CN107127250A - 用于超高强度钢热成型的由铝制造的快速原型冲压工具 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种生产用于形成基板的成型工具的方法，所述成型工具具有成型冲头和与成型冲头相对应的配合模具，该方法包括以下步骤：用轻金属制备成型工具的至少成型冲头和在成型工具的至少成型冲头的表面上的至少一个区域上形成保护涂层。保护涂层被施加到被配置为接触基底的区域，并且在一种形式中，轻金属是铝或铝合金。还提供了一种具有成型部件和配合模具的成型工具，其中至少成型工具由轻金属制成并且包括保护涂层。

Description

用于超高强度钢热成型的由铝制造的快速原型冲压工具

技术领域

本公开涉及一种用于生产具有成型冲头和与其对应的配合模具的成型工具的方法。然而，本发明还涉及这种成型工具。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。

在专利DE 37 08 368 C1中公开了一种用于制造热箔冲压块(hot foil stampingblock)(也就是说例如冲孔工具)的方法，尽管其用于制造印刷电路。

专利DE 10 2011 007 424 B4公开了一种用于通过等离子体电解氧化和涂覆的基底在基于轻金属的基底的表面上产生涂层的方法。将基底作为电极与反电极一起浸入液体电解质中。在基底的表面上施加足够高的电压以产生火花放电。电解质包含分散的粘土颗粒。这旨在改善轻金属部件的腐蚀保护，特别是由镁或镁合金制成的那些部件。

在许多情况下，承载钢部件(例如汽车工业中的车身部件，也就是说例如A、B、C或D柱、还有诸如梁、框架部分和或保险杠支撑件的部件)由高强度热处理钢例如硼合金钢制成(例如22MnB5)。在这种情况下，如专利WO2007/076766A1所公开的，通过在高于800℃至900℃的温度下退火将钢转变为奥氏体范围，热成型然后以足够高的冷却速率再次冷却以实现形成的马氏体高强度微结构。如果在成型工具中进行淬火，即冷却并且因此硬化，则使用术语“加压硬化(press hardening)”。

在例如专利WO2007/076766A1中公开的直接成型方法中，例如，使从轧制带分离的坯件或钢元件首先达到所述温度。然后将加热的预成型件转移到随后的热成型系统中并在加热状态下(例如在压力机中)达到最终形状。另一方面，在间接成型过程中，钢元件首先在第一压力机中冷成型，然后加热，也就是说可能被退火，然后在另一压力机中热成型，即达到最终形状。

压力机也可以称为成型工具并且具有成型冲头和与其相对应的配合模具。成型工具由相应地耐用材料(优选钢)制成(也就是说例如铸造)。在成型工具之后，也就是说，例如成型冲头或与其对应的配合模具在每种情况下已经被铸造为预成型件，其需要精加工以给出所需的最终形状，例如通过CNC(Computer numerical control，计算机数字控制)方法。这是一个长期和昂贵的过程。可能的是成型工具的生产需要几个月，也就是说，例如长达三个月。此外用于成型工具的所选材料必须能够承受高温，因为例如如上所述将要形成的基底要达到高于900℃的温度。显然，这种成型工具非常重并且需要相应设计的控制装置以便甚至能够移动相当大的质量。这种装置显然非常昂贵但在其操作期间也是非常耗能的。成型工具必须也可以被涂覆以便例如耐腐蚀或者防止结垢，同时不会不利地影响待成型的钢板的性能及其材料。这种涂层可以通过热喷涂方法施加，例如，通过等离子体粉末喷涂法。

在专利US2010/0159264A1中，例如公开了用于铸模的保护涂层是可取的以便能够避免例如铸模的过早更换。尤其是在专利US2010/0159264A1中讨论了熔融铝的腐蚀性，在这以前大大降低了铸模的使用寿命。关于此点，专利US2010/0159264A1提到用于铸模的抗磨、抗侵蚀或抗腐蚀涂层可以以已知的方式通过CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)或PVD(Plasma Vapor Deposition，等离子气相沉积)方法施加到铸模表面。然而，从经济角度来说在原位被认为是具有挑战性的。此外，通过CVD或PVD方法施加的保护涂层可能在操作期间剥落。为此，专利US2010/0159264A1提出了一种具有过渡金属氧化物或稀土金属氧化物的薄层(即例如锆或铈或其混合化合物)的保护涂层，其被认为防止熔融金属到铸模的粘附。特别地，据说这种涂层在铝铸造或铝熔融工艺的情况下是有利的。用于实施保护涂层的热输入也被认为低于使用PVD或特别是CVD方法，其应该使模具的母体材料经受高达900℃至1000℃的温度。根据专利US2010/0159264A1，应用由羧基金属组成的涂层，随后进行至少400℃的热处理。

因此，金属基底或铸模的表面处理是已知的。例如，搪瓷也已知作为保护涂层很长时间。在搪瓷中，物体通过浸渍或喷涂被提供有釉层，然后在800至850℃的温度下烧制。搪瓷层可以实施到例如钢上，但是容易损坏并且因此易于受到冲击影响。对于压力工具，搪瓷因此可能不适合。此外，搪瓷是非常耗能的，其中引入到待涂覆的部件中的热也对其材料的原始机械性能具有不利的影响，尤其是对于轻金属部件。用于轻金属组分(即例如铝组分)的另一种已知的方法是阳极氧化，即电解氧化，其结果是阳极氧化的表面非常硬。在该工艺中，与电沉积方法相反，保护层不沉积在工件上，而是通过将最上面的金属层转化为氧化物或氢氧化物而形成。

此外，铝的等离子体电解氧化(Plasma electrolytic oxidation，PEO)是已知的。等离子电解氧化可产生2000HV(维氏硬度)的层硬度。在大多数情况下，碱性硅酸盐或磷酸盐溶液用作电解质，如专利DE 10 2011 007 424 B4所公开的。

因此，在成型工具的生产和这种成型工具中存在改进的空间。

发明内容

本公开提供一种容易地并且以节省时间的方式生产成型工具，同时又是耐用的成型工具的方法。通过本公开还提供了由这种方法生产的成型工具。

应该注意的是在以下描述中单独呈现的特征和措施可以以任何期望的、技术上可行的方式组合并且产生本公开的其他形式。

根据本公开，该方法包含以下步骤：

由轻金属制备成型工具的至少一个成型冲头，通过成型冲头形成基底；以及

在成型工具的至少成型冲头的至少一个表面区域上产生保护涂层，该区域与待形成的基底接触。

因此，通过本公开，成型工具有利地由例如铝或铝合金的轻金属制成(优选地铸造)。因此，如本文所使用的，术语“轻金属”应当理解为意指密度低于钢的密度的金属。在这种情况下，成型工具具有成型冲头和与其对应的配合模具。特别地，成型冲头可以由轻金属制成。因此，与由钢制成的成型工具相比，形成非常轻的成型工具。这需要相应减小的需移动较少质量的控制装置，尽管可以使用根据本公开的成型工具成形高强度热处理钢，例如硼合金钢(例如22MnB5)。

为此目的，将特别是热防护涂层的保护涂层至少实施到可与待形成的基底接触的成型工具的表面。配合模具也可以由轻金属制成。如果配合模具以基本上不动的方式保持，则配合模具也可以由钢制成。同时，保持了关于控制装置的优点，因为只有成型冲头必须相对于配合模具移动。然而，也有利的是由轻金属制造不动的配对模具，并且下面将给出其进一步的细节。

有利的是通过等离子体电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation，PEO)，即微弧氧化(Microarc Oxidation，MAO)或等离子体电解沉积(Plasma ElectrolyticDeposition，PED)施加保护涂层。

等离子体电解氧化(PEO)的先决条件是在电解质中形成氧化物层(电介质)。在这种情况下，待涂覆的成型工具元件，即例如成型冲头和配合模具，至少部分浸入电解质中并作为电极连接。反电极同样浸入电解质中。当然，成型工具的元件可以连接为反电极，而电极也浸入电解质中。因此，电流的维持可导致电压升高和放电。在大多数情况下，需要至少250V的电压导致在成型工具的表面处的火花放电。在该过程中，存在局部等离子体形成。通过微放电形成的这些层，这熔化成型工具的母体材料和电解质的反应产物以及轻金属并烧结以形成结晶陶瓷。以这种方式，可以在成型工具待涂覆的那些区域上产生保护涂层，特别是热防护和/或抗磨损涂层。所施加的涂层可具有高达2000HV的硬度。形成具有可限定的层厚度的均匀涂层，其中保护涂层可以为10μm至200μm，并且在一种形式中为50μm至100μm。根据本发明施加的涂层以这样的方式选择和制造，使得涂覆的成型工具能够承受非常高的温度，并且在所有情况下至少能够承受形成待形成的基底的奥氏体化温度。在该过程中没有观察到涂层的变化。这也意味着由轻金属制成的成型工具整体上能够承受相当大的温度影响而不损害涂层或母材料。根据本公开，还执行硬质的阳极氧化以便将保护涂层布置在成型工具上。

如果成型冲头和与其对应的配合模具都由轻金属形成，则两个元件也至少在一些区域或多个区域中通过PEO/PED涂覆。

有利的是只有各自受影响的表面，即也是与待形成的基底接触的表面，通过PEO涂覆。如上所述，基底可以是由高强度热处理钢构成的钢板。它的一个表面与成型冲头接触，并且其相对表面与相应的配合模具的表面接触。当然，也可以在每种情况下完全地涂覆整个成型工具，即成型冲头和配合模具。然而，有利的是，仅仅与待形成的基底接触的那些区域或表面通过PEO或PED涂覆。这节省了时间并且也更便宜。

可以以这样的方式控制涂覆过程，即可以使得涂层区域在层厚度方面比其他区域更厚。涂层的硬度也是可调的，其中涂层的其它性能也可以通过向电解质中添加元素来调整或者可以调整电解质本身。特别是成型工具的边缘或拐角，这里是关注的焦点。在成型工具的角部和边缘处，可以预期特别高的负载(包括机械负载)，因此在这里特别耐用的保护涂层是有利的。

可以想到生产多个层，即连续涂层，它们一起形成保护涂层。可以使用不同组成的电解质以产生单层，即涂层，结果涂层的相应层(即涂层)具有某些性质并且总体上产生特定的保护涂层。使用相同的电解质制造保护涂层的所有层(即涂层)也是有利的。

保护涂层也可以被精加工，也就是说例如抛光。

根据本公开假设成型工具的预成型件首先由轻金属制成。在该过程中，成型冲头和相应的配合模具大致制成最终形状。在随后的步骤中，这些可以被加工，例如以去除毛刺。然而，有利的是以这样的方式精加工相应的预制件，即使得成型工具具有待成型的基底待成型的阴型形状。CNC方法或其它合适的方法对于机械加工是有利的。有明显的优点是铝比以前使用的钢明显容易精加工。因此，还有利的是不仅从轻金属产生成型冲头，而且还产生可选地不可移动的配合模具。诚然，最初这是更昂贵的。然而，这种假定的缺点通过节省加工时间且特别是重量而抵消。

与由钢制成的成型工具相比，由轻金属形成的成型工具的加工显著地更快、更简单和更容易这一事实也可以看作另一个优点。关于原型部件的制备，因此根据本发明的成型工具可以特别有利地用于制造成型工具的所述参数。当然，在每种情况下可以由轻金属块制造成型工具(即成型冲头和与其对应的配合模具)是可能的。在这种情况下，相应的最终形状可以例如通过CNC方法或其它合适的方法来产生。

一旦成型工具具有用于将待成型基底成型为期望部件的期望形状，则成型工具通过如上所述的PEO/PED涂覆。

当然，在精加工的过程中要考虑保护涂层的期望的涂层厚度。

本发明还涉及一种成型工具，通过该成型工具形成基底。根据本发明，成型工具由轻金属形成并且至少在一些区域或多个区域中成型工具具有通过等离子体电解氧化(PEO)施加的保护涂层，即通过微弧氧化(MAO)或等离子体电解沉积(PED)。根据本发明，保护涂层通过硬质阳极氧化来制造。

通过本发明，例如可以生产(即适当地形成)承载钢部件，例如由高强度热处理钢(例如硼合金钢(例如22MnB5))制造的部件汽车工业中的车身部件，也就是例如A、B、C或D柱，而且还包括例如门槛，车架部分和/或保险杠支撑件等的部件。在这种情况下，金属片通过在高于800℃至900℃的温度下退火可以转变为奥氏体范围，热成型然后以足够高的冷却速率再次冷却以实现马氏体高强度微观结构的形成。如果在成型工具中进行淬火，即冷却并因此硬化，则使用术语“加压淬火”，其中根据本发明的成型工具具有适合于该目的的冷却通道和连接，这从传统的成型工具中已知。然而，涂覆的成型工具可以通过根据本公开产生和实施的保护涂层承受相当大的热应力。通过根据本发明的成型工具，可以实现以在相当大的批量体积中提及的部件的批量生产，因为根据本发明的成型工具由具有根据本发明的保护涂层的轻金属制成，其具有非常长的寿命。通过轻金属，根据本发明的成型工具的制造与由钢制成的成型工具相比也更快、更简单和更容易。

在直接成型过程的情况下，使基底(也就是例如坯料或例如从轧制带材分离的钢元件)达所述温度。然后将加热的基底转移到随后的热成型系统，并且在根据本公开的成型工具中在加热状态下达到最终形状，例如在压力机中。另一方面，在间接成型工艺中，首先在第一成型工具中，即在第一压力机中冷成型基底，然后加热，即可能退火，然后在另一个压力机中热成型，即达到最终形状。根据本发明的成型工具可以在冷成型和热成型中使用。

根据本文提供的描述，其它适用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅仅旨在用于说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图描述通过示例给出的其各种形式，其中：

图1示出了根据现有技术的在车身部件上的热成型操作期间由钢制成的成型工具中的温度分布；

图2示出了在通过根据本发明制造的由轻金属制成的成型工具热成型车身部件期间的温度分布；以及

图3以横截面系统地示出成型冲头；

本文所描述的附图仅用于说明的目的，而不以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或用途。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

在各个附图中，相同的部件在所有情况下都具有相同的附图标记，因此这些部件通常也只描述一次。

在图1和图2中，Y轴表示温度，其中X轴表示要从成型工具1、2热成型为车身部件的板材(基底)的距离。在图1中仅示意性地示出了根据现有技术的由钢制成的成型工具1。在图2中，示出了根据本发明的成型工具2，即由轻金属制成的成型工具，尽管同样示意性地示出，并且成型工具2具有保护涂层3。待热成型为车身部件的板在每种情况下具有附图标记4。虚线5表示轻金属(例如铝的)的熔融温度。

有利的是保护层3是绝热层。适当的形式通过铝工具的示例的方式示出(图2)。板材4在奥氏体化之后的温度下转移到成型工具2，其中温度显著高于轻金属的熔融温度(纯铝的熔融温度约为660℃，线5)。根据本公开，作为示例，例如保护涂层3的氧化层被施加到成型工具2，例如至少到成型工具的成型冲头。理想地，保护涂层3是硬的、具有低摩擦系数和低比热传导(例如比钢低约20倍)。因此，在热成型开始时来自板材的热输入被捕获在成型工具2的边界层或保护涂层3中。一旦以延迟的方式从板材传递的热量通过保护涂层3传递到示例性铝成型工具，铝则相反地快速传导热量离开(通常比钢高3倍)。因此，根据本公开，可以提供板材4的快速淬火并因此提供马氏体微结构形成。

由于例如保护涂层3的绝缘层的低比热传导，辐射热也比常规钢成型工具(图1)更缓慢地消散。这意味着板材可以在比钢成型工具1的情况中在更高的温度下方便地引入到根据本公开的成型工具2中。由于材料的较高温度，成型力也减小并且成型性增强。

通过将保护涂层3(即隔热层)双侧实施到成型冲头和成型工具2的相应配合模具可以进一步加强这种效果。

图3示出了成型工具2，也就是说，例如具体为其成型冲头，其具有根据本发明的保护涂层3。当然，尺寸以失真的方式示出。保护涂层3在相应的配合模具(未示出)的方向上定向并且完全通过示例的方式布置在整个区域上并且在成型冲头上具有相同的厚度。配合模具也可具有保护涂层3。根据本公开内容，在一些区域或多个区域中的保护涂层3比在其它区域中的更厚。

本公开的描述本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本公开的实质的变化意图被包含在本公开的范围内。这样的变化不被认为是偏离本公开的精神和范围。

Claims (20)

1.一种生产用于形成基底的成型工具的方法，所述成型工具具有成型冲头和与所述成型工具对应的配合模具，所述方法包含以下步骤：

由轻金属制备所述成型工具的至少所述成型冲头；以及

在所述成型工具的至少所述成型冲头的表面上的至少一个区域上形成保护涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护涂层通过等离子体电解氧化或等离子体电解沉积来生产。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在与待形成的所述基底接触的所述至少一个表面区域上产生所述保护涂层。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护涂层由多个层形成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述成型冲头和所述配合模具由所述轻金属制成预成型件，其中所述预成型件被精加工成最终形状，其中所述保护涂层在每个最终形状的一个区域中产生。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述成型冲头和所述配合模具各自由轻金属块制成，其中每个轻金属块被加工成最终形状，其中所述保护涂层在每个最终形状的至少一个区域中产生。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护涂层随后被抛光。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护涂层是硬质阳极氧化。

9.一种成型工具，包含：

成型冲头；以及

对应于所述成型冲头的配合模具，

其中至少所述成型冲头由轻金属形成并且限定具有保护涂层的至少一个区域，所述区域被配置为与待形成的基底接触。

10.根据权利要求9所述的成型工具，其中所述成型冲头由铝或铝合金形成。

11.根据权利要求9所述的成型工具，其中所述成型冲头和所述配合模具都由轻金属形成。

12.根据权利要求9所述的成型工具，其中所述保护涂层是热保护涂层和抗磨损涂层中的至少一种。

13.根据权利要求9所述的成型工具，其中所述保护涂层具有高达2000HV的硬度。

14.根据权利要求9所述的成型工具，其中所述保护涂层以均匀的厚度施加。

15.根据权利要求14所述的成型工具，其中所述均匀厚度在10μm和200μm之间。

16.根据权利要求9所述的成型工具，其中所述保护涂层具有可变的硬度。

17.一种成型工具，包括：

成型部件；以及

对应于所述成型部件的配合模具，

其中至少所述成型部件由轻金属形成并且限定具有保护涂层的至少一个区域，所述区域被配置为与待形成的基底接触。

18.根据权利要求17所述的成型工具，其中所述成型工具在所述成型部件和所述配合模具中的至少一个上限定至少一个边缘，并且所述保护涂层设置在所述至少一个边缘上。

19.根据权利要求17所述的成型工具，其中所述成型部件和所述配合模具由轻金属形成。

20.根据权利要求17所述的成型工具，其中所述轻金属是铝或铝合余。