CN101549381B - 耐磨涂层金属板模具及制造耐磨涂层金属板成型模的方法 - Google Patents
耐磨涂层金属板模具及制造耐磨涂层金属板成型模的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种制造轮廓表面上具有物理气相沉积耐磨涂层的钢模的方法以及通过该方法制成的钢模。钢模经受淬火和回火以获得约40-45Rc范围的洛氏硬度,接着经过机械加工形成轮廓表面。然后表面经受耐磨涂层的物理气相沉积,该耐磨涂层可以是多层CrN,AlCrN,TiCrN,TiN,TiCN或TiAlN,最好是TiN-TiCN-TiN交替层。涂层施加足够厚以赋予钢模耐磨性。该钢模用于金属板冲压操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨涂层金属板模具及制造耐磨涂层金属板成型模的方法。
背景技术
金属板冲模的典型制造工艺为:将工具机械加工成大致尺寸、将模具淬火(quench)和回火(temper)处理成最终加工硬度(final working)(全干硬度(full hardness),典型地为55-64 Rc),然后将模具磨削或者机械加工成最终尺寸。由于工具的硬度高,淬火和回火之后的机械加工和磨削过程非常缓慢且成本较高。成本特别高的是需要在把工具放置在铣床(milling machine)或者平面磨床(surface grinder)上之前使工具的一个平面变得平坦的手工操作磨削过程。在缓和的条件下成品处理的机械加工是不可能的,原因在于热处理过程中发生的冶金学变化(metallurgicaltransformations)导致工具尺寸的变化。工具经淬火和回火处理到高的洛氏硬度(Rockwell hardness)出于两点原因。第一,表面硬度靠耐磨性提高了工具的寿命。第二,使金属板成型时,工具横截面的硬度抵抗了工具的塑性形变。
需要降低制造金属板件用的钢模的制造时间及成本。
而且还需要创造用于金属冲压操作的廉价钢模。
通过阅读以下说明和权利要求可以理解本发明的这些和其它目的。
发明内容
在一个实施例中,本发明涉及一种制造具有顶部构件和底部构件的金属板冲模的方法。该方法可以包含
(a)在足够的温度下对钢模淬火和回火,以赋予钢模约35-50Rc范围的最终硬度以及约1200-2000MPa范围的抗压强度;
(b)机械加工钢模以获得所需的最终尺寸和轮廓表面;
(c)通过物理气相沉积向所述轮廓表面施加至少一层耐磨涂层,以赋予所述轮廓表面耐磨性。
耐磨涂层可以选自由CrN,AlCrN,TiCrN,TiN,TiCN和TiAlN所组成的群组,在另一实施例中,可以由多层交替的TiN-TiCN-TiN层组成。耐磨涂层最好通过物理气相沉积施加,可以通过选自溅射、反应溅射、离子电镀和等离子喷涂的技术施加。多层或单层的涂层在用作多层时最好具有约5至约10微米的厚度,在用单一材料作为耐磨层时最好具有约3至约8微米的厚度。
在另一实施例中,本发明可以涉及一种用于金属板冲压操作的具有顶部构件和底部构件的模具,其包含至少一个硬度约为40-45Rc并且抗压强度为约500-1750MPa范围的回火和淬火过的钢模工具。模具构件表面中的至少一个表面在淬火和回火之后被机械加工成所需的最终尺寸表面,以呈现轮廓表面。轮廓表面可以通过物理气相沉积用足够厚的耐磨涂层涂覆,以赋予所述轮廓表面耐磨性。较佳地,耐磨涂层是通过物理气相沉积施加的至少一层,并且可以选自CrN,AlCrN,TiCrN,TiN,TiCN和TiAlN。较佳地,涂层为多层耐磨材料,包含交替的TiN-TiCN-TiN层。涂层可以通过选自溅射、反应溅射、离子电镀和等离子喷涂的技术施加。每层具有约0.1微米至约5微米的厚度,总的耐磨层具有约5微米至约10微米的厚度。钢模在1500MPa时能抵抗塑性形变。
在另一实施例中,本发明为包含顶部构件和底部构件的钢模,每个构件都具有互补的表面。每个模具构件可以承受回火、淬火和机械加工以形成轮廓,至少一个轮廓通过物理气相沉积用足够厚的耐磨材料涂覆,以赋予所述表面轮廓耐磨性。
附图说明
图1为钢模的侧视图,显示顶部构件、底部构件以及各构件中的互补的表面轮廓。
图2为钢模中的一个构件的侧剖视图,显示通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition)加在其上的耐磨涂层的轮廓和各层。
图3为处理过的钢模的一部分的显微照片,显示氮渗透的深度。
图4为流程图,表示制造本发明的钢模的一种方法。
具体实施方式
现参看附图,附图中相同的数字代表相同的结构,具体到图1,其中表示了分别具有顶部构件12、底部构件14、最好有互补的表面轮廓17和16的钢模10。钢模构件最好在足够的温度下淬火和回火,以使构件具有约40至45Rc范围的洛氏硬度以及约1500至1750MPa的抗压强度。最好在经受淬火和回火之后将轮廓裁切成钢模,因为40至45Rc硬度范围的钢仍然可以经济并容易地机械加工。
现参照图2,其中表示了模构件14的侧剖视图,表示了沉积在轮廓表面16上的涂层23。具体说,涂层23为可以通过物理气相沉积22以单涂层或以多涂层18和20施加在表面轮廓上、赋予表面轮廓耐磨性的耐磨材料或一系列耐磨材料。尽管只讨论了一个表面轮廓,但对所属技术领域的技术人员来说,两个表面轮廓都可以用公知的耐磨材料进行涂覆是显而易见的。具体说,构件14最好由选自由CrN,AlCrN,TiCrN,TiN,TiCN和TiAlN所组成的群组的多层耐磨材料涂覆在表面轮廓上以赋予表面轮廓耐磨性。最佳地,表面涂层可以包含多层交替的TiN-TiCN-TiN涂层。单一涂层施加到足够的厚度,以形成具有从约3微米到约8微米厚度范围的的一层。当施加多层时,总层可以具有约5微米至约10微米的厚度,各个涂层可以具有约0.1微米至约5微米的厚度。涂层最好通过物理气相沉积技术施加,例如所属技术领域的技术人员所公知的溅射、反应溅射、离子电镀和等离子喷涂。尽管这里只公开了几种确定的物理气相沉积技 术,但是应该理解,任何物理气相沉积技术都可以用于将涂覆层沉积到表面轮廓上。所选择的技术必须赋予涂层对轮廓表面足够的附着力以防止模具在使用过程中涂层剥落。
图3为处理过的钢模具的一部分的显微照片,显示氮渗透到钢模中的深度。在施加涂层之前氮化表面有利于保证涂层对表面的适当附着力,以减少或排除涂层的剥落。氮化穿透基材的表面,在这里基材就是模具,生成一种比未氮化的钢模具硬度和刚性都大的外壳。氮化以及之后以物理气相沉积层进行的表面涂覆通常称为复合表面处理(duplex surfacetreatment),是用于制作根据本发明的工具的较佳实施方式。可以看到氮渗透25到约140微米的深度转变回钢,这样以来在约200微米以下就没有能察觉得到的氮渗透。典型地,氮化了的基材具有深度约为0.1至约0.25毫米的外壳。
图4为制造本发明的钢模的一种方法24的示意性流程图。具体说,在步骤26中,从来源接收至少一个已经淬火和回火至约40到45Rc洛氏硬度范围的钢模。该洛氏硬度范围的钢可以容易地就地机械加工,所以在步骤28中,将钢模机械加工成所需的最终尺寸并形成轮廓表面。步骤29是将钢模氮化到足以容许耐磨涂层通过物理气相沉积技术附着的深度。典型地,如图3所见,氮穿透钢表面到达约200微米的深度。一旦该步骤完成,钢模就可以经受步骤30物理气相沉积技术,施加足够厚的耐磨材料涂层,以抵抗模具使用过程中的磨损。具体说,物理气相沉积技术可以是如上所公开的,或者可以是任何其他可以将涂层以足够的附着力施加到表面上、以防止模具在使用过程中涂层剥落的物理气相沉积技术。
如此制造的模具可以用于金属板冲压操作或任何其他需要使金属承受压力以制成最终成型金属制品的操作中。
所属技术领域的技术人员应该认识到,本说明书中使用的词语为说明性词语,而非限制性词语。可以做出多种变化和修改而不脱离权利要求所限定的本发明的范围和思想。
Claims (9)
1.一种制造具有顶部构件和底部构件的金属板冲模的方法,包含:
(a)在足够的温度下对钢模淬火和回火,以赋予钢模35-50Rc范围的最终硬度以及1200-2000MPa范围的抗压强度;
(b)机械加工钢模以获得所需的最终尺寸和轮廓表面;
(c)通过物理气相沉积向所述轮廓表面施加至少一层耐磨涂层,以赋予所述轮廓表面耐磨性,其中,所述耐磨涂层由多层交替的TiN-TiCN-TiN层组成。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述耐磨涂层通过选自溅射、反应溅射、离子电镀和等离子喷涂的技术施加。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述耐磨涂层具有5微米至10微米的厚度。
4.一种用于金属板冲压操作的具有顶部构件和底部构件的模具,包含至少一个硬度为40-45Rc并且抗压强度为1500-1750MPa范围的淬火和回火过的钢模工具;模具构件中的至少一个表面在淬火和回火之后被机械加工成所需的最终尺寸表面,以呈现轮廓表面;所述轮廓表面通过物理气相沉积用足够厚的耐磨涂层涂覆,以赋予所述轮廓表面耐磨性,其中,所述耐磨涂层由多层交替的TiN-TiCN-TiN层组成。
5.根据权利要求4所述的模具,其特征在于,所述耐磨涂层中的每一层具有0.1微米至5微米的厚度;所述耐磨涂层具有5微米至10微米的厚度。
6.根据权利要求4所述的模具,其特征在于,所述模具在1500MPa时能抵抗塑性形变。
7.根据权利要求4所述的模具,其特征在于,所述耐磨涂层通过选自溅射、反应溅射、离子电镀和等离子喷涂的技术施加。
8.根据权利要求4所述的模具,其特征在于,所述模具包含顶部构件和底部构件,所述顶部构件和底部构件的每个都具有互补的表面轮廓;所述顶部构件和底部构件的每个都承受回火、淬火和机械加工;至少一个所述表面轮廓承受氮化并通过物理气相沉积用足够厚的耐磨材料涂覆,以赋予所述表面轮廓耐磨性。
9.根据权利要求4所述的模具,其特征在于,所述多层具有5微米至10微米的厚度。
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