CH689696A5 - Shaping tool especially for metal rolling, pressing or drawing e.g. cold rolling of sheet steel profiles - Google Patents

Shaping tool especially for metal rolling, pressing or drawing e.g. cold rolling of sheet steel profiles Download PDF

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CH689696A5
CH689696A5 CH264294A CH264294A CH689696A5 CH 689696 A5 CH689696 A5 CH 689696A5 CH 264294 A CH264294 A CH 264294A CH 264294 A CH264294 A CH 264294A CH 689696 A5 CH689696 A5 CH 689696A5
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CH
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CH264294A
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Johann Rechberger
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Vilab Ag
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Abstract

A shaping tool, having a surface layer consisting of one or more group six elements and one or more sub-group five and/or six elements, is new. An Independent claim is also included for production of the above shaping tool, in which the layer is applied by PVD. Preferred Features: The layer comprises stoichiometric or non-stoichiometric molybdenum disulfide applied onto a hard functional layer.

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. 



  
 



  The present invention relates to tools according to the preamble of claim 1.



  It is generally known today and has been shown by various application and process patents that hard layers based on carbides, nitrides, carbonitrides, borides, silicides and oxides of group III-VIII of the periodic system of the elements have wear-resistant properties. These layers have very high hardness values that reach values of 1500 HV-4000 HV and more. Such layers are applied using the CVD (Chemical Vapor Deposition) and PVD (Physical Vapor Deposition) processes, which are well developed today.



  An important area of application is the coating of forming tools made of hard metal, high-speed steel and tool steel with hard materials, e.g. TiC, TiN, TiCN, CrN, VN etc. In this way, significant improvements in tool life can be achieved.



  The thickness of the layers or layer combinations are preferably between 2-5 micrometers. The effect of the layer is attributed to the high hardness and wear resistance as well as the reduced tendency to adhesion between the forming material and the forming tool.



  Due to the very high local pressures during certain forming operations, the cyclical load peaks can cause surface fatigue on the tool. This can lead to flaking of the brittle, hard surface layers. If, on the other hand, a surface coating is not used, there is an adhesion weld between the tool and the workpiece.



  An example of such a forming operation is the profile cold rolling of sheet steel for mechanical drive and control parts in the automotive industry.



  It is an object of the present invention to provide tools which are free from the disadvantages mentioned.



  When searching for new layers and layer combinations for these forming operations, the search field was expanded significantly and very soft solid lubricant layers were also included in the tests, which clearly differ from the hard material layers. Such a layer is, for example, molybdenum disulfide (MoS2).



  It has been found that tools with coatings according to the characterizing part of claim 1 are suitable for forming, such as rolling, pressing and drawing of materials. A typical coating material is molybdenum disulfide. Molybdenum disulfide is known as a lubricant and lubricant and is deposited as a layer using the PVD (Physical Vapor Deposition) process. The main area of application today is wherever lubricants and lubricants have to be used, but no oil or fat-containing substances can be used due to the external conditions. Such external conditions are, for example: high temperatures, vacuum or high vacuum, presence of fat-dissolving solvents, etc.



  Molybdenum disulfide is a very soft material (Mohs hardness 1-2), has a very low coefficient of friction, depending on the ambient conditions (vacuum coefficient of friction 0.01-0.04, dry air 0.01-0.04, moist air 0.2-0.3 at a relative humidity of 50%). In contrast to the hard material layers, the functional layer thickness is very small and is less than 1 micrometer.



  The behavior of molybdenum disulfide layers on cold-formed roll rolls was investigated in a test program. It has proven particularly favorable to deposit the layers using a "closed field unbalanced magnetron" system. With this PVD process the coating temperature can be kept below 200 ° C. The deposited layers are extremely dense and show particularly good adhesion to the substrate. The layer composition can also be optimally controlled with this system.



  When cold rolling with rolls that were coated with molybdenum disulfide, amazing results were shown:
 
 - The service life of the tools was more than 100 times longer than without a molybdenum disulfide coating.
 - Due to the very thinly applied coating (less than 1 µm layer thickness) there is no need to adjust the tolerance compared to the uncoated roller.



  Table I below gives details of the test results in cold rolling with and without molybdenum disulfide coating.
<tb> <TABLE> Columns = 3 Table I:
 Cold rolling from a ring gear
<tb> Head Col 1: Material:
<tb> Head Col 2: sheet steel
<tb> Head Col 3: Tool:
<tb> Head Col 2 to 3 AL = L: Rolling rollers made of high-alloy high-speed steel
 (highly polished)
<tb> Head Col 2 AL = L: coating
<tb> Head Col 4: service life
<tb> <SEP> without coating <SEP> <10 parts
<tb> <SEP> with molybdenum disulfide
 Coating (SEP) <> 1000 parts
<tb> </TABLE>



  Savings resulted primarily from the less frequent tool changes (downtimes) and the much lower tool consumption.

Claims (14)

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.     1. Tools for forming, in particular for rolling, pressing and drawing materials, characterized in that the tools are provided with a surface layer consisting of at least one element from group VI of the periodic system and from at least one element from subgroups V and VI of the periodic system. 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. 2. Tools according to claim 1, wherein said surface layer contains at least one element selected from the group consisting of oxygen, sulfur and selenium, and at least one element selected from the group consisting of vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and tungsten. 3. Werkzeuge nach Patentanspruch 2, wobei die genannte Oberflächenschicht aus stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch zusammengesetzem Molybdändisulfid besteht. 3. Tools according to claim 2, wherein said surface layer consists of stoichiometric or non-stoichiometric molybdenum disulfide. 4. 4th Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die Oberflächenschicht kein organisches oder anorganisches Bindemittel enthält.  Tools according to claim 1, wherein the surface layer contains no organic or inorganic binder. 5. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die Oberflächenschicht eine Schichtdicke von 0,01 bis 10 Mikrometer aufweist. 5. Tools according to claim 1, wherein the surface layer has a layer thickness of 0.01 to 10 microns. 6. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die genannte Oberflächenschicht eine Schichtdicke von 1 mu m aufweist. 6. Tools according to claim 1, wherein said surface layer has a layer thickness of 1 µm. 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. 7. Tools according to claim 1, wherein a hard functional layer is applied to the tool under the said surface layer, which belongs to the group of carbides, nitrides, carbonitrides, oxides or diamond-like carbon. 8. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die genannte Oberflächenschicht mit einem Rostschutz auf \lbasis bedeckt ist. 8. Tools according to claim 1, wherein said surface layer is covered with a rust protection based on oil. 9. Werkzeuge nach Patentanspruch 1, wobei die genannte Oberflächenschicht mit einem Schmiermittel auf \lbasis bedeckt ist. 9. Tools according to claim 1, wherein said surface layer is covered with a lubricant based on oil. 10. 10th 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.  Method for producing a tool for forming, in particular rolling, pressing and drawing, of materials by coating forming tools with the physical vapor deposition method, the layer comprising at least one element from group VI of the periodic system and at least one element from Subgroups V and VI of the periodic table contains. 11. Verfahren nach Patentanspruch 10, wobei die Schicht aus stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch zusammengesetztem Molybdändisulfid besteht. 11. The method according to claim 10, wherein the layer consists of stoichiometric or non-stoichiometric composite molybdenum disulfide. 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. 12. The method according to claim 10, wherein a functional, hard surface layer is first applied to the tool, which belongs to the group of carbides, nitrides, carbonitrides, oxides or diamond-like carbon. 13. 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.  Use of a tool which is provided with a coating, consisting of at least one element from group VI of the periodic system and from at least one element from subgroups V and VI of the periodic system for forming, in particular the rolling, pressing and drawing of materials. 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. 14. Use according to claim 13 for forming, in particular cold rolling, of metals and alloys made of iron, copper, aluminum, precious metal, titanium, stainless steel and nickel.  
CH264294A 1994-08-30 1994-08-30 Shaping tool especially for metal rolling, pressing or drawing e.g. cold rolling of sheet steel profiles CH689696A5 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000033989A1 (en) * 1998-12-10 2000-06-15 Honda Of America Mfg., Inc. Application of dry lubricant to forming dies and forming dies that operate with high force

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