Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dressieren eines schmelztauchbeschichteten Stahlblechs sowie ein entsprechend dressiertes, schmelztauchbeschichtetes Stahlblech.

Komplexe Umformprozesse führen an der Grenzfläche zwischen Substrat und Beschichtung zu einer erhöhten Materialbeanspruchung bis hin zur Delamination der Beschichtung. Dies zeigt sich insbesondere in engen Radienbereichen bei hohen Umformgraden. Zu nennen wären hier beispielsweise Blechbauteile für die Fahrzeugindustrie, deren Formgestalt durch lokal hohe Umformbelastung gekennzeichnet sind, beispielsweise Stylingkanten oder sogenannte Tornadolinien. Mit der Delamination der Beschichtung können verschiedene Fehler einhergehen, wie zum Beispiel verringerter Bauteilkorrosionswiderstand, mangelhafte optische Erscheinung am optional zusätzlich lackierten Bauteil, Oberflächenbeschädigungen angrenzender Blechbereiche durch delaminierte Schichtteile, welche eine erhöhte Abriebbildung fördern. Im Umformprozess können delaminierte Schichtteile zusätzlich die Werkzeugstandzeit beziehungsweise Werkzeugverfügbarkeit negativ beeinflussen sowie Produktionsausfall verursachen.

Aus der Werkstoffwissenschaft ist bekannt, dass Mikroverzahnungen zu einer besseren Substratverankerung der Beschichtung führen können. Der Mechanismus der Mikroverzahnung ist beispielweise von Robertson beschrieben. Hierbei wird unter anderem über die Rauheitshöhe und die Rauheitslänge eine Grenzenergie beschrieben [Robertson, J. ; Manning, M. I.: Limits to adherence of oxide scales. Materials Science and Technology Vol. 6 (1990) 1, S. 81-92],

Weiterhin ist aus der Fügetechnik von Blechen das Verfahren des Clinchens bekannt, welches auf makroskopischer Ebene ein Verprägen der beiden Fügepartner beschreibt.

Bei Dressierprozessen von schmelztauchbeschichteten Stahlflachmaterial gemäß dem Stand der Technik, bei dem die Formelemente der Dressierwalze(n) in der Regel stochastisch/zufällig auf der Dressierwalzenoberfläche verteilt sind, ist keine erkennbare gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilte Übertragung der Formelemente durch die Beschichtung bis in die Substratschicht zu beobachten. Die aus dem Stand der Technik bekannte konfokale Auflichtmikroskopie kann zur Beurteilung herangezogen werden, um einen Nachweis zu liefern, inwieweit eine Mikroverzahnung stattgefunden hat. Dazu werden Proben erstellt, welche jeweils mit einer Oberfläche in beschichtetem sowie unbeschichtetem Zustand nach beispielsweise chemischem Entschichten vermessen werden. Anhand der optischen Erscheinung der Oberflächen kann bereits ein Durchprägen der Stempelelemente der Dressierwalze in der Substratoberfläche identifiziert werden, welches als Indiz für eine Mikroverzahnung gewertet werden kann. Besonders deutlich wird dieser Umstand durch mathematische Korrelationsauswertungen der Topographiedaten der beschichteten und entschichteten Oberflächen. Aufgrund der stochastischen/zufälligen Topgraphie/Textur ist eine räumliche Übereinstimmung der beschichteten sowie entschichteten Messstellen zwingend notwendig. Die dazu gehörenden Korrelationsbilder der beschichteten sowie entschichteten Oberflächen zeigen kaum korrelierende Blechbereiche, so dass auch besonders regelmäßig wiederkehrende korrelierende Blechbereiche nicht erkennbar sind. Festgestellt werden konnte, dass sich als stark korrelierender Bereich lediglich ein zentrales Maximum zeigt, welches der Korrelation der beschichteten sowie unbeschichteten Oberfläche an exakt dem gleichen örtlichen Oberflächenbereich entspricht.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher, neben einem Verfahren zum Dressieren eines Stahlblechs auch ein dressiertes Stahlblech anzugeben, mit welchem die Nachteile aus dem Stand der Technik behoben werden können, insbesondere die Haftungseigenschaften einer Beschichtung auf einem Stahlsubstrat zu sichern und die Robustheit des Umformprozesses zu steigern.

Die Aufgabe in Bezug auf das Verfahren zum Dressieren eines schmelztauchbeschichteten Stahlblechs wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe in Bezug auf das dressierte, schmelztauchbeschichtete Stahlblech wird mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Eine erste Lehre der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dressieren eines schmelztauchbeschichteten Stahlblechs, wobei ein Stahlsubstrat mit einem schmelztauchbeschichteten Überzug bereitgestellt wird, welches in einem Dressiergerüst zwischen zwei Dressierwalzen hindurchgeführt wird, wobei mindestens eine der Dressierwalzen deterministisch angeordnete Stempelelemente auf ihrer Oberfläche aufweist, wobei jedes Stempelelement auf der Oberfläche der Dressierwalze einen Flächeninhalt A _P zwischen 12,4 und 32400 pm ² aufweist.

Die auf der Dressierwalze in der Regel mittels Laser-Ablation hergestellten, deterministisch angeordneten Stempelelemente bilden eine „positive“ Form, welche beim Dressieren auf die Oberfläche eines beschichten Stahlblechs einwirken und eine Oberflächenstruktur auf dem beschichteten Stahlblech als „negative“ Form einprägen. Ein vollständiges EinprägenZ-tauchen der Stempelelemente ist praktisch nicht möglich, so dass eine Übertragung der Form der Geometrie der Stempelelemente in bzw. auf die Oberfläche des beschichteten Stahlblechs größer 0 °/o, insbesondere größer 10 °/o, vorzugsweise größer 20 % und kleiner 100 °/o, insbesondere kleiner 90 °/o, vorzugsweise kleiner 85 % ist.

Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von lasertexturierten Dressierwalzen sind Stand der Technik, vgl. u. a. EP 2 892 663 Bl. Unter deterministischer Oberflächentopografie/Ober- flächenstruktur bzw. deterministisch angeordnete Stempelelemente sind wiederkehrende Oberflächenstrukturen zu verstehen, welche eine definierte Form und/oder Ausgestaltung aufweisen, vgl. auch EP 2 892 663 Bl .

Mittels Laser werden deterministisch angeordnete Stempelelemente in die bzw. auf der Oberfläche der Dressierwalze mittels Materialabtrag eingebracht, indem durch gezielte Ansteuerung der Energie, der Pulsdauer und Wahl einer geeigneten Wellenlänge eines auf die Oberfläche der Dressierwalze einwirkenden Laserstrahls positiv Einfluss genommen werden kann. 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. Eine Reduktion der Pulsdauer hat Einfluss auf die Ausbildung eines Kraters, insbesondere kann der Durchmesser des Kraters verringert werden. Die Stempelelemente sind somit die verbleibenden, vom Laser nicht erfassten, erhabenen Bereiche auf der Oberfläche der Dressierwalze. Insbesondere kann das zu erzeugende Beschussmuster mittels des Lasers auf der Oberfläche der Dressierwalze computerunterstützt erfolgen.

Die Dressierwalze wird so mit einer Vielzahl an erhabenen Stempelelementen versehen. Die Anzahl n der Stempelelemente in einer Referenz(-teil)fläche A _re f ergibt eine Anzahl zu Flächenverhältnis Snr = n/A _ref .

Überraschend wurde festgestellt, dass, wenn durch Ablation jedes Stempelelement auf der Oberfläche der Dressierwalze einen Flächeninhalt A _P zwischen 12,4 und 32400 pm ² aufweist, die Nachteile aus dem Stand der Technik im Wesentlichen behoben werden können, insbesondere die Haftungseigenschaften einer Beschichtung auf einem Stahlsubstrat gesichert und die Robustheit des Umformprozesses gesteigert werden können. Eine insbesondere weitere verbesserte Beschichtungshaftung auf der Substratoberfläche kann sich beispielsweise aus der Geometrie der Stempelelemente auf der Dressierwalze ergeben, wenn gemäß einer Ausgestaltung jedes Stempelelement einen Flächeninhalt A _P (n) zwischen 12,4 und 32400 pm ² aufweist. Der Flächeninhalt A _P beträgt insbesondere mindestens 50 pm ² , vorzugsweise mindestens 150 pm ² , bevorzugt mindestens 300 pm ² , weiter bevorzugt mindestens 500 pm ² und insbesondere maximal 30000 pm ² , vorzugsweise maximal 25000 pm ² , bevorzugt maximal 20000 pm ² , weiter bevorzugt maximal 15000 pm ² .

Die Flächeninhalte der Stempelelemente werden in einer Schnittebene c _p gemessen, in der d ² Smr(c ₀ )/dc ² , die zweite Ableitung der Firestone-Abbott Kurve Smr(c), ein Maximum besitzt: d ² Smr(c ₀ )/dc ² = (Smr(c ₀ + Ac) - 2 Smr(c ₀ ) + Smr(c ₀ - Ac) ) / (Ac) ² d ² Smr(c _P )/dc ² = Maximum c ist Abstand der Schnittebene, sprich Tiefe, unterhalb einer Referenzebene wie z. B. einem Höhenwert. Zur Rauschunterdrückung kann es vorteilhaft sein, die Funktion Smr(c) mittels eines Mittelwertfilters mit einer Breite von 1 pm zu glätten. Der Diskretisierungsabstand Ac kann kleiner als 0,1 pm berücksichtigt werden.

Der durchschnittliche Flächeninhalt A _P , _m der Stempelelemente ergibt sich aus dem Materialanteil Smr(c _P ) dividiert durch die Anzahl der Stempelelemente pro Flächeneinheit Snr(c _P ) mit

A _P.m = Smr(c _P ) / Snr(c _P ),

Insbesondere kann jedes Stempelelement auf der Oberfläche der Dressierwalze einen Flächeninhalt A _P zwischen 500 und 20000 pm ² , beispielsweise zwischen 750 und 15000 pm ² aufweisen.

Bevorzugt kann jedes Stempelelement auf der Oberfläche der Dressierwalze einen Flächeninhalt A _P zwischen 1001 und 5000 pm ² aufweisen.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführung kann jedes Stempelelement auf der Oberfläche der Dressierwalze einen Flächeninhalt A _P zwischen 5001 und 10000 pm ² aufweisen. Vorzugsweise sind beide Dressierwalzen mit jeweils auf ihren Oberflächen deterministisch angeordneten Stempelelementen ausgebildet, wobei jedes Stempelelement auf der Oberfläche der Dressierwalze einen Flächeninhalt A _P zwischen 12,4 und 32400 pm ² aufweist.

Das schmelztauchbeschichtete Stahlflachblech wird mit der Dressierwalze bzw. mit den Dressierwalzen mit einem Dressiergrad von mindestens 0,1 % und maximal 2,5 % dressiert, wobei ein Dressiergrad insbesondere von mindestens 0,3 %, vorzugsweise von mindestens 0,5 % als besonders bevorzugt eingestellt wird. Bei einem Dressiergrad von mehr als 2,5 % würden sowohl die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Um die Maßhaltigkeit und Oberflächenbeschaffenheit zu optimieren beträgt der Dressiergrad insbesondere bis zu 2,0 %, vorzugsweise bis zu 1,7 %. Der Dressierprozess sowie die Einstellung des Dressiergrads sind Stand der Technik.

Eine zweite Lehre der Erfindung sieht ein dressiertes, schmelztauchbeschichtetes Stahlblech vor, wobei mindestens eine der Oberflächen des dressierten, schmelztauchbeschichteten Stahlblechs deterministisch angeordnete Einprägungen aufweist, wobei über eine Kreuzkorrelationsfunktion r _z , _u gemessene Höhenwerte Zj am Stahlblech im schmelztauchbeschichteten Zustand und gemessene Höhenwerten Uj am Stahlblech im entschichteten Zustand im deckungsgleichen Bereich verglichen werden, wobei der sich aus der Kreuzkorrelationsfunktion r _z>u ergebende Korrelationskoeffizient r mindestens 0,50 beträgt. Der Korrelationskoeffizienten r ergibt sich aus der Kreuzkorrelationsfunktion r _z>u mit r _{z u} =

, wobei s _z.u die Kovarianz ist und bestimmt wird durch s _ZiU = - z) * (u _t - u) mit den

1 1

Mittelwerten z = -S”=i z _L und ü = -£” _{= 1} u _t sowie den Standardabweichungen s _z = J ^ Sr=i(Zi - z ) ² und s _u = J i Sr=i(Ui - ü ) ² .

Die Mess- bzw. Auswertefläche sollte mindestens 0,5 x 0,5 mm ² betragen. Ab 1,5 x 1,5 mm ² können Form und Welligkeiten durch Filtermaßnahmen beseitigt werden. Die Ermittlung des Korrelationskoeffizienten sowie die dahinterliegenden Formeln sind Stand der Technik.

Im Gegensatz zum Stand der Technik sind die prägenden Stempelelemente der Dressierwalzenoberfläche sowohl planar in der Blechebene als auch vertikal insbesondere im Schichtaufbau gleichmäßig verteilt und aufzufinden/nachweisbar, beispielsweise mit Hilfe der konfokalen Auflichtmikroskopie darstellbar. Aus erfindungsgemäß dressierten beschichteten Stahlblechen sind Proben erstellt worden, welche jeweils mit einer Oberfläche in beschichtetem sowie unbeschichtetem Zustand nach chemischem Entschichten im deckungsgleichen Bereich vermessen worden sind. Die Betrachtung des be- und entschichteten Bereichs ist somit deckungsgleich (gleiche Messflächen), soll heißen, dass eine untersuchte Probe in einer definierten Messfläche im beschichteten Zustand betrachtet wird und nach dem Entschichten in der gleichen / derselben definierten Messfläche wie vorher im beschichteten Zustand betrachtet wird. Insbesondere kann dadurch auf eine Verbesserung der Haftungseigenschaften der Beschichtung auf dem Substrat im Interface Substrat/Beschichtung hingewiesen und somit ein ebener Formschluss in der Interface-Ebene belegt werden. Ist der Korrelationskoeffizient hoch, mindestens 0,50, wird auf ein stärkeres Ein-/Durchprägen als im Stand der Technik geschlossen, so dass sich somit eine verbesserte Haftung der Beschichtung auf/mit dem Substrat ergibt.

Insbesondere beträgt der Korrelationskoeffizient r mindestens 0,550, vorzugsweise mindestens 0,60, bevorzugt mindestens 0,650, besonders bevorzugt mindestens 0,70, weiter bevorzugt mindestens 0,750, 0,760, 0,770, 0,780, 0,790, 0,80, 0,810, 0,820, 0,830, 0,840, 0,850, 0,860, 0,870, 0,880, 0,890, 0,90, 0,910, 0,920, 0,930, 0,940. Ein Korrelationskoeffizient von 1 wäre theoretisch möglich, trifft aber mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Praxis nie zu, so dass der Korrelationskoeffizient bis 1 , insbesondere bis 0,990 betragen kann. Es wird angenommen, dass je höher der Korrelationskoeffizient, umso besser die Haftung zwischen Beschichtung und Substrat.

Unter Stahlblech ist allgemein ein Stahlflachprodukt zu verstehen, welches in Blechform (Blech) bzw. in Platinenform (Platine) oder in Bandform (Stahlband) bereitgestellt werden kann.

Das Stahlblech ist mit einem schmelztauchbeschichteten Überzug beschichtet. Das Dressieren eines Stahlblechs mit einem mittels Schmelztauchen beschichteten Überzugs erfolgt somit nach dem Beschichten, um durch die erfindungsgemäß ausgeprägten Stempelelemente eine verbesserte Haftung im Interface Beschichtung/Substrat anzugeben.

Beispielsweise ist das Stahlblech mit einem zinkbasierten Überzug schmelztauchbeschichtet.

Insbesondere enthält der Überzug neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Aluminium mit einem Gehalt von mindestens 0,1 bis zu 8,0 Gew.-% und/oder Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,1 bis zu 8,0 Gew.-%. 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 0,3 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,6 Gew.-% vorhanden sein, um beispielsweise 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 vermeiden, damit beispielsweise eine gute Klebeignung gewährleistet werden kann. Unvermeidbare Verunreinigungen und optionale weitere Bestandteile sind in Summe auf höchstens 2,0 Gew.-% beschränkt.

Dabei kann eine Dicke des Überzugs zwischen 1,5 und 15 pm, insbesondere zwischen 2 und 12 pm, vorzugsweise zwischen 3 und 10 pm betragen.

Gemäß einer alternativen Variante ist das Stahlblech mit einem aluminiumbasierten Überzug schmelztauchbeschichtet. Dabei kann eine Dicke des Überzugs zwischen 1,5 und 15 pm, insbesondere zwischen 2 und 12 pm, vorzugsweise zwischen 3 und 10 pm betragen.

Insbesondere enthält der Überzug neben Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Silizium mit einem Gehalt bis zu 15 Gew.-%, optional Eisen bis zu 4 Gew.-%, optional Alkali- oder Erdalkalimetalle bis zu 1,0 Gew.-% und optionalen weiteren Bestandteilen, deren Gehalte in Summe auf höchstens 2,0 Gew.-% beschränkt sind.

Bei einer bevorzugten Variante beträgt der Siliziumgehalt entweder 0,2 bis 4,5 Gew.-% oder 7 bis 13 Gew.-%, insbesondere 8 bis 11 Gew.-%. Bei einer bevorzugten Variante umfasst der optionale Eisengehalt 0,2 bis 4,5 Gew.-%, insbesondere 1 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 1,5 bis 3,5 Gew.-%. Bei einer bevorzugten Variante umfasst der optionale Gehalt an Alkali- oder Erdalkalimetallen 0,01 bis 1,0 Gew.-% Magnesium, insbesondere 0,1 bis 0,7 Gew.-% Magnesium, bevorzugt 0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium. Weiterhin kann der optionale Gehalt an Alkali- oder Erdalkalimetallen insbesondere mindestens 0,0015 Gew.-% Calcium umfassen.

Beispielsweise enthält der aluminiumbasierte Überzug bei einer alternativen Variante neben Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Zink 2 bis 24 Gew.- %, Silizium 1 bis 7 Gew.-%, optional Magnesium 1 bis 8 Gew.-%, wenn der Gehalt von Silizium zwischen 1 und 4 Gew.-% liegen sollte, optional bis zu 0,3 Gew.-% in Summe Pb, Ni, Zr oder Hf.

In einem praktischen Versuch wurden drei beschichtete Stahlbleche (Stahlbänder) mit einem zinkbasierten Überzug dressiert (EDT1, LT1, LT3). Dicke und Zusammensetzung der Stahlbänder sowie Dicke und Zusammensetzung des zinkbasierten Überzugs waren bei allen drei gleich. Drei weitere beschichtete Stahlbleche (Stahlbänder) mit einem aluminiumbasierten Überzug wurden ebenfalls dressiert (EDT2, LT2, LT4). Dicke und Zusammensetzung der Stahlbänder sowie Dicke und Zusammensetzung des aluminiumbasierten Überzugs waren bei allen drei gleich Das Dressieren wurde an zwei Stahlbändern mit zwei unterschiedlich stochastisch strukturierten EDT-Dressierwalzenpaaren (EDT1, EDT2) in einem Dressiergerüst und an den restlichen vier Stahlbändern mit lasertexturierten, unterschiedlich deterministisch angeordneten Stempelelementen aufweisenden Dressierwalzenpaaren (LT1, LT2, LT3, LT4) in einem Dressiergerüst durchgeführt. Weitere Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Aus den sechs dressierten, beschichteten Stahlbändern wurden jeweils 10 Proben entnommen, welche näher untersucht wurden. Dabei wurden sowohl die Höhenwerte der beschichteten wie auch die Höhenwerte der chemisch entschichteten Proben mittels konfokaler Auflichtmikroskopie in ein und der gleichen/derselben Messfläche mit 0,8 x 0,8 mm ² vermessen. Entschichtet wurde wie folgt: Abspülen der Proben mit Ethanol und Trocknen; Entzinken mit inhibierter Salzsäure (im Wesentlichen vollständiges Entfernen der Beschichtung); Abspülen mit Ethanol und Trocknen. Die vermessenen Oberflächen der beschichteten und entschichteten Proben wurden einer mathematischen Korrelationsauswertung der Topographiedaten unterzogen (psoft analysis premium 6.2.6967) und der Korrelationskoeffizient r ermittelt. Die beschichteten Proben wurden des Weiteren einem sogenannten „T-bend test“ gemäß Norm EN13523-7 unterzogen, wobei durchschnittliche Anzahl der Risse im Querschliff quantitativ erfasst wurden. Auch eine Untersuchung nach Renault Vorschrift „Multifrottement Test (MFT)“ D31_1738, vgl. auch Tabelle 10.1 auf Seite 252 in „Advanced Techniques for Assessment Surface Topography: Development of a Basis for 3D Surface Texture Standards SURFSTAND“, ISBN 1 9039 9611 2, wurde durchgeführt, so dass über die Aufzeichnung des Reibwertes über mehrere Belastungszyklen beim MFT-Test, auf eine mögliche Schichtdelamination zurückgeschlossen werden konnte und qualifiziert erfasst wurde. Hierbei zeigte sich, dass die Reibung infolge einer möglichen Schichtdelamination äußerst gering ausfällt, wenn eine ausgeprägte Mikroverzahnung im Interface Beschichtung/Substrat vorliegt, wobei ++ auf eine geringe bis keine und - auf eine Delamination im MFT im Interface hindeutet. In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse der untersuchten Proben zusammengefasst.

Tabelle 2