DE102010022272B4

DE102010022272B4 - Verwendung eines Emaille-Nanoverbundwerkstoffs zur Beschichtung eines Werkzeugs für das Warmformen von Metall

Info

Publication number: DE102010022272B4
Application number: DE102010022272.0A
Authority: DE
Inventors: Arianna T. Morales
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: DE102010022272A1; CN101905261A; US8297091B2; US20100307215A1; CN101905261B

Abstract

Verwendung eines Emaille-Nanoverbundwerkstoffs zur Beschichtung eines Werkzeugs für das Warmformen von Metall,
wobei das Werkzeug für das Warmformen von Metall eine Oberfläche zum Eingriff in ein Metallwerkstück aufweist,
wobei die Beschichtung, die auf dem Werkzeug angeordnet ist, wenigstens zwei Teilstücke umfasst,
wobei das erste Teilstück der Beschichtung zwischen der Oberfläche des Werkzeugs und dem zweiten Teilstück der Beschichtung angeordnet ist und
das erste Teilstück der Beschichtung, welches mit der Oberfläche des Werkzeugs in Kontakt ist, eine Emaille oder die Emaille und einen ersten Volumenanteil von Bornitrid-Nanopartikeln enthält, wobei der erste Volumenanteil bis zu acht Prozent beträgt, und
das zweite Teilstück der Beschichtung, welches mit dem ersten Teilstück der Beschichtung in Kontakt ist, die Emaille und einen zweiten Volumenanteil der Bornitrid-Nanopartikel enthält, welcher größer ist als der erste Volumenanteil so dass die Beschichtung bezüglich der Konzentration der Bornitrid-Nanopartikel abgestuft ist, wobei der zweite Volumenanteil zwei bis zehn Prozent beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Emaille-Nanoverbundwerkstoffs zur Beschichtung der Oberfläche eines Metallwerkzeugs, welches für warmformende Arbeitsschritte gedacht ist. Die vorliegende Offenbarung betrifft ebenfalls eine graduierte Nanoverbundwerkstoff-Beschichtung mit wenigstens zwei Teilstücken, welche verschiedene Volumenanteile von Nanopartikeln enthalten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Beim Warmformen wird das Arbeitsmaterial bis auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, bei welcher eine plastische Verformung des Materials leichter zu erreichen ist als bei Raumtemperatur. Dann wird das Material unter Verwendung eines Ausformwerkzeugs, eines Werkzeugs oder eines Stempels (heiß oder bei Raumtemperatur) sowie einer hydraulischen und/oder mechanischen Kraft oder der Kraft einer viskosen Flüssigkeit (heiß oder bei Raumtemperatur) geformt, um die gewünschte Form und Ausgestaltung zu ergeben.
Metallgegenstände können durch Warmformverfahren hergestellt werden, welche komplementäre Formwerkzeuge in einer Presse unter dem Druck eines Arbeitsgases nutzen, um einen vorgewärmten Metallrohling, beispielsweise einen Rohling aus einem Blech aus einer Aluminiumlegierung, gegen Formoberflächen auf den Formwerkzeugen streckzuziehen. Warmformverfahren schließen beispielsweise superplastisches Umformen (SPF), Schmieden, Warmstanzen, plastisches Blasformen, warmes Hydroformen und schnelles plastisches Formen (QPF) ein, welche in dem gemeinsam zugeordneten US Patent mit der Nummer US 6 253 588 B1 beschrieben werden.
Bei dem Heißblasformen wird ein sehr formbares Blech, wie beispielsweise ein Blech aus einer Aluminiumlegierung, beispielsweise auf ungefähr 500°C erhitzt und an Umfangskanten zwischen komplementäre gegenüberliegende Werkzeugflächen eingeklemmt. Gegen eine Seite des Blechs wird mit Druck beaufschlagte Luft oder eine andere Flüssigkeit aufgebracht, um diese im Einklang mit der Formoberfläche einer Werkzeugfläche zu strecken. Die gegenüberliegende Werkzeugfläche sieht eine Luftkammer auf der mit Druck beaufschlagten Seite des Aluminiumblechs vor. Beide Werkzeugflächen können auf erhöhte Formtemperaturen erhitzt werden, um das Blech zum Formen des Blechs bei einer vorbestimmten Formtemperatur zu halten. Das Blech kann zunächst zum Vorformen gegen eine Werkzeugfläche gepresst werden und dann zum endgültigen Ausformen gegen die gegenüberliegende Werkzeugfläche geblasen werden. Folglich wird wenigstens eine Fläche des heißen Blechs gegen und über die formende Fläche einer Werkzeugfläche gestreckt.
Warmformwerkzeuge können mit einem Schmiermittel oder mit einem Trennmittel beschichtet werden, um ein Anhaften und Binden des Werkstücks an dem Werkzeug zu verhindern.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2006 040 385 A1 offenbart eine hochtemperaturbeständige Beschichtung, die wenigstens ein nanoskaliges anorganisches Bindersystem, Bornitrid und mindestens ein Lösemittel umfasst. Die Beschichtung ermöglicht eine Trennmittelfunktion bzw. Antihaft-Eigenschaften gegenüber flüssigem Metall und anderen Verbindungen.
Die deutsche Patentanmeldung DE 101 27 494 A1 betrifft eine Bornitrid-Beschichtung auf metallischen, keramischen, emaillierten und/oder Glassubstraten. Die Beschichtung, die die Anhaftung von hydrophilen und hydrophoben Verbindungen, insbesondere von Wasser verhindern soll, enthält kristallines Bornitrid und ein anorganisches Bindersystem. Die Beschichtung ist hochtemperaturstabil und bezüglich ihrer Gleiteigenschaften kommerziellen Teflonbeschichtungen weit überlegen.
Die japanische Patentanmeldung JP S59-232 272 A offenbart eine Emaillebeschichtung, die durch Verteilen oder Besprühen von Bornitridpartikeln auf eine Emaille-Schmelze hergestellt wird, bevor diese trocken wird. Dadurch soll die Korrosionsbeständigkeit gegenüber geschmolzenen niedrigschmelzenden Metallen, geschmolzenem Glas und verschiedenen geschmolzenen Salzen verbessert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Emaille-Nanoverbundwerkstoffs zur Beschichtung eines Werkzeugs für das Warmformen von Metall,
wobei das Werkzeug für das Warmformen von Metall eine Oberfläche zum Eingriff in ein Metallwerkstück aufweist,
wobei die Beschichtung, die auf dem Werkzeug angeordnet ist, wenigstens zwei Teilstücke umfasst,
wobei das erste Teilstück der Beschichtung zwischen der Oberfläche des Werkzeugs und dem zweiten Teilstück der Beschichtung angeordnet ist und
das erste Teilstück der Beschichtung, welches mit der Oberfläche des Werkzeugs in Kontakt ist, eine Emaille oder die Emaille und einen ersten Volumenanteil von Bornitrid-Nanopartikeln enthält, wobei der erste Volumenanteil bis zu acht Prozent beträgt, und
das zweite Teilstück der Beschichtung, welches mit dem ersten Teilstück der Beschichtung in Kontakt ist, die Emaille und einen zweiten Volumenanteil der Bornitrid-Nanopartikel enthält, welcher größer ist als der erste Volumenanteil so dass die Beschichtung bezüglich der Konzentration der Bornitrid-Nanopartikel abgestuft ist, wobei der zweite Volumenanteil zwei bis zehn Prozent beträgt.
Die Emaille kann dem Substrat eine hohe Lebensdauer und eine hohe Haftung verleihen, während die kleinen Partikel eine gute Schmierfähigkeit vorsehen.
In einer Ausführungsform ist das Substrat eine Metallwerkzeugfläche oder ein Metallwerkzeug. In einer anderen Ausführungsform ist das Substrat ein Werkzeugstahl, welcher bei Warmformarbeitsschritten eingesetzt wird.
Die Beschichtung kann über dem Werkzeugstahl durch Aufbringen von wenigstens einer Beschichtungsmischung auf eine Oberfläche des Werkzeugstahls und durch Erhitzen der Beschichtungsmischung(en) bei einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeit, um die Beschichtung über der Oberfläche des Werkzeugstahls auszubilden, ausgebildet werden. Die Nanopartikel in der Beschichtung sind Bornitrid-Nanopartikel. Die Beschichtung weist ein erstes Teilstück auf, das einer Oberfläche des Substrats benachbart ist und eine exzellente Haftung an der Oberfläche des Substrats aufweist. Das erste Teilstück der Beschichtung kann auch gegenüber Druckbelastungen, Delaminierung und Verschleiß beständig sein.
Die Beschichtung umfasst auch ein zweites Teilstück, das dem ersten Teilstück benachbart ist, welches eine verschleißbeständige, Reibung verringernde und schmierige Beschichtung liefert. Das zweite Teilstück der Beschichtung befindet sich beispielsweise in Kontakt mit dem Werkstück. Der beschichtete Werkzeugstahl kann beispielsweise in gleitenden Eingriff mit dem Werkstück gelangen. In einer Ausführungsform wird ein Metallwerkstück aus Aluminiumblech durch Kontaktieren eines beschichteten Werkzeugstahls in einem Warmformverfahren zu einem gewünschten Gegenstand warmgeformt. Die erhöhte Schmierfähigkeit des zweiten Teilstücks der Beschichtung kann die unter Verwenden des beschichteten Werkzeugs zum Ausbilden von Teilen notwendige Menge des Schmiermittels verringern und dies kann zu den gewünschten Formbedingungen auf der Werkzeugfläche für ausgedehnte Zeitspannen beitragen.
Die Schmierfähigkeit der Beschichtung kann durch Verändern des Volumenanteils der Nanopartikel darin für spezifische Anwendungen gesteuert und maßgeschneidert werden. Der Volumenanteil der Nanopartikel in dem ersten Teilstück der Beschichtung ist weniger als der Volumenanteil der Nanopartikel in dem zweiten Teilstück der Beschichtung. In einer Ausführungsform kann das erste Teilstück keine Nanopartikel enthalten, wobei der Volumenanteil der Nanopartikel in dem zweiten Teilstück 2 bis 10% beträgt. In einer anderen Ausführungsform kann der Volumenanteil der Nanopartikel in dem ersten Teilstück der Beschichtung zwischen mehr als 0 und 8% betragen, wobei der Volumenanteil der Nanopartikel in dem zweiten Teilstück zwischen 2 und 10% beträgt.
Die Beschichtung enthält Nanopartikel und Emaille. Die Emaille kann ein Borsilikatglas oder irgendeine andere geeignete Emaille sein. In einer Ausführungsform sind die beiden Schichten über der Oberfläche des Substrats aufgebracht. Die erste Schicht kann Emaille, aber keine Nanopartikel enthalten. Oder, die erste Schicht kann Emaille enthalten und einen ersten Volumenanteil von Nanopartikeln, und zwar beispielsweise bis zu 8%, enthalten. Die zweite Schicht enthält Emaille und einen zweiten Volumenanteil von Nanopartikeln, welcher größer ist als der erste Volumenanteil der Nanopartikel. Erfindungsgemäß beträgt der zweite Volumenanteil der Nanopartikel 2 bis 10%. Die Bestandteile der Emaillezusammensetzung und/oder die Nanopartikel können mit Wasser vermischt werden, um die Mischung oder die Aufschlämmung auszubilden. Die erste Schicht kann durch Abscheiden oder durch Aufbringen einer geeigneten Mischung oder einer Aufschlämmung über der Oberfläche des Substrats ausgebildet werden. Die zweite Schicht kann durch Abscheiden oder durch Aufbringen einer geeigneten Mischung oder Aufschlämmung über der ersten Schicht ausgebildet werden. Dann können die ersten und zweiten Schichten erhitzt werden, um die Schichten auszuhärten.
In einer Ausführungsform kann lediglich eine einzelne Schicht ausgebildet werden. Die Mischung oder die Aufschlämmung, welche die Nanopartikel enthält, kann über der Oberfläche des Substrats abgeschieden oder aufgebracht werden, welche dann erhitzt wird, um die Mischung oder die Aufschlämmung zu schmelzen. Während des Aushärteverfahrens kann sich ein Gradient von Nanopartikeln entwickeln, um die abgestufte bzw. graduierte Beschichtung auszubilden. Der Gradient kann durch die zum Erhitzen oder Brennen des Substrats angewendete Zeit und Temperatur gesteuert werden, ebenso wie durch die Menge der Nanopartikel in der Mischung oder der Aufschlämmung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 illustriert eine graduierte Beschichtung über einem Substrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 2 illustriert ein Werkzeug mit einer formenden Oberfläche mit einer graduierten Beschichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor einem Warmverformen eines Werkstücks aus einem Metallblech.
Die 3 zeigt ein Teilstück eines Werkzeugs mit einer graduierten Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, nachdem das Werkstück aus Metallblech in Kontakt mit der formenden Oberfläche mit der graduierten Beschichtung gebracht worden ist.
Die 4 zeigt die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften für beschichtete Proben im Vergleich zu unbeschichteten Proben.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform umfasst, wie in der 1 gezeigt, ein Substrat 10 mit einer Beschichtung 12. Die Beschichtung 12 enthält Nanopartikel 13. Erfindungsgemäß sind die Nanopartikel 13 Bornitrid-Nanopartikel. Die Beschichtung 12 ist bezüglich der Konzentration der Bornitrid-Nanopartikel erfindungsgemäß graduiert bzw. abgestuft. Erfindungsgemäß umfasst die Beschichtung 12 wenigstens zwei Teilstücke. Immer noch Bezug nehmend auf die 1 ist ein erstes Teilstück 14 der Beschichtung 12 benachbart zu einer Fläche 16 des Substrats 10 angeordnet und ein zweites Teilstück 18 der Beschichtung 12 benachbart zu dem ersten Teilstück 14 angeordnet. Das erste Teilstück 14 weist eine Emaille und entweder keine Nanopartikel oder einen ersten Volumenanteil von Nanopartikeln auf. Das zweite Teilstück 18 weist eine Emaille und einen zweiten Volumenanteil von Nanopartikeln, welcher größer als der erste Volumenanteil ist, auf. In einer Ausführungsform sind die ersten und zweiten Teilstücke 14, 18 zwei getrennte Schichten. In einer anderen Ausführungsform sind die ersten und zweiten Teilstücke 14, 18 keine zwei getrennten Schichten. Die Emaille kann irgendeine geeignete Emaille sein.
Die Schmierfähigkeit der Beschichtung 12 kann durch Verändern des Volumenanteils der Nanopartikel 13 in der Beschichtung 12 auf spezifische Anwendungen gesteuert und maßgeschneidert werden. In einer Ausführungsform kann der erste Volumenanteil der Nanopartikel in dem ersten Teilstück 14 bis zu ungefähr acht Prozent betragen. Oder, die erste Schicht 14 kann keine Nanopartikel enthalten. In einer anderen Ausführungsform kann der zweite Volumenanteil der Nanopartikel in dem zweiten Teilstück 18 in einem Bereich zwischen ungefähr zwei und ungefähr zehn Prozent betragen.
In einer Ausführungsform weisen ungefähr 90 Prozent der Nanopartikel einen kleineren Durchmesser als ungefähr 15 Nanometer mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von ungefähr 5 bis ungefähr 7 Nanometern auf. In einer anderen Ausführungsform kann die Durchschnittsgröße der Nanopartikel in einem Bereich zwischen 3 Nanometern und 100 Nanometern im Durchmesser liegen. In einer Ausführungsform kann die Dicke der Beschichtung 20 ungefähr 5 Mikrometer bis ungefähr 40 Mikrometer betragen. In einer anderen Ausführungsform kann die Dicke der Beschichtung 20 ungefähr 5 Mikrometer bis ungefähr 30 Mikrometer betragen.
In einer Ausführungsform kann die Emaille in der Beschichtung 12 ein Borsilikatglas sein. Borsilikat enthaltende Emaillen sind in ihrer Formulierung hochkomplex, wobei die physikalischen und die mechanischen Eigenschaften grundsätzlich durch ihre Zusammensetzung bestimmt werden. Das Borsilikatglas kann aus einer Mischung hergestellt werden, welche wenigstens eines von Quarz (SiO₂), Borax (wasserfreie Formel Na₂B₄O₇), Borsäure (H₃BO₃), Kaliumnitrat (KNO₃), Natriumsiliziumfluorid (Na₂SiF₆) und Mangandioxid (MnO₂) enthält und des Weiteren optional Titandioxid (TiO₂), Antimonoxid (Sb₂O₃), Kobaltoxid [Kobalt(II)oxid (CoO), Kobalt(II,III)oxid (Co₃O₄) und/oder Kobalt(III)oxid (Co₂O₃)] oder Bariumoxid (BaO) enthält.
In einer anderen Ausführungsform kann die Emaille in der Beschichtung 12 aus einer Zusammensetzung hergestellt werden, welche wenigstens eines von Quarz, Borax, Borsäure, Kaliumnitrat, Natriumsiliziumfluorid und Mangandioxid und optional wenigstens eines von Titandioxid, Antimonoxid, Kobaltoxid [Kobalt(II)oxid, Kobalt(II,III)oxid und/oder Kobalt(III)oxid] oder Bariumoxid aufweist. In einer Ausführungsform sind geeignete Bereiche für die vorgebrannten Bestandteile der Emaillezusammensetzung (nicht die Nanopartikel enthaltend) ungefähr 39 bis ungefähr 52 Gewichtsprozent Quarz, ungefähr 15 bis ungefähr 24 Gewichtsprozent dehydratisiertes Borax, ungefähr 6 bis ungefähr 12 Gewichtsprozent Borsäure, ungefähr 5 bis ungefähr 8 Gewichtsprozent Kaliumnitrat, ungefähr 3 bis ungefähr 6 Gewichtsprozent Natriumsiliziumfluorid, ungefähr 3 bis ungefähr 12 Gewichtsprozent Mangandioxid und optional ein oder mehrere der nachfolgenden Verbindungen: bis zu ungefähr 15 Gewichtsprozent Titandioxid, bis zu ungefähr 3 Gewichtsprozent Antimonoxid, bis zu ungefähr 1 Gewichtsprozent Kobaltoxid und bis zu ungefähr 1 Gewichtsprozent Bariumoxid.
In einer Ausführungsform können die Nanopartikel 13 in eine Beschichtungszusammensetzung gemischt werden, um eine Mischung oder eine Aufschlämmung auszubilden. Beispielsweise können die Trockenbestandteile einer Emaillezusammensetzung mit Wasser und mit den Nanopartikeln 13 vermischt werden, um gemäß den bekannten Praktiken eine wässrige Dispersion der trockenen Bestandteile und der Nanopartikel als eine Aufschlämmung auszubilden. Dann kann die Mischung oder die Aufschlämmung über der Oberfläche 16 des Substrats 10 abgeschieden oder aufgebracht werden, und zwar beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Luft- oder elektrostatisches flüssiges Spray. Dann kann das Substrat 10 beispielsweise in einem Brennofen oder in einem anderen Ofen auf eine erhöhte Temperatur erhitzt oder gebrannt werden. Oder, das Erhitzen kann unter Verwendung einer Lötlampe oder einem Laser erfolgen. Das Erhitzen oder Brennen kann bei einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 700°C bis ungefähr 1200°C oder bei ungefähr 750°C bis ungefähr 900°C durchgeführt werden, um die Mischung oder die Aufschlämmung zu schmelzen. Die Temperatur, auf welche erhitzt wird, kann der Schmelztemperatur der Emaille entsprechen. Die Zeit des Brennens kann von der Dicke der Schicht(en) und von der Dicke des Substrats abhängen. Während des Aushärtverfahrens entwickelt sich ein Gradient von Nanopartikeln, um die graduierte Beschichtung 12 auszubilden. Der Gradient kann durch die zum Erhitzen oder Brennen des Substrats 10 eingesetzte Zeit und Temperatur sowie durch die Menge der Nanopartikel in der Mischung oder Aufschlämmung gesteuert werden. In einer anderen Ausführungsform migrieren die Nanopartikel nicht und es wird eine nicht graduierte Beschichtung mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Konzentration der Nanopartikel durch die Beschichtung hindurch ausgebildet.
In einer anderen Ausführungsform kann eine erste Mischung oder Aufschlämmung über der Oberfläche 16 des Substrats 10 abgeschieden oder aufgebracht werden, um eine erste Schicht auszubilden, und dann kann eine zweite Mischung oder Aufschlämmung über der ersten Mischung oder Aufschlämmung abgeschieden werden, um eine zweite Schicht auszubilden. Das Abscheiden der zweiten Mischung oder Aufschlämmung kann unmittelbar nach der Abscheidung der ersten Mischung oder Aufschlämmung erfolgen, oder, nachdem einige Zeit verstrichen ist. Dann können die ersten und zweiten Schichten erhitzt werden, um die Schichten auszuhärten. Die erste Schicht kann Emaille, aber keine Nanopartikel enthalten. Oder, die erste Schicht kann Emaille und einen ersten Volumenanteil von Nanopartikeln, beispielsweise von bis zu acht Prozent, enthalten. Die zweite Schicht enthält Emaille und einen zweiten Volumenanteil von Nanopartikeln, welcher größer als der erste Volumenanteil von Nanopartikeln ist. Erfindungsgemäß beträgt der zweite Volumenanteil von Nanopartikeln zwei bis zehn Prozent.
Die fertige Zusammensetzung der Beschichtung wird teilweise von den Brennbedingungen abhängen, kann aber die zuvor genannten Trockenbestandteile der Aufschlämmung mit der Ausnahme von Borsäure (B₂O₃), welches während des Brennens aus der Borsäurekomponente der Aufschlämmung hergestellt wird, enthalten. Geeignete Bestandteile liegen für die fertige Beschichtung (nicht die Nanopartikel enthaltend) in einem Bereich von ungefähr 39 bis 52 Gewichtsprozent Quarz, ungefähr 15 bis ungefähr 24 Gewichtsprozent Borax (auf Basis der wasserfreien Formel), ungefähr 7 bis ungefähr 12 Gewichtsprozent Boroxid, ungefähr 5 bis ungefähr 12 Gewichtsprozent Kaliumnitrat, ungefähr 3 bis ungefähr 8 Gewichtsprozent Natriumsiliziumfluorid, ungefähr 3 bis ungefähr 12 Gewichtsprozent Mangandioxid und optional ein oder mehrere von: bis zu ungefähr 12 Gewichtsprozent Titandioxid, bis zu ungefähr 8 Gewichtsprozent Antimonoxid, bis zu ungefähr 1 Gewichtsprozent Kobaltoxid und bis zu ungefähr 1 Gewichtsprozent Bariumoxid.
In einer anderen Ausführungsform kann die fertige Emaillezusammensetzung (nicht die Nanopartikel enthaltend) eine Mischung aus 46,5 Gewichtsprozent Quarz, ungefähr 21 Gewichtsprozent Borax (auf Basis dessen wasserfreien Formel Na₂B₄O₇), ungefähr 7,5 Gewichtsprozent Borsäure, ungefähr 6 Gewichtsprozent Kaliumnitrat, ungefähr 5 Gewichtsprozent Natriumsiliziumfluorid, ungefähr 11,5 Gewichtsprozent Mangandioxid und ungefähr 2,5 Gewichtsprozent Antimonoxid sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Substrat 10 ein Werkzeug, beispielsweise ein Warmformwerkzeug. Folglich ist das erste Teilstück 14 der Beschichtung 12 benachbart zu der Oberfläche des Werkzeugs und ist das zweite Teilstück 18 der Beschichtung 12 benachbart zu dem ersten Teilstück 14. Die Werkzeugoberfläche kann irgendein geeignetes Material, beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Stahl, sein. Die Beschichtung 12 kann über der Werkzeugoberfläche bei einer geeigneten Zeit, bevor das Werkzeug in einem Warmformarbeitsschritt eingesetzt wird, ausgebildet werden. Beispiele für Warmformarbeitsschritte schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf superplastisches Formen (SPF), schnelles plastisches Formen (QPF), Schmieden, Warmstanzen und plastisches Blasformen.
Die Beschichtung 12 kann zwischen der Werkzeugfläche und dem formenden Material einen Metall-zu-Metall-Kontakt verhindern. Ferner kann die Beschichtung 12 die Notwendigkeit zu einer Wiederauftragung auf das Werkzeug verringern, was die Produktivität erhöhen kann und die Metallfertigungskosten verringern kann. Die Beschichtung 12 kann die Oberflächenqualität der unter Verwendung des Werkzeugs gebildeten Teile erhöhen. Das erste Teilstück 14 der Beschichtung 12 kann eine exzellente Haftung an das Substrat, beispielsweise an eine Werkzeugfläche, aufweisen. Das erste Teilstück 14 kann ebenfalls gegenüber Druckbelastungen, Abschälen und Verschleiß sehr beständig sein. Das zweite Teilstück 18 kann eine verschleißbeständige, Reibung reduzierende und schmierende Beschichtung aufweisen, welche sich in Kontakt mit dem Werkstück befindet. Das zweite Teilstück 18 kann folglich für ausgedehnte Zeitspannen ideale formende Bedingungen auf der Werkzeugfläche aufweisen. Die erhöhte Schmierfähigkeit des zweiten Teilstücks 18 kann die Menge des Schmierstoffs, welcher zum Ausbilden von Teilen unter Verwendung eines beschichteten Werkzeugs benötigt wird, verringern.
Die Beschichtung 12 kann über irgendeinem geeigneten Substrat, beispielsweise über einem Werkzeug, angeordnet werden. In einer Ausführungsform kann die Beschichtung 12 über einem QPF-Werkzeug aufgebracht werden. Die 2 und 3 zeigen ein Fertigungsmittel 20 für ein QPF-Verfahren, welches ein unteres Werkzeug 22 sowie ein oberes Werkzeug 24 umfasst. Die graduierte Beschichtung 12 kann über einer formenden Oberfläche 26 des unteren Werkzeugs 22 ausgebildet sein und die Beschichtung 12 kann erste und zweite Teilstücke aufweisen, wie dies vorstehend beschrieben worden ist. Die Beschichtung 12 kann über der gesamten formenden Oberfläche 26 ausgebildet sein oder die Beschichtung 12 kann lediglich über einem Teilstück der formenden Oberfläche 26 ausgebildet sein.
Die 2 und 3 zeigen ebenfalls ein Werkstück 28 anfänglich in der Form eines Blechs, welches mit dem Fertigungsmittel 20 verformt worden ist, um einen gewünschten Gegenstand herzustellen. Die Werkzeuge 22 und 24 weisen jeweils einen Hohlraum 30 bzw. 32 auf. Wie dies bei dem QPF-Verfahren üblich ist, können die Werkzeuge 22 und 24 aus Eisen, Niederkohlenstoff- oder niedriglegiertem Stahl oder aus Werkzeugstahl, wie beispielsweise aus AISI P20, hergestellt sein, obwohl alle anderen geeigneten Materialien eingesetzt werden könnten. Die Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die 2 und 3 lediglich zur schematischen Wiedergabe der QPF-Werkzeuge beabsichtigt sind, und, dass das Werkstück sowie das Werkzeug beträchtlich von den gezeigten abweichen könnten.
Wie aus der 3 offensichtlich wird, ist die Oberfläche des Hohlraums 30 des unteren Werkzeugs 22 im Allgemeinen die formende Oberfläche für das QPF-Verfahren, das heißt diejenige Oberfläche, gegen welche das Werkstück 28 verformt wird. Das Werkstück 28 kann aus irgendeinem Material geformt werden, welches ”Superplastizität” aufweist, was bedeutet, dass das Material unter geeigneten Bedingungen und unter hohen Verarbeitungstemperaturen eine außergewöhnliche Duktilität einschließlich einer sehr feinen Korngröße aufweist. Beispiele für geeignete Materialien für das Werkstück 28 schließen Titan- und Aluminiumlegierungen ein.
Wie in der 2 dargestellt, ist das Werkstück 28 anfänglich zwischen den Werkstücken 22 und 24 eingeklemmt, was vorzugsweise eine gasdichte Abdichtung bewirkt. Sobald die gewünschte Prozesstemperatur erreicht ist, wird in den Hohlraum 32 des oberen Werkzeugs 24 durch den Einlass 34 ein nicht reaktives Gas (beispielsweise Argon) eingeführt, wodurch das Werkstück 28 mit einer kontrollierten Beanspruchungsrate graduell in den Hohlraum 30 des unteren Werkzeugs 22 forciert wird. Das untere Werkzeug 22 ist mit einem Auslass 36 ausgestaltet, um ein Entlüften von Gas aus dem unteren Hohlraum 30 zu ermöglichen. Wie in der 3 dargestellt, wird das Werkstück 28 durch den Druck des Gases (Blasformen) verformt und passt eventuell zu wenigstens einem Teilstück der formenden Oberfläche 26 des unteren Werkzeugs 22. Wenn das Werkstück 28 verformt wird, kommt das Werkstück 28 über die formende Oberfläche 26 des unteren Werkstücks 22 in Kontakt mit der Beschichtung 12. Das Werkstück 28 kann gegen die Beschichtung 12 und/oder gegen die formende Oberfläche 26 gleiten, sich ausdehnen oder dagegen drücken. Mit anderen Worten kontaktiert das Metallwerkstück 28 die Beschichtung 12, während sich das Werkstück relativ zu der formenden Oberfläche 26 bewegt. Die Beschichtung 12 kann einen Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen der Oberfläche 26 und dem Werkstück 28 verhindern und kann die Oberflächenqualität des gebildeten Werkstücks 28 erhöhen. Daran anschließend wird das Werkstück 28 von dem Werkzeug 20 entfernt und es wird das nächste Werkstück eingeladen.
Es wurden Experimente durchgeführt, um die Verschleißbeständigkeit eines beschichteten Substrats zu untersuchen. Die beschichteten Proben wiesen Abmessungen von 95 mm mal 59 mm auf. Das Werkzeugmaterial, welches in den Proben eingesetzt wurde, war P20-Werkzeugstahl. Die Proben wurden vor und nach jedem Test poliert.
Die tribologischen Eigenschaften der beschichteten Proben wurden unter Verwendung einer Plint TE-77 Hochfrequenzreibungsmaschine gemessen. Die Maschine wurde eingesetzt, um den Effekt von verschiedenen Schmiermitteln auf das tribologische Verhalten eines Aluminium/Stahl-Werkzeugpaares in gleitendem Kontakt zu untersuchen. Die Untersuchung umfasste den Kontakt zwischen zwei flachen Proben, nämlich zwischen dem oberen Stahl (welcher das Formwerkzeug simuliert) und dem unteren geschmierten Aluminiumblech. Der obere Stahl gleitet in reziproker Bewegung gegen das fixierte Aluminiumblech. Das Datenakquisitionssystem sammelt alle 0,1 Sekunden Daten. Es wurden die nachfolgenden Testbedingungen eingesetzt, um die beschichteten Proben zu untersuchen: normale Kraft 50 N, Dauer des Tests zwischen zehntel Sekunden und 50 Minuten abhängig von dem Schmierstoff, Frequenz 0,1 Hz und Temperatur 450°C.
Die Kurzzeitdatensammlung und die niedrige gleitende Geschwindigkeit, welche eingesetzt wurde, erlaubten die Beobachtung des Reibungsverhaltens des tribologischen Systems während jedem einzelnen Gleiten (15 mm Hube), des hochoszillierenden Verhaltens des Reibungskoeffizienten (FC) und der Amplitudenhöhe des Reibungskoeffizienten bei jedem bestimmten Hub. Das Datenakquisitionssystem zeichnete während jedem der Tests automatisch den Reibungskoeffizienten, das elektrische Kontaktpotential (CP), die Belastung, die Temperatur und die Frequenz auf. Es wurden für jede Bedingung und für jeden Schmierstoff drei Untersuchungen durchgeführt.
Die Ergebnisse der tribologischen Untersuchung sind in der 4 wiedergegeben. Die 4 zeigt den Reibungskoeffizienten gegenüber der Zeit für ein Substrat mit einer graduierten Nanoverbundwerkstoffbeschichtung und für ein nicht beschichtetes Substrat. Die Linie für jeden Datensatz gibt die oszillierenden an Polynomkurven mit dem Grad vier angepassten Reibungskoeffizientenkurven für drei Experimente wieder, welche als am besten passend gefunden wurden, um den durchschnittlichen Reibungskoeffizienten zu erhalten. Die gestrichelte Linie ist für ein gleitendes Paar, das eine Werkzeugprobe (P20-Werkzeugstahl) enthielt, welche mit einer graduierten Nanoverbundstoffbeschichtung, welche eine Emaille und 5 Volumenprozent Bornitrid-Nanopartikel enthielt, beschichtet war, welche gegen eine Metallprobe aus AA5083-Blech gleitete, die mit einer Bornitrid-Beschichtung, welche ungefähr 9 Mikrometer dick war, geschmiert war.
Die durchgezogene Linie ist für das gleitende Kontrollpaar, welches eine bloße Werkzeugprobe (P20-Werkzeugstahl) umfasste, welche gegen eine AA5083-Metallblechprobe gleitete, welche mit einer Bornitrid-Beschichtung, welche ungefähr 9 Mikrometer dick war, geschmiert war.
Die in der 4 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass der Zeit-zu-Kontakt für die beschichteten Werkzeugproben im Vergleich zu den nicht beschichteten Kontrollwerkzeugproben um den Faktor 10-fach zunahm. Der Zeit-zu-Kontakt ist die Zeit von dem Beginn der Untersuchung bis zu der Zeit, wenn das elektrische Kontaktpotential scharf auf null abfällt. Dies entspricht dem ersten Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen der geschmierten Aluminiumplatte und den Werkzeugmaterialien. Der Reibungskoeffizient bei Zeit-zu-Kontakt ist der Reibungskoeffizient zu der Zeit, wenn das Kontaktpotential null erreicht, und dieser entspricht der Reibungsveränderung von einem relativ konstanten Zustand zu einer plötzlichen Erhöhung des Reibungskoeffizienten. Dieses zeigt an, dass das tribologische Fehlverhalten aufgrund des Verbrauchs von Schmierstoff oder Oberflächenunebenheitskontakt eingetreten ist.
Die in der 4 gezeigten Ergebnisse zeigen auch, dass der Reibungskoeffizient (SSFC) im stabilen Zustand für die beschichteten Proben im Vergleich zu den nicht beschichteten Kontrollproben um mehr als die Hälfte verringert wird. Der SSFC ist der Durchschnittswert des Reibungskoeffizienten, bevor dessen Steigung zunimmt. Die Zeitdauer des stationären Zustands in dem Experiment wird als die Zeit von dem Beginn des Gleitens bis zu dem Punkt, wenn das Kontaktpotential auf null abfällt, definiert.
Die Praxis der vorliegenden Patentanmeldung ist durch bestimmte Ausführungsformen illustriert worden, aber dessen Schutzbereich ist nicht auf solche Beispiele beschränkt.

Claims

Verwendung eines Emaille-Nanoverbundwerkstoffs zur Beschichtung eines Werkzeugs für das Warmformen von Metall, wobei das Werkzeug für das Warmformen von Metall eine Oberfläche zum Eingriff in ein Metallwerkstück aufweist, wobei die Beschichtung, die auf dem Werkzeug angeordnet ist, wenigstens zwei Teilstücke umfasst, wobei das erste Teilstück der Beschichtung zwischen der Oberfläche des Werkzeugs und dem zweiten Teilstück der Beschichtung angeordnet ist und das erste Teilstück der Beschichtung, welches mit der Oberfläche des Werkzeugs in Kontakt ist, eine Emaille oder die Emaille und einen ersten Volumenanteil von Bornitrid-Nanopartikeln enthält, wobei der erste Volumenanteil bis zu acht Prozent beträgt, und das zweite Teilstück der Beschichtung, welches mit dem ersten Teilstück der Beschichtung in Kontakt ist, die Emaille und einen zweiten Volumenanteil der Bornitrid-Nanopartikel enthält, welcher größer ist als der erste Volumenanteil so dass die Beschichtung bezüglich der Konzentration der Bornitrid-Nanopartikel abgestuft ist, wobei der zweite Volumenanteil zwei bis zehn Prozent beträgt.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der zweite Volumenanteil ungefähr fünf Prozent beträgt.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Größe der Bornitrid-Nanopartikel in einem Bereich zwischen 3 nm und 100 nm liegt.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die kombinierte Dicke der ersten und zweiten Teilstücke der Beschichtung 5 Mikrometer bis 40 Mikrometer beträgt.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Emaille ein Borsilikatglas enthält.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Emaille aus einer Emaillezusammensetzung hergestellt wird, welche umfasst: zwischen 39 und 52 Gewichtsprozent Quarz, zwischen 5 und 24 Gewichtsprozent Borax (auf einer wasserfreien Basis), zwischen 6 und 12 Gewichtsprozent Borsäure, zwischen 5 und 8 Gewichtsprozent Kaliumnitrat, zwischen 3 und 6 Gewichtsprozent Natriumsiliziumfluorid und zwischen 3 und 12 Gewichtsprozent Mangandioxid, insbesondere, wobei die Emaillezusammensetzung des Weiteren umfasst wenigstens: bis zu 15 Gewichtsprozent Titandioxid, bis zu 3 Gewichtsprozent Antimonoxid, bis zu 1 Gewichtsprozent Kobaltoxid und bis zu 1 Gewichtsprozent Bariumoxid.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei ungefähr 90 Prozent der Nanopartikel einen kleineren Durchmesser als 15 Nanometer aufweisen, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 bis 7 Nanometern.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Emaillezusammensetzung Quarz, Borax, Borsäure, Kaliumnitrat, Natriumsiliziumfluorid und Mangandioxid enthält.
Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Emaillezusammensetzung des Weiteren wenigstens eines von Titandioxid, Antimonoxid, Kobaltoxid oder Bariumoxid enthält.