EP4182099B1 - Dressiertes stahlblech, dressierwalze sowie verfahren zur herstellung eines dressierten stahlbechs - Google Patents

Dressiertes stahlblech, dressierwalze sowie verfahren zur herstellung eines dressierten stahlbechs Download PDF

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EP4182099B1
EP4182099B1 EP21743422.4A EP21743422A EP4182099B1 EP 4182099 B1 EP4182099 B1 EP 4182099B1 EP 21743422 A EP21743422 A EP 21743422A EP 4182099 B1 EP4182099 B1 EP 4182099B1
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EP
European Patent Office
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skin
steel sheet
elevations
depressions
elevation
Prior art date
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Active
Application number
EP21743422.4A
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EP4182099A1 (de
Inventor
Fabian JUNGE
Robin Dohr
Burak William Cetinkaya
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
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    • 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
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B2261/00—Product parameters
    • B21B2261/14—Roughness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B2267/00—Roll parameters
    • B21B2267/10—Roughness of roll surface

Definitions

  • the invention relates to a skin-passed steel sheet with a surface structure, a skin-passing roll structured with a surface structure and a method for producing a skin-passed steel sheet, see e.g. EP 2 892 663 B1 which forms the basis for the preamble of claims 1, 6 and 7.
  • deterministic structures on a skin-pass roller make it possible to design the shape of the skin-pass impression in such a way that a positive impression on the skin-pass roller leads to a negative impression by acting on the surface of a steel sheet, thus creating the deterministic surface structure on the steel sheet, providing a surface structure that can be specifically adjusted.
  • the geometric design (size and depth) of a deterministic surface structure (negative shape) on a skin-passed steel sheet depends in particular on how the corresponding geometric structure (positive shape) is/will be designed on a skin-pass roller.
  • Laser texturing processes are preferably used to be able to set specific structures (positive shape) on the surface of a skin-pass roller by removing material.
  • the design of the structure(s) can be positively influenced by specifically controlling the energy of the pulse duration and selecting a suitable wavelength of a laser beam acting on the surface of the skin-pass roller. With a longer pulse duration, the interaction time between the laser beam and the skin-pass roll surface increases and more material can be removed from the surface of the skin-pass roll.
  • a pulse leaves an essentially circular crater on the skin-pass roll surface, which, if there are several craters, after the skin-pass process maps the surface or the area of the elevations on the steel sheet and thus the contact area between the steel sheet and the shaping skin-pass roll.
  • a reduction in the pulse duration influences the formation of a crater, in particular the diameter of the crater can be reduced.
  • a closed structure on the steel sheet binds process media (oil) very well due to the empty volumes (cavities) created, which can be made available for further processing steps (forming process, etc.), for example. Satisfactory wettability in a coating process following skin-passing, on the other hand, is only possible to a limited extent due to the retention capacity of the cavities.
  • An open structure on the skin-pass roller can lead to good wettability of a skin-pass agent, so that the skin-pass agent can spread advantageously along the structure during the skin-pass process. Furthermore, skin-pass forces can be transmitted well and the structure can be advantageously embossed into the surface of the steel sheet.
  • the skin-pass agent can flow from the depressions of the roller from the mechanically stressed areas to the unstressed areas as the force is transferred to the steel sheet.
  • the depressions are freed up and shaping elements of the skin-pass roller can evenly emboss the steel sheet surface.
  • Both the open and the closed structure on a steel sheet or on a skin-pass roller have advantages and disadvantages.
  • Open structures on steel sheets are easier to wet and offer many more possibilities in the long term than closed structures.
  • Open structures on skin-pass rollers can only be embossed onto the steel sheet to a limited extent if skin-pass media is used. There is therefore a need to essentially combine the advantages of the two structures and reduce the disadvantages as much as possible.
  • the object is therefore to provide a skin-passed steel sheet with a surface structure and a skin-passing roll structured with a surface structure, which essentially do not have the disadvantages known from the prior art, and to provide an improved method for producing a skin-passed steel sheet.
  • the surface structure of the surfaces of the skin-passed steel sheet as well as the structured skin-pass roll can have a quasi-stochastic or deterministic surface structure/topography.
  • Deterministic surface structure refers to recurring surface structures which have a defined shape and/or design, cf. EP 2 892 663 B1 In particular, this includes surfaces with a (quasi-)stochastic appearance, which are, however, applied using a deterministic texturing process and are thus composed of deterministic form elements.
  • Sheet steel is generally understood to be a flat steel product which can be provided in sheet form, in plate form or in strip form.
  • the steel sheet that has been skinned according to the invention is used in vehicle construction, for example it is provided as a semi-finished product for production, in particular for forming components. However, use in other areas is also conceivable.
  • XB corresponds to a value between 0.3 and 0.85.
  • the XB value can be in particular between 0.35 and 0.8, preferably between 0.4 and 0.8, particularly preferably between 0.45 and 0.8, more preferably between 0.5 and 0.8.
  • the water contact angle measured in °, is the static contact angle according to DIN 55660-1, which forms a tangent to the contour of the water droplet in the three-phase point to the surface of the solid body being examined.
  • the surface energy measured in mN/m, is the total surface energy according to DIN 55660-2, which is formed from the sum of the polar and disperse portions of the surface energy and represents a measure of the energy required to break the chemical bonds when a new surface of a liquid or solid body is created.
  • YB corresponds to a value of less than 3, in particular less than 2.5, preferably less than 2, preferably less than 1.5, more preferably less than 1. This makes it possible to improve the wetting behavior, in particular to reduce the water contact angle and increase the surface energy.
  • the steel sheet is coated with a metallic coating.
  • Aluminum can be present as an alternative or in addition to magnesium with a content of at least 0.5% by weight, in particular to improve the bonding of the coating to the steel sheet and in particular to essentially prevent diffusion of iron from the steel sheet into the coating during heat treatment of the coated steel sheet, so that the positive corrosion properties are retained.
  • the thickness of the metallic coating can be between 1 and 15 ⁇ m, in particular between 2 and 12 ⁇ m, preferably between 3 and 10 ⁇ m.
  • hot-dip coating the steel sheets are first coated with a corresponding metallic coating and then subjected to the skin-pass process. The skin-pass process is therefore carried out after the steel sheet has been hot-dip coated.
  • the steel sheet can be coated with a metallic coating, which is applied, for example, by electrolytic coating.
  • the thickness of the metallic coating can be between 1 and 10 ⁇ m, in particular between 1.5 and 8 ⁇ m, preferably between 2 and 5 ⁇ m.
  • the steel sheet can first be skin-passed and then electrolytically coated. Depending on the thickness of the metallic coating, the skin-passed surface structure can essentially be retained even after electrolytic coating.
  • electrolytic coating followed by skin-passing is also conceivable.
  • the evaluation of the elevations (number) and elevation areas as well as depressions (number) and depression areas on a square millimeter can be determined, for example, using a confocal microscopy image of the corresponding surface.
  • the surface to be examined is scanned with a lateral resolution of, for example, less than 3.3 ⁇ m and a height value is assigned to each scanned point with a resolution of, for example, less than 150 nm in the z direction, so that the topography of the surface is measured by the scan.
  • the surface (positive form) of the skin-pass roller forms a surface structure by applying force to the surface of the steel sheet, which imprints depressions and elevations (negative form) and essentially corresponds to the surface (positive form) of the skin-pass roller.
  • the skin-pass roller can be processed using suitable means to form a deterministic surface structure, for example, using a laser, see also EP 2 892 663 B1 .
  • the embodiments marked with * are steel sheets that have been skinned according to the invention.
  • the embodiment g) represents a steel sheet that is based on the structures shown in the embodiments e) and f), but differs fundamentally in its wetting properties from the structures in e) and f).
  • the structure shown in e) - g becomes increasingly open towards g) in that the structures contain successively larger depressions (area) by dividing elevations from the previous structure by specifically placed depressions.
  • the invention can be used to create a Surface structure skin-passed steel sheet can be provided which has a surface energy of more than 40 mN/m, in particular more than 45 mN/m, preferably more than 50 mN/m and a water contact angle of less than 60°, in particular less than 55°, preferably less than 50°.
  • the depth of the surface structure which essentially corresponds to the average depth or the distance between the elevation and the depression, can also influence the wettability or the retention capacity in relation to process media (oils, lubricants, etc.). As the depth of the surface structures on a skin-rolled steel sheet increases, the mean roughness increases and accordingly the retention capacity; with a smaller depth, the retention capacity decreases. With an essentially comparable depth of the surface structures, the wetting behavior can be influenced by varying the specified parameters (XB, YB), see statements e) to g).
  • the average depth of the surface structure is, for example, at least 1 ⁇ m, in particular at least 2 ⁇ m, preferably at least 5 ⁇ m, preferably at least 4 ⁇ m.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metal Rolling (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mit einer Oberflächenstruktur dressiertes Stahlblech, eine mit einer Oberflächenstruktur strukturierte Dressierwalze sowie ein Verfahren zur Herstellung eines dressierten Stahlblechs, siehe z.B. EP 2 892 663 B1 , die die Basis für den Oberbegriff der Ansprüche 1, 6 und 7 bildet.
  • Aus dem Stand der Technik sind mit einer Oberflächenstruktur dressierte Stahlbleche bekannt, s. zum Beispiel Patentschrift EP 2 892 663 B1 , sowie in den noch nicht veröffentlichten Anmeldungen DE 10 2019 214 133.1 , DE 10 2019 214 135.8 , DE 10 2019 214 136.6 und DE 10 2019 215 480.4 von der Anmelderin beschrieben.
  • Mit der in der EP 2 892 663 B1 beschriebenen Technologie und Möglichkeit zum Laserstrukturieren von definierten, deterministischen Strukturen auf einer Dressierwalze ist es möglich, die Form des Dressierabdrucks so zu gestalten, dass ein Positivabdruck auf der Dressierwalze durch Einwirken auf die Oberfläche eines Stahlblechs zu einem Negativabdruck führt und somit die deterministische Oberflächenstruktur auf dem Stahlblech erzeugt wird, dass eine Oberflächenstruktur bereitgestellt wird, welche gezielt eingestellt werden kann. Die geometrische Ausgestaltung (Größe und Tiefe) einer deterministischen Oberflächenstruktur (negative Form) auf einem dressierten Stahlblech hängt insbesondere davon ab, wie die entsprechende geometrische Struktur (positive Form) auf einer Dressierwalze gestaltet ist/wird. Vorzugsweise kommen Laser-Texturierverfahren zur Anwendung, um gezielte Strukturen (positive Form) auf der Oberfläche einer Dressierwalze durch Materialabtrag einstellen zu können. Insbesondere kann durch gezielte Ansteuerung der Energie der Pulsdauer und Wahl einer geeigneten Wellenlänge eines auf die Oberfläche der Dressierwalze einwirkenden Laserstrahls positiv Einfluss auf die Gestaltung der Struktur(en) genommen werden. Mit hoher bzw. höherer Pulsdauer steigt die Wechselwirkungszeit von Laserstrahl und Dressierwalzenoberfläche und es kann mehr Material auf der Oberfläche der Dressierwalze abgetragen werden. Ein Puls hinterlässt auf der Dressierwalzenoberfläche einen im Wesentlichen kreisrunden Krater, der bzw. die, bei mehreren Kratern, nach dem Dressiervorgang die Oberfläche respektive die Fläche der Erhebungen auf dem Stahlblech und somit die Kontaktfläche zwischen Stahlblech und formgebender Dressierwalze abbildet. Eine Reduktion der Pulsdauer hat Einfluss auf die Ausbildung eines Kraters, insbesondere kann der Durchmesser des Kraters verringert werden. Durch die Reduktion der Pulsdauer, insbesondere bei der Verwendung von Kurz- bzw. Ultrakurzpulslasern, ist es möglich, die geometrische Struktur (positive Form) auf der Oberfläche einer Dressierwalze derart gezielt einzustellen.
  • Dies wird beispielsweise erreicht, wenn die Pulsdauer des Lasers, mit dem die Oberfläche der Dressierwalze texturiert wird, verringert wird und so die geometrische Struktur auf der Walze mit höherer Auflösung erzeugt werden kann.
  • Die Oberfläche (negative Form) eines Stahlblechs, vgl. vorgenannter Stand der Technik, entspricht im Wesentlichen der Oberfläche (positive Form) der Dressierwalze, welche durch entsprechende Einwirkung (Kraftübertragung) auf das Stahlblech die Oberflächenstruktur ausbildet, respektive einprägt. Vertiefungen, die im Wesentlichen nicht zusammenhängen bzw. miteinander verbunden sind, sind als geschlossene Struktur (Volumen) in das Stahlblech eingeprägt. Im Umkehrschluss weist die entsprechende Dressierwalze eine im Wesentlichen offene Struktur mit Erhebungen auf, die im Wesentlichen nicht zusammenhängen bzw. miteinander verbunden sind.
  • Eine geschlossene Struktur auf dem Stahlblech bindet aufgrund der erzeugten Leervolumina (Kavitäten) sehr gut Prozessmedien (Öl), welche beispielsweise für weitere Verarbeitungsschritte (Umformprozess etc.) zur Verfügung gestellt werden können. Eine zufriedenstellende Benetzbarkeit in einem nach dem Dressieren nachgelagerten Beschichtungsprozess hingegen ergibt sich aufgrund des Rückhaltevermögens der Kavitäten nur bedingt. Eine offene Struktur auf der Dressierwalze kann zu einer guten Benetzbarkeit eines Dressiermittels führen, so dass sich während des Dressierprozesses das Dressiermittel entlang der Struktur vorteilhaft ausbreiten kann. Des Weiteren können dadurch Dressierkräfte gut übertragen und dadurch die Struktur vorteilhaft in die Oberfläche des Stahlblechs eingeprägt werden. Das heißt, dass das Dressiermittel im Zuge der Kraftübertragung auf das Stahlblech aus den Vertiefungen der Walze von den mechanisch belasteten Bereichen in die unbelasteten Bereiche fließen kann. Die Vertiefungen werden frei und formgebende Elemente der Dressierwalze können die Stahlblechoberfläche gleichmäßig prägen.
  • Eine Alternative dazu stellt eine offene Struktur auf dem Stahlblech sowie eine entsprechende geschlossene Struktur auf der Dressieroberfläche dar, s. beispielhaft Patentschrift DE 689 10 866 T2 , insbesondere die Ausführungen zu "rechteckig rillenartig" und "hexagonal rillenartig" in Figur 16. Mit einer offenen Struktur auf dem Stahlblech kann eine sehr gute Benetzbarkeit der Oberfläche erreicht werden. Nachteilig hingegen wirkt sich eine inhomogene Verteilung eines aufgebrachten Prozessmediums aus, da die offene Struktur ein schlechtes Rückhaltevermögen aufweist. Infolge der geschlossenen Struktur auf der Dressierwalze ist das Dressiermittel während des Dressierprozesses in der Kavität eingeschlossen und kann sich nicht verteilen bzw. ausbreiten, so dass die Dressierkräfte nicht ausreichend übertragen werden können und dadurch die Struktur nicht tief genug in die Oberfläche des Stahlblechs eingeprägt werden kann. Das heißt, dass das Dressiermittel im Zuge der Kraftübertragung auf das Stahlblech nicht weichen kann, da es in den Kavitäten der Walze gebunden ist. Die Vertiefungen bleiben mit Dressiermittel gefüllt und formgebende Elemente können sich nicht vollständig in die Oberfläche des Stahlblechs (ein-)prägen. Ein "trockenes" Dressieren ohne Verwendung von Dressiermitteln könnte Abhilfe schaffen, führt aber zu hohem Abrieb und Verschleiß und somit zu einer reduzierten Standzeit der Dressierwalze, was sich wiederrum nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
  • Sowohl die offene als auch die geschlossene Struktur auf einem Stahlblech respektive auf einer Dressierwalze haben Vor- und Nachteile. Offene Strukturen auf Stahlblechen sind besser benetzbar und bieten perspektivisch viel mehr Möglichkeiten als geschlossene Strukturen. Offene Strukturen auf Dressierwalzen lassen sich nur bedingt auf das Stahlblech prägen, wenn Dressiermittel verwendet wird. Daher besteht der Bedarf, die Vorteile der beiden Strukturen im Wesentlichen zu vereinen und die Nachteile weitestgehend zu reduzieren.
  • Die Aufgabe ist daher, ein mit einer Oberflächenstruktur dressiertes Stahlblech und eine mit einer Oberflächenstruktur strukturierte Dressierwalze zur Verfügung zu stellen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile im Wesentlichen nicht aufweisen, sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines dressierten Stahlblechs anzugeben.
  • Die Aufgabe wird in Bezug auf ein Stahlblech mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, in Bezug auf eine Dressierwalze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und in Bezug auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
  • Durch die Bereitstellung einer halboffenen Struktur auf der Oberfläche eines dressierten Stahlblechs, welche eine sehr gute Benetzbarkeit der Oberfläche ermöglicht und auch ein gutes Rückhaltevermögen durch die quasi geschlossenen Anteile der Struktur aufzeigt, bzw. einer halbgeschlossenen Struktur auf der Oberfläche einer strukturierten Dressierwalze, welche eine gute Benetzbarkeit mit einem Dressiermittel ermöglicht, wobei während des Dressierprozesses das Dressiermittel sich entlang der quasi offenen Anteile der Struktur verteilen respektive ausbreiten kann, können Dressierkräfte ausreichend übertragen und Strukturen vorteilhaft in die Oberfläche des Stahlblechs eingeprägt werden.
  • Die Dimensionierung respektive die Abmessung der einzelnen Vertiefungen und einzelnen Erhebungen sind individuell und nach Anforderung des zu verwendenden Stahlblechs auszulegen, jedoch mit der Maßgabe, dass auf einer Fläche von 1 mm2 mindestens zwei Vertiefungen mit ihren jeweiligen Vertiefungsflächen und mindestens zwei Erhebungen mit ihren Erhebungsflächen vorhanden sind, welche nicht miteinander verbunden sind, wobei der Quotient bestehend aus der Vertiefung mit der größten Vertiefungsfläche in Bezug auf die Summe aller Vertiefungsflächen der Vertiefungen in der betrachteten Fläche von einem Quadratmillimeter einem Wert XB = 0,2 bis 0,9, und der Quotient bestehend aus der Anzahl aller Vertiefungsflächen der Vertiefungen in Bezug auf die Anzahl aller Erhebungsflächen der Erhebungen einem Wert YB < 5 entspricht.
  • Die Auswertung der Erhebungen (Anzahl) und Erhebungsflächen sowie Vertiefungen (Anzahl) und Vertiefungsflächen auf einem Quadratmillimeter kann beispielsweise anhand einer Konfokalmikroskopieaufnahme der entsprechenden Oberfläche ermittelt werden. Durch diese Form der Mikroskopie wird die zu untersuchende Oberfläche mit einer lateralen Auflösung beispielsweise kleiner als 3,3 µm gescannt und jedem gescannten Punkt mit einer Auflösung beispielsweise in z-Richtung kleiner als 150 nm ein Höhenwert zugeordnet, so dass durch den Scan die Topografie der Oberfläche vermessen wird. Die vermessene Oberflächentopografie kann als Graustufenbild dargestellt werden, indem die Skala der Höhenwerte in Graustufen die Werte 0 bis 255 umfassend umgewandelt werden, wobei der tiefste Punkt der Topografie mit dem kleinsten Höhenwert als schwarz (Wert = 0) und der größte Höhenwert als weiß (Wert = 255) definiert wird. Das erhaltene Graustufenbild img wird mithilfe einer Software, beispielsweise mittels der Software Octave (Version 5.2.0) durch die Funktion bw = im2bw (img, "moments") in ein Schwarz-Weiß-Bild bw umgewandelt, in dem die schwarzen Bereiche die Vertiefungen und die weißen Bereiche die Erhöhungen darstellen. Anhand dieses Schwarz-Weiß-Bildes werden die Flächen der Erhebungen und Vertiefungen ausgemessen sowie die Anzahl der Erhebungen und Vertiefungen gezählt.
  • Die Oberflächenstruktur der Oberflächen des dressierten Stahlblechs wie auch der strukturierten Dressierwalze können eine quasi-stochastische oder deterministische Oberflächenstruktur/- topografie aufweisen.
  • Unter deterministischer Oberflächenstruktur sind wiederkehrende Oberflächenstrukturen zu verstehen, welche eine definierte Form und/oder Ausgestaltung aufweisen, vgl. EP 2 892 663 B1 . Insbesondere gehören hierzu auch Oberflächen mit einer (quasi-)stochastischen Anmutung, die jedoch mittels eines deterministischen Texturierungsverfahrens aufgebracht werden und sich somit aus deterministischen Formelementen zusammensetzen.
  • Unter Stahlblech ist allgemein ein Stahlflachprodukt zu verstehen, welches in Blechform bzw. in Platinenform oder in Bandform bereitgestellt werden kann.
  • Das erfindungsgemäß dressierte Stahlblech findet Anwendung im Fahrzeugbau, beispielsweise wird es als Halbzeug zur Fertigung, insbesondere zur Umformung von Bauteilen bereitgestellt. Aber auch eine Verwendung in anderen Bereichen ist denkbar.
  • 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 Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stahlblechs entspricht XB einem Wert zwischen 0,3 und 0,85. Der XB-Wert kann insbesondere zwischen 0,35 und 0,8, vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,45 und 0,8, weiter bevorzugt zwischen 0,5 und 0,8 betragen. Dadurch lässt sich das Benetzungsverhalten verbessern, insbesondere der Wasserkontaktwinkel reduzieren und die Oberflächenenergie erhöhen. Unter Wasserkontaktwinkel, gemessen in °, ist der statische Kontaktwinkel nach DIN 55660-1 zu verstehen, der eine Tangente an die Kontur des Wassertropfens im Drei-Phasen-Punkt zur Oberfläche des untersuchten Festkörpers ausbildet. Unter Oberflächenenergie, gemessen in mN/m, ist die Gesamtoberflächenenergie nach DIN 55660-2 zu verstehen, die aus der Summe des polaren und dispersen Anteils der Oberflächenenergie gebildet wird und ein Maß für die Energie darstellt, die zum Aufbrechen der chemischen Bindungen notwendig ist, wenn eine neue Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers erzeugt wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stahlblechs entspricht YB einem Wert kleiner 3, insbesondere kleiner 2,5, vorzugsweise kleiner 2, bevorzugt kleiner 1,5, weiter bevorzugt kleiner 1 entspricht. Dadurch lässt sich das Benetzungsverhalten verbessern, insbesondere der Wasserkontaktwinkel reduzieren und die Oberflächenenergie erhöhen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stahlblechs ist das Stahlblech mit einem metallischen Überzug beschichtet.
  • Beispielsweise ist der metallische Überzug durch Schmelztauchbeschichten aufgebracht. Insbesondere ist der metallische Überzug ein zinkbasierter Überzug. Vorzugsweise kann der Überzug neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Aluminium mit einem Gehalt von bis zu 5 Gew.-% und/oder Magnesium mit einem Gehalt von bis zu 5 Gew.-% in dem metallischen Überzug enthalten sein. Stahlbleche mit zinkbasiertem Überzug weisen einen sehr guten kathodischen Korrosionsschutz auf, welche seit Jahren im Automobilbau eingesetzt werden. Ist ein verbesserter Korrosionsschutz vorgesehen, weist der Überzug zusätzlich Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,3 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,6 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,9 Gew.-% auf. Aluminium kann alternativ oder zusätzlich zu Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,5 Gew.-% vorhanden sein, um insbesondere eine Anbindung des Überzugs an das Stahlblech zu verbessern und insbesondere eine Diffusion von Eisen aus dem Stahlblech in den Überzug bei einer Wärmebehandlung des beschichteten Stahlblechs im Wesentlichen zu verhindern, damit die positiven Korrosionseigenschaften weiterhin erhalten bleiben. Dabei kann eine Dicke des metallischen Überzugs zwischen 1 und 15 µm, insbesondere zwischen 2 und 12 µm, vorzugsweise zwischen 3 und 10 µm betragen. Beim Schmelztauschbeschichten werden zunächst die Stahlbleche mit einem entsprechenden metallischen Überzug beschichtet und anschließend dem Dressieren zugeführt. Das Dressieren erfolgt somit nach dem Schmelztauchbeschichten des Stahlblechs.
  • Alternativ kann das Stahlblech mit einem metallischen Überzug beschichtet sein, welcher beispielsweise durch elektrolytisches Beschichten aufgebracht ist. Dabei kann eine Dicke des metallischen Überzugs zwischen 1 und 10 µm, insbesondere zwischen 1,5 und 8 µm, vorzugsweise zwischen 2 und 5 µm betragen. Im Vergleich zum Schmelztauchbeschichten kann das Stahlblech zunächst dressiert und anschließend elektrolytisch beschichtet werden. Je nach Dicke des metallischen Überzugs kann die dressierte Oberflächenstruktur im Wesentlichen auch nach dem elektrolytischen Beschichten beibehalten werden. Alternativ ist auch zunächst ein elektrolytisches Beschichten mit anschließendem Dressieren denkbar.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine mit einer Oberflächenstruktur strukturierte Dressierwalze, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei mindestens zwei Vertiefungen und mindestens zwei Erhebungen vorhanden sind, welche nicht miteinander verbunden sind, wobei jede Erhebung eine Erhebungsfläche und jede Vertiefung eine Vertiefungsfläche aufweist, wobei die Dimensionierung der Erhebungen und Vertiefungen auf einer Fläche von 1 mm2 betrachtet derart ausgeführt ist, dass der Quotient bestehend aus der Erhebung mit der größten Erhebungsfläche in Bezug auf die Summe aller Erhebungsflächen der Erhebungen einem Wert XW = 0,9 bis 0,2, und der Quotient bestehend aus der Anzahl aller Erhebungsflächen der Erhebungen in Bezug auf die Anzahl aller Vertiefungsflächen der Vertiefungen einem Wert YW < 5 entspricht.
  • Die Auswertung der Erhebungen (Anzahl) und Erhebungsflächen sowie Vertiefungen (Anzahl) und Vertiefungsflächen auf einem Quadratmillimeter kann beispielsweise anhand einer Konfokalmikroskopieaufnahme der entsprechenden Oberfläche ermittelt werden. Durch diese Form der Mikroskopie wird die zu untersuchende Oberfläche mit einer lateralen Auflösung beispielsweise kleiner als 3,3 µm gescannt und jedem gescannten Punkt mit einer Auflösung beispielsweise in z-Richtung kleiner als 150 nm ein Höhenwert zugeordnet, so dass durch den Scan die Topografie der Oberfläche vermessen wird. Die vermessene Oberflächentopografie kann als Graustufenbild dargestellt werden, indem die Skala der Höhenwerte in Graustufen die Werte 0 bis 255 umfassend umgewandelt wird, wobei der tiefste Punkt der Topografie mit dem kleinsten Höhenwert als schwarz (Wert = 0) und der größte Höhenwert als weiß (Wert = 255) definiert wird. Das erhaltene Graustufenbild img wird mithilfe einer Software, beispielsweise mittels der Software Octave (Version 5.2.0) durch die Funktion bw = im2bw (img, "moments") in ein Schwarz-Weiß-Bild bw umgewandelt, in dem die schwarzen Bereiche die Vertiefungen und die weißen Bereiche die Erhöhungen darstellen. Anhand dieses Schwarz-Weiß-Bildes werden die Flächen der Erhebungen und Vertiefungen ausgemessen sowie die Anzahl der Erhebungen und Vertiefungen gezählt.
  • Die Oberfläche (positive Form) der Dressierwalze bildet durch Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Stahlblechs eine Oberflächenstruktur aus, welche Vertiefungen und Erhebungen (negative Form) einprägt und entspricht im Wesentlichen der Oberfläche (positive Form) der Dressierwalze. Die Dressierwalze zur Ausbildung einer beispielsweise deterministischen Oberflächenstruktur kann mit geeigneten Mitteln bearbeitet werden, beispielsweise mittels Laser, vgl. auch EP 2 892 663 B1 . Des Weiteren können auch andere Abtragverfahren zur Einstellung einer strukturierten Oberfläche an einer Dressierwalze eingesetzt werden, beispielsweise spanende Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter oder unbestimmter Schneide, chemische bzw. elektrochemische, optische oder plasmainduzierte Verfahren, welche geeignet sind, eine Dressierwalze mit einer Oberflächenstruktur umsetzen zu können, um Erhebungen und Vertiefungen auf einer Fläche von 1 mm2 betrachtet derart einzustellen, dass der Quotient bestehend aus der Erhebung mit der größten Erhebungsfläche in Bezug auf die Summe aller Erhebungsflächen der Erhebungen einem Wert XW = 0,9 bis 0,2, und der Quotient bestehend aus der Anzahl aller Erhebungsflächen der Erhebungen in Bezug auf die Anzahl aller Vertiefungsflächen der Vertiefungen einem Wert YW < 5 entspricht.
  • Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer Oberflächenstruktur dressierten Stahlblechs umfassend folgende Schritte:
    • Bereitstellen eines Stahlblechs,
    • Dressieren des Stahlblechs mit einer Dressierwalze, wobei eine erfindungsgemäße Dressierwalze zum Dressieren des Stahlblechs verwendet wird.
  • Um Wiederholungen zu vermeiden, wird jeweils auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen mit einer Oberflächenstruktur dressierten Stahlblech verwiesen.
  • Im Folgenden werden konkrete Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail näher erläutert. Die Zeichnung und begleitende Beschreibung der resultierenden 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 Ausgestaltungen, welche nicht dargestellt sind. Gleiche Teile sind stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die einzige Zeichnung zeigt in den Figuren 1a) bis 1g) Oberflächen-Teilaufnahmen im Format 1 mm x 1 mm, aufgenommen mittels Konfokalmikroskop von unterschiedlich dressierten Stahlblechen. Dabei sind die Ausführungen in der Form und Dimensionierung der Vertiefungen und Erhebungen, sowie die Zusammenhänge bezüglich der Benetzbarkeit, wiedergegeben durch den Wasserkontaktwinkel, und der Oberflächenenergie in Abhängigkeit des XB- und XY-Werts in der Tabelle 1 jeweils auf einer Fläche von 1 mm2 betrachtet zusammengefasst. Die Vertiefungen respektive ihre Vertiefungsflächen sind in den Figuren 1a) bis 1g) dunkel bzw. schwarz dargestellt und die Erhebungen respektive ihre Erhebungsflächen sind hell bzw. weiß wiedergegeben. Die Auswertung der Erhebungen (Anzahl) und Erhebungsflächen sowie Vertiefungen (Anzahl) und Vertiefungsflächen auf einem Quadratmillimeter erfolgte mit der Software Octave (Version 5.2.0.) und den entsprechend dafür vorgesehenen Funktionen, die auf das Schwarz-Weiß-Bild, in dem schwarze Bereiche Vertiefungen und weiße Bereiche Erhebungen darstellen, angewendet worden sind.
  • Wie aus der Tabelle 1 zu entnehmen, ist gut zu erkennen, dass eine vollständig offene Oberflächenstruktur auf dem Stahlblech, vgl. Fig. 1d), zwar die höchste Oberflächenenergie und den niedrigsten Wasserkontaktwinkel im Vergleich zu den anderen Ausführungen aufweist, wodurch das bestmögliche Benetzungsverhalten ausdrückbar ist, im Umkehrschluss dies jedoch bedeutet, dass die entsprechende Dressierwalze, hier nicht dargestellt, ein schlechtes Benetzungsverhalten aufweist und von der Verschleißbeständigkeit und damit in Verbindung mit der Standzeit nicht wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Die Dressierwalze, hier nicht dargestellt, mit dem bestmöglichen Benetzungsverhalten und damit verbunden der höheren Standzeit und dem wirtschaftlichen Einsatz erzeugt auf dem Stahlblech eine geschlossene Oberflächenstruktur, vgl. Fig. 1a), welche zur niedrigsten Oberflächenenergie und zum höchsten Wasserkontaktwinkel im Vergleich zu den anderen Ausführungen und damit insbesondere bei komplexen zu formenden Bauteilgeometrien zu einem nicht ausreichenden Benetzungsverhalten führen kann. Bis auf das dressierte Stahlblech gemäß Ausführung in Figur 1b), welche mit einer Dressierwalze dressiert wurde, deren Oberfläche mittels EDT-Verfahren strukturiert wurde, wurden Dressierwalzen verwendet, welche in Anlehnung an die EP 2 892 663 B1 mittels Laser, mit einer pseudo-stochastischen, vgl. Fig. 1c) bzw. einer deterministischen Oberflächenstruktur strukturiert wurden, hier nicht dargestellt.
  • Die mit * gekennzeichneten Ausführungsbeispiele sind erfindungsgemäß dressierte Stahlbleche. Das Ausführungsbeispiel g) stellt ein dressiertes Stahlblech dar, das zwar auf den in den Ausführungsbeispielen e) und f) abgebildeten Strukturen aufbaut, sich jedoch in seinen Benetzungseigenschaften grundlegend von den Strukturen in e) und f) unterscheidet. Bei Betrachtung der in e) - g) angeführten Ausführungsbeispiele wird die abgebildete Struktur nach g) hin zunehmend offener, indem die Strukturen sukzessive größere Vertiefungen (Fläche) enthalten, indem Erhebungen aus der vorhergehenden Struktur durch gezielt gesetzte Vertiefungen geteilt werden. Dies wirkt sich zum einen auf den Quotienten XB der Fläche der größten Vertiefung zu der Summe der Fläche aller Vertiefungen aus und der XB-Wert steigt, zum anderen steigt ebenso die Anzahl der auf dem dressierten Stahlblech vorhandenen Erhebungen und damit sinkt der Quotient YB der Anzahl der Vertiefungen zu der Anzahl der Erhebungen. Entsprechend verringert sich der Wasserkontaktwinkel und die Oberflächenenergie der Stahlbleche steigt für die in g) abgebildete offenere Struktur. Insbesondere kann durch die Erfindung ein mit einer Oberflächenstruktur dressiertes Stahlblech bereitgestellt werden, welches eine Oberflächenenergie mit mehr als 40 mN/m, insbesondere mit mehr als 45 mN/m, vorzugsweise mit mehr als 50 mN/m und einen Wasserkontaktwinkel kleiner als 60 °, insbesondere kleiner als 55 °, vorzugsweise kleiner als 50 °aufweist. Durch die halboffene Oberflächenstruktur auf dem Stahlblech mitXB = 0,2 bis 0,9 und YB < 5 wie auch durch die halbgeschlossene Oberflächenstruktur auf der entsprechend strukturierten Dressierwalze mit XW = 0,9 bis 0,2 und YW < 5 ist ein guter Kompromiss für eine ausreichende Benetzbarkeit des Stahlblechs wie auch der Dressierwalze erzielbar. Tabelle 1
    Fig. 1 Oberflächenstruktur XB YB Anzahl Erhebungen [1/mm2] Anzahl Vertiefungen [1/mm2] durchschnittliche Tiefe [µm] Wasserkontaktwinkel [°] Oberflächenenergie [mN/m]
    a) deterministisch/geschlossen 0,0047 231 1 229 5 68 33
    b) stochastisch 0,21 7 13 78 4,2 61 41
    c) * pseudo-stochastisch 0,37 2,1 18 44 4,2 47 51
    d) deterministisch/offen 1 0,003 264 1 4 38 55
    e) deterministisch/halboffen 0,0599 7,36 11 73 4,3 67 34
    f) deterministisch/halboffen 0,095 0,087 66 11 4,4 67 33
    g) * deterministisch/halboffen 0,53 0,009 108 2 4,7 41 54
  • Die Tiefe der Oberflächenstruktur, entsprechend im Wesentlichen im Durchschnitt der Tiefe respektive dem Abstand zwischen Erhebung und Vertiefung, kann auch Einfluss auf die Benetzbarkeit bzw. das Rückhaltevermögen bezogen auf Prozessmedien (Öle, Schmierstoffe, etc.) nehmen. Mit ansteigender Tiefe der Oberflächenstrukturen auf einem dressierten Stahlblech steigt die Mittenrauheit und dementsprechend auch das Rückhaltevermögen, bei geringerer Tiefe sinkt das Rückhaltevermögen. Bei im Wesentlichen vergleichbarer Tiefe der Oberflächenstrukturen kann durch Variation der angegebenen Parameter (XB, YB) Einfluss auf das Benetzungsverhalten genommen werden, vgl. Ausführungen e) bis g). Die durchschnittliche Tiefe der Oberflächenstruktur beträgt beispielsweise mindestens 1 µm, insbesondere mindestens 2 µm, vorzugsweise mindestens 5 µm, bevorzugt mindestens 4 µm.
  • Die Merkmale sind, soweit technisch umsetzbar, im Rahmen des durch die Ansprüche definierten Schutzumfanges alle miteinander kombinierbar und als miteinander kombinierbar offenbart.

Claims (9)

  1. Mit einer Oberflächenstruktur dressiertes Stahlblech, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei mindestens zwei Vertiefungen und mindestens zwei Erhebungen vorhanden sind, welche nicht miteinander verbunden sind, wobei jede Erhebung eine Erhebungsfläche und jede Vertiefung eine Vertiefungsfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der mindestens zwei Erhebungen und mindestens zwei Vertiefungen auf einer Fläche von 1 mm2 betrachtet derart ausgeführt ist, dass der Quotient bestehend aus der Fläche der Vertiefung mit der größten Vertiefungsfläche in Bezug auf die Summe aller Vertiefungsflächen der Vertiefungen einem Wert XB = 0,2 bis 0,9, und der Quotient bestehend aus der Anzahl aller Vertiefungsflächen der Vertiefungen in Bezug auf die Anzahl aller Erhebungsflächen der Erhebungen einem Wert YB < 5 entspricht.
  2. Stahlblech nach Anspruch 1, wobei XB einem Wert zwischen 0,3 bis 0,85 entspricht.
  3. Stahlblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei YB einem Wert < 3 entspricht.
  4. Stahlblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stahlblech mit einem metallischen Überzug durch Schmelztauchbeschichten beschichtet ist.
  5. Stahlblech nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Stahlblech mit einem metallischen Überzug durch elektrolytisches Beschichten beschichtet ist.
  6. Mit einer Oberflächenstruktur strukturierte Dressierwalze, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei mindestens zwei Vertiefungen und mindestens zwei Erhebungen vorhanden sind, welche nicht miteinander verbunden sind, wobei jede Erhebung eine Erhebungsfläche und jede Vertiefung eine Vertiefungsfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der mindestens zwei Erhebungen und mindestens zwei Vertiefungen auf einer Fläche von 1 mm2 betrachtet derart ausgeführt ist, dass der Quotient bestehend aus der Fläche der Erhebung mit der größten Erhebungsfläche in Bezug auf die Summe aller Erhebungsflächen der Erhebungen einem Wert XW = 0,9 bis 0,2, und der Quotient bestehend aus der Anzahl aller Erhebungsflächen der Erhebungen in Bezug auf die Anzahl aller Vertiefungsflächen der Vertiefungen einem Wert YW < 5 entspricht.
  7. Verfahren zum Herstellen eines mit einer Oberflächenstruktur dressierten Stahlblechs umfassend folgende Schritte:
    - Bereitstellen eines Stahlblechs,
    - Dressieren des Stahlblechs mit einer Dressierwalze,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Dressierwalze nach Anspruch 6 zum Dressieren des Stahlblechs verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Stahlblech mit einem durch Schmelztauchbeschichten metallischen Überzug beschichtet und anschließend dem Dressieren zugeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Stahlblech dem Dressieren zugeführt und anschließend mit einem metallischen Überzug elektrolytisch beschichtet wird.
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