DE102010005262B4

DE102010005262B4 - Verfahren zur Herstellung von eine Hartstoffbeschichtung aufweisenden Werkzeugen und deren Verwendungen

Info

Publication number: DE102010005262B4
Application number: DE102010005262.0A
Authority: DE
Inventors: Ernst Heinl; Tobias Henke; Dr. Escher Christoph
Original assignee: DOERRENBERG EDELSTAHL GmbH; Dorrenberg Edelstahl GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: DOERRENBERG EDELSTAHL GmbH; Dorrenberg Edelstahl GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: DE102010005262A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von eine Hartstoffbeschichtung aufweisenden Werkzeugen bei welchem die in einem weichen und/oder vorvergüteten Zustand fertig bearbeiteten Werkzeuge, deren Werkstoff durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet ist:
0,45 - 1,15 Gew.-% Kohlenstoff
4,0 - 9,0 Gew.-% Chrom
1,0 - 3,5 Gew.-% Molybdän + ½ Wolfram-Gehalt
0,2 - 2,5 Gew.-% Vanadium, wobei der Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind, in einem ersten Verfahrensschritt einer Randschichthärtung unterzogen werden, bei welcher der Werkstoff des unbeschichteten Werkzeuges mit einer um 50° Celsius bis 100° Celsius höheren Temperatur austenitisiert wird als die dem Werkstoff des unbeschichteten Werkzeuges zugehörige Durchhärtungstemperatur, wobei die durch die Randschichthärtung eingestellte Härte der gehärteten Oberflächenzone des Werkzeuges bei der als zweitem Verfahrensschritt über eine in Abhängigkeit von dem Hartstoffmaterial ausgewählte Zeitdauer durchgeführten Beschichtung des Werkzeuges mit einer Hartstoffschicht aufgrund des Anlassens durch eine während des Beschichtungsvorganges einwirkende Temperatur von 450° Celsius bis 550° Celsius nicht auf eine Härte unter 58 HRC abfällt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von eine Hartstoffbeschichtung aufweisenden Werkzeugen.
Derartige Werkzeuge werden üblicherweise in der Blechumformung eingesetzt, wobei es bekannt ist, die Werkzeuge zur Verbesserung ihres Verschleißwiderstandes mit einer Hartstoffbeschichtung zu versehen. Das Aufbringen einer derartigen Hartstoffschicht nach dem CVD-, PVD- oder PA-CVD-Verfahren ist hierzu bekannt.
Soweit die Werkzeuge für das Aufbringen der Hartstoffbeschichtung eine ausreichende Stützhärte und ein bei der Beschichtungstemperatur von etwa 450° Celsius bis 550° Celsius stabiles Gefüge aufweisen müssen, um eine Änderung der mechanischen Eigenschaften und der bearbeiteten Maße des Werkzeuges während des Beschichtungsvorganges zu vermeiden, ist es bei bekannten Anwendungen üblich, die Werkzeuge aus einem Kaltarbeitsstahl (beispielsweise X153CrMoV12 (1.2379)) beziehungsweise einem Kaltarbeitsstahlguss (beispielsweise GX-155CrVMo12 (1.2382)) herzustellen und die hergestellten Werkzeuge durchzuhärten und mehrmalig anzulassen. Anschließend wird die Hartstoffschicht in einem der dem Fachmann in seiner jeweiligen Anwendung bekannten Verfahren (CVD-, PVD- oder PA-CVD-Verfahren) aufgebracht.
Mit einer derartigen Verfahrensweise ist der Nachteil verbunden, dass sich beim Durchhärten die Werkzeuge maßlich verändern, so dass bereits bei der Herstellung der Werkzeuge mit einem entsprechenden Aufmaß gearbeitet werden muss; insofern müssen nach dem Durchhärten des Werkzeuges vorhandene Maßungenauigkeiten mittels Hartbearbeitung entfernt werden, die zeit- und kostenintensiv ist. Darüber hinaus ist die Größe von Werkzeugen im Hinblick auf deren Durchhärtung begrenzt, so dass durchzuhärtende Werkzeuge in der Regel segmentiert ausgeführt werden müssen; damit sind steigende Herstellungszeiten und Herstellungskosten für das Werkzeug verbunden.
Weiterhin ist es bekannt, große in beispielsweise Monoblock-Bauweise hergestellte Werkzeuge nach ihrer Herstellung nur in ihrem Arbeitsbereich lokal mittels einer Randschichthärtung zu härten, die in einem an sich bekannten Laserverfahren beziehungsweise Induktionsverfahren durchgeführt werden kann. Auch diese Randschichthärtung ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und beispielsweise in den Veröffentlichungen „LIEBMANN, Günter: Verbesserung von Bauteileigenschaften durch Randschichthärten. In: Antriebstechnik, Bd. 39, 2000, Nr. 9, S. 74-78. - ISSN 0722-8546“ und „ROTZER, Isolde: Werkzeuge mit Laser härten. In: Fraunhofer Magazin, 2006, H. 4, S. 16-17. - ISSN 1434-7113“ beschrieben. Der Fachmann ist dabei in der Lage, die Rahmenbedingungen für die Randschichthärtung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der für die Werkzeugfertigung eingesetzten Werkstoffe festzulegen. Auch sind dem Fachmann die für einzelne Werkstoffe erzielbaren Härten an den oberflächengehärteten Zonen der Werkstücke bekannt beispielsweise aus („LIEBMANN, Günter: Verbesserung von Bauteileigenschaften durch Randschichthärten. In: Antriebstechnik, Bd. 39, 2000, Nr. 9, S. 74-78. - ISSN 0722-8546“) oder durch entsprechende Versuche ohne weiteres feststellbar.
Für die Herstellung derartiger, randschichtgehärteter Werkzeuge kommen üblicherweise vorvergütete Stähle (z. B. 60CrMoV18-5 (1.2358)) beziehungsweise ein Stahlguss (z. B. G59CrMoV18-5 (1.2333)) zum Einsatz. Im Anschluss an die Randschichthärtung des Werkzeuges findet gegebenenfalls noch eine Feinbehandlung des Werkzeuges in Form eines Nachpolierens statt. Mit diesem Herstellungsverfahren ist der Nachteil verbunden, dass die für die Randschichthärtung als geeignet angesehenen Werkstoffe bei einer nachträglichen Wärme- bzw. Temperaturbehandlung, wie sie mit dem Aufbringen einer Hartstoffschicht verbunden ist, aufgrund des damit verbundenen Anlassvorgangs an Härte einbüßen, so dass es aufgrund des unter der aufgebrachten Hartstoffschicht liegenden und eine geringere Härte aufweisenden Werkzeugbereichs zu einem Brechen der Hartstoffschale kommen kann. Weiterhin ist ein Verfahren zum Randschichthärten aus der DE 10 2004 053 935 A1 bekannt. Weiterhin sind ein Verfahren und ein Werkzeug zum Hartbeschichten beziehungsweise mit Hartbeschichtung aus DE 198 57 156 A1 und aus AT 508 591 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von mit einer Hartstoffbeschichtung versehenen Werkzeugen anzugeben, bei welchem die vorgenannten Nachteile der bekannten Verfahren vermieden sind.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.
Die Erfindung sieht ein Verfahren vor, bei welchem die in einem weichen und/oder vorvergüteten Zustand fertig bearbeiteten Werkzeuge, deren Werkstoffe durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet ist:

0,45 - 1,15 Gew.-% Kohlenstoff
4,0 - 9,0 Gew.-% Chrom
1,0 - 3,5 Gew.-% Molybdän + ½ Wolfram-Gehalt
0,2 - 2,5 Gew.-% Vanadium,

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist der Vorteil verbunden, dass die Werkzeuge in einem noch weichen beziehungsweise vorvergüteten Zustand fertig bearbeitet werden können, weil bei dem an die Fertigungsstufe anschließenden Randschichthärten nur ein minimaler maßlicher Verzug auftritt. Im Vergleich mit durchzuhärtenden Werkzeugen sind zudem größere Werkzeuggeometrien möglich beziehungsweise zulässig. Um den Verfahrensschritt der Hartstoffbeschichtung im Anschluss an die Randschichthärtung durchführen zu können, ist verfahrensgemäß vorgesehen, dass nur solche Werkstoffe für die Herstellung des jeweiligen Werkzeuges herangezogen werden, bei denen auch eine nach der Randschichthärtung noch erfolgende Temperatureinwirkung, wie sie beim Aufbringen der Hartstoffschicht in einem Temperaturbereich von 450° Celsius bis 550° Celsius zwangsläufig auftritt, nicht zu einer Verringerung der Stützhärte der randschichtgehärteten Zonen am Werkzeug auf einen Wert von weniger als 58 HRC führt. Bei einem derartigen Werkstoff werden durch das von der beim Beschichtungszyklus einwirkenden Temperatur bewirkte Anlassen der bereits gehärteten Randzone die randschichtgehärteten Zonen thermisch entspannt, was zu einer verbesserten Zähigkeit des Werkstoffes in diesem Bereich führt. Zusätzlich ergibt sich durch die aufgebrachte Hartstoffschicht ein erhöhter Verschleißwiderstand.
Für die Durchführung der Randschichthärtung stehen dem Fachmann die Laserbehandlung oder das Induktionsverfahren zur Verfügung, wie diese Verfahren in den eingangs genannten Veröffentlichungen beispielhaft beschrieben sind.
In an sich bekannter Weise kann ferner nach Ausführungsbeispielen der Erfindung die Hartstoffschicht nach dem an sich bekannten PVD-Verfahren oder alternativ nach dem ebenfalls bekannten PA-CVD-Verfahren abgeschieden werden.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Randschichthärtung des Werkzeuges und dem anschließenden Beschichtungsvorgang eine mechanische Vorbehandlung, beispielsweise ein Polieren oder Kantenverrunden, des Werkzeuges erfolgt.
Soweit nach Ausführungsbeispielen der Erfindung als Zwischenschritt zwischen der Randschichthärtung und dem Beschichtungsvorgang noch eine thermische Zwischenbehandlung wie Tiefkühlen oder ein zusätzliches Anlassen vorgesehen ist, kann hierdurch in der gehärteten Randschicht noch vorhandener instabiler Restaustenit in Martensit umgewandelt werden mit der Folge einer Erhöhung der zunächst durch das Randschichthärten eingestellten Härte, so dass auch höher legierte randschichtgehärtete Werkzeugwerkstoffe erfolgreich beschichtet werden können.
Soweit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung als thermische Zwischenbehandlung ein Plasmanitrieren durchgeführt wird, kann die Stützwirkung der äußeren gehärteten Randschicht des Werkzeuges für die darauf aufgebrachte Hartstoffschicht noch weiter verbessert werden.
Derartige Werkstoffe sind beispielsweise unter den Bezeichnungen CP4M, GP4M oder CPOH von der Anmelderin Dörrenberg Edelstahl GmbH, D-51766 Engelskirchen, zu beziehen.
Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung können die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkzeuge als Schneid- oder als Umformwerkzeuge bei der Blechbehandlung eingesetzt werden.
Durch das kombinierte Randschichthärten und Hartstoffbeschichten können Werkzeuge, insbesondere Schneidwerkzeuge hergestellt werden, die nicht nur bei der Umformung von Blechwerkstoffen, die zur Adhäsion neigen, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Magnesium, Austenite, verzinkte Bleche, sondern auch von hochfesten Blechen wie zum Beispiel Dualphasen-, Komplexphasen-, Martensitphasen-, TRIP- oder X-IP-Stählen einsetzbar sind.
In der Darstellung gemäß ist der grundsätzliche Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Zeit-Temperatur-Folge für einen Randschichthärtungsschritt und einen anschließenden Beschichtungsschritt dargestellt.
Gemäß der in dargestellten Zeit-Temperatur-Folge wird die Randschicht des fertig bearbeiteten Werkzeuges bis zum Erreichen der Austenitisierungstemperatur und anschließend wieder abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt. An diesen Randschichthärtungsschritt schließt eine mechanische Vorbehandlung des Werkzeuges an, die beispielsweise aus einem Polieren oder Kantenverrunden des Werkzeuges bestehen kann. Anschließend erfolgt der Beschichtungsvorgang, an den sich als Nachbehandlung beispielsweise noch ein Polieren des Werkzeuges anschließen kann.
Ein um eine thermische Zwischenbehandlung erweitertes Verfahren ist in der Darstellung gemäß wiedergegeben, bei welchem zwischen dem Randschichthärtungsvorgang und dem Beschichtungsschritt noch eine thermische Zwischenbehandlung des Werkzeuges durchgeführt wird.
Die thermische Zwischenbehandlung besteht aus einem Tiefkühlen des Werkzeuges, einem anschließenden Anlassen sowie einem nachfolgenden Plasmanitrieren des Werkzeuges, woran dann noch eine mechanische Vorbehandlung in Form eines Polierens oder Kantenverrundens anschließen kann, bevor die Beschichtung vorgenommen wird. Soweit bei dem in dargestellten Ausführungsbeispiel die thermische Zwischenbehandlung aus drei einzelnen Behandlungsschritten besteht, können diese Behandlungsschritte in Abhängigkeit von dem eingesetzten Werkstoff beziehungsweise den Anforderungen an das Werkzeug nicht nur kumulativ sondern auch alternativ zum Tragen kommen.
Im Rahmen eines konkreten Ausführungsbeispieles der Erfindung werden Schnittmesser für den Blechteilbeschnitt aus dem bei der Firma Dörrenberg Edelstahl GmbH, D-51766 Engelskirchen, zu beziehenden Werkstoff CP4M hergestellt. Hierzu wird der vorgenannte Werkstoff im vorvergüteten Zustand mit einer Härte von circa 33 HRC als Halbzeug geliefert. Aufgrund der relativ geringen Härte des Grundwerkstoffes lässt sich dieser in kurzer Zeit und kostengünstig mechanisch bearbeiten, wobei die herzustellenden Schnittmesser nahezu bis auf das gewünschte Endmaß gefertigt werden können, da der Verzug bei der anschließenden Randschichthärtung im Vergleich mit einer Durchhärtung der Schnittmesser äußerst minimal ausfällt. Im Rahmen der durchgeführten Randschichthärtung werden die Schnittmesser mit einer um etwa 50° Celsius bis 100° Celsius höheren Temperatur als die normale Durchhärtungstemperatur austenitisiert. Da das Aufheizen und Halten auf Austenitisierungstemperatur beim Randschichthärten mittels des Laserverfahrens oder auch des Induktionsverfahrens um mehrere Größenordnungen schneller abläuft als beim Durchhärten, und dadurch die Gefahr besteht, beim Härten in das Gebiet des ein schlechteres Härteergebnis bewirkenden inhomogenen Austenits zu gelangen, werden die aus dem Werkstoff CP4M hergestellten Schnittmesser bei Temperaturen zwischen 1070° Celsius und 1120° Celsius randschichtgehärtet, wobei die Durchhärtungstemperatur für diesen Werkstoff etwa bei 1020° Celsius bis 1050° Celsius liegt. Durch die Temperaturauswahl wird gewährleistet, dass bei der Randschichthärtung genügend Legierungselemente in Lösung gehen, welche sich bei der späteren Beschichtung positiv auf die Stabilisierung der notwendigen Grundhärte der Werkzeugoberfläche auswirken. Üblicherweise liegt die durch die Randschichthärtung erreichte Ansprunghärte des Werkstoffes CP4M nach dem Randschichthärten der Schnittkante der Schnittmesser bei circa 62 HRC.
In dem gehärteten Zustand wird eine Vorpolitur der Schnittkante durchgeführt, um ein optimales Beschichtungsergebnis zu erlangen. Herbei werden Rauhigkeitsspitzen entfernt, und die scharfe Schnittkante wird verrundet; aufgrund dieser Bearbeitung ist abschließend mit der gewünschten Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Schnittmesser zu rechnen.
Die Beschichtung wird mittels PVD- oder PA-CVD-Verfahren durchgeführt. Für die Auswahl der Beschichtungstemperatur ist entscheidend, welche Grundhärte das randschichtgehärtete Schnittmesser aufweist. Für das hier vorliegende Beispiel wurde eine TiCN-Beschichtung über das PA-CVD-Verfahren gewählt. Bei einer Beschichtungstemperatur von 520° Celsius und einer Beschichtungsdauer von circa vier Stunden wird die randschichtgehärtete Schnittkante angelassen. Durch diesen Anlassvorgang sinkt bei dem Werkstoff CP4M die Härte von zunächst 62 HRC auf etwa 58 HRC ab. Bei anderen, üblichen Werkstoffen besteht jedoch die Gefahr eines mit dem durch die Beschichtungstemperatur begründeten Anlassvorgang verbundenen deutlich steileren Härteabfalls auf unter 50 HRC, wodurch keine ausreichende Stützwirkung der gehärteten Werkzeugzonen für die aufgebrachte TiCN-Schicht mehr gegeben wäre. Auf der nun angelassenen, randschichtgehärteten Schnittkante scheidet sich eine 2µm - 4 µm starke TiCN-Schicht ab, die mit einer Härte von circa 2400 HV eine etwa 3 - 4 mal höhere Härte als der gehärtete Grundwerkstoff aufweist. Hierdurch wird dem Schnittmesser der gewünschte Verschleißwiderstand gegeben. Ein abschließendes Aufpolieren der Beschichtung verbessert die Gebrauchseigenschaften und erhöht die Lebensdauer des hergestellten Schnittmessers.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung von eine Hartstoffbeschichtung aufweisenden Werkzeugen bei welchem die in einem weichen und/oder vorvergüteten Zustand fertig bearbeiteten Werkzeuge, deren Werkstoff durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet ist: 0,45 - 1,15 Gew.-% Kohlenstoff 4,0 - 9,0 Gew.-% Chrom 1,0 - 3,5 Gew.-% Molybdän + ½ Wolfram-Gehalt 0,2 - 2,5 Gew.-% Vanadium, wobei der Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen sind, in einem ersten Verfahrensschritt einer Randschichthärtung unterzogen werden, bei welcher der Werkstoff des unbeschichteten Werkzeuges mit einer um 50° Celsius bis 100° Celsius höheren Temperatur austenitisiert wird als die dem Werkstoff des unbeschichteten Werkzeuges zugehörige Durchhärtungstemperatur, wobei die durch die Randschichthärtung eingestellte Härte der gehärteten Oberflächenzone des Werkzeuges bei der als zweitem Verfahrensschritt über eine in Abhängigkeit von dem Hartstoffmaterial ausgewählte Zeitdauer durchgeführten Beschichtung des Werkzeuges mit einer Hartstoffschicht aufgrund des Anlassens durch eine während des Beschichtungsvorganges einwirkende Temperatur von 450° Celsius bis 550° Celsius nicht auf eine Härte unter 58 HRC abfällt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zwischen der Randschichthärtung des Werkzeuges und dem anschließenden Beschichtungsvorgang eine mechanische Vorbehandlung des Werkzeuges erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zwischen der Randschichthärtung des fertig bearbeiteten Werkzeuges und dem Beschichtungsvorgang eine Tiefkühlung des Werkzeuges erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem zwischen der Randschichthärtung des fertig bearbeiteten Werkzeuges und dem Beschichtungsvorgang eine Anlassbehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem zwischen der Randschichthärtung des fertig bearbeiteten Werkzeuges und dem Beschichtungsvorgang eine Plasmanitrierung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Randschichthärtung bei einer Temperatur von 1070° Celsius bis 1120° Celsius durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 6, bei welchem eine aus TiCN bestehende Hartstoffschicht bei einer Beschichtungstemperatur von 520° Celsius über eine Beschichtungsdauer von vier Stunden auf das Werkzeug aufgebracht wird.
Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Werkzeuges als Schneidwerkzeug.
Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Werkzeuges als Umformwerkzeug.
Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Werkzeuges für die Verarbeitung von hochfesten Blechwerkstoffen mit einer Streckgrenze von > 400 MPa.
Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Werkzeuges für die Verarbeitung von Blechwerkstoffen mit starker Adhäsionsneigung.