CN101254515A - 冲压模具及冲压模具的制造方法 - Google Patents

冲压模具及冲压模具的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的冲压模具，是用于对冲压用材料进行冲压加工的冲压模具，其进行冲压加工时与冲压用材料接触的部分，形成有通过PVD法形成的镀膜，所述镀膜包括：形成在模具母材表面的TiN层；形成在所述TiN层表面的Ti(CxNy)层，其中，x+y＝1、x＜1，随着远离所述TiN层表面，x的值逐渐增大以接近1；形成在所述Ti(CxNy)层表面的TiC层。采用本发明，冲压模具能够形成硬度、附着性、平滑性及凸缘拉拔特性均优异且耐久性高的镀膜。并且，由于所述镀膜通过PVD法形成，因而无须在镀膜形成后进行模具的修正等。因此，在降低制作成本方面也很优异。

Description

冲压模具及冲压模具的制造方法
技术领域
本发明涉及一种冲压模具，其可适用于高张力钢板等高强度钢板的冲压加工。
背景技术
近几年，在汽车制造领域中，以提高安全性和实现车身轻量化为目的而使用高张力钢板。
由于高张力钢板具有高拉力、高强度，因而与自以往使用的普通钢板相比，在进行冲压加工时要施予较大的压力。因此，高张力钢板的冲压加工中，施加给冲压模具的压力明显增大，从而导致模具容易磨损。由此，存在着模具寿命短的问题。
作为抑制上述那样的模具磨损的方法，已知有例如通过在模具母材表面形成TiC(碳化钛)镀膜、TiCN(碳氮化钛)镀膜等硬质镀膜来提高模具表面硬度的方法(例如，参见日本专利公开公报特开平6-145960号)。
作为形成所述TiC镀膜等硬质薄膜的方法，已知有CVD法(化学气相沉积法(ChemicalVapor Deposition))和PVD法(PVD法(Physical Vapor Deposition))。
一般而言，通过CVD法形成的镀膜的附着性，比通过PVD法形成的镀膜的附着性强。因此，在形成与基底材料之间附着性不够强的TiC镀膜时，自以往采用CVD法。
然而，通过CVD法形成镀膜时，必须以约1000℃的温度进行镀膜处理。所以，存在着在进行镀膜处理时导致模具母材产生变形等问题。因此，由CVD法形成镀膜的模具，在进行镀膜处理后，须通过修正模具尺寸才可使用。
另一方面，通过PVD法形成镀膜时，由于可在比高速钢的回火温度或模具钢的高温回火温度更低的500℃以下这样的温度下进行镀膜处理，因此，模具母材的变形小。因此，通过PVD法形成镀膜的模具，具有在进行镀膜处理后无须修正模具尺寸便可直接使用这样的优点。但是，通过PVD法形成的TiC镀膜，由于附着性不够强，因而镀膜容易剥离。因此存在着耐久性不够的问题。另外，作为通过PVD法形成的硬质镀膜，还已知有附着性比TiC镀膜更好的TiCN镀膜，不过，虽然TiCN镀膜的附着性比TiC镀膜优越，但由于其平滑性低，因此存在着容易磨损的问题。
作为综合评价冲压模具表面所形成的镀膜的耐久性、平滑性等镀膜特性的方法，已知有对在后述实施例中详细说明的凸缘拉拔特性进行评价的方法。
如图4所示，凸缘拉拔特性，是将钢板夹在凸模30和凹膜31之间，逐渐推压凸模30和凹膜31来进行冲压，在冲压过程中以规定速度拉拔钢板，根据钢板破裂时的推压负荷P及拉拔负荷F来进行评价的特性。通过此特性，可判断形成在模具表面的镀膜的耐久性、平滑性等。具体而言，可以说，冲压时的推压负荷P及拉拔负荷F越大，镀膜的平滑性越好，耐久性也越好。
以往已知的由PVD法形成的硬质镀膜的冲压模具中，存在着凸缘拉拔特性低这一问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种由PVD法形成硬质镀膜的、能够适用于高张力钢板等各种钢板的冲压加工且镀膜的硬度、附着性、平滑性及凸缘拉拔特性均优异的冲压模具。
本发明的冲压模具，为用于对冲压用材料进行冲压加工的冲压模具，其特征在于，其进行冲压加工时与冲压用材料接触的部分，形成有通过PVD法形成的镀膜，所述镀膜包括：形成在模具母材表面的TiN层；形成在所述TiN层表面的Ti(CxNy)层，其中，x+y＝1、x＜1，随着远离所述TiN层表面，x的值逐渐增大以接近1；形成在所述Ti(CxNy)层表面的TiC层。采用本发明，由于由PVD法形成镀膜的冲压模具与冲压用材料接触的表面上，形成有从模具母材的表面侧开始，由TiN层、碳浓度逐渐增加的TiCN层、及TiC层所构成的镀膜，因此，冲压模具能够形成硬度、附着性、平滑性及凸缘拉拔特性均优异且耐久性高的镀膜。并且，由于所述镀膜通过PVD法形成，因而无须在镀膜形成后进行模具的修正等。因此，在降低制造成本方面也很优异。
本发明的目的、特征、技术方案及优点，通过以下的详细说明及附图，将更为明确。
附图说明
图1是一个剖面模式图，其表示涉及本发明实施方式的冲压模具上所形成的镀膜层的结构。
图2是在实施方式中使用的离子镀膜(ion plating)装置的概念图。
图3是凸缘拉拔特性的试验模具的形状的概略说明图。
图4是凸缘拉拔特性的评价方法的概略说明图。
图5是在实施例中所获得的形成在冲压模具上的镀膜的显微镜照片。
图6是在对比例中所获得的形成在冲压模具上的镀膜的显微镜照片。
具体实施方式
以下，通过实施方式对本发明进行更详细的说明。不过，本发明的范围，不受以下的实施方式的任何限制。
图1是一个剖面模式图，其表示本实施方式的冲压模具上所形成的镀膜层的结构。
图1模式地表示了在模具母材1表面上形成镀膜2而构成的冲压模具5。镀膜2是通过PVD法形成的硬质薄膜，其包括形成在模具母材1表面的TiN层2a、形成在TiN层2a表面的Ti(CxNy)层2b(其中，x+y＝1、x＜1，随着远离所述TiN层表面，x的值逐渐增大以接近1)、以及形成在Ti(CxNy)层2b表面的TiC层2c。冲压模具5中，由于TiN层2a及Ti(CxNy)层2b介于模具母材1的表面与TiC层2c之间，因此，与在模具母材1的表面上直接形成由TiC构成的镀膜时相比，可显著提高附着性。因此，即使通过PVD法形成了在最表面具有TiC层的镀膜，所形成的镀膜也能够确保充分的附着强度。
作为模具母材1的材质，可采用自以往使用的各种材料，没有特别的限制。作为其具体例，例如有，日本工业规格(JIS)(下同)的SKD11、SKD61等模具钢，SKH51等高速钢，SK5、SKS3等各种工具钢，超硬材料，或者SUS440C、SUS420J2、SUS304等不锈钢材料等。这些材料中，SKD11等模具钢或SKH51等高速钢的支撑力高，耐磨性优异，因此作为模具母材较为理想。
作为模具母材1形成镀膜2的表面的表面粗糙度，以Ra＝0.1μm以下较为理想。在模具母材表面形成镀膜时，若表面粗糙度在所述范围内，则平滑性特别好。这是由于通过PVD法形成镀膜时，可获得既细密且平滑性高的镀膜，使得模具母材表面的形状容易反映到镀膜上。
镀膜2包括：形成在模具母材1表面的TiN层2a、形成在TiN层2a表面且随着远离TiN层2a表面碳浓度逐渐增大的Ti(CxNy)层2b、以及形成在Ti(CxNy)层2b表面的TiC层2c。
这样，通过在模具母材1的表面上形成与模具母材1之间附着性良好的TiN层2a，在TiN层2a表面上形成通过将氮原子逐渐调换成碳从而使碳浓度逐渐增大的Ti(CxNy)层2b，在最表层形成硬度及平滑性均优异的TiC层2c，从而形成硬度、附着性、平滑性及凸缘拉拔特性均优异的镀膜2。
镀膜2的厚度没有特别限制，不过，为维持镀膜的内部应力平衡，确保尽量高的附着性起见，该厚度为5μm以下，甚至4μm以下较为理想。另外，为保持尽量高的镀膜2的附着性起见，TiN层2a和Ti(CxNy)层2b的合计厚度为2～4μm左右，甚至3μm左右较为理想。另外，TiC层2c的镀膜厚度也没有特别限制，不过，厚度为1μm以上较为理想。此外，因制造条件或镀膜厚度等的不同，各层之间的界线有时难以明确地确定。
形成在模具母材1的镀膜2，由例如电弧离子镀膜法(arc ion plating method)等离子镀膜法(ion plating method)、磁控溅射法(magnetron sputtering method)等反应磁控溅射法(reactive sputtering method)等的物理沉积法(PVD法)等所形成。在这些方法中，由下面详细叙述的电弧离子镀膜法所形成的镀膜较为理想，因为采用该方法即使在大型的冲压模具中也能够获得维持高附着性的镀膜。
根据图2，对通过电弧离子镀膜法形成镀膜的方法的一个例子进行说明。
图2表示采用电弧离子镀膜法的电弧式真空镀膜装置的一个例子。
图2中，标记符号10为真空腔、11为旋转台、12a为气体导入口、12b为气体排出口、13及14为钛蒸发源、13a及14a为电弧电源、15为偏压电源、16为阳极。
首先，将模具母材1载置于真空腔10内的旋转台11上。接着，将真空腔10内的温度提升至250～550℃，并将真空腔10内的压力减至10-2～10-3Pa左右，然后从气体导入口12a导入氩气(Ar)。为提高镀膜的附着性，模具母材1的温度被加热至400～500℃左右较为理想。接着，通过对模具母材1施加偏压来使Ar离子轰击模具母材1，使模具母材1表面活化。
然后，利用电弧电源13a、14a产生电弧放电，使钛蒸发源13、14的钛蒸发。同时，通过气体导入口12a供给作为氮源的例如氮气。然后，在通过电弧放电所产生的等离子体中，使氮及钛离子化，并通过偏压加速离子运动，从而使离子化物质附着在模具母材1表面上，形成TiN膜。其次，通过从气体导入口12供给作为碳源的碳氢气体，形成TiCN层。此时，逐渐地减少氮气的供给量，增加碳氢气体的供给量。最后，停止氮气的供给，仅供给碳氢气体。这样，作为供给到装置内的原料气体，通过在开始时供给多量的氮气，之后渐渐将氮气转换为碳氢气体，在模具母材表面上形成TiN膜，其次形成镀膜中氮量逐渐减少而碳量逐渐增多的Ti(CxNy)层，最后形成位于最外层的TiC层。这样，通过将附着性优异的TiN层直接形成在模具表面上，并且渐渐将氮转换为碳以使镀层厚度方向的成分发生变化，在镀层表面形成平滑性和耐磨性均优异的TiC层，从而能够在模具表面上形成耐久性优异的硬质镀膜。
为提高镀膜的耐磨性起见，作为形成有上述那样的镀膜的冲压模具的表面硬度(维氏硬度：Vickers hardness)，以3000～4000HV左右较为理想。
形成有这种镀膜的冲压模具，凸缘拉拔特性优异。因此，这种冲压模具能够适用于高张力钢板那样的各种钢板的压力加工。
以下，通过实施例进一步具体说明本发明。不过，本发明不受此实施例的任何限制。实施例
首先，制作一套由SKD11模具钢制成的凸模母材30a和凹膜母材31a的模具组合，该套模具的形状及尺寸如图3所示，其表面被镜面抛光至表面粗糙度Ra＝0.05μm左右。
然后，利用图2所示的电弧式真空镀膜装置，通过电弧离子镀膜法，在凸模母材30a及凹膜母材31a的表面上形成镀膜。
作为镀膜的形成过程，首先，将凸模母材30a及凹膜母材31a载置于旋转台11上。接着，将真空腔10内的气压减至3×10-3Pa。凸模母材30a和凹膜母材31a各自的温度，通过未图示的加热器，控制在450℃。其次，通过从气体导入口12a供给Ar气体，以及从排出口排气来将腔内气压维持在2.7Pa。
接着，在停止Ar气体的供给后，以3000mL/min的流量供给氮气7分种。此时，腔内气压仍维持在2.7Pa。同时，对钛蒸发源13及14进行电弧放电来使钛蒸发。在通过电弧放电产生的等离子体中，氮及钛被离子化，并且，通过对凸模母材30a及凹膜母材31a施加偏压，离子被加速，在各模具母材的表面上形成TiN层。
其次，在氮气和甲烷气的供给量方面上，一边通过逐渐减少氮气的供给量，增加甲烷气的供给量来进行控制，一边在腔内气压维持在2.7Pa的状态下供给氮气和甲烷气20分钟。最后，停止氮气的供给，仅供给甲烷气，供给时间为20分种。
通过上述那样的方法，在凸模母材30a和凹膜母材31a的各表面上均形成了厚约1μm的TiN层，在所述TiN层的表面上形成了厚约2μm的Ti(CxNy)层，在所述Ti(CxNy)层的表面上形成了厚约1μm的TiC层。
上述各镀层的厚度，利用了膜厚精密测量仪(简便式膜厚精密测量仪CALOTEST，CSEM公司制造)进行测定，该测量仪，通过球形试验器产生研磨痕，利用光学显微镜测量该研磨痕的指定部分之长度，计算出各镀膜厚度。图5表示测定时所获得的显微镜照片。
此外，对通过上述方法形成有镀膜的凸模30及凹膜31的表面的显微维氏硬度(microVickers hardness)、附着性及凸缘拉拔特性进行了评价。其中，附着性，根据划痕测量值进行评价，该划痕测量值通过CSEM公司制造的划痕试验仪(Automatic Scratch TesterREVETEST)获得。另外，凸缘拉拔特性通过以下的方法进行了评价。
凸缘拉拔特性
如图4所示，将钢板40夹在表面形成有镀膜的凸模30和凹膜31之间，该钢板40由尺寸为20×300×1.4mm的高张力钢材CR980Y(100k级高张力)所形成。接着，将夹住钢板40的由凸模30和凹膜31所构成的冲压模具设置于小型冲压机。然后，在由小型冲压机对凸模30及凹膜31慢慢加压的过程中，以固定速度(500mm/min)拉拔被夹住的钢板40的一端。并且，测量钢板40破裂时的拉拔负荷F和小型冲压机的推压负荷P。
另外，根据拉拔初期及钢板破裂时的拉拔负荷F及推压负荷P，由算式“摩擦系数μ＝拉拔负荷F/加压负荷P”，算出了摩擦系数。
其结果，见表1。
对比例
本对比例中，至停止Ar气体供给为止所进行的工序与实施例相同，停止Ar气体的供给后，在腔内气压维持在2.7Pa的状态下仅供给氮气，供给时间为15分钟。此后，供给甲烷气并使甲烷气的流量线性地增加，以在经过90分钟后使氮气和甲烷气的流量比成为1∶1。此期间，腔内气压维持在2.7Pa。接着，使甲烷气的流量线性地增加，以10分钟时间，将氮气和甲烷气的流量比变为1∶2，将腔内气压变为1.3Pa，然后，维持氮气和甲烷气的流量比1∶2、腔内气压1.3Pa的状态，进行10分钟的供给。并且，上述工序中，同时地对钛蒸发源13及14进行电弧放电来使钛蒸发。通过电弧放电产生的等离子体中，氮、碳、钛均被离子化，并且，通过施加给凸模母材30a及凹膜母材31a的偏压，离子被加速，从而形成了在最表面具有Ti(CxNy)层的镀膜。
通过上述那样的方法，在凸模母材30a及凹膜母材31a的各表面上均形成了由TiN层和Ti(CxNy)层构成的厚约4μm的镀膜。图6表示所形成的镀膜的球形试验器研磨痕的显微镜照片。
此外，对所获得的冲压模具的显微维氏硬度、附着性以及凸缘拉拔特性进行了评价。
其结果，见表1。
表1
Figure A20071019593100081
通过PVD法形成了在最表面具有Ti(CxNy)层的镀膜的比较例的冲压模具的显微维氏硬度为2070N，与此相比，涉及本发明实施例的冲压模具的显微维氏硬度为3709N，由此可知，采用本发明的冲压模具，其表面上所形成的镀膜硬度高。另外，通过划痕试验所得的对比例的模具的附着性为29.3N，与此相比，实施例的冲压模具的附着性为54.5N，由此可知，采用本发明的冲压模具，其表面上所形成的镀膜的附着性优异。
此外，在凸缘拉拔特性评价方面，对比例的拉拔负荷为26kN，而实施例中的拉拔负荷相对更高，为30kN，另外，对比例的推压负荷为6kN，而实施例中的推压负荷相对更高，为23kN，由此可知，采用本发明的冲压模具，其表面上所形成的镀膜的凸缘拉拔特性优异。另外，在凸缘拉拔特性评价中所测得的本实施例的冲压模具的初始摩擦系数及破裂时摩擦系数均小于对比例的冲压模具的这些系数，由此可知，实施例的冲压模具的平滑性优异。

Claims (4)

1.一种冲压模具，用于对冲压用材料进行冲压加工，其特征在于，
其进行冲压加工时与冲压用材料接触的部分，形成有通过物理气相沉积法形成的镀膜，
所述镀膜包括：形成在模具母材表面的TiN层；形成在所述TiN层表面的Ti(CxNy)层，其中，x+y＝1、x＜1，随着远离所述TiN层表面，x的值逐渐增大以接近1；形成在所述Ti(CxNy)层表面的TiC层。
2.根据权利要求1所述的冲压模具，其特征在于，
所述物理气相沉积法为电弧离子镀膜法。
3.根据权利要求1所述的冲压模具，其特征在于，
所述镀膜的厚度为5μm以下。
4.一种冲压模具的制造方法，在所述模具表面形成硬质镀膜，其特征在于，
包括：
形成TiN膜的步骤，通过向载置有模具母材和钛蒸发源的真空腔内供给氮气，对所述钛蒸发源进行电弧放电，使钛蒸发，产生等离子体，并通过偏压使基于所述等离子体而被离子化的氮离子及钛离子加速运动，使氮离子及钛离子附着到所述模具母材表面，来形成TiN层；
形成TiCN膜的步骤，通过逐渐减少所述氮气的供给量，同时通过在供给碳氢气体的过程中逐渐增加该碳氢气体的供给量，来形成TiCN层；
形成TiC膜的步骤，通过停止所述氮气的供给，仅供给所述碳氢气体，来形成TiC层。
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