EP4090785A1 - Verfahren zur herstellung eines oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten stahlblechs - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten stahlblechs

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Publication number
EP4090785A1
EP4090785A1 EP21701666.6A EP21701666A EP4090785A1 EP 4090785 A1 EP4090785 A1 EP 4090785A1 EP 21701666 A EP21701666 A EP 21701666A EP 4090785 A1 EP4090785 A1 EP 4090785A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steel sheet
skin
zinc
pass
surface roughness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21701666.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian JUNGE
Burak William Cetinkaya
Jennifer Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP4090785A1 publication Critical patent/EP4090785A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/26—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/34—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the shape of the material to be treated
    • C23C2/36—Elongated material
    • C23C2/40—Plates; Strips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B21B1/227—Surface roughening or texturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B21B2001/228—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length skin pass rolling or temper rolling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • B21B27/005—Rolls with a roughened or textured surface; Methods for making same

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a surface-refined and surface-conditioned steel sheet, the method comprising the following steps:
  • a standard surface conditioning process for (cold) rolled (steel) sheet is skin pass.
  • a roller with shaping elements is pressed on one side against a sheet metal or a sheet is passed between a pair of rollers with shaping elements and skinned on both sides. Due to the contact of the sheet with the skin pass roller, the negative of the roll topography is mapped onto the sheet in an idealized view.
  • the desired roughness parameters can be achieved on the sheet metal surface, and on the other hand mechanical parameters of the material can be set in a targeted manner. While the roughness generally has a decisive influence on the wettability, suitability for adhesion and reactivity of the surface, the setting of the mechanical parameters is aimed at the desired forming properties of the sheet metal.
  • skin-pass degree a measure of the percentage sheet thickness reduction due to rolling.
  • sheets are rolled / skin-passed in a hot-dip coating plant with a skin-pass degree of up to 1% in order to achieve the required mechanical parameters of the material.
  • the shaping elements of the roller which come into contact with the sheet metal, cause a mechanical deformation of the coating in hot-dip coated sheets at these contact points, which can be found on the sheet side as a skin pass impression (embossed areas). For example, with EDT-textured rolls and a skin pass degree of less than 1%, coherent impressions with an average depth of 3-6 pm and extend over a range of up to 2500 pm 2 are created .
  • the rest (unembossed areas) of the sheet metal remains free of mechanical damage or deformation.
  • the embossed areas on the surface of the sheet metal increase the chemical reactivity of the surface, whereas the unembossed areas do not have a “positive” influence on the chemical reactivity of the surface.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a surface-refined and surface-conditioned steel sheet, with which an increase in chemical reactivity on the entire surface of the steel sheet and a surface enlargement, in particular in the nanometer range, is possible.
  • the object is achieved with the features of claim 1.
  • the inventors surprisingly found that a positive influence on the increase in the chemical reactivity of the surface can also be exerted in the unembossed areas, among other things, by skin-passing with a skin-pass degree of greater than 1% so that a second surface roughness develops in the unembossed area which differs from the first surface roughness.
  • the skin pass degree of greater than 1% in particular greater than 1.2%, preferably greater than 1.4%
  • the top layer can be influenced by up to 100 nm of the steel sheet or the coating of the steel sheet, particularly in the unembossed areas.
  • the chemical reactivity can be increased on the entire surface of the sheet and a surface enlargement, in particular in the nanometer range, can be achieved , so that not only better phosphatability and / or binding of polymeric systems is made possible, but also improved wettability and / or deformability can be guaranteed.
  • the method according to the invention it is possible to ensure a relatively high roughness on the surface of the entire sheet metal not only on a microscopic scale, but also in the nanoscale range.
  • the contact pressure of the skin-pass rollers can be increased and the surface of the surface-finished steel sheet can be deformed by the shaping elements of the skin-pass roller in such a way that the coating material and possibly the steel sheet material between the penetrating, shaping elements of the skin pass rollers is placed under great tension, so that as a result of this tension the top layer of the coating is broken up and thus ensures a change, in particular a roughening in the unembossed area in the nanoscale range.
  • unembossed areas of the surface-refined sheet steel that do not come into contact with the shaping elements of the skin-pass rollers are effectively surface-conditioned. This is noticeable in that the second surface roughness differs from the first surface roughness.
  • Sheet steel is to be understood as meaning a flat steel product in the form of a strip or sheet metal / plate. It has a longitudinal extension (length), a transverse extension (width) and a height extension (thickness).
  • the steel sheet can be a hot strip (hot-rolled steel strip) or a cold strip (cold-rolled steel strip) or a hot strip or a cold strip be made.
  • the surface of the steel sheet is preferably skin-passed by means of one or more skin-pass rollers, with areas embossed in a rolling stand in a rolling train or in a coating line, or separately in a (post) rolling stand being introduced.
  • the “first” surface roughness is to be understood as the surface of the surface-refined steel sheet provided with a zinc-based coating in the untreated, not yet surface-conditioned state. Depending on how the surface refinement is carried out, this occurs in particular on the entire surface of the surface-refined steel sheet.
  • a two- or three-dimensional profile of the surface can be measured, from which various roughness parameters are calculated using standardized methods, which characterize the surface roughness.
  • the “second” surface roughness is to be understood as the surface of the surface-refined, zinc-based coating and tempered, surface-conditioned sheet steel.
  • the “second” surface roughness is also determined in the same way as the "first” surface roughness is determined.
  • the dimensions of the embossed areas depend, inter alia, on the skin pass degree, which is for example up to 5%, in particular up to 4%, preferably up to 3%, preferably up to 2.5%, particularly preferably up to can be up to 2%, whereby the skin-pass degree expresses the ratio of the decrease in thickness (input thickness to output thickness in the roll stand) of the rolled steel sheet to the input thickness, in particular taking into account the thickness reduction.
  • the surface-refined and surface-conditioned sheet steel has a surface structure as a result of the skin passing.
  • the thickness of the steel sheet is, for example, 0.5 to 4.0 mm, in particular 0.6 to 3.0 mm, preferably 0.7 to 2.5 mm.
  • the second surface roughness in the unembossed area of the surface-refined and surface-conditioned steel sheet is rougher or greater than the first surface roughness of the surface-refined steel sheet provided for skin-passing.
  • the surface roughness preferably increases due to the surface breaking up as a result of the induced voltage in the unembossed area between the penetrating shaping elements of the skin pass rollers.
  • the second surface roughness is, for example, at least 10% rougher or greater, in particular at least 25% rougher or greater, preferably at least 40% rougher or greater, preferably at least 60% rougher or greater than the first surface roughness, in particular based on a scan area of 10x10 pm 2 with an atomic force microscope.
  • the increase or increase in the surface roughness relates to an increase in the developed interface ratio, i.e. the percentage of the additional area of the definition area, for example the scan area, which can be traced back to the texture, compared to the absolutely flat definition area.
  • the second surface roughness is particularly preferably at least twice as rough or large as the first surface roughness.
  • the zinc-based coating has the following chemical composition in% by weight: optionally one or more alloy elements from the group (Al, Mg):
  • the zinc-based coating can contain additional elements such as aluminum with a content of up to 5.0% by weight and / or magnesium with a content of up to 5.0% by weight.
  • Steel sheets with a zinc-based coating have very good cathodic corrosion protection, which has been used in automotive engineering for years. If improved corrosion protection is provided, the coating additionally has magnesium with a content of at least 0.05% by weight, in particular of at least 0.3% by weight, preferably of at least 0.5% by weight.
  • Aluminum can alternatively or in addition to magnesium with a content of at least 0.05% by weight, in particular of at least 0.3% by weight, preferably of at least 0.5% by weight.
  • the zinc-based coating particularly preferably has aluminum and magnesium in each case at least 0.5% by weight.
  • aluminum and magnesium oxides in particular a magnesium-rich oxide layer, form on the surface of the coating or near the surface.
  • Oxide layers can essentially have a negative effect on the wetting behavior, with magnesium oxides having a poorer wetting behavior in comparison with aluminum oxides.
  • the induced voltage can break up the oxide layer on the surface of the coating in the unembossed areas, thus leading to an increase in the surface area and thus to an increase in chemical reactivity.
  • new types of (aluminum) oxides can form beneath the broken oxide layer, which have an improved wetting behavior compared to the original (magnesium) oxide.
  • the zinc-based coating has a thickness between 2 and 20 ⁇ m, in particular between 4 and 15 ⁇ m, preferably between 5 and 12 ⁇ m.
  • a deterministic surface structure is introduced into the surface-refined steel sheet by the skin-pass molding.
  • a deterministic surface structure is to be understood in particular as regularly recurring surface structures which have a defined shape and / or configuration or dimensioning.
  • this also includes surface structures with a (guasi) stochastic appearance, which are composed of stochastic form elements with a recurring structure.
  • a stochastic surface structure into the surface-finished steel sheet.
  • the surface-finished and surface-conditioned sheet steel is phosphated.
  • an improved phosphatability can be achieved.
  • the roughening of the top layer in the unembossed areas for example in the case of zinc phosphating, means that the zinc ions are better absorbed into the Enter phosphating bath and can form a conversion chemistry, so that an essentially homogeneous formation of the phosphate layer can take place, which can meet the high requirements of the automobile manufacturer.
  • Figure la, b, c) schematic partial sectional views of a provided, surface-refined steel sheet before skin pass a) and in each case during skin pass conventional b) and according to the invention c),
  • Figure 3a, b) each shows a diagram for evaluating the fracture surface a) and the tensile shear strength b).
  • FIG. 1 shows schematic partial sectional views at specific times.
  • the surface-finished steel sheet (10) comprises a steel sheet (1) with a zinc-based coating (1.1) with a first surface roughness (1.2).
  • the zinc-based coating (1.1) can optionally also contain one or more alloying elements from the group (Al, Mg): Al up to 5.0, Mg up to 5.0.
  • the thickness of the steel sheet (1) is, for example, 0.5 to 4.0 mm.
  • FIG. 1b) shows a schematic partial sectional view during conventional skin-passing with a skin-pass degree of up to 1%.
  • the shaping elements (2.1) of a skin-pass roller penetrate only very close to the surface due to the selected skin-pass degree, so that the unembossed areas between the embossed areas do not experience any change on the surface and the first surface roughness (1.2) in the unembossed areas in the conventional skin pass essentially remain.
  • the surface behaves differently in the unembossed areas during skin-pass processing according to an embodiment of the method according to the invention, FIG.
  • the unembossed area experiences a tension which in turn leads to the top layer (s) of the coating (1.1) breaking open and thereby the Surface changes, which has a second surface roughness (1.3) which differs from the first surface roughness (1.2), is preferably rougher or greater than the first surface roughness (1.2).
  • FIG. 2 each shows a perspective image, which has been taken by means of confocal microscopy, of a portion of a surface-refined and surface-conditioned steel sheet (11), which is conventional, see FIG. 2a), and according to an embodiment of the method according to the invention, see FIG. 2b), have been manufactured.
  • a steel sheet (1) made of a soft steel grade “CR4” was cold-rolled to a thickness of 0.7 mm and coated with a zinc-based coating (1.1) in a hot-dip coating plant, with Al with 1.6% by weight in the coating (1.1) and Mg was contained at 1.1% by weight.
  • the surface-refined steel sheet (10) was conventionally skin-passed with an EDT-textured skin-pass roller (2) with a skin-pass degree of 0.95%. Samples were taken from the tempered steel sheet. The result showed that the unembossed areas on the surface of the surface-finished and surface-conditioned steel sheet showed no change compared to the surface-finished steel sheet (10) before skin passing, see Fig. 2a), enlarged illustration below.
  • a change in the unembossed areas on the surface of the surface-refined and surface-conditioned steel sheet (11) could be brought about by the surface Surface-refined sheet steel (10) with the same EDT-textured skin-pass roller (2) as in FIG. 2a), but with a skin-pass degree greater than 1%, in this case 1.5%.
  • Fig. 2b enlarged illustration below, it can be clearly seen that the tension on the surface in the unembossed areas during skin-passaging resulted in a roughening and thus a second surface roughness was created in the unembossed areas, which differs from the first The surface roughness of the untreated sheet steel (10) is different.
  • the differently produced steel sheets were phosphated and the steel sheet (11) produced according to the invention had a more homogeneous phosphate pattern with uniform zinc-phosphate crystal growth compared to the conventionally produced steel sheet.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechs (11), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Stahlblechs (1) mit einem zinkbasierten Überzug (1.1) mit einer ersten Oberflächenrauheit (1.2), Dressieren des oberflächenveredelten Stahlblechs (10), so dass sich verprägte und unverprägte Bereiche auf der Oberfläche des mit einem zinkbasierten Überzug (1.1) versehenen Stahlblechs (1) ausbilden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Dressieren mit einem Dressiergrad größer 1 % derart durchgeführt wird, dass sich im unverprägten Bereich eine zweite Oberflächenrauheit (1.3) ausbildet, welche sich von der ersten Oberflächenrauheit (1.2) unterscheidet.

Description

Verfahren zur Herstellung eines oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten
Stahlblechs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenveredelten und ober flächenkonditionierten Stahlblechs, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Stahlblechs mit einem zinkbasierten Überzug mit einer ersten Oberflächenrauheit,
Dressieren des oberflächenveredelten Stahlblechs, so dass sich verprägte und unverprägte Bereiche auf der Oberfläche des mit einem zinkbasierten Überzug versehenen Stahlblechs ausbilden.
Ein standardmäßiges Oberflächen-Konditionierungsverfahren für (kalt)gewalztes (Stahl-)Blech ist das Dressieren. Beim Dressiervorgang wird eine Walze mit formgebenden Elementen ein seitig an ein Blech gepresst respektive ein Blech wird zwischen ein Walzenpaar mit form gebenden Elementen hindurchgeführt und beidseitig dressiert. Durch den Kontakt von dem Blech mit der Dressierwalze wird in einer idealisierten Betrachtung das Negativ der Walzen topografie auf das Blech abgebildet. Hierbei können zum einen gewünschte Rauheits kennwerte auf der Blechoberfläche erreicht, zum anderen gezielt mechanische Kennwerte des Werkstoffes eingestellt werden. Während die Rauheit im Allgemeinen einen maßgeblichen Einfluss auf die Benetzbarkeit, Klebeeignung und Reaktivität der Oberfläche hat, zielt die Einstellung der mechanischen Kennwerte auf gewünschte Umformeigenschaften des Bleches ab.
Es existieren unterschiedliche Texturierungsverfahren, durch die die formgebenden Elemente auf der Walze generiert werden. Beim Electrical Discharge Texturing (EDT) wird die Walzen oberfläche durch Funkenerosion aufgeraut und es entsteht eine insofern stochastische Topo grafie, als dass die Größe und Tiefe der entstehenden Krater je nach Energieübertrag des Funkeneinschlags variieren und die Walzentextur daher keinem periodischen Muster folgt, s. beispielsweise EP 2 006 037 Bl. Beim Lasertexturieren (LT) wird die Walzenoberfläche durch Laserstrahlbeschuss bearbeitet und es können zielgerichtete Strukturen mit einer determinis tischen Topografie erzeugt werden, s. beispielsweise EP 2 892 663 Bl. Das Dressieren vergrößert aufgrund der Verformung des Bleches dessen Oberfläche auf einer mikroskopischen Skala. Eine Vergrößerung der Blechoberfläche geht einher mit mehr Ober fläche, die mit einer chemischen Vorbehandlung bzw. Nachbehandlung reagieren kann. Auch die durch das Dressieren hervorgerufenen Kanten und Spitzen steigern die chemische Reaktivität der Oberfläche. Besonders elektrolytisch verzinkte oder feuerverzinkte Stahlober flächen, die im Automobilbau chemischen Nachbehandlungen wie dem Kleben, Lackieren und/oder der Phosphatierung ausgesetzt werden, besitzen nach dem Dressieren mehr potentielle Reaktionsfläche. Dieses Mehr an reaktiver Oberfläche kann sich bezogen auf die oben genannten Beispiele in einer besseren Klebeeignung und/oder gleichzeitig in einem homogenen Phosphatierungsbild äußern.
Ein wichtiger Parameter beim Dressieren stellt der sogenannte Dressiergrad, - ein Maß für die prozentuale Blechdickenreduktion durch das Walzen -, dar. Üblicherweise werden in einer Feuerbeschichtungsanlage Bleche nach dem Feuerbeschichten mit einem Dressiergrad von bis zu 1 % gewalzt/dressiert, um die gewünschten mechanischen Kennwerte des Werkstoffs zu erreichen. Durch die formgebenden Elemente der Walze, die einen Kontakt mit dem Blech eingehen, kommt es bei schmelztauchveredelten Blechen an diesen Kontaktstellen zu einer mechanischen Verformung des Überzugs, die auf der Blechseite als Dressierabdruck wieder zufinden sind (verprägte Bereiche). Beispielswiese entstehen bei EDT-texturierten Walzen und einem Dressiergrad kleiner 1 % insbesondere zusammenhängende Abdrücke mit einer Tiefe von durchschnittlich 3-6 pm und erstrecken sich über einen Bereich von bis zu 2500 pm2. Lediglich die Erhebungen der Walze berühren das Blech respektive die Oberfläche des Blechs und verprägen diese, der Rest (unverprägte Bereiche) des Bleches bleibt frei von mech anischer Schädigung bzw. Deformation. Insbesondere die verprägten Bereiche an der Ober fläche des Blechs steigern die chemische Reaktivität der Oberfläche, wohingegen die unver- prägten Bereiche keinen „positiven“ Einfluss auf die chemische Reaktivität der Oberfläche nehmen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechs anzugeben, mit welchem eine Steigerung der chemischen Reaktivität auf der gesamten Oberfläche des Stahlblechs sowie eine Oberflächen vergrößerung, insbesondere im Nanometerbereich, möglich ist.
Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Erfinder haben überraschend festgestellt, dass positiv Einfluss auf die Steigerung der chemischen Reaktivität der Oberfläche u. a. auch in den unverprägten Bereichen genommen werden kann, indem das Dressieren mit einem Dressiergrad größer 1 % durchgeführt wird, derart, dass sich im unverprägten Bereich eine zweite Oberflächenrauheit ausbildet, welche sich von der ersten Oberflächenrauheit unterscheidet. Durch eine Anpassung des Dressier grads größer 1 %, insbesondere größer 1,2 %, vorzugsweise größer 1,4 % kann eine Einflussnahme der obersten Schicht bis zu 100 nm des Stahlblechs respektive des Überzugs des Stahlblechs insbesondere in den unverprägten Bereichen bewirkt werden. Durch die insbesondere „gezielte“ Änderung der Oberfläche im unverprägten Bereich von der ersten zur zweiten Oberflächenrauheit, vorzugsweise infolge einer Aufrauung der unverprägten Bereiche, kann somit die chemische Reaktivität auf der gesamten Oberfläche des Blechs gesteigert werden sowie eine Oberflächenvergrößerung, insbesondere im Nanometerbereich, erzielt werden, so dass nicht nur eine bessere Phosphatierbarkeit und/oder Anbindung von polymeren Systemen ermöglicht wird, sondern auch eine verbesserte Benetzbarkeit und/oder Umformbarkeit gewährleistet werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, nicht nur im mikroskopischen Maß stab, sondern auch im nanoskaligen Bereich eine verhältnismäßig hohe Rauheit auf der Oberfläche des gesamten Blechs zu gewährleisten. Durch die Einstellung des Dressiergrades von größer 1 %, insbesondere durch Erhöhung des Dressiergrades kann der Anpressdruck der Dressierwalzen erhöht und die Oberfläche des oberflächenveredelten Stahlblechs durch die formgebenden Elemente der Dressierwalze derart deformiert werden, dass das Überzugs material und ggf. das Stahlblechmaterial zwischen den eindringenden, formgebenden Elementen der Dressierwalzen unter große Spannung gesetzt wird, so dass infolge dieser Spannung ein Aufbrechen der obersten Lage des Überzugs erfolgt und damit für eine Ver änderung, insbesondere für eine Aufrauung im unverprägten Bereich im nanoskaligen Bereich sorgt. Dadurch werden auch unverprägte Bereiche des oberflächenveredelten Stahl blechs, die keinen Kontakt mit den formgebenden Elementen der Dressierwalzen erfahren, guasi oberflächenkonditioniert. Dies macht sich dadurch bemerkbar, dass die zweite Ober flächenrauheit sich von der ersten Oberflächenrauheit unterscheidet.
Unter Stahlblech ist ein Stahlflachprodukt in Bandform oder Blech-/Platinenform zu verstehen. Es weist eine Längserstreckung (Länge), eine Querstreckung (Breite) sowie eine Höhen erstreckung (Dicke) auf. Das Stahlblech kann ein Warmband (warmgewalztes Stahlband) oder Kaltband (kaltgewalztes Stahlband) sein oder aus einem Warmband oder aus einem Kaltband hergestellt sein. Bevorzugt wird die Oberfläche des Stahlblechs mittels einer oder mehreren Dressierwalzen dressiert werden, wobei in einem Walzgerüst in einer Walzstraße oder in einer Beschichtungsstraße, oder separat in einem (Nach-)Walzgerüst verprägte Bereiche einge bracht werden.
Unter „erster“ Oberflächenrauheit ist die Oberfläche des oberflächenveredelten, mit einem zinkbasierten Überzug versehenen Stahlblechs im undressierten, noch nicht oberflächen konditionierten Zustand zu verstehen. Diese stellt sich je nach Durchführung der Oberflächen veredelung insbesondere an der gesamten Oberfläche des oberflächenveredelten Stahlblechs ein. Zur Ermittlung der „ersten“ Oberflächenrauheit kann ein zwei- oder dreidimensionales Profil der Oberfläche vermessen werden, woraus mit Hilfe von standardisierten Verfahren verschiedene Rauheitskenngrößen berechnet werden, welche die Oberflächenrauheit charak terisieren.
Unter „zweiter“ Oberflächenrauheit ist die Oberfläche des oberflächenveredelten, mit einem zinkbasierten Überzug versehenen und dressierten, oberflächenkonditionierten Stahlblechs zu verstehen. Auch die Ermittlung der „zweiten“ Oberflächenrauheit erfolgt analog zur Ermittlung der „ersten“ Oberflächenrauheit.
Die verprägten Bereiche in ihrer Dimensionierung (Tiefe, Breite etc.) sind unter anderem abhängig vom Dressiergrad, welcher beispielsweise bis zu 5 %, insbesondere bis zu 4 %, vorzugsweise bis zu 3 %, bevorzugt bis zu 2,5 %, besonders bevorzugt bis zu 2 % betragen kann, wobei der Dressiergrad das Verhältnis der Dickenabnahme (Eingangsdicke zur Aus gangsdicke im Walzgerüst) des gewalzten Stahlblechs zur Eingangsdicke ausdrückt, insbeson dere die Dickenreduktion berücksichtigt. Durch das Dressieren weist das oberflächenveredelte und oberflächenkonditionierte Stahlblech eine Oberflächenstruktur auf.
Die Dicke des Stahlblechs beträgt beispielsweise 0,5 bis 4,0 mm, insbesondere 0,6 bis 3,0 mm, vorzugsweise 0,7 bis 2,5 mm.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merk- male aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zweite Oberflächen rauheit im unverprägten Bereich des oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechs rauer bzw. größer als die erste Oberflächenrauheit des für das Dressieren bereit gestellte oberflächenveredelte Stahlblech. Durch die infolge der induzierten Spannung im unverprägten Bereich zwischen den eindringenden formgebenden Elementen der Dressier walzen aufbrechende Oberfläche nimmt die Oberflächenrauheit vorzugsweise zu. Die zweite Oberflächenrauheit ist beispielsweise mindestens 10 % rauer bzw. größer, insbesondere mindestens 25 % rauer bzw. größer, vorzugsweise mindestens 40 % rauer bzw. größer, bevorzugt mindestens 60 % rauer bzw. größer als die erste Oberflächenrauheit, insbesondere bezogen auf eine Scanfläche von 10x10 pm2 mit einem Rasterkraftmikroskop. Dabei bezieht sich die Vergrößerung respektive Zunahme der Oberflächenrauheit auf eine Vergrößerung des entwickelten Grenzflächenverhältnisses, also den Prozentsatz der zusätzlichen Fläche des Definitionsbereichs, beispielsweise der Scanfläche, die auf die Textur zurückzuführen ist, im Vergleich zum absolut ebenen Definitionsbereich. Besonders bevorzugt ist die zweite Ober flächenrauheit mindestens doppelt so rau bzw. groß wie die erste Oberflächenrauheit.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der zinkbasierte Über zug folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf: optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (AI, Mg):
AI bis 5,0,
Mg bis 5,0,
Rest Zn und unvermeidbare Verunreinigungen.
In dem zinkbasierten Überzug können neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Aluminium mit einem Gehalt bis zu 5,0 Gew.-% und/oder Magnesium mit einem Gehalt bis zu 5,0 Gew.-% enthalten sein. Stahlbleche mit zinkbasiertem Überzug weisen einen sehr guten kathodischen Korrosionsschutz auf, welcher seit Jahren im Automobilbau eingesetzt wird. Ist ein verbesserter Korrosionsschutz vorgesehen, weist der Überzug zusätzlich Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,05 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,3 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,5 Gew.-% auf. Aluminium kann alternativ oder zusätzlich zu Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,05 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,3 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,5 Gew.-% vor handen sein. Besonders bevorzugt weist der zinkbasierte Überzug Aluminium und Magnesium mit jeweils mindestens 0,5 Gew.-% auf. Durch das Vorhandensein der Anteile an sauer stoffaffinen Legierungselementen AI und Mg von jeweils mindestens 0,5 Gew.-% im zink basierten Überzug bilden sich auf der Oberfläche des Überzugs bzw. oberflächennah Aluminium- und Magnesiumoxide, insbesondere eine magnesiumreiche Oxidschicht an der Oberfläche aus. Oxidschichten können im Wesentlichen das Benetzungsverhalten negativ beeinflussen, wobei Magnesiumoxide ein schlechteres Benetzungsverhalten im Vergleich Aluminiumoxiden aufweisen. Durch die induzierte Spannung kann es an der Oberfläche des Überzugs in den unverprägten Bereichen zu einem Aufbrechen der Oxidschicht kommen, somit zu einer Oberflächenvergrößerung und damit zu einer Steigerung der chemischen Reaktivität führen. Des Weiteren können sich unterhalb der aufgebrochenen Oxidschicht neuartige (Aluminium-)Oxide bilden, die ein im Vergleich zum ursprünglichen (Magnesium-) Oxid verbessertes Benetzungsverhalten aufweisen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der zinkbasierte Über zug eine Dicke zwischen 2 und 20 pm, insbesondere zwischen 4 und 15 gm, vorzugsweise zwischen 5 und 12 pm, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch das Dressieren eine deterministische Oberflächenstruktur in das oberflächenveredelte Stahlblech eingebracht. Unter deterministischer Oberflächenstruktur sind insbesondere regelmäßig wiederkehrende Oberflächenstrukturen zu verstehen, welche eine definierte Form und/oder Ausgestaltung bzw. Dimensionierung aufweisen. Insbesondere gehören hierzu zudem Ober flächenstrukturen mit einer (guasi-)stochastischen Anmutung, die sich aus stochastischen Formelementen mit einer wiederkehrenden Struktur zusammensetzen. Alternativ und bevor zugt ist auch das Einbringen einer stochastischen Oberflächenstruktur in das oberflächen veredelte Stahlblech denkbar.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das oberflächen veredelte und oberflächenkonditionierte Stahlblech phosphatiert. Durch die Veränderung der Oberfläche in den unverprägten Bereichen kann auch eine verbesserte Phosphatierbarkeit erzielt werden. U. a. die Aufrauung der obersten Schicht in den unverprägten Bereichen führt beispielsweise bei einer Zinkphosphatierung dazu, dass die Zink-Ionen besser in das Phosphatierungsbad gelangen und eine Konversionschemie ausbilden können, so dass eine im Wesentlichen homogene Ausbildung der Phosphatschicht erfolgen kann, welche den hohen Anforderungen der Automobilhersteller genügen kann.
Im Folgenden werden konkrete Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeich nung im Detail näher erläutert. Die Zeichnung und begleitende Beschreibung der resultieren den Merkmale sind nicht beschränkend auf die jeweiligen Ausgestaltungen zu lesen, dienen jedoch der Illustration beispielhafter Ausgestaltung. Weiterhin können die jeweiligen Merkmale untereinander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögliche weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen Ausge staltungen, welche nicht dargestellt sind.
Die Zeichnung zeigt in
Figur la, b, c) schematische Teilschnittschnittdarstellungen eines bereitgestellten, ober flächenveredelten Stahlblechs vor dem Dressieren a) und jeweils während des Dressierens konventionell b) und erfindungsgemäß c),
Figur 2a, b) jeweils eine perspektivische Aufnahme eines Teilbereichs eines oberflächen veredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechs konventionell a) und erfindungsgemäß b), und
Figur 3a, b) jeweils ein Diagramm zur Bewertung der Bruchfläche a) und der Zugscher festigkeit b).
Figur 1 zeigt schematische Teilschnittschnittdarstellungen zu bestimmten Zeitpunkten. In Figur 1 a) ist der obere Teil eines bereitgestellten, oberflächenveredelten Stahlblechs (10) im Teilschnitt dargestellt. Das oberflächenveredelte Stahlblech (10) umfasst ein Stahlblech (1) mit einem zinkbasierten Überzug (1.1) mit einer ersten Oberflächenrauheit (1.2). Der zink basierte Überzug (1.1) kann neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzlich optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (AI, Mg): AI bis 5,0, Mg bis 5,0, enthalten. Die Dicke des Stahlblechs (1) beträgt beispielsweise 0,5 bis 4,0 mm. Das bereitgestellte, oberflächenveredelte Stahlblech (10) wird einem Dressieren zugeführt, welches mittels Dressierwalzen (2) mit formgebenden Elementen (2.1) auf beiden Seiten der Oberfläche des oberflächenveredelten Stahlblechs (10) einwirken, wobei durch das Dressieren sich verprägte und unverprägte Bereiche auf der Oberfläche des mit einem zink basierten Überzug (1.1) versehenen Stahlblechs (1) ausbilden, Figuren lb, c). Durch das Dressieren wird eine deterministische oder vorzugsweise eine stochastische Oberflächen struktur in das oberflächenveredelte Stahlblech (10) eingebracht. Figur lb) zeigt eine schematische Teilschnittdarstellung während eines konventionellen Dressierens mit einem Dressiergrad von bis zu 1 %. Wie in der schematischen Darstellung illustriert ist, dringen die formgebenden Elemente (2.1) einer Dressierwalze aufgrund des gewählten Dressiergrades nur sehr oberflächennah ein, so dass die unverprägten Bereiche zwischen den verprägten Bereiche keine Veränderung an der Oberfläche erfahren und die erste Oberflächenrauheit (1.2) in den unverprägten Bereichen beim konventionellen Dressieren im Wesentlichen bestehen bleibt. Anders verhält sich Oberfläche in den unverprägten Bereichen während Dressierens nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur lc). Durch die Einwirkung der formgebenden Elemente (2.1) der Dressierwalze (2) in Verbindung mit einem Dressiergrad größer 1 % erfährt der unverprägte Bereich eine Spannung, die wiederrum zu einem Aufbrechen der obersten Lage(n) des Überzugs (1.1) führt und sich dadurch die Oberfläche ändert, welche eine zweite Oberflächenrauheit (1.3) aufweist, die sich von der ersten Oberflächenrauheit (1.2) unterscheidet, vorzugsweise rauer bzw. größer ist als die erste Oberflächenrauheit (1.2).
Figur 2 zeigt jeweils eine perspektivische Aufnahme, welche mittels Konfokalmikroskopie aufgenommen worden sind, eines Teilbereichs eines oberflächenveredelten und oberflächen konditionierten Stahlblechs (11), welches konventionell, vgl. Figur 2a), und nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, vgl. Figur 2b), hergestellt worden sind. Ein Stahlblech (1) aus einer weichen Stahlgüte „CR4“ wurde auf eine Dicke 0,7 mm kalt gewalzt und in einer Feuerbeschichtungsanlage mit einem zinkbasierten Überzug (1.1) beschichtet, wobei im Überzug (1.1) AI mit 1,6 Gew.-% und Mg mit 1,1 Gew.-% enthalten war. Das oberflächenveredelte Stahlblech (10) wurde konventionell mit einer EDT-texturierten Dressierwalze (2) mit einem Dressiergrad von 0,95 % dressiert. Aus dem dressierten Stahl blech wurden Proben entnommen. Im Ergebnis zeigte sich, dass die unverprägten Bereiche auf der Oberfläche des oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechs keine Veränderung zu dem oberflächenveredelten Stahlblech (10) vor dem Dressieren auf zeigten, s. Fig. 2a), vergrößerte Darstellung unten.
Eine Änderung der unverprägten Bereiche auf der Oberfläche des oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechs (11) konnte dadurch bewirkt werden, indem das ober- flächenveredelte Stahlblech (10) mit der gleichen EDT-texturierten Dressierwalze (2), wie in Figur 2a), jedoch mit einem Dressiergrad größer 1 %, in diesem Fall mit 1,5 % dressiert wurde. In Fig. 2b), vergrößerte Darstellung unten, ist gut zu erkennen, dass durch die Spannung während des Dressieren an der Oberfläche in den unverprägten Bereichen sich eine Aufrauung einstellte und dadurch eine zweite Oberflächenrauheit in den unverprägten Bereichen geschaffen wurde, welche sich von der ersten Oberflächenrauheit des undressier- ten Stahlblechs (10) unterscheidet.
Weitere Proben wurden aus dem vorgenannten konventionell und erfindungsgemäß ober flächenveredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechen entnommen und weiteren Untersuchungen zugeführt. Zwei Proben aus konventionell hergestellten Stahlblechen, vgl. Figur 2a, und zwei Proben aus erfindungsgemäß hergestellten Stahlblechen (11), vgl. Figur 2b), wurden jeweils mit einem polymeren System (Klebstoff) versehen und miteinander stoff schlüssig verbunden. Im Rahmen einer Zugscherprüfung wurde das Bruchverhalten der beiden Proben unter gleichen Bedingungen untersucht. Da bis auf den Dressiergrad vergleichbare Eigenschaften Vorlagen, zeigte sich im Ergebnis, dass das Bruchverhalten bei dem erfindungsgemäß hergestellten Stahlblech mit über 80% des Bruchflächenanteils kohäsiv in Substratnähe (SCF) und der restliche Teil adhäsiv (AF) vorlag, s. Figur 3a) linke Säule für das erfindungsgemäß hergestellte Stahlblech (11). Bei dem konventionell herge stellten Stahlblech, s. Figur 3a) rechte Säule, ergab sich ein eine Aufteilung des Bruch verhaltens zu gleichen Teilen kohäsiv (CF) und adhäsiv (AF). Einen verringerten adhäsiven Anteil (AF) im Bruchverhalten zeigt insofern ein verbessertes Bruchbild, dass es zu einem Bruchversagen im Klebstoff und nicht an der Grenzfläche Klebstoff/Überzug kommt. Auch in der Zugscherfestigkeit kann das erfindungsgemäß hergestellte Stahlblech (11), s. Figur 3b) linke Säule, durch die gesteigerte chemische Reaktivität der Oberfläche seine Vorteile zeigen, so dass diese mit über 25 MPa ermittelt wurde und das konventionell hergestellte Stahlblech, s. Figur 3b) rechte Säule, nur eine Zugscherfestigkeit von weniger als 20 MPa aufweisen konnte.
In einer weiteren Untersuchung wurden die unterschiedlich hergestellten Stahlbleche phos- phatiert und das erfindungsgemäß hergestellte Stahlblech (11) wies ein homogeneres Phosphatbild mit einem einheitlichen Zink-Phosphatkristallwachstum im Vergleich zum kon ventionell hergestellten Stahlblech auf.
Die Merkmale sind, soweit technisch möglich, alle miteinander kombinierbar.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechs (11), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Stahlblechs (1) mit einem zinkbasierten Überzug (1.1) mit einer ersten Oberflächenrauheit (1.2),
- Dressieren des oberflächenveredelten Stahlblechs (10), so dass sich verprägte und unverprägte Bereiche auf der Oberfläche des mit einem zinkbasierten Überzug
(1.1) versehenen Stahlblechs (1) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Dressieren mit einem Dressiergrad größer 1 % durchgeführt wird, derart, dass sich im unverprägten Bereich eine zweite Oberflächenrauheit (1.3) ausbildet, welche sich von der ersten Oberflächenrauheit (1.2) unterscheidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberflächenrauheit (1.3) im unverprägten Bereich des oberflächenveredelten und oberflächenkonditionierten Stahlblechs (11) rauer ist als die erste Oberflächenrauheit (1.2) des für das Dressieren bereitgestellte oberflächenveredelte Stahlblech (10).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zinkbasierte Überzug
(1.1) folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% aufweist: optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (AI, Mg):
AI bis 5,0;
Mg bis 5,0;
Rest Zn und unvermeidbare Verunreinigungen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zinkbasierte Überzug (1.1) AI und Mg mit jeweils mindestens 0,5 Gew.- % aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zinkbasierte Überzug
(1.1) eine Dicke zwischen 2 und 20 pm aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch das Dressieren eine deterministische Oberflächenstruktur in das oberflächenveredelte Stahlblech (10) eingebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei durch das Dressieren eine stochastische Oberflächenstruktur in das oberflächenveredelte Stahlblech (10) einge bracht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das oberflächen veredelte und oberflächenkonditionierte Stahlblech (11) phosphatiert wird.
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