante, manteniendo a la vez el sustrato recubierto en una atmósfera de gas reductor o inerte antes del enfriamiento, para obtener un óxido de superficie robusto, estable.

Proceso para producir una capa de hierro y estaño sobre un sustrato de acero de embalaje CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se relaciona con un proceso de producción para producir una capa de aleación de hierro y estaño sobre un sustrato de acero de embalaje y con un sustrato provisto con la capa.

Los productos laminados con estaño incluyen hojalata, acero recubierto con cromo electrolítico (ECCS, también conocido como acero libre de estaño o TFS), y lámina negra, el acero no recubierto. Los aceros de embalaje son normalmente proporcionados como hojalata o como TFS, sobre los cuales puede ser aplicado un recubrimiento orgánico. En el campo de los aceros de embalaje existe un incentivo creciente para reducir la cantidad de estaño usado para la hojalata debido al incremento del costo de las materias primas y agotamiento de recursos y reducción de la huella de carbono. La producción de TFS comúnmente implica el uso de cromo hexavalente, el cual es una sustancia peligrosa que es potencialmente peligrosa para el ambiente y constituye un riesgo en términos de la seguridad del trabajador. Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar recubrimientos metálicos alternativos que puedan reemplazar a la hojalata y TFS convencionales, sin la necesidad de recurrir al uso de cromo hexavalente y minimizar, o aún eliminar el uso del estaño.

El acero de embalaje es generalmente proporcionado como productos laminados de estaño de una sola o doble reducción. El producto de una Sola Reducción (SR) es laminado en frío directamente hasta el calibre final, entonces recocido por recristalización. La recristalización es llevada a cabo por medio de un recocido continuo o recocido en lotes al material laminado en frío. Después del recocido, el material usualmente es laminado por templado, aplicando típicamente una reducción de espesor 1-2%, para mejorar las propiedades del material. Al producto Doblemente Reducido (DR) se le da una primera reducción en frío para alcanzar un calibre intermedio, recocido por recristalización y entonces se le da otra reducción en frío hasta el calibre final. El producto de DR resultante es más rígido, más duro, más fuerte que el SR, permitiendo a los usuarios utilizar aceros de mayor calibre en su aplicación. Esos aceros de embalajes no recubiertos, laminados en frío, recocidos por recristalización SR y DR son referidos como lámina negra.

La hojalata se caracteriza por su excelente resistencia a la corrosión y capacidad de soldadura. El TFS típicamente tiene excelente adhesión a recubrimientos orgánicos y retención de la integridad del recubrimiento a temperaturas que exceden la temperatura de fusión del estaño. La hojalata es distribuida con un intervalo de pesos de recubrimiento normalmente entre 1. y 11.2 g/m2, los cuales son usualmente aplicados por deposición electrolítica. El Acero Recubierto con Cromo Electrolítico (ECCS) o Acero Libre de Estaño (TFS) consiste en un producto de lámina negra que ha sido recubierto con una capa de metal de cromo revestida con una película de óxido de cromo, ambas aplicadas por deposición electrolítica. El TFS también puede ser provisto con una gama de pesos de recubrimiento para ambos del recubrimiento de metal y óxido de cromo, típicamente fluctuando entre 2- 11 y 2-2 mg/m2, respectivamente. Tanto la hojalata como el TFS pueden ser entregados con una especificación de recubrimiento igual para ambos lados de la tira de acero, o con diferentes pesos de recubrimiento por lado, siendo lo último referido como una tira recubierta diferencial. Los recubrimientos de material alternativos basadas en bajas cantidades de estaño, para reemplazar la hojalata y la TFS convencionales, deberán ser capaces de igualar las propiedades de desempeño del producto características requeridas por cada sustitución.

La reducción del peso del recubrimiento de estaño de la hojalata producida de manera convencional, que implica que el flujo de fusión de recubrimiento de estaño electrodepositado, sea inferior de aproximadamente 1 g/m2 conduce a un deterioro del desempeño del producto en términos de resistencia a la corrosión y compresión del intervalo de soldadura. Esta observación ha dado como resultado composiciones de producto y rutas de proceso alternativas que pueden retener el desempeño del producto de hojalata, reduciendo a la vez los pesos aplicados de recubrimiento de estaño. Los ejemplos incluyen aplicación de recubrimiento delgados de níquel (por ejemplo, espesor de recubrimiento de níquel de entre 1-2 mg/m2) antes del recubrimiento con estaño para asegurar la retención de la resistencia a la corrosión e intervalo de soldadura a pesos de recubrimiento de estaño inferiores a 1 g/m2.

Sin embargo, debido a la presencia de una capa de estaño pasivado, no aleado, libre cerca de la superficie externa del producto de esos materiales son inadecuados para reemplazar el TFS puesto que la adhesión a recubrimientos orgánicos y retención de la integridad del recubrimiento a temperaturas que excedan la temperatura de fusión del estaño es insuficiente.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION

El objetivo de la Invención es proporcionar un proceso para producir un recubrimiento sobre un sustrato de acero de embalaje, que requiere una cantidad muy baja de estaño, el cual puede ser usado, potencialmente en conjunto con adlclonalmente una capa de conversión aplicada, como alternativa al TFS.

También es el objetivo de la invención proporcionar un proceso para producir un recubrimiento sobre un sustrato de acero de embalaje, que requiere una cantidad muy baja de estaño, el cual puede ser usado

como una alternativa sustentable a la hojalata convencional.

También es un objetivo de la invención proporcionar un sustrato que ofrece buena adhesión a recubrimientos orgánicos.

También es un objetivo de la invención proporcionar un sustrato con propiedades mecánicas mejoradas. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En un primer aspecto de la invención se proporciona un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje que comprende 1, un sustrato de acero de una sola reducción recocida por recristalización (lámina negra SR) o 2. un sustrato doblemente reducido el cual fue sometido a recocido por recristalización entre el primero y segundo tratamientos de laminación en frío (lámina negra DR), donde uno o ambos lados del sustrato de lámina negra SR o DR son recubiertos con una capa de aleación de hierro-estaño la cual contiene al menos 8% en peso (% p) de FeSn (5 at.% de estaño y 5% de hierro) y donde la capa de aleación de hierro-estaño fue formada por difusión recociendo una capa de estaño electrodepositada a una temperatura Ta de al menos 513°C durante un tiempo de recocido ta suficiente para convertir la capa de estaño en la capa de aleación de hierro-estaño, seguido por enfriamiento rápido en un medio de enfriamiento no oxidante manteniendo a la vez el sustrato recubierto en una atmósfera de gas reductor o inerte antes del enfriamiento, para obtener un óxido en la superficie robusta, estable.

El FeSn es el compuesto que tiene 5% atómico (at.%) de estaño y 5 at.% de hierro. La intención de los inventores es que la capa de hierro-estaño consista sustancialmente o completamente de FeSn. El desempeño de la adhesión y corrosión del sustrato recubierto puede ser mejorado aplicando una capa de conversión sobre la superficie externa de la aleación de hierro-estaño, excluyendo específicamente el uso de cromo o cromatos hexavalentes. Este sustrato puede ser usado para reemplazar el TFS considerando las grandes similitudes en el desempeño del producto debido a que su adhesión a recubrimientos orgánicos, resistencia a la corrosión y retención de la integridad del recubrimiento a ciertas temperaturas excede la temperatura de fusión del estaño. Esto último es particularmente importante cuando se aplica un recubrimiento polimérico por ejemplo o recubrimiento por extrusión o laminación debido a que la temperatura de la superficie del sustrato de metal en esos procesos puede exceder muy bien la temperatura de fusión del estaño, la cual es de aproximadamente 232°C.

La US328579 describe un proceso para el recocido continuo de acero completamente duro recubierto con estaño, el cual ha sido recubierto con estaño entre dos pasos de laminación en frío, para ofrecer una ruta más económica para la producción de hojalata delgada, con calibres de acero entre.25-.22 mm (.1 pulgadas -.88 pulgadas). El proceso de recocido continuo descrito en la US328579 tiene como propósito principal alcanzar la recristalización de la masa de acero e implica calentar la tira a temperaturas entre 649 y 982 °C (de 12 a 18°F). Esas temperaturas de recocido alta no dan como resultado una capa de FeSn... [Seguir leyendo]

Un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje, caracterizado porque comprende

un sustrato de acero reducido con un solo recocido por recristalización (lámina negra SR) o un sustrato de acero doblemente reducido el cual es sometido a recocido por recristalización entre el primero y segundo tratamiento de laminación en frío (lámina negra DR), donde uno o ambos lados del sustrato de lámina negra SR o DR es recubierto con una capa de aleación de hierro y estaño que contiene al menos 8 por ciento en peso (% p) de FeSn el cual consiste de (5 at.% de estaño y 5 at.% de hierro) y donde la capa de aleación de hierro estaño fue formada recociendo una capa de estaño electrodepositada a una temperatura Ta de al menos 513°C durante un tiempo de recocido ta suficiente para convertir la capa de estaño en una capa de aleación hierro-estaño, seguido por enfriamiento rápido en un medio de enfriamiento no oxidante, manteniendo a la vez el sustrato recubierto en una atmósfera de gas reductor o inerte antes del enfriamiento, para obtener un óxido de superficie robusto, estable.

El sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de difusión de hierro-estaño contiene al menos 85% en peso de FeSn, preferiblemente al menos 9% en peso, de manera más preferible al menos 95% en peso.

El sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sustrato consiste de un acero ultratrabajo en carbono e libre de intersticios, como un acero libre de intersticios estabilizado con titanio o estabilizado con titanio-nubio.

El sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sustrato recubierto es provisto además con un recubrimiento de conversión para reducir la sensibilidad a la corrosión por picaduras del material y mejorar la adhesión de recubrimientos orgánicos, preferiblemente donde el sustrato recubierto es pretratado primero para incrementar la tensión superficial de la superficie externa antes de la aplicación de un recubrimiento por conversión.

El sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sustrato recubierto es provisto además con un recubrimiento orgánico, que consiste de un recubrimiento polimérico de una sola o múltiples capas de una laca termoendurecible o termoplástica.

El sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el sustrato recubierto es provisto con una segunda capa de estaño, la cual es opcionalmente refluida, y a la cual se aplica opcionalmente un tratamiento de pasivación libre de cromo hexavalente.

El sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el peso del recubrimiento de estaño inicial, antes del recocido para formar la capa de aleación de hierro-estaño es a lo más 1 mg/m2, preferiblemente entre 1 y 6 mg/m2 del sustrato.

El sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con la reivindicación 5,caracterizado porque el recubrimiento de polímero termoplástico es un sistema de recubrimiento polimérico que comprende una o más capas que comprenden

Poliéster como PET y/o PBT;

y/o poliolefinas como PE o PP;

y/o copolímeros de los mismos;

y/o mezclas de los mismos.

Un proceso para producir un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje produciendo una capa de aleación de hierro y estaño sobre un sustrato de acero de lámina negra SR o DR, el proceso se caracteriza porque comprende, los pasos de:

- Proporcionando:

un sustrato de acero con una sola reducción recocida por recristalización (lámina negra SR), o un sustrato de acero doblemente reducido el cual fue sometido a recocido por recristalización entre el primero y segundo tratamiento de laminación en frío (lámina negra DR);

Proporcionando una primera capa de estaño sobre uno o ambos lados de un sustrato de acero de lámina negra en un primer paso de electrorrevestimiento, preferiblemente donde el peso de recubrimiento de estaño es algo más de 1 mg/m2, preferiblemente entre 1 y 6 mg/m2 de la superficie del sustrato; Recocer por difusión el sustrato de lámina negra provisto con la capa de estaño en una atmósfera de gas reductor a una temperatura de recocido Ta de al menos 513°C durante un tiempo ta suficiente para convertir la primera capa de estaño en una capa o capas de aleación hierro-estaño para obtener una

capa o capas de aleación de hierro-estaño que contienen o contiene al menos 8% en peso (%p) de FeSn la cual consiste de 5 at.% de estaño y 5 at.% de hierro;

Enfriar rápidamente el sistema con las capas de aleación de hierro-estaño en un medio de enfriamiento inerte, no oxidante, manteniendo a la vez el sustrato recubierto en una atmósfera de gas reductor o inerte antes del enfriamiento, para obtener un óxido de superficie robusto, estable.

1. El proceso para producir un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la relación de hierro a estaño en la capa de difusión de hierro-estaño contiene al menos 85% en peso de FeSn, preferiblemente al menos 9% en peso, de manera más preferible al menos 95% en peso.

11. El proceso para producir un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con la

reivindicación 9 o 1, caracterizado porque el recubrimiento rápido es logrado por medio de extinción de agua donde el agua para la extinción es de una temperatura entre la temperatura ambiente y la temperatura de ebullición, preferiblemente donde el agua usada para la extinción tiene una temperatura entre 8°C y la temperatura de ebullición.

12. El proceso para producir un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque

el proceso de recocido por difusión es efectuado inmediatamente después de terminar el primer paso de revestimiento con estaño, y/o

el proceso de recocido por difusión utiliza la velocidad de calentamiento que preferiblemente excede 3°C/s en una atmósfera que contiene hidrogeno, como HNX, preferiblemente a una temperatura entre 513 y 625°C, preferiblemente entre 55 y 625°C, y/o

el recocido por difusión es seguido directamente por enfriamiento rápido a una velocidad de enfriamiento en al menos 1°C/s, y/o

donde el enfriamiento es efectuado preferiblemente en una atmósfera reductora, como una atmósfera de nitrógeno y/o

el enfriamiento es efectuado preferiblemente aplicando una extinción con agua caliente, con un contenido de oxigeno disuelto mínimo, y con una temperatura del agua de 85°C, manteniendo a la vez el sustrato con la capa de aleación hierro-estaño protegido del oxigeno manteniendo una atmósfera de gas inerte o reductor, como gas HNX, antes de la extinción.

13. El proceso para producir un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque el tiempo Ta es a lo más 4 segundos, preferiblemente donde no existe tiempo a Ta.

14. El proceso para producir un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque la capa de aleación de hierro-estaño sobre uno o ambos lados del sustrato son recubiertas con una segunda capa de estaño en un segundo paso de revestimiento con estaño, opcionalmente seguido por un paso de fusión y/o un tratamiento de pasivación.

15. El proceso para producir un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque la capa de aleación de hierro-estaño o ambas capas de hierro-estaño son recubiertas en capa de conversión y/o donde el sustrato recubierto es provisto con un recubrimiento orgánico, que consiste de cualquiera de un recubrimiento polimérico de una sola capa o capas múltiples de la laca termoendurecible o termoplástico.

16. El proceso para producir un sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, caracterizado porque el tratamiento de recocido para formar la capa de aleación de hierro-estaño es adaptado para estimular el envejecimiento en el sustrato SR o el sustrato de DR y/o recuperación del sustrato DR.

17. Un aparato para producir una tira de sustrato recubierto para aplicaciones de embalaje produciendo una capa de aleación de hierro-estaño sobre un sustrato de acero de embalaje de acuerdo con el proceso de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 16, caracterizado porque comprende:

Una o más células de revestimiento con estaño para proporcionar la tira con una primera capa de estaño sobre uno o ambos lados, opcionalmente seguido por uno o más tanques de enjuague para remover el exceso de electrolito;

Seguido por una sección de calentamiento para el recocido por difusión y la primera capa de estaño a una temperatura Ta de al menos 513°C durante un tiempo de recocido ta suficiente para convertir la primera capa de estaño en la capa o capas de aleación de hierro-estaño seguida por una sección de enfriamiento rápido que comprende un medio de enfriamiento no oxidante, donde la velocidad de calentamiento en la sección de calentamiento es al menos 3°C/s, donde la atmósfera en la sección de calentamiento opcionalmente es una atmósfera que contiene hidrógeno, como HNX;

Opcionalmente seguida por una o más células de revestimiento de estaño, estando opcionalmente las células de revestimiento de estaño precedidas además por una sección de pretratamiento para activar la superficie de aleación de hierro-estaño, para proporcionar la tira con una segunda capa de estaño sobre uno o ambos lados, opcionalmente seguido por uno o más tanques de enjuague para remover el exceso de electrolito;

Opcionalmente seguido por una sección de fusión para fundir y fusionar la segunda capa de estaño; Seguido por enfriamiento rápido en la sección de enfriamiento rápido donde la velocidad de enfriamiento después del calentamiento es de al menos 1°C/s;

Opcionalmente seguido por una sección de paslvaclón, por ejemplo, para aplicar la capa de paslvaclón libre de cromo hexavalente.