CN103572289A - 多层的模具涂层 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种多层的工具件涂层。例如，工具件可以是用于形成超高强度钢板的模具或冲模。多层的模具涂层可以包括CrN或Ti(C)N接合层、第一TiAlN/CrN纳米多层、和第二TiAlCN/CrCN纳米多层。CrN或Ti(C)N接合层可以涂覆在用于形成钢板的工具件（例如，模具）的基材上。第一TiAlN/CrN纳米多层可以涂覆在CrN或Ti(C)N接合层上而作为中间层。第二TiAlCN/CrCN纳米多层可以涂覆在第一TiAlN/CrN纳米多层上而作为最外表面功能层，且可以包括约1at.%~约30at.%的碳（C）以用于高温和低摩擦。

Description

多层的模具涂层
技术领域
本发明涉及在超高强度钢板的形成中使用的多层的模具涂层材料。更具体地，本发明涉及用于形成超高强度钢板的多层模具涂层材料，该多层模具涂层材料向模具的表面提供耐热性、耐磨性和低摩擦特性。
背景技术
可以通过多种工序例如深冲压、板材增量成形（incremental sheetforming）、冲孔、轧制、冲压等来形成钢板。这些工序通常需要工具件（tool piece）（例如，模具、冲模、冲床等）以形成钢板。这些工具件在金属加工过程中受到严重的磨损。通常而言，对这些工具件进行处理或涂覆（例如，通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、猝火、回火、扩散硬化处理等），从而增加它们在金属成形工序中的使用寿命。
用于车用钢板形成模具的传统技术涂层材料通常包括，例如丰田扩散（Toyota Diffusion，TD）、TiAlN和AlTiCrN+MoS2。这些涂层材料经常在用于形成拉伸强度为800MPa以下的钢板的模具中使用，并提供寿命为约70,000冲压行程（press stroke）的工具件（例如，模具/冲模）。
近来钢板发展的趋势是趋向于高强度/轻质的薄壁钢（例如，用于车辆安全用途）。因此，当用于形成拉伸强度为980MPa以上的钢板时，典型的模具涂层材料的耐用性和耐磨性不足。换言之，传统涂层材料的一大缺点是，它们提供仅有约50,000压板冲程以下的工具件寿命，之后涂层从工具件（例如，模具）的表面剥落下来。例如，具有典型TD涂层的模具在热处理时人工处理变形的情况下仅有约30,000行程的寿命。
传统涂层材料的另一个劣势是，很多在钢板形成工序中都需要使用润滑剂。例如，由于涂覆工具件的耐用性不足，涂层材料例如TiAlN和AlTiCrN+MoS2通常需要使用拉延油。尽管润滑剂的使用使得摩擦和磨损暂时降低，但拉延油会在钢板中引入杂质，从而可能对后续的工序例如焊接工序有不利影响，引起成型产品的质量降低。
因此，对于具有耐磨性、耐热性、耐疲劳性、高润滑度和低摩擦特性的工具件涂层材料有需求，以用于形成拉伸强度为980MPa以上的钢板。
发明内容
本发明提供用于形成超高强度钢的多层模具。根据本文中所述的技术，可以使用CrN或Ti(C)N、TiAlN/CrN纳米多层和TiAlCN/CrCN纳米多层来涂覆模具的表面以形成多层模具，其可以向工具件（例如，模具）提供耐热性、耐氧化性、耐磨性和低摩擦特性，同时能极大程度地延长模具的寿命。
一方面，本发明提供多层模具，其包括：CrN或Ti(C)N接合层，涂覆在模具的基材上；第一TiAlN/CrN纳米多层，涂覆在CrN或Ti(C)N接合层上，作为中间层；和第二TiAlCN/CrCN纳米多层，涂覆在第一TiAlN/CrN纳米多层上，作为最外表面层，其包括约1at.%~约30at.%的碳（C）以用于高温和提供低摩擦力。
在示例性实施方式中，可以以约0.5μm~约5μm的厚度涂覆CrN或Ti(C)N接合层、第一TiAlN/CrN纳米多层和第二TiAlCN/CrCN纳米多层。
在另一示例性实施方式中，第一TiAlN/CrN纳米多层可以包括相互交替涂覆以形成多层的TiAlN和CrN。
在另一示例性实施方式中，第二TiAlCN/CrCN纳米多层可以包括相互交替涂覆以形成多层的TiAlCN和CrCN。
在另一示例性实施方式中，可以通过选自PVD、PACVD、HIPIMS和ICP方法的方法来涂覆CrN或Ti(C)N接合层、第一TiAlN/CrN纳米多层和第二TiAlCN/CrCN纳米多层。
本发明的其他方面和示例性实施方式将在下文中讨论。
附图说明
本发明的以上或其他特征将参考在附图中图示的某些示例性实施方式来详细说明，这些示例性实施方式在以下仅以说明的方式给出，因此不限制本发明，其中：
图1是示出根据本发明实施方式的示例性多层模具涂层的截面视图；
图2是示出根据本发明实施方式的示例性多层模具涂层的纹理的电子显微图；
图3A~3C是示出根据本发明实施方式的示例性多层模具涂层以及根据比较例的涂层的表面的照片；且
图4是示出用于形成本发明实施方式的多层模具涂层的物理气相沉积（PVD）设备的图。
应该理解的是，附图并非必然成比例，而是呈现说明本发明基本原理的各种优选特征的略微简化的表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体的尺寸、取向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
在下文中，将具体参考本发明的多个实施方式，本发明实施方式的实施例在附图中图示并在以下说明。尽管本发明将结合示例性实施方式进行说明，应该理解的是，本发明并不意在将本发明限制于那些示例性实施方式。相反，本发明不仅意在涵盖示例性实施方式，还意在涵盖可包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代方式、改型、等价方式以及其他实施方式。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
本文中的范围应理解为该范围内所有数值的简略表达。例如，1～50的范围应理解为包括任何数字、数字的组合、或由1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、或50组成的子范围、以及所有介于上述整数间的带小数的值，例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、和1.9。对于子范围，具体考虑从范围内的任意端点延伸的“嵌套子范围”。例如，示例性范围1~50的嵌套子范围可以包括一个方向上的1~10、1~20、1~30和1~40，或在另一方向上的50~40、50~30、50~20和50~10。
除非具体说明或从上下文清晰得出，本文中所用的术语“约”应理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差内。“约”可以理解为在所述值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。除非另外从上下文清晰得出，本文提供的所有数值都由术语“约”所修饰。
本发明基于，至少部分基于以下发现：通过物理气相沉积（PVD）方法用CrN或Ti(C)N接合层、第一TiAlN/CrN纳米多层和作为最外表面的第二TiAlCN/CrCN纳米多层来涂覆工具件，钢板工具件（例如，模具、冲模等）的寿命可被延长，通过该工具件制备的超高强度钢板的质量可得到改善。
具体而言，根据本发明示例性实施方式的模具的多层涂层可以包括以约0.5μm~约5μm的厚度涂覆的CrN或Ti(C)N接合层、以0.5μm~约5μm的厚度涂覆在CrN或Ti(C)N接合层上作为中间支承层的第一TiAlN/CrN纳米多层、和以约0.5μm~约5μm的厚度涂覆在第一TiAlN/CrN纳米多层上而作为最外表面功能层的第二TiAlCN/CrCN纳米多层。在下文中，将分别描述各个层。
CrN或Ti(C)N接合层
CrN或Ti(C)N接合层可以与基材具有优异的结合强度，且可以起到降低和控制其他涂层的残余应力的作用。而且，CrN或Ti(C)N接合层可以以约0.5μm~约5μm的厚度涂覆在基材上，从而具有理想的特性，例如韧性、耐疲劳性和耐冲击性。
第一TiAlN/CrN纳米多层
第一TiAlN/CrN纳米多层可以包括耐热成分（例如，TiAl和Cr），以提供优异的耐热性。而且，TiAlN和CrN可以按多层形式交替涂覆在CrN或Ti(C)N接合层上以提供耐氧化性和优异的韧性。TiAlN和CrN纳米层可以交替地涂覆以形成约0.5μm~约5μm的总厚度。
第二TiAlCN/CrCN纳米多层
除构成第一TiAlN/CrN纳米多层的组分外，第二TiAlCN/CrCN纳米多层还可以包括约1at.%至约30at.%的具有优异的低摩擦特性的碳（C），并且其可作为最外表面层。TiAlCN和CrCN可以交替地涂覆而形成多层。TiAlCN和CrCN纳米层可以交替地涂覆，以形成约0.5μm~约5μm的总厚度。
在下文中，将对涂覆根据本发明实施方式的多层涂层的示例性方法予以说明。
可以通过物理气相沉积（PVD）法形成多层涂层。此外，也可以使用高功率脉冲磁控溅射（HIPIMS）、电感耦合等离子体（ICP）磁控溅射、和用于产生高密度等离子体的电弧法以实现涂层材料颗粒的纳米化和高速涂覆。
图4示出PVD涂覆装置。PVD涂覆装置可以包括一对彼此相对的Ti或Cr靶材、一对彼此相对的TiAl靶材、和用于供应Ar、N2和烃类（CxHy）工艺气体的供气单元。
对于使用PVD涂覆装置的涂覆工序，涂覆前在真空状态下，可以使用Ar气准备等离子体状态。之后，可以将涂覆室加热至约80℃的温度来活化模具基材的表面，之后可以通过施加偏压并使Ar离子与模具基材的表面碰撞（例如，烘烤和清洁）来清洁模具基材的表面。
之后，为提供优异的与基材结合的强度并减少涂覆的残余应力，可以将CrN或Ti(C)N接合层以约0.5μm~约5μm的厚度涂覆在基材表面上。
之后，通过使工艺气体N2在涂覆室中流动，将用于提供耐热性、耐氧化性、耐摩擦性和韧性的第一TiAlN/CrN纳米多层涂覆在TiN或TiCN层上。通过使来自TiAl和Cr靶材的TiAl离子与Cr离子反应，以使TiAlN纳米层和CrN纳米层以约10nm~约50nm的厚度交替涂覆。此处，第一TiAlN/CrN纳米多层的总厚度可以在约0.5μm~约5μm的范围内。Ti:Al:Cr的比率可以为1:1:1.
之后，可以涂覆用来提供低摩擦、耐热性、耐氧化性和耐磨性的第二TiAlCN/CrCN纳米多层。第二TiAlCN/CrCN纳米多层可以包括使用TiAl靶材、Cr靶材和工艺气体C2H2及N2以约10nm~约50nm的厚度交替涂覆的TiAlCN纳米层和CrCN纳米层。
在下文中，将更详细地说明本发明的示例性实施方式。
实施例
如以下表1所示，CrN接合层可以通过上述PVD方法以约4.9μm的厚度涂覆在模具基材的表面上，之后可以以约4.2μm的厚度将第一TiAlCrN纳米多层涂覆在CrN接合层上。之后，可以以约1.1μm的厚度涂覆第二TiAlCrCN纳米多层而作为最上表面层。所得的涂覆结构示于表2中。
表1
Figure BDA00002356235600061
比较例1~4
如表1所示，在比较例1中，通过TD法使氮化物层以8.4μm的厚度形成在基材上。在比较例2中，通过PVD法使得具有约5μm厚度的CrN层和具有约4.5μm厚度的TiAlN层形成在基材表面上。在比较例3中，通过PVD法形成具有约5μm厚度的CrN层和具有约4.8μm厚度的AlCrN层。此外，在比较例4中，以约9.5μm的厚度形成涂层[（4.9CrN-4.6AlTiCrN）+20μm MoS2]。
测试例
将根据实施例和比较例1~4的测试样附装到模具的上模具和压边圈（blank holder）上，之后在以下模制条件下通过用于超高强度钢板（例如，980MPa）的毛坯成型（blank molding）来进行处理。
*模制条件：250吨压制，缓冲压（cushion pressure）：5kgf/cm2，22~23rpm，10,000冲程。
*成型毛坯：350×296×1mm
通过标准仪器测量结合强度、硬度、摩擦系数、氧化温度和磨损厚度，结果显示在表2中。
表2
Figure BDA00002356235600071
如表2所示，根据示例性实施方式的多层涂层的摩擦系数、耐磨性和耐氧化性优于比较例，结合强度和硬度也是如此。
而且，在10,000冲程的250吨压制之后，肉眼观察试样的外部。如图3A~3C所示，在比较例1（图3A）和4（图3B）中发生表面刮擦和局部剥落的现象，而在根据本文描述技术所制备的工具件中没有观察到表面刮擦，如图3C所示。
根据本发明的示例性实施方式，用于形成超高强度钢板的模具可以包括具有优异的与基材结合的强度、降低的涂覆残余应力、保证韧性、耐疲劳性和耐冲击性的CrN或Ti(C)N接合层，提供耐热性、耐氧化性、耐磨性和韧性并作为中间层的第一TiAlN/CrN纳米多层，以及为了应对高温和提供低摩擦还包括碳（约1at.%~约30at.%）并作为最上表面层的第二TiAlCN/CrCN纳米多层，从而提供耐冲击性和韧性。因此，用于形成超高强度钢板的模具的寿命可延长，且模具的维修费用可显著降低。同时，可改善成型产品的质量。
已经参考本发明的示例性实施方式对本发明进行了详细描述。然而，本领域技术人员应当理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由权利要求及其等同方式限定。

Claims (13)

1.一种多层模具，包括：
接合层；
第一纳米多层；和
第二纳米多层，
其中所述接合层涂覆在所述模具的基材上，且所述第一纳米多层介于所述接合层与所述第二纳米多层之间。
2.根据权利要求1所述的多层模具，其中所述接合层为CrN或Ti(C)N。
3.根据权利要求1所述的多层模具，其中所述第一纳米多层为TiAlN/CrN纳米多层。
4.根据权利要求1所述的多层模具，其中所述第二纳米多层为TiAlCN/CrCN纳米多层。
5.根据权利要求4所述的多层模具，其中所述第二纳米多层还包括1at.%至30at.%的碳（C）。
6.根据权利要求2所述的多层模具，其中所述CrN或Ti(C)N接合层具有0.5μm至5μm的厚度。
7.根据权利要求3所述的多层模具，其中所述第一TiAlN/CrN纳米多层具有0.5μm至5μm的厚度。
8.根据权利要求4所述的多层模具，其中所述第二TiAlCN/CrCN纳米多层具有0.5μm至5μm的厚度。
9.根据权利要求1的多层模具，其中所述第一纳米多层包括TiAlN和CrN的交替涂层。
10.根据权利要求9所述的多层模具，其中各个交替的层具有10nm至50nm的厚度。
11.根据权利要求1所述的多层模具，其中所述第二纳米多层包括TiAlCN和CrCN的交替涂层。
12.根据权利要求11所述的多层模具，其中各个交替的层具有10nm至50nm的厚度。
13.根据权利要求1所述的多层模具，其中通过选自PVD、PACVD、HIPIMS和ICP的方法涂覆所述接合层、所述第一纳米多层和所述第二纳米多层。
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