CH689696A5

CH689696A5 - Mit einem Ueberzug versehene Werkzeuge für das Umformen, insbesondere Walzen, Pressen und Ziehen.

Info

Publication number: CH689696A5
Application number: CH264294A
Authority: CH
Inventors: Johann Rechberger
Original assignee: Vilab Ag
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1999-08-31

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Werkzeuge gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist heute allgemein bekannt, und durch verschiedene Anwendungs- und Prozesspatente gezeigt, dass harte Schichten auf der Basis von Karbiden, Nitriden, Karbonitriden, Boriden, Siliziden und Oxiden der Gruppe III-VIII des periodischen Systems der Elemente verschleissfeste Eigenschaften besitzen. Diese Schichten weisen sehr hohe Härtewerte auf, die Werte von 1500 HV-4000 HV und mehr erreichen. Solche Schichten werden nach den heute weit entwickelten CVD-(Chemical Vapor Deposition) und PVD-(Physical Vapor Deposition) Verfahren aufgebracht.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist das Beschichten von Umformwerkzeugen aus Hartmetall, Schnellarbeitsstahl und Werkzeugstahl mit Hartstoffen, z.B. TiC, TiN, TiCN, CrN, VN usw. Damit können zum Teil wesentliche Standzeitverbesserungen erzielt werden.

Die Dicke der Schichten oder Schichtkombinationen liegen vorzugsweise zwischen 2-5 Mikrometer. Die Wirkung der Schicht wird sowohl auf die hohe Härte und Verschleissfestigkeit wie auch auf die verminderte Adhäsionsneigung zwischen Umformwerkstoff und Umformwerkzeug zurückgeführt.

Wegen der sehr hohen lokalen Pressungen bei gewissen Umformoperationen kann es durch die Zyklischen Belastungsspitzen zu oberflächlichen Materialermüdungserscheinungen am Werkzeug kommen. Dies kann zu Abplatzungen der spröden, harten Oberflächenschichten führen. Wird dagegen auf eine Oberflächenbeschichtung verzichtet, so kommt es zu Adhäsionsverschweissungen zwischen Werkzeug und Werkstück.

Ein Beispiel für eine solche Umformoperation ist das Profil-Kaltwalzen von Stahlblech für mechanische Antriebs- und Steuerungsteile in der Automobilindustrie.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, die frei von den genannten Nachteilen sind.

Bei der Suche nach neuen Schichten und Schichtkombinationen für diese Umformoperationen hat man das Suchfeld wesentlich erweitert und auch sehr weiche Festschmierstoffschichten in die Versuche einbezogen, die sich eindeutig von den Hartstoffschichten unterscheiden. Eine solche Schicht ist zum Beispiel Molybdändisulfid (MoS2).

Es wurde gefunden, dass Werkzeuge mit Beschichtungen gemäss der Kennzeichnung des Patentanspruchs 1 zum Umformen, wie Walzen, Pressen und Ziehen von Werkstoffen, geeignet sind. Ein typisches Beschichtungsmaterial ist Molybdändisulfid. Das Molybdändisulfid ist als Schmier- und Gleitstoff bekannt und wird als Schicht nach dem PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) abgeschieden. Das Hauptanwendungsgebiet heute liegt überall dort, wo Schmier- und Gleitstoffe benutzt werden müssen, aber keine öl- oder fetthaltigen Substanzen wegen der äusseren Bedingungen verwendet werden können. Solche äusseren Bedingungen sind zum Beispiel: Hohe Temperaturen, Vakuum oder Hochvakuum, Gegenwart von fettlösenden Lösungsmitteln, usw.

Molybdändisulfid ist ein sehr weicher Stoff (Mohs'sche Härte 1-2), weist einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf, in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen (Vakuum Reibungskoeffizient 0,01-0,04, trockene Luft 0,01-0,04, feuchte Luft 0,2-0,3 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50%). Die funktionelle Schichtdicke ist im Gegensatz zu den Hartstoffschichten sehr gering und beträgt weniger als 1 Mikrometer.

In einem Versuchsprogramm wurde das Verhalten von Molybdändisulfid-Schichten auf Kaltumform-Walzrollen untersucht. Als besonders günstig hat sich erwiesen, die Schichten mit einem "closed field unbalanced magnetron"-System abzuscheiden. Bei diesem PVD-Verfahren kann die Beschichtungstemperatur unter 200 DEG C gehalten werden. Die abgeschiedenen Schichten sind äusserst dicht und zeigen eine besonders gute Haftung auf dem Substrat. Auch kann mit diesem System die Schichtzusammensetzung optimal kontrolliert werden.

Beim Kaltwalzen mit Walzrollen, die mit Molybdändisulfid beschichtet waren, zeigten sich erstaunliche Resultate:

- Die Standzeit der Werkzeuge war mehr als 100mal höher als ohne Molybdändisulfid-Beschichtung.
- Durch die sehr dünn aufgetragene Beschichtung (unter 1 mu m Schichtdicke) muss gegenüber den unbeschichteten Walzrollen keine Toleranzanpassung vorgenommen werden.

Untenstehende Tabelle I gibt die Einzelheiten über die Versuchsergebnisse beim Kaltwalzen mit und ohne Molybdändisulfid-Beschichtung.
<tb><TABLE> Columns=3 Tabelle I:
Kaltwalzen von einem Zahnkranz
<tb>Head Col 1: Material:
<tb>Head Col 2: Stahlblech
<tb>Head Col 3: Werkzeug:
<tb>Head Col 2 to 3 AL=L: Walzrollen aus hochlegiertem Schnellstahl
(hochglanzpoliert)
<tb>Head Col 2 AL=L: Beschichtung
<tb>Head Col 4: Standzeit
<tb><SEP>ohne Beschichtung<SEP>< 10 Teile
<tb><SEP>mit Molybdändisulfid-
Beschichtung (SEP)<> 1000 Teile
<tb></TABLE>

Einsparungen ergaben sich vor allem durch das weniger häufige Werkzeugwechseln (Stillstandzeiten) und den viel geringeren Werkzeugverbrauch.

Claims

1. Werkzeuge für das Umformen, insbesondere zum Walzen, Pressen und Ziehen von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge mit einer Oberflächenschicht versehen sind, bestehend aus mindestens einem Element der Gruppe VI des periodischen Systems sowie aus mindestens einem Element der Nebengruppen V und VI des periodischen Systems.

2. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die genannte Oberflächenschicht mindestens ein Element beinhaltet, das ausgewählt ist aus der Gruppe Sauerstoff, Schwefel und Selen, sowie mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram.

3. Werkzeuge nach Patentanspruch 2, wobei die genannte Oberflächenschicht aus stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch zusammengesetzem Molybdändisulfid besteht.

4.

Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die Oberflächenschicht kein organisches oder anorganisches Bindemittel enthält.

5. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die Oberflächenschicht eine Schichtdicke von 0,01 bis 10 Mikrometer aufweist.

6. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die genannte Oberflächenschicht eine Schichtdicke von 1 mu m aufweist.

7. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei unter der genannten Oberflächenschicht eine harte funktionelle Schicht auf dem Werkzeug aufgebracht ist, die zur Gruppe der Karbide, Nitride, Karbonitride, Oxide oder des diamantähnlichen Kohlenstoffs gehört.

8. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die genannte Oberflächenschicht mit einem Rostschutz auf \lbasis bedeckt ist.

9. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die genannte Oberflächenschicht mit einem Schmiermittel auf \lbasis bedeckt ist.

10.

Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für das Umformen, inbesondere das Walzen, Pressen und Ziehen, von Werkstoffen durch Beschichten von Umformwerkzeugen, mit dem Physical Vapor-Deposition-Verfahren, wobei die Schicht mindestens ein Element der Gruppe VI des periodischen Systems und mindestens ein Element der Nebengruppen V und VI des periodischen Systems enthält.

11. Verfahren nach Patentanspruch 10, wobei die Schicht aus stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch zusammengesetztem Molybdändisulfid besteht.

12. Verfahren nach Patentanspruch 10, wobei auf das Werkzeug zuerst eine funktionelle, harte Oberflächenschicht aufgebracht wird, die zur Gruppe der Karbide, Nitride, Karbonitride, Oxide oder des diamantähnlichen Kohlenstoffs gehört.

13.

Verwendung eines Werkzeugs, das mit einer Beschichtung versehen ist, bestehend aus mindestens einem Element der Gruppe VI des periodischen Systems sowie aus mindestens einem Element der Nebengruppen V und VI des periodischen Systems zum Umformen, insbesondere das Walzen, Pressen und Ziehen von Werkstoffen.

14. Verwendung nach Patentanspruch 13 für das Umformen, insbesondere das Kaltwalzen, von Metallen und Legierungen aus Eisen, Kupfer, Aluminium, Edelmetall, Titan, rostfreiem Stahl und Nickel.