Die Erfindung betrifft ein mit einem FAL-Überzug beschichtetes Stahlblech aus einem härtbaren Stahlwerkstoff für eine Warmumformung, wobei die Oberfläche des FAL-Überzugs einen Sdr- Wert von mindestens 3,0 % aufweist.

In der Warmumformung von beispielsweise Mangan-Bor-Stählen kommen heutzutage in der Regel Feueraluminierungen (FAL) zum Einsatz. Diese bieten während dem der Warmumformung vorgelagerten Glühprozesses einen effektiven Zunderschutz und sichern so die Weiterverarbeitbarkeit des pressgehärteten Bauteils, ohne dass ein weiterer Prozessschritt zum Entfernen von Zunderbelegungen notwendig wäre. Während des o.g. Glühprozesses kommt es mit zunehmender Glühdauer zu einem Ablauf von metallurgischen Umwandlungen der FAL- Schicht. Da die typischen Prozesstemperaturen bei der Warmumformung mit ca. 900 °C deutlich oberhalb der Schmelztemperatur der FAL-Schicht liegen, ergibt sich ein Aufschmelzen der Beschichtung. Dieser Effekt wird jedoch dadurch abgemildert, dass aus dem Substrat eindiffundierendes Eisen den Schmelzpunkt des Überzugs signifikant anhebt. Wird der Glühprozess erfolgreich durchlaufen, so bildet sich in der Regel ein mehrlagiger Schichtaufbau aus, welcher beim anschließenden Abpressen sowie bei der späteren Weiterverarbeitung ein gutmütiges Eigenschaftsspektrum aufweist.

Für eine adäguate Weiterverarbeitbarkeit des pressgehärteten Materials ist es in jedem Falle notwendig, dass der oben beschriebene Umwandlungsprozess in der Beschichtung vollständig abgeschlossen ist. Daher ist eine ausreichend lange Glühung im Vorfeld der Presshärtung technisch unabdingbar. Für diese Glühung müssen wiederum Ofenkapazitäten und Energieressourcen aufgewandt werden. Für ein beispielsweise FAL beschichtetes 22MnB5-Blech mit einer Dicke von 1,5 mm wird hierfür typischerweise eine Glühdauer von ca. 4 bis 5 min bei Temperaturen leicht oberhalb 900 °C benötigt.

Diese Glühdauer setzt sich dabei aus zwei zeitlichen Phasen zusammen: Zunächst vergeht einige Zeit im Ofen, bis das zuvor kalte Blechmaterial die gewünschte Zieltemperatur erreicht hat. Die zweite Phase besteht dann aus einem Halten des Rohlings auf Zieltemperatur - solange, bis die Schicht die oben beschriebenen Umwandlungen durchlaufen hat. Dabei kommt insbesondere der ersten Phase (dem Aufheizen) eine besondere Bedeutung zu, denn solange das Material noch nicht auf Zieltemperatur ist, laufen auch die an der Umwandlung beteiligten Diffusionsprozesse deutlich verlangsamt ab. Stähle respektive Stahlbleche mit FAL-Überzügen für die Warmumformung sind beispielhaft in der EP 1 013 785 Al offenbart. Des Weiteren ist ein stochastischer Dressierprozess für FAL- beschichtete Stahlbleche für die Warmumformung in der EP 3 239 337 Bl beschrieben. Des Weiteren offenbart die WO 2020/130401 Al eine deterministisch texturierte Dressierwalze für FAL-beschichtete Stahlbleche, um eine optisch gute Oberfläche mit einer ausgezeichneten Lackanmutung zu erhalten.

Aus der DE 10 2020 124 488 Al ist ferner bekannt, ein Stahlblech derart im Kaltwalzprozess zu konfektionieren, so dass sich eine vergrößerte Oberfläche auf dem Stahlblech ergibt, welches anschließend mit einem FAL-Überzug beschichtet wird, das FAL-beschichtete Stahlblech zu einem Bauteil pressgehärtet wird und das Bauteil zumindest in einem Verklebungsabschnitt einen Sdr-Wert zwischen 3 % und 30 % aufweist.

Es ist vorteilhaft und wünschenswert, das Aufheizverhalten des Materials zu verbessern, so dass die Wärme des Ofens möglichst effizient im Werkstück eingebracht werden kann. Dadurch könnten sowohl Ofenkapazitäten eingespart werden (bspw. durch den Betrieb kürzerer Öfen), eine effizientere Ausnutzung der Umformpresse gerade bei dicken Blechdicken oder Patchwork- Blank-Verbindungen erfolgen, als auch eine effektivere Nutzung von Energieressourcen beim Ofenbetrieb erreicht werden, vorzugsweise um Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

Die Lehre der Erfindung betrifft ein mit einem FAL-Überzug beschichtetes Stahlblech aus einem härtbaren Stahlwerkstoff für eine Warmumformung, wobei die Oberfläche des FAL-Überzugs einen Sdr-Wert von mindestens 3,0 % aufweist, wobei der FAL-Überzug eine deterministische Oberflächenstruktur aufweist.

Der Sdr-Wert bezieht sich auf ein entwickeltes Grenzwertverhältnis bzw. ist auch ein Maß für die Oberflächenvergrößerung, welche(s) den Prozentsatz der zusätzlichen Fläche eines Definitionsbereichs, die auf eine Struktur zurückzuführen ist, im Vergleich zum absolut ebenen Definitionsbereich angibt. Verfahren zur Ermittlung bzw. Bestimmung des Sdr-Werts sind dem Fachmann geläufig, insbesondere anhand der DIN EN ISO 25178. Beispielsweise ist Sdr-Wert durch bzw. mittels einer Rasterkraftmikroskopie (AFM) ermittelbar. Die AFM ermöglicht beispielsweise eine Auflösung mit einer Fläche von bis zu 90 x 90 pm ² oder bei Bedarf auch höher. Eine verfügbare Technologie zur Ermittlung/Erfassung von Oberflächenparametern ist unter der Bezeichnung „psurf“ bekannt. Details sind unter dem Link: www.nanofocus.de/technologie/messprinzi- pien/usurf-technoloqie/ abrufbar.

Die deterministische Oberflächenstruktur des FAL-Überzugs weist insbesondere einen Sdr-Wert von mindestens 3,5 %, 4,0 %, 4,3 %, 4,6 %, 5,0 % vorzugsweise von mindestens 5,5 %, 6,0 %, 6,5 %, 7,0 %, 7,5 %, 8,0 %, bevorzugt von mindestens 9,0 %, 10,0 %, 11,0 %, 12,0 %, 13,0 % besonders bevorzugt von mindestens 14,0 %, 15,0 % auf. Der Sdr-Wert kann auf maximal 35,0 %, insbesondere maximal 32,0 % beschränkt sein.

Eine plane Oberfläche hat bzw. hätte einen Sdr-Wert von 0%.

Überraschenderweise hat sich herausgestallt, dass eine deterministische Oberflächenstruktur in Verbindung mit einem Sdr-Wert des FAL-Überzugs von mindestens 3,0 % eine deutliche Effizienzsteigerung der eingekoppelten Wärmestrahlung in einem Ofen in das Werkstoffsystem zur Erwärmung auf Warmumformungstemperatur erwirkt.

Unter Stahlblech ist u. a. ein Stahlflachprodukt als Band oder Blech bzw. Platine zu verstehen. Das Stahlblech weist eine Längserstreckung (Länge), eine Querstreckung (Breite) sowie eine Höhenerstreckung (Dicke) auf. Das Stahlblech kann warmgewalzt oder vorzugsweise kaltgewalzt sein. Das Warm- und optional bevorzugte Kaltwalzen sind dem Fachmann bekannt.

Die Dicke des beschichteten Stahlblechs kann beispielsweise 0,50 bis 6,0 mm, insbesondere 0,60 bis 4,0 mm, vorzugsweise 0,70 bis 3,50 mm betragen.

Unter deterministischer Oberflächenstruktur sind wiederkehrende Strukturen, beispielsweise Verprägungen zu verstehen, welche eine definierte Form und/oder Ausgestaltung aufweisen, vgl. EP 2 892 663 Bl . Insbesondere gehören hierzu zudem Oberflächen mit einer (quasi-) stochastischen Anmutung, die jedoch mittels eines deterministischen Texturierungsverfahrens aufgebracht werden und sich somit aus deterministischen Formelementen zusammensetzen.

Unter FAL-Überzug ist ein aluminiumbasierter Überzug zu verstehen. Der FAL-Überzug wird konventionell in bekannten Vorrichtungen respektive durch bekannte Verfahren auf dem Stahlblech aufgebracht. Das Einbringen einer deterministischen Oberflächenstruktur erfolgt nach dem Applizieren und Erstarren des FAL-Überzugs mittels deterministisch texturierten Dressierwalzen. Im Vergleich zur DE 10 2020 124 488 Al erfolgt die Oberflächenvergrößerung nicht im Kaltwalzprozess auf einem unbeschichteten Stahlblech, sondern erfindungsgemäß erst nach dem Applizieren des FAL-Überzugs, um eine Reproduzierbarkeit und dadurch gezielt eine in den FAL- Überzug eingebrachte deterministische Oberflächenstruktur sicherzustellen.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die deterministische Oberflächenstruktur eine mittlere Rauheit Ra zwischen 1,0 und 6,0 pm auf. Insbesondere kann die mittlere Rauheit Ra mindestens 1,30 pm, vorzugsweise mindestens 1,50 pm, bevorzugt mindestens 1,70 pm betragen. Insbesondere kann die Rauheit Ra maximal 5,0 pm, vorzugsweise maximal 4,0 pm, bevorzugt maximal 3,0 pm betragen.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die deterministische Oberflächenstruktur eine Spitzenzahl RPc zwischen 100 und 250 1/cm auf, Insbesondere kann die Spitzenzahl RPc mindestens 110 1/cm, vorzugsweise mindestens 130 1/cm betragen. Insbesondere kann die Spitzenzahl RPc maximal 220 1/cm, vorzugsweise maximal 200 1/cm, bevorzugt maximal 180 1/cm betragen.

Die mittlere Rauheit Ra in pm und die Spitzenzahl RPc in 1/cm lassen sich entlang einer definierten Messtrecke ermitteln, vgl. DIN EN ISO 4287.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die deterministische Oberflächenstruktur eine Strukturtiefe Rz zwischen 4,0 und 25,0 pm, insbesondere zwischen 5,0 und 22,0 pm, vorzugsweise zwischen 6, und 18,0 pm, bevorzugt maximal 15 pm auf. Die Strukturtiefe Rz in pm ist der maximale Abstand zwischen der höchsten Spitze und der tiefsten Stelle der deterministischen Oberflächenstruktur entlang einer definierten Messstrecke, vgl. DIN EN ISO 4287.

Die Einstellung der Rauheit Ra und/oder der Spitzenzahl RPc auf der Oberfläche des Stahlblechs hängt zum einen von der Rauheit Ra und der Spitzenzahl RPc der Oberfläche der Walze und zum anderen von der Übertragungsrate, welche abhängig von dem Walzgrad und/oder von der Walzkraft ist, ab und kann daher gezielt gesteuert werden.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die deterministische Oberflächenstruktur eine Schiefe Rsk zwischen + 1,0 und - 2,0 auf. Insbesondere kann die Schiefe zwischen + 1,0 und > 0 betragen. Mit Rsk wird die Asymmetrie der Amplitudendichte bewertet, wobei positive Werte Profile mit hohem Spitzenanteil kennzeichnen, vgl. DIN EN ISO 4287. Vorzugsweise weist deterministische Oberflächenstruktur eine positive Schiefe Rsk im ungerichteten Zustand auf. Insbesondere kann die Schiefe Rsk zwischen - 0,8 und - 2,0 alternativ betragen, wobei die deterministische Oberflächenstruktur eine negative Schiefe Rsk beispielsweise im gerichteten Zustand aufweist.

Je nach Zustand des beschichteten Stahlblechs, ob gerichtet oder vorzugsweise ungerichtet, können sich auch unterschiedliche Parameter einstellen, wobei unter „gerichtet“ die Anwendung einer Richtmaschine zu verstehen ist, welche dem Fachmann bekannt sind, und dies Einwirkung auf die Oberfläche des FAL-Überzugs insbesondere durch Berührung zwischen Blech/Band und BiegewalzenArollen hat und somit zu einer Veränderung der Parameter im Vergleich zu „ungerichtet“ führt.

Härtbare Stahlwerkstoffe gehören zum Stand der Technik. Als Bespiele zu nennen sind vorzugsweise Mangan-Bor-Stähle oder insbesondere sonstige Stähle für die Warmumformung, wie zum Beispiel mikrolegierte Konzepte, mit Zugfestigkeiten im gehärteten Zustand von mindestens 500 MPa, insbesondere mindestens 600 MPa, vorzugsweise mindestens 1200 MPa, bevorzugt mindestens 1500 MPa und höher. Abhängig von der Legierung respektive vom Kohlenstoffgehalt des härtbaren Stahls kann eine maximale Zugfestigkeit von bis zu 2500 MPa oder höher erreicht werden, insbesondere maximal 2300 MPa, vorzugsweise maximal 2200 MPa.

Gemäß einer Ausgestaltung kann der härtbare Stahlwerkstoff folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% aufweisen:

C = 0,05 bis 0,5,

Mn = 0,3 bis 3,0,

Si = 0,05 bis 1,7,

P bis 0,1,

S bis 0,1,

N bis 0,1, sowie optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (AI, Ti, V, Nb, B, Cr, Mo, Cu, Ni, Ca):

AI bis 1,0,

Ti bis 0,2,

V bis 0,5, Nb bis 0,5,

B bis 0,01,

Cr bis 1,0,

Mo bis 1,0,

Cu bis 1,0,

Ni bis 1,0,

Ca bis 0,1,

Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.

Der FAL-Überzug weist folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf: optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (Si, Fe, Mg, Zn):

Si bis 15,0,

Fe bis 5,0,

Mg bis 5,0,

Zn bis 30,0,

Rest AI und unvermeidbare Verunreinigungen.

In dem FAL-Überzug können neben Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Silizium mit einem Gehalt bis zu 15,0 Gew.-% und/oder Eisen mit einem Gehalt bis zu 5,0 Gew.-% und/oder Magnesium mit einem Gehalt bis zu 5,0 Gew.-% und/oder Zink mit einem Gehalt bis zu 30,0 Gew.-% enthalten sein. Si kann insbesondere mit mindestens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise mit mindestens 2,0 Gew.-%, bevorzugt mit mindestens 4,0 Gew.-% vorhanden sein, wobei der Gehalt insbesondere auf maximal 12,0 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 11,0 Gew.-% begrenzt werden kann. Si kann im Überzug zu einer verbesserten Verarbeitbarkeit beim Schmelztauchbeschichten beitragen. Alternativ oder zusätzlich kann Fe insbesondere mit mindestens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise mit mindestens 0,5 Gew.-%, bevorzugt mit mindestens 1,0 Gew.-% vorhanden sein, wobei der Gehalt insbesondere auf maximal 4,0 Gew.- %, vorzugsweise auf maximal 3,5 Gew.-% begrenzt werden kann. Fe kann im Überzug die Schmelztemperatur des Überzugs erhöhen, was beim Austenitisieren von Vorteil sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann Mg insbesondere mit mindestens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise mit mindestens 0,2 Gew.-% vorhanden sein, wobei der Gehalt insbesondere auf maximal 3,0 Gew.- %, vorzugsweise auf maximal 1,5 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,8 Gew.-% begrenzt werden kann. Mg kann im Überzug zu einer Verringerung der Aufnahme von diffusiblem Wasserstoff in das Substrat beitragen. Alternativ oder zusätzlich kann Zn insbesondere mit mindestens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise mit mindestens 0,2 Gew.-% vorhanden sein, wobei der Gehalt insbesondere auf maximal 20,0 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 10,0 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 5,0 Gew.-% begrenzt werden kann. Zn kann im Überzug zu Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit beitragen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Si-Gehalt im FAL-Überzug entweder 0,2 bis 4,5 Gew.-% oder 7 bis 13 Gew.-%, insbesondere 8 bis 11 Gew.-%.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung kann der optionale Gehalt an Fe im FAL-Überzug 0,2 bis 4,5 Gew.-%, insbesondere 1 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 1,5 bis 3,5 Gew.-% umfassen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der optionale Gehalt an Mg im FAL-Überzug 0,01 bis 1,0 Gew.-% Mg, insbesondere 0,1 bis 0,7 Gew.-% Mg, bevorzugt 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mg.

Bei einer alternativen Ausgestaltung kann der FAL-Überzug 2,0 bis 24,0 Gew.-% Zn, 1,0 bis 7,0 Gew.-% Si, optional 1,0 bis 8,0 Gew.-% Mg, wenn der Gehalt von Si zwischen 1,0 und 4,0 Gew.-% liegen sollte, optional bis zu 0,3 Gew.-% in Summe Pb, Ni, Zr oder Hf und insbesondere Verunreinigungen, deren Gehalte in Summe auf höchstens 2,0 Gew.-% beschränkt sind, und als Rest Aluminium besteht.

Die Dicke des FAL-Überzugs beträgt 3,0 bis 40,0 pm (vor der Warmumformung), insbesondere 10,0 bis 40,0 pm, vorzugsweise 11,0 bis 35,0 pm, bevorzugt 12,0 bis 30,0 pm, weiter bevorzugt 13,0 bis 27,0 pm.

Ein mit einem FAL-Überzug (Si: 7%, Fe: 2%, Rest AI und unvermeidbare Verunreinigungen, Dicke 25 pm) beschichtetes kaltgewalztes Stahlblech der Güte 22MnB5 mit einer Dicke von 1,50 mm wurde mit unterschiedlichen texturierten Dressierwalzen beidseitig dressiert, wobei in ein erstes beschichtetes Stahlblech (VI) eine stochastische Oberflächenstruktur in die Oberfläche des FAL-Überzugs eingeprägt worden ist. Die Dressierwalzen wurden mittels EDT-Verfahren, vgl. EP 2 006 037 Bl, in bekannter Art und Weise texturiert. Ein weiteres beschichtetes Stahlblech (2) wurde mit einer deterministischen Oberflächenstruktur mit einer Doppel-I-Struktur, vgl. EP 2 892 663 Bl, dressiert. Ein weiteres mit einem FAL-Überzug (Si: 7%, Fe: 2%, Rest AI und unvermeidbare Verunreinigungen, Dicke 25 pm) beschichtetes kaltgewalztes Stahlblech der Güte 22MnB5 mit einer Dicke von 1,40 mm wurde mit unterschiedlichen texturierten Dressierwalzen beidseitig dressiert, wobei in ein zweites bis viertes beschichtetes Stahlblech (V2) bis (V4) jeweils eine stochastische Oberflächenstruktur in die Oberfläche des FAL-Überzugs eingeprägt worden ist. Weitere beschichtete Stahlleche (4) bis (10) und (13) wurden jeweils mit einer deterministischen Oberflächenstruktur, wobei unterschiedlich große Doppel-I-Strukturen gewählt worden sind, dressiert.

Von den insgesamt dreizehn unterschiedlich dressierten und dicken Stahlblechen wurden je- weils 10 Proben entnommen und die Kenngrößen der Oberflächenstruktur, nach DIN EN ISO 4287, bestimmt und jeweils der Mittelwert gebildet, s. Tabelle 1.

Die Proben VI bis 13 wurden mit einem Thermoelement versehen und anschließend bei einer Ofentemperatur von 920°C aufgeheizt. Die jeweils notwendige Zeit, um das FAL-beschichtete Stahlblech bis 910°C zu erhitzen, ist ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt. Die Proben VI bis V4 sind Referenzproben und wurden mit einer stochastischen Oberflächenstruktur mittels EDT-tex- turierten Dressierwalzen versehen. Die Proben 2, 4 bis 10 und 13 sind erfindungsgemäße Proben und wurden mit einer deterministischen Oberflächenstruktur versehen, wobei alle Proben im ungerichteten Zustand bereitgestellt wurden.

Tabelle 1

Wie deutlich zu erkennen ist, weisen beide erfindungsgemäßen deterministischen Oberflächenstrukturen im FAL-Überzug ein deutlich verbessertes Aufheizverhalten verglichen mit der stochastischen Referenz auf. Der Zeitgewinn liegt je nach Variante bei ca. 6 - 53 s. Dies führt beim großtechnischen Einsatz zu ganz erheblichen Einsparungen beim Energiebedarf als auch zu der Option, den Glühprozess mit verringerten Ofenkapazitäten, d.h. beispielsweise einem kürzeren Rollenherdofen oder weniger Ofenkammern etc., durchzuführen.

Die weiteren Schritte zum Herstellen eines Bauteils aus einem erwärmten mit einem FAL-Über- zug beschichteten Stahlblech durch Härten respektive Presshärten sind Stand der Technik und wurden nicht weiter untersucht.