DE10061436A1

DE10061436A1 - Umformwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10061436A1
Application number: DE2000161436
Authority: DE
Inventors: Stefan M Musche; Uta Grundmann
Original assignee: Plasmotec & Co KG GmbH
Current assignee: Plasmotec & Co KG GmbH
Priority date: 2000-12-09
Filing date: 2000-12-09
Publication date: 2002-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug, insbesondere für die Warmumformung von metallischen Werkstoffen. Dieser besteht aus einem mit einer verschleißmindernden, antiadhäsiven Beschichtung versehenen Grundkörper aus einer metallischen Basislegierung, wobei die Beschichtung eine Gradientenschicht aus Titan und Titan-Aluminium-Nitriden ist und wobei das Verhältnis Aluminium zu Titan vom Grundkörper aus gesehen kontinuierlich von 1 : 1000 auf 1 : 1 ansteigt. Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges, insbesondere für die Warmumformung von metallischen Werkstoffen, ist vorgesehen, daß die Titan-Aluminium-Nitridschicht im PVD-Verfahren aufgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug, insbesondere für die Warmumformung von metallischen Werkstoffen, bestehend aus einem mit einer verschleißmindernden, antiadhäsiven Beschichtung ver sehenen Grundkörper aus einer metallischen Basislegierung, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Umformwerkzeuge aus rein metallischen Basislegierungen, wie z. B. höherfeste Stähle, sind für verschiedene Anwendungsfälle be kannt. Beispielsweise werden Strangpreßmatrizen aus Warmarbeits stählen hergestellt, die auch bei Temperaturen oberhalb von 400°C noch eine hohe Formkonstanz aufweisen. Unter dem Begriff "rein metallisch" sollen solche Basislegierungen verstanden werden, die ausschließlich aus Metallen oder ihren Legierungen bestehen. Daher werden compounds, wie z. B. MMC, in diesem Zu sammenhang nicht als "rein metallisch" angesehen.

Für besonders hohe Ansprüche sind diamantbeschichtete, superhar te Werkzeuglegierungen entwickelt worden. So ist in der EP 0 503 822 ein beschichteter Hartstoff mit einer Deckschicht aus Dia mant und/oder diamantartigem Kohlenstoff beschrieben. Nachteilig an diesen superharten Werkzeuglegierungen ist, daß die Haftung zwischen dem Basiswerkstoff und der Oberflächenbeschichtung insbesondere bei hohen Beanspruchungen nicht immer den Anforde rungen genügt. Deshalb wurden bereits Zwischenschichten vor geschlagen, die jedoch nur einen Kompromiß hinsichtlich der Haftung, Temperaturstabilität und Festigkeit darstellen und außerdem das Werkzeug in der Herstellung verteuern.

Bei anderen Anwendungsfällen, wie z. B. im Strangpreßbereich von Aluminiumwerkstoffen, werden die Matrizen aus metallischen Ba sislegierungen hergestellt. Diese haben nach den Untersuchungen der Anmelderin folgende Nachteile:

- Gut strangpreßbare Aluminiumwerkstoffe, z. B. Reinst-Alumi nium, neigen zum "Aufschweißen", d. h. die Oberfläche eines unbeschichteten Strangpreßwerkzeuges (Matrize) wird mit einer rauhen Metallschicht überzogen. Die aufgeschweißte Metallschicht ist uneben und führt zu einer ungenügenden Oberflächengualität des gepressten Stranges. Daher mußte die Matrize nach wenigen Pressungen mechanisch überarbeitet werden.
- Beim Verpressen von hoch siliziumhaltigen Aluminium-Legie rungen, die an der Oberfläche zur Bildung von stark abrasiv wirkenden Oxiden neigen, wurden in der Matrize nach dem Pressen Riefen festgestellt. Ferner wurden an der Einlauf kante der Matrize Abrundungen festgestellt, die sich nega tiv auf die Konturen des stranggepressten Produktes aus wirken. Deshalb war auch hier nach wenigen Pressungen be reits eine mechanische Bearbeitung der Matrize erforder lich.

Wie eingangs im Zusammenhang mit der EP 0 503 822 beschrieben, werden zur Verminderung von Verschleißproblemen üblicherweise superharte Beschichtungen, z. B. aus Diamant, durchgeführt. Die hohe Härte dieser Schichten senkt auch die Abrasion bei der Umformung von hoch siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen. Außer dem kann bei derartigen Beschichtungen das Aufschweißen des Aluminiums oder anderer Nicht-Eisenmetalle verhindert werden. Die Beschichtung von Umformwerkzeugen aus rein metallischen Basislegierungen ist jedoch nicht unproblematisch, da für die Herstellung von Diamantschichten Temperaturen von etwa 800°C erreicht werden müssen.

Andere Beschichtungen von Umformwerkzeugen aus rein metallischen Basislegierungen ließen sich nicht mit ausreichender Haftfestig keit aufbringen. Außerdem ist die Festigkeit insbesondere bei den im Preßverfahren üblichen Temperaturen von über 400°C pro blematisch. Unter diesen Bedingungen setzt bei rein metallischen Basislegierungen eine starke Verformung der Matrize ein. Gleich zeitig nimmt die elastische Dehnung des Werkzeuges zu, so daß die sehr harten Schichten beim Einsatz unter derartigen Tempera turen nicht stabil auf dem Basiswerkstoff haften bleiben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und Umformwerkzeuge mit einer Beschich tung zu versehen, die eine höhere Standzeit aufweisen und sowohl für die Bearbeitung von weichen, Nicht-Eisenmetall-Werkstoffen als auch für die Bearbeitung von höherfesten Werkstoffen bei erhöhter Temperatur geeignet sind. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung der beschichteten Umformwerkzeuge angegeben werden, das einfach und kostengünstig durchführbar ist und mit dem Be schichtungen mit gleichbleibend hoher Qualität hergestellt wer den können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentan sprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Durch eine gradierte Beschichtung bestehend aus Titan-Aluminium-Nitriden wird die Dehnfähigkeit der Schicht an die Dehnfähigkeit der Basislegie rung angepaßt. Es treten keine oder nur geringe Differenzspan nungen auf, so daß die Haftung bei Raumtemperatur und bei erhöh ter Temperatur gleichbleibend gut ist. Titan-Aluminium-Nitrid zeichnet sich zudem durch eine geringe Klebneigung und gute Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus.

Insgesamt führt dies zu Umformwerkzeugen mit einer gegenüber herkömmlichen Werkzeugen aus rein metallischen Werkstoffen ver besserten Standfestigkeit, insbesondere hinsichtlich

a) der Haftung an der Grenzfläche zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung,
b) des Dehnungsverhaltens, da das Abplatzen der Beschichtung verhindert wird,
c) des Verschleißverhaltens, da das Aufschweißen von "weichen" adhäsiven Preßwerkstoffen praktisch vollständig verhindert wird.

Aufgrund intensiver Untersuchungen wurde festgestellt, daß das Einbringen von im Vergleich zu Titan kleineren Aluminium-Atomen in das Titan-Nitrid-Gitter zu inneren Verzerrungen führt, die zu einer höheren Härte beitragen, aber andererseits bei Gehalten < 5 ppm Schichtabplatzungen verursachen können. Aufgrund weiterer Versuche wurde dann festgestellt, daß für Nitride die höchste Härte bei einer Valenzelektronenkonzentration (VEZ) von 8,4 erreicht wird. Dementsprechend resultiert die 1 : 1-Mischung der ineinander löslichen Nitride TiN (9 Valenzelektronen) und AlN (8 Valenzelektronen) in einer VEZ von 8,5.

Um eine Schicht mit einer den rein metallischen Basislegierungen ähnlichen Dehnfähigkeit zu erzeugen, wurde eine gradiert aufge baute Schicht im PVD-Verfahren abgeschieden. Ausgehend von einer etwa 0,5 µm dicken Ti-Basisschicht wird zunehmend Stickstoff in das Titan eingebaut bis hin zu einem TiN-Verhältnis von 51 : 49. Sobald dann eine Gesamtschichtdicke von 1 bis 1,5 µm erreicht ist, wird zunehmend Aluminium in die Schicht eingebaut bis zu einem Verhältnis TiN : AlN = 1 : 1.

Durch diese Gradientenbeschichtung wird wegen der Metall-Metall- Bindung ein guter Substrat/Schichtübergang und damit eine gute Haftung gewährleistet. An der beanspruchten Schichtseite ist der Aluminiumgehalt am höchsten, was zu einer hohen Verschleißfe stigkeit und geringen Adhäsionsneigung an der Oberfläche führt. Mehrfache Wiederholung der Beschichtung steigert die elastische Dehnbarkeit, die ihr Maximum bei einer Gesamtschichtdicke von ca. 5 µm erreicht.

Die Haftung auf dem Grundkörper wird zusätzlich dadurch gesteu ert, daß an der Grenzfläche zum Grundkörper eine hexagonal dich test gepackte Gitterstruktur vorliegt, während in der Ver schleißzone der Gradientenbeschichtung eine kubisch flächenzen trierte, sehr verzerrte Gitterstruktur vorliegt. Man erreicht die unterschiedlichen Gitterstrukturen durch gezielte Einstel lung der Valenzelektronenkonzentration (s. o.).

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei spiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Teilquerschnitt einer erfindungsgemäß beschichteten Strangpreßmatrize;

Fig. 2 Teilquerschnitt durch eine Strangpreßmatrize im unbe schichteten Zustand (Stand der Technik);

Fig. 3 Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges durch PVD-Beschich tung mit stufenweiser Zuschaltung von verschiedenen Target-Materialien.

Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt einer erfindungsgemäß be schichteten Strangpreßmatrize, wobei die Schicht a aus reinem Titan, Schicht b aus Ti_xN_1-X, Schicht c aus Ti_1-XN_X + Al und Schicht d aus TiAlN bestehen.

1. Beispiel für die Herstellung des erfindungsgemäßen Umform werkzeugs

Matrizenwerkstoff:
Warmarbeitsstahl 1.2343
Beschichtung:
4-stufige PVD-Beschichtung, wobei die drei unteren Schichten jeweils 0,5 µm und die obere Schicht zwischen 1,5 und 2,5 µm lag.
Strangpressen von G-AlSi18:
D1 = 115, D2 = 30
Matrizentemperatur: 400%
Pressgeschwindigkeit: 2-3 m/min
Presse 1250: MN
Pressung 1:
Werkzeug TiAlN-beschichtet Werkzeug war nach 7 Pressungen noch voll einsatzfähig, 10 Pressungen wären mindestens möglich gewesen.

2. Vergleichsbeispiel (unbeschichtetes Umformwerkzeug, Werk stoff siehe oben)

Pressung 2
nitriertes Werkzeug war nach 5 Pressungen nicht mehr einsatzfähig,
Noppenbildung durch aufgeschmiertes Alumini um an der Matrizeninnenseite,
Aufrauhung und Ausweitung der Einlaufkante.

Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Fig. 3. Es bedeuten:

1. I Ausheizen der Grundkörper bis zu T < 500°C
2. II Vorreinigung (Plasmaätzen)
- - Grundkörper
- - Targets
- - III Beschichten mit zunehmender Biasspannung bis 90 V und stu fenweisem Zuschalten der Targets (Titantarget, Aluminium target, Al-Ti-Target) in Abständen von 30-60 min
- - IV Entnahme des beschichteten Grundkörpers Kontrolle der Gradientenstruktur durch Thermoanalyse

Claims

1. Umformwerkzeug, insbesondere für die Warmumformung von metallischen Werkstoffen, bestehend aus einem mit einer verschleißmindernden, antiadhäsiven Beschichtung versehenen Grundkörper aus einer metallischen Basislegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Gradientenschicht aus Titan und Titian-Aluminium-Nitriden ist, wobei das Verhältnis Alumi nium zu Titan vom Grundkörper aus gesehen kontinuierlich von 1 : 1000 auf 1 : 1 ansteigt.

2. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Gradientenbeschichtung folgende Metallkomponen ten vorliegen:
in der Grenzschicht zum Grundkörper reines Titan mit vereinzelten Aluminiumatomen < 5 ppm,
in einer Verschleißschicht im Oberflächen-Randbereich Titannitrid und Aluminiumnitrid im stöchiometrischen Verhältnis,
im dazwischen liegenden Bereich Titannitrid mit zuneh mendem Aluminiumgehalt,
wobei die Dicke der Verschleißschicht etwa 1,5 bis 2,5 µm und die darunter liegenden Schichten jeweils 0,5 bis 1,5 µm Schichtdicke aufweisen.

3. Umformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnfähigkeit der Gradientenschicht an die Dehn fähigkeit des Grundkörpers angepaßt ist.

4. Umformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der Gradientenbeschichtung bei einer Tempera tur von über 400°C mindestens 2000 HV beträgt.

5. Umformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Grenzfläche zwischen Grundkörper und Gradienten schicht eine hexagonal dichtest gepackte Gitterstruktur vorliegt, während in der Verschleißzone der Gradientenbe schichtung eine verspannte kubisch flächenzentrierte Git terstruktur vorliegt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeuges, insbeson dere für die Warmumformung von metallischen Werkstoffen, bestehend aus einem mit einer verschleißmindernden, anti adhäsiven Beschichtung versehenen Grundkörper aus einer metallischen Basislegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Titan-Aluminium-Nitridschicht im PVD-Verfahren aufgetragen wird.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Titan-Aluminium-Nitridschicht zur Einstellung der Haftung auf dem Grundkörper und Anpassung der Dehnfähigkeit an die Dehnfähigkeit des Grundkörpers in zwei oder mehr Prozeßstufen mit jeweils geänderten Span nungswerten der Targets aus Aluminium und Titan erfolgt, wobei im Grenzbereich zum Grundkörper die Titankomponente überwiegt und an der Oberfläche ein stöchiometrisches Ver hältnis der Aluminium- und Titankomponente eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenbeschichtung bis zu Gehaltsgrenzen an Stickstoff von Titan : Stickstoff bzw. Titan-Aluminium : Stickstoff von 51 : 49 durchgeführt wird und Titan-Nitrid mit Aluminium bis zu einem Verhältnis von Aluminium : Titan = 1 : 1 angereichert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Targets mit Aluminiumnoppen/oder -pfropfen verse hene Titanplatten neben Targets aus reinen Titan- und rei nen Aluminiumplatten verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau einer Gradientenschicht zunächst die reinen Titantargets und dann zunehmend die Aluminiumtargets und zum Schluß die kombinierten Targets Aluminium/Titan mit Spannung beaufschlagt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorreinigung des Grundkörpers durch Plasmaätzen erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine separate Vorreinigung der Targets durch Plasmaät zen unmittelbar vor dem Beschichten erfolgt, ohne daß der Grundkörper davon beeinflußt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmaätzen bei Temperaturen von < 200°C für 10 bis 20 Minuten durchgeführt wird.