WO2022013099A1 - 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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WO2022013099A1
WO2022013099A1 PCT/EP2021/069170 EP2021069170W WO2022013099A1 WO 2022013099 A1 WO2022013099 A1 WO 2022013099A1 EP 2021069170 W EP2021069170 W EP 2021069170W WO 2022013099 A1 WO2022013099 A1 WO 2022013099A1
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WO
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steel sheet
skin
elevations
elevation
depressions
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Application number
PCT/EP2021/069170
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English (en)
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Inventor
Fabian JUNGE
Robin Dohr
Burak William Cetinkaya
Original Assignee
Thyssenkrupp Steel Europe Ag
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Publication date
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    • 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
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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-pass roller structured with a surface structure and a method for producing a dressed steel sheet.
  • Sheet steel skinned with a surface structure are known from the prior art, see, for example, patent EP 2 892 663 B1, and in the as yet unpublished applications DE 10 2019 214 133.1, DE 10 2019 214 135.8, DE 10 2019 214 136.6 and DE 10 2019 215 480.4 by the applicant.
  • Laser texturing methods are preferably used in order to be able to set specific structures (positive form) on the surface of a skin-pass roller by removing material.
  • targeted control of the energy of the pulse duration and selection of a suitable wavelength of a laser beam acting on the surface of the skin-pass roller can have a positive influence on the design of the structure(s).
  • the interaction time of the laser beam and skin-passing roll surface increases and more material can be removed from the surface of the skin-passing roll.
  • a pulse leaves an essentially circular crater on the surface of the skin-pass roller, which, if there are several craters, depicts the surface or area of the elevations on the steel sheet after the skin-pass process and thus the contact area between the steel sheet and the skin-pass roller that provides the shape.
  • a reduction in the pulse duration affects the formation of a crater, in particular the diameter of the crater can be reduced.
  • By reducing the pulse duration particularly when using short or ultra-short pulse lasers, it is possible to set the geometric structure (positive shape) on the surface of a skin-pass roller in a targeted manner. This is achieved, for example, if the pulse duration of the laser used to texture the surface of the temper roll is reduced so that the geometric structure on the roll can be generated with higher resolution.
  • the surface (negative form) of a steel sheet cf. the aforementioned prior art, essentially corresponds to the surface (positive form) of the skin-pass roller, which forms or imprints the surface structure on the steel sheet through a corresponding effect (force transmission). Indentations that are essentially not related or connected to one another are embossed into the steel sheet as a closed structure (volume). Conversely, the corresponding skin-pass roller has an essentially open structure with elevations that are essentially not connected or connected to one another.
  • the skin-passing agent can flow from the mechanically stressed areas to the unstressed areas in the course of the power transmission to the steel sheet from the recesses of the roll.
  • the indentations become free and shaping elements of the skin-passing roll can emboss the steel sheet surface evenly.
  • Open structures on sheet steel are easier to wet and offer many more perspectives than closed structures.
  • Open structures on skin-pass rolls can only be embossed on the steel sheet to a limited extent if skin-passing agent is used. There is therefore a need to essentially combine the advantages of the two structures and to reduce the disadvantages as far as possible.
  • the object is therefore to provide a skin-passed steel sheet with a surface structure and a skin-pass roll structured with a surface structure which essentially do not have the disadvantages known from the prior art, and to specify an improved method for producing a skin-passed steel sheet.
  • the evaluation of the elevations (number) and elevation areas as well as indentations (number) and indentation 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 less than 3.3 pm, for example, and a height value is assigned to each scanned point with a resolution in the z-direction, for example of less than 150 nm, so that the Topography of the surface is measured.
  • 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.
  • a deterministic surface structure is to be understood as meaning recurring surface structures which have a defined shape and/or design, cf. EP 2 892 663 B1.
  • this also includes surfaces with a (quasi) stochastic appearance, which, however, are applied by means of a deterministic texturing method and are therefore composed of deterministic form elements.
  • Sheet steel is generally to be understood as meaning a flat steel product which can be provided in the form of sheet metal or in the form of blanks or in the form of strips.
  • the sheet steel tempered according to the invention is used in vehicle construction, for example it is provided as a semi-finished product for manufacturing, 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 at the three-phase point to the surface of the solid under investigation.
  • 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 components 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 a solid 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 allows the wetting behavior to be improved, in particular to reduce the water contact angle and increase the surface energy.
  • the steel sheet is coated with a metallic coating.
  • the metallic coating is applied by hot dip coating.
  • the metallic coating is a zinc-based coating.
  • the coating can preferably contain additional elements such as aluminum with a content of up to 5% by weight and/or magnesium with a content of up to 5% by weight in the metallic coating.
  • Sheet steel with a zinc-based coating has very good cathodic protection against corrosion, which has been used in automobile construction for years. If improved protection against corrosion is provided, the coating additionally has magnesium with a content of at least 0.3% by weight, in particular at least 0.6% by weight, preferably at least 0.9% by weight.
  • Aluminum can be present as an alternative or in addition to magnesium with a content of at least 0.3 wt of the coated sheet steel, 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.
  • the steel sheets are first coated with a corresponding metallic coating and then subjected to temper-passing. Skin-passing is therefore carried out after hot-dip coating of the steel sheet.
  • the steel sheet can be coated with a metallic coating, which is applied, for example, by electrolytic plating.
  • the thickness of the metal 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.
  • the tempered surface structure can essentially be retained even after the electrolytic coating.
  • an electrolytic coating followed by skin-passing is also conceivable.
  • the evaluation of the elevations (number) and elevation areas as well as indentations (number) and indentation 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 less than 3.3 pm, for example, and a height value is assigned to each scanned point with a resolution in the z-direction, for example of less than 150 nm, so that the Topography of the surface is measured.
  • the surface (positive form) of the skin-pass roller forms a surface structure through the application of force on 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 to form a deterministic surface structure can be processed using suitable means, for example using a laser, see also EP 2 892 663 B1.
  • the invention relates to a method for producing a steel sheet tempered with a surface structure, comprising the following steps:
  • Skin-pass roll is used for skin-passing the steel sheet.
  • FIGS. The single drawing shows, in FIGS.
  • the details of the shape and dimensions of the indentations and elevations, as well as the relationships with regard to wettability, represented by the water contact angle, and the surface energy as a function of the XB and XY values in Table 1 are each on an area of 1 mm 2 considered summarized.
  • the depressions or their depression areas are shown dark or black in FIGS. 1a) to 1g) and the elevations or their elevation areas are shown in light or white.
  • exemplary embodiments marked with * are tempered sheet steel according to the invention.
  • Exemplary embodiment g) represents a tempered sheet steel which, although based on the structures illustrated in exemplary embodiments e) and f), differs fundamentally in its wetting properties from the structures in e) and f).
  • the structure shown becomes increasingly open towards g) in that the structures contain successively larger depressions (area), in that elevations from the previous structure are divided by deliberately placed depressions.
  • the depth of the surface structure which essentially corresponds on average to the depth or the distance between elevation and depression, can also influence the wettability or the retention capacity in relation to process media (oils, lubricants, etc.). With increasing depth of the surface structures on a skin-passed steel sheet, the average roughness increases and, accordingly, the retention capacity; with a smaller depth, the retention capacity decreases. If the depth of the surface structures is essentially comparable, the wetting behavior can be influenced by varying the specified parameters (XB, YB), cf. 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 3 ⁇ m, preferably at least 4 ⁇ m.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mit einer Oberflächenstruktur dressiertes Stahlblech, eine mit einer Oberflächenstruktur strukturierte Dressierwalze sowie ein Verfahren zur Herstellung eines dressierten Stahlblechs.

Description

Dressiertes Stahlblech, Dressierwalze sowie Verfahren zur Herstellung eines dressierten Stahlbechs
Die Erfindung betrifft ein mit einer Oberflächenstruktur dressiertes Stahlblech, eine mit einer Oberflächenstruktur strukturierte Dressierwalze sowie ein Verfahren zur Herstellung eines dres sierten Stahlblechs.
Aus dem Stand der Technik sind mit einer Oberflächenstruktur dressierte Stahlbleche bekannt, s. zum Beispiel Patentschrift EP 2 892 663 Bl, sowie in den noch nicht veröffentlichten Anmel dungen 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 Bl beschriebenen Technologie und Möglichkeit zum Laserstruktu rieren 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 Oberflä chenstruktur bereitgestellt wird, welche gezielt eingestellt werden kann. Die geometrische Aus gestaltung (Größe und Tiefe) einer deterministischen Oberflächenstruktur (negative Form) auf einem dressierten Stahlblech hängt insbesondere davon ab, wie die entsprechende geometri sche Struktur (positive Form) auf einer Dressierwalze gestaltet ist/wird. Vorzugsweise kommen Laser-Texturierverfahren zur Anwendung, um gezielte Strukturen (positive Form) auf der Ober fläche 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 Gestal tung der Struktur(en) genommen werden. Mit hoher bzw. höherer Pulsdauer steigt die Wech selwirkungszeit von Laserstrahl und Dressierwalzenoberfläche und es kann mehr Material auf der Oberfläche der Dressierwalze abgetragen werden. Ein Puls hinterlässt auf der Dressierwal zenoberfläche einen im Wesentlichen kreisrunden Krater, der bzw. die, bei mehreren Kratern, nach dem Dressiervorgang die Oberfläche respektive die Fläche der Erhebungen auf dem Stahl blech und somit die Kontaktfläche zwischen Stahlblech und formgebender Dressierwalze abbil det. Eine Reduktion der Pulsdauer hat Einfluss auf die Ausbildung eines Kraters, insbesondere kann der Durchmesser des Kraters verringert werden. Durch die Reduktion der Pulsdauer, ins besondere bei der Verwendung von Kurz- bzw. Ultrakurzpulslasern, ist es möglich, die geomet rische 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, ent spricht im Wesentlichen der Oberfläche (positive Form) der Dressierwalze, welche durch ent sprechende Einwirkung (Kraftübertragung) auf das Stahlblech die Oberflächenstruktur ausbil det, respektive einprägt. Vertiefungen, die im Wesentlichen nicht Zusammenhängen bzw. mit einander verbunden sind, sind als geschlossene Struktur (Volumen) in das Stahlblech einge prägt. 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 Verarbeitungs schritte (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 ausbrei ten kann. Des Weiteren können dadurch Dressierkräfte gut übertragen und dadurch die Struktur vorteilhaft in die Oberfläche des Stahlblechs eingeprägt werden. Das heißt, dass das Dressier mittel im Zuge der Kraftübertragung auf das Stahlblech aus den Vertiefungen der Walze von den mechanisch belasteten Bereichen in die unbelasteten Bereiche fließen kann. Die Vertiefun gen 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 Be netzbarkeit 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 Stahl blech 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 Wirt schaftlichkeit 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 be netzbar und bieten perspektivisch viel mehr Möglichkeiten als geschlossene Strukturen. Offene Strukturen auf Dressierwalzen lassen sich nur bedingt auf das Stahlblech prägen, wenn Dres siermittel verwendet wird. Daher besteht der Bedarf, die Vorteile der beiden Strukturen im We sentlichen 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 ver bessertes 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 Stahl blechs, welche eine sehr gute Benetzbarkeit der Oberfläche ermöglicht und auch ein gutes Rückhaltevermögen durch die guasi 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 guasi offenen Anteile der Struktur verteilen respektive aus breiten 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 Er hebungen sind individuell und nach Anforderung des zu verwendenden Stahlblechs auszule gen, jedoch mit der Maßgabe, dass auf einer Fläche von 1 mm2 mindestens zwei Vertiefungen mit ihren jeweiligen Vertiefungsflächen und mindestens zwei Erhebungen mit ihren Erhebungs flächen vorhanden sind, welche nicht miteinander verbunden sind, wobei der Quotient beste hend aus der Vertiefung mit der größten Vertiefungsfläche in Bezug auf die Summe aller Ver tiefungsflächen 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 Konfo- kalmikroskopieaufnahme der entsprechenden Oberfläche ermittelt werden. Durch diese Form der Mikroskopie wird die zu untersuchende Oberfläche mit einer lateralen Auflösung beispiels weise kleiner als 3,3 pm gescannt und jedem gescannten Punkt mit einer Auflösung beispiels weise 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 wer den die Flächen der Erhebungen und Vertiefungen ausgemessen sowie die Anzahl der Erhe bungen und Vertiefungen gezählt.
Die Oberflächenstruktur der Oberflächen des dressierten Stahlblechs wie auch der strukturier ten Dressierwalze können eine guasi-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 Bl. Insbesondere gehören hierzu auch Oberflächen mit einer (quasi-)stochasti- schen Anmutung, die jedoch mittels eines deterministischen Texturierungsverfahrens aufge bracht 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 Be schreibung 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 wer den.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stahlblechs entspricht XB einem Wert zwi schen 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 Wasserkon taktwinkel, gemessen in °, ist der statische Kontaktwinkel nach DIN 55660-1 zu verstehen, der eine Tangente an die Kontur des Wassertropfens im Drei-Phasen-Punktzur Oberfläche des un tersuchten Festkörpers ausbildet. Unter Oberflächenenergie, gemessen in mN/m, ist die Ge samtoberflächenenergie 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 ei ner Flüssigkeit oder eines Festkörpers erzeugt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stahlblechs entspricht YB einem Wert klei ner 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. Ins besondere ist der metallische Überzug ein zinkbasierter Überzug. Vorzugsweise kann der Über zug 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 ein gesetztwerden. 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 zusätz lich zu Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,3 Gew.-% vorhanden sein, um insbe sondere 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 be schichteten Stahlblechs im Wesentlichen zu verhindern, damit die positiven Korrosionseigen schaften weiterhin erhalten bleiben. Dabei kann eine Dicke des metallischen Überzugs zwischen 1 und 15 pm, insbesondere zwischen 2 und 12 pm, vorzugsweise zwischen 3 und 10 pm be tragen. Beim Schmelztauschbeschichten werden zunächst die Stahlbleche mit einem entspre chenden 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 bei spielsweise durch elektrolytisches Beschichten aufgebracht ist. Dabei kann eine Dicke des me tallischen Überzugs zwischen 1 und 10 pm, insbesondere zwischen 1,5 und 8 pm, vorzugsweise zwischen 2 und 5 pm betragen. Im Vergleich zum Schmelztauchbeschichten kann das Stahl blech 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 elektro lytisches Beschichten mit anschließendem Dressieren denkbar.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine mit einer Oberflächenstruktur struktu rierte Dressierwalze, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wo bei mindestens zwei Vertiefungen und mindestens zwei Erhebungen vorhanden sind, welche nicht miteinander verbunden sind, wobei jede Erhebung eine Erhebungsfläche und jede Vertie fung eine Vertiefungsfläche aufweist, wobei die Dimensionierung der Erhebungen und Vertie fungen auf einer Fläche von 1 mm2 betrachtet derart ausgeführt ist, dass der Quotient beste hend aus der Erhebung mit der größten Erhebungsfläche in Bezug auf die Summe aller Erhe bungsflächen 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 Vertiefungsflä chen 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 Konfo- kalmikroskopieaufnahme der entsprechenden Oberfläche ermittelt werden. Durch diese Form der Mikroskopie wird die zu untersuchende Oberfläche mit einer lateralen Auflösung beispiels weise kleiner als 3,3 pm gescannt und jedem gescannten Punkt mit einer Auflösung beispiels weise 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 Oberflä che des Stahlblechs eine Oberflächenstruktur aus, welche Vertiefungen und Erhebungen (ne gative Form) einprägt und entspricht im Wesentlichen der Oberfläche (positive Form) der Dres sierwalze. Die Dressierwalze zur Ausbildung einer beispielsweise deterministischen Oberflä chenstruktur kann mit geeigneten Mitteln bearbeitet werden, beispielsweise mittels Laser, vgl. auch EP 2 892 663 Bl . 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 Vertie fungen 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 Erhebungs flächen 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 erfindungsgemä ßen mit einer Oberflächenstruktur dressierten Stahlblech verwiesen.
Im Folgenden werden konkrete Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeich nung 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 unter einander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögliche wei tere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen Ausgestaltun gen, welche nicht dargestellt sind. Gleiche Teile sind stets mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen.
Die einzige Zeichnung zeigt in den Figuren la) bis lg) Oberflächen-Teilaufnahmen im Format 1 mm x 1 mm, aufgenommen mittels Konfokalmikroskop von unterschiedlich dressierten Stahl blechen. 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 Vertie fungen respektive ihre Vertiefungsflächen sind in den Figuren la) bis lg) dunkel bzw. schwarz dargestellt und die Erhebungen respektive ihre Erhebungsflächen sind hell bzw. weiß wieder gegeben. 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 Oberflä chenstruktur auf dem Stahlblech, vgl. Fig. Id), 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 bedeu tet, dass die entsprechende Dressierwalze, hier nicht dargestellt, ein schlechtes Benetzungs verhalten aufweist und von der Verschleißbeständigkeit und damit in Verbindung mit der Stand zeit 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. la), 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 lb), welche mit einer Dressierwalze dressiert wurde, deren Oberfläche mittels EDT-Verfahren strukturiert wurde, wurden Dressierwalzen ver wendet, welche in Anlehnung an die EP 2 892 663 Bl mittels Laser, mit einer pseudo-stochas tischen, vgl. Fig. lc) bzw. einer deterministischen Oberflächenstruktur strukturiert wurden, hier nicht dargestellt.
Die mit * gekennzeichneten Ausführungsbeispiele sind erfindungsgemäß dressierte Stahlble che. 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 Benet zungseigenschaften grundlegend von den Strukturen in e) und f) unterscheidet. Bei Betrach tung 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 Oberflächen energie 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 Stahl blech mitXB = 0,2 bis 0,9 und YB < 5 wie auch durch die halbgeschlossene Oberflächenstruktur auf der entsprechend strukturierten Dressierwalze mitXW = 0,9 bis 0,2 und YW < 5 ist ein guter Kompromiss für eine ausreichende Benetzbarkeit des Stahlblechs wie auch der Dressierwalze erzielbar.
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Tabelle 1
Die Tiefe der Oberflächenstruktur, entsprechend im Wesentlichen im Durchschnitt der Tiefe res pektive dem Abstand zwischen Erhebung und Vertiefung, kann auch Einfluss auf die Benetz barkeit 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 Oberflächen strukturen kann durch Variation der angegebenen Parameter (XB, YB) Einfluss auf das Benet zungsverhalten genommen werden, vgl. Ausführungen e) bis g).
Die durchschnittliche Tiefe der Oberflächenstruktur beträgt beispielsweise mindestens 1 pm, insbesondere mindestens 2 pm, vorzugsweise mindestens 3 pm, bevorzugt mindestens 4 pm.
Die Merkmale sind, soweit technisch umsetzbar, alle miteinander kombinierbar und als mitei nander kombinierbar offenbart.

Claims

Ansprüche
1. Mit einer Oberflächenstruktur dressiertes Stahlblech, wobei die Oberflächenstruktur Er hebungen und Vertiefungen aufweist, wobei mindestens zwei Vertiefungen und mindes tens zwei Erhebungen vorhanden sind, welche nicht miteinander verbunden sind, wobei jede Erhebung eine Erhebungsfläche und jede Vertiefung eine Vertiefungsfläche aufwei sen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der Erhebungen und Vertie fungen auf einer Fläche von 1 mm2 betrachtet derart ausgeführt ist, dass der Quotient bestehend aus 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 ent spricht.
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 metalli schen Überzug durch elektrolytisches Beschichten beschichtet ist.
6. Mit einer Oberflächenstruktur strukturierte Dressierwalze, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei mindestens zwei Vertiefungen und min destens 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 Erhebungen und Vertiefungen auf einer Fläche von 1 mm2 betrachtet derart ausgeführt ist, dass der Quo tient 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.
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 Schmelztauchbe schichten metallischen Überzug beschichtet und anschließend dem Dressieren zuge führt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Stahlblech dem Dressieren zugeführt und an schließend mit einem metallischen Überzug elektrolytisch beschichtet wird.
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