制造用于高强度和超高强度钢的改进的冷成型工具的方法和冷成型工具技术

本发明专利技术涉及一种用于制造冷成型工具的方法，特别是制造用于冷成型超高强度钢的冷成型工具的方法，其中所述冷成型工具是成型工具套装的上工具和/或下工具，其中所述冷成型工具由金属材料制成并具有成型面，该成型面被设计为使得成型的金属板具有部件的所需最终轮廓，其特征在于所述硬质材料层通过物理气相沉积法沉积在成型工具的成型面上，其中硬质材料层由氮化钛粘合层和沉积在其上的氮化铝钛和氮化铝铬交替层组成，其中氮化钛顶层或作为替代的碳氮化钛顶层作为最终层沉积成为朝向待成型工件定向的最外层表面。型工件定向的最外层表面。型工件定向的最外层表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造用于高强度和超高强度钢的改进的冷成型工具的方法和冷成型工具


[0001]本专利技术涉及一种制造冷成型工具的方法，特别是制造用于冷成型超高强度钢的冷成型工具的方法，以及用于此目的的冷成型工具。

技术介绍

[0002]尤其是在汽车工程领域，人们不断努力以使车身重量越来越轻。在过去几年中，该领域的努力带来了高强度钢部件的生产，例如通过热冲压法，高强度钢部件由于其高强度仅需要相对较薄的材料厚度，因此实现轻质。目前，特别是出于环保和降低油耗的考虑，轻量化结构已成为汽车制造商的首要考虑。特别是，目前正在使用各种所谓的高强度(hochfeste)、特高强度超高强度(ultrahochfeste)钢材(UHSS——超高强度钢，AHSS——先进高强度钢)。针对本申请的目的，术语“高强度钢”涉及抗拉强度超过350MPa，特别是超过600MPa的钢材。这些材料特别用于生产保险杠加强件、侧面防撞杆、座椅框架和机构以及底盘部件等部件。
[0003]使用这种材料，与传统部件相比，重量最多可减轻40％。还可以降低成本，提高生产效率。
[0004]有两种主要用于金属成型的工艺，即热成型和冷成型。
[0005]“热成型”是指所有成型步骤均在高于金属再结晶温度的温度下发生。一般来说，它需要较低的成型力；此外，在成型过程中不会发生工件的冷加工硬化。
[0006]在这方面，Al2O3基溶液常用于热成型工具，由于它们的氧化成分，提高了用于热成型的高温应用的整个涂层的热硬度和抗氧化性。然而，这些氧化层又硬又脆。通常，热成型工具上的涂层的目的是使它们能够承受热应力并起到扩散屏障的作用。
[0007]然而，在这方面的一个挑战是这类超高强度钢的冷成型。
[0008]由于它们的特性，这些材料抵抗成型工具的力比使用传统车身钢时要高得多。
[0009]因为在超高强度钢的冷成型过程中工件和工具之间会产生很高的接触压力，特别是工具上的摩擦应力非常高。出于这个原因，冷成型中使用PVD涂层，其重点是提高机械负载能力、增加磨损性能并减少裂纹扩展，而不是像热成型那样依赖氧化层，因为氧化层具有更高的热硬度，以便来抵消工具的热疲劳。由于经济生产需要具有较长使用寿命的工具，因此必须确保减少由于法线方向上极高的接触应力造成的磨损。对于冷成型，在这方面的一种方法是预处理工件，特别是还添加含有大量添加剂的润滑剂。
[0010]添加润滑剂会对工人的健康产生不利影响，因为在使用它们时，润滑剂排放会进入工人呼吸的空气中并附到他们暴露在工作场所的皮肤上。此外，这会导致冷润滑剂扩散到机器周围的区域，从而进一步降低整个过程的生命周期评价

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是创造一种可用于生产冷成型工具的方法，其表现出降低的磨损倾
向并且由此可以显著增加工具使用寿命。本专利技术的另一个目的是减少成型过程中的润滑费用，特别是超高强度钢的成型过程中的。
[0012]所述目的可通过具有权利要求1的特征的方法实现。
[0013]在从属于其的从属权利要求中公开了有利的改进。
[0014]另一个目的是制造相应的冷成型工具。
[0015]该目的通过具有权利要求9的特征的冷成型工具来实现。
[0016]在从属于其的从属权利要求中公开了有利的改进。
[0017]本专利技术涉及由于高成型力而在冷成型工艺中的特殊要求，特别是在超高强度钢的冷成型中。为了满足这些要求，根据本专利技术的冷成型工具设有多层硬质材料层，该多层硬质材料层由涂覆的氮化钛粘合层和沉积在其上的氮化铝钛和氮化铝铬层组成。通过这种特殊的多层结构，可以达到冷成型超高强度金属板的应用所需的整体涂层的强度和承载能力。
[0018]此外，由于氮化铝钛和氮化铝铬的交替层，可以通过整体涂层防止在超高强度金属板的冷成型过程中伴随高应变力观察到的裂纹扩展，其原因在于由于各层不同的微观结构，能在各个层之间的过渡处阻止裂纹。为了降低断裂扭矩，可以设置氮化钛或碳氮化钛的上层作为顶层。
[0019]在最初的德语描述中，术语“Schicht”、“Layer”和“Lage”作为同义语使用，指的是多层复合涂层的单个层。
[0020]本专利技术的重点是冷成型的机械和摩擦学要求，其中由于冷成型的应用，整个涂层和各个层的热硬度和抗氧化性可以忽略不计。氧化层非常硬且脆。在冷成型中，工具上的主要应力是由形成的巨大成型力和冷加工硬化产生的，因此较少使用优势在于其耐热性的氧化层，而是把重点放在耐磨的基于氮化物的多层涂层，其可以抑制裂纹扩展并增加机械负载能力。此外，在冷成型领域使用氧化层的可能性有限，因为用于该应用领域的Al2O3层的合成需要生成α
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Al2O3相，这仅可以在沉积温度>1000℃下、通过常规的PVD/CVD方法实现。由于较高的沉积温度以及伴随的工具热翘曲和硬度降低，同时由于近净成形(near
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net
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shape)技术的要求，这些工艺只能在有限的程度上用于涂覆冷成型工具。温度<800℃的γ
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Al2O3相涂层也只能在有限程度上用于冷成型，因为它无法获得可与其他氮化PVD系统相比的机械性能和耐磨性能。
[0021]根据本专利技术，改变了冷成型工具的表面，特别是用于成型超高强度钢的表面，其改进点在于所述表面施加了具有减小的摩擦系数的硬质材料层。其基本的思想是通过在工具表面上产生性能梯度来更好地抵抗局部应力。在这种情况下，所述表面例如具有更高的硬度，而工具基材确保所需的刚性。
[0022]特别地，根据本专利技术，PVD硬质材料层沉积在相应的工具上。
[0023]PVD涂层(物理气相沉积)的生成早已为人知晓并且尤其用于工具，特别是用于切削工具。
[0024]通常用于此类硬质材料层的方法是阴极电弧蒸发，也称为电弧PVD或电弧蒸发。该方法属于物理气相沉积(PVD)方法组，更准确地说，它是一种蒸发方法。
[0025]采用这种方法，能在阴极或待蒸发的材料上施加负电位；在真空室的室壁(其功能相当于阳极)和阴极表面之间产生电弧。阴极包含随后要沉积到例如工件(在这种情况下是工具)上的材料；例如，借助腔室中的相应气氛，等离子体相中的阴极材料也可以与相应的
气体(反应气体)反应，以产生相应的层。
[0026]在这种阴极电弧蒸发中，大部分蒸发的材料被电离，在此期间，在直视性工艺(a line
‑
of
‑
sight process)过程中，材料从阴极表面径向扩散。此外，负电位被施加到基材上，从而使电离的金属蒸气加速接近基材。蒸气凝结在基材表面上；由于基材处的高电离百分比和负偏压，可以将高动能引入生长层。通过这种方式，除其他外，能够影响诸如沉积层的层粘附性、密度、组成和微观结构的特性。
[0027]然而，众所周知的是，通常，氮化铝铬(AlCrN)和氮化铝钛(AlTiN)层只能在生长层中以高百分比的大粒子夹杂物(macropa本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造冷成型工具的方法，特别是制造用于冷成型超高强度钢的冷成型工具的方法，其中所述冷成型工具为成型工具套装的上工具和/或下工具，其中所述冷成型工具由金属材料(1)制成并具有成型面(6)，该成型面被设计为使成型的金属板具有所需的部件最终轮廓，其特征在于，通过物理气相沉积法在成型工具的成型面(6)上沉积硬质材料层，其中该硬质材料层由氮化钛粘合层(2)和沉积在其上的氮化铝钛(3)和氮化铝铬(4)交替层组成，其中氮化钛顶层(5)或碳氮化钛顶层作为最终层沉积成为朝向待成型工件定向的最外层表面。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为交替沉积层的第一层，首先将氮化铝钛层(3)沉积在氮化钛粘合层(2)上。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在沉积最终的氮化钛顶层(5)或碳氮化钛顶层之前，将五至二十组交替层沉积在氮化钛粘合层(2)上。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，氮化钛粘合层(2)的厚度为0.2微米至0.9微米，优选为0.4微米至0.7微米。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，氮化铝钛层(3)的厚度为0.1至0.5微米，优选为0.2至0.3微米。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，氮化铝铬层(4)的厚度为0.1至0.5微米，优选为0.2至0.3微米。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，最终的氮化钛顶层(5)或碳氮化钛顶层的厚度为0.2至0.5微米，优选为0.2至0.3微米。8.根据前述权利要求中...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：奥钢联艾弗勒涂层有限公司，
类型：发明
国别省市：