DE102019113117A1 - Verfahren zum Erzeugen verbesserter Umformwerkzeuge für hoch- und höchstfeste Stähle und Umformwerkzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges, insbesondere zum Umformen höchstfester Stähle, wobei das Umformwerkzeug das Ober- und/oder Unterwerkzeug eines Umformwerkzeugsatzes ist, wobei das Umformwerkzeug aus einem Metallmaterial ausgebildet ist und eine Formoberfläche besitzt, die so konstruiert ist, dass ein umgeformtes Blech die gewünschte Endkontur des Bauteils aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Formoberfläche des Umformwerkzeuges über physikalische Gasphasenabscheidung eine Hartstoffschicht abgeschieden wird, wobei die Hartstoffschicht aus einer optional aufgebrachten Titannitrid-Haftlage und darauf abgeschiedenen abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid besteht, wobei als äußerste einem zu formenden Werkstück zugewandten Außenfläche als letzte Schicht eine Titannitrid-Toplage abgeschieden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Umformwerkzeugen, insbesondere für das Umformen höchstfester Stähle sowie das Umformwerkzeug.
  • Insbesondere im Automobilbau besteht eine Bestrebung, die Karosserie von Fahrzeugen immer leichter zu gestalten. In den vergangenen Jahren wurden hierzu Anstrengungen unternommen, die darin mündeten, beispielsweise durch Presshärteverfahren, hochfeste Stahlkomponente zur Verfügung zu stellen, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit mit vergleichsweise geringen Materialdicken und damit Gewichten auskommen. Mittlerweile hat insbesondere aus Gründen des Umweltschutzes und der Einsparung von Kraftstoffen das Thema Leichtbau bei den Automobilherstellern höchste Priorität. Es werden insbesondere sogenannte hoch-, höchst- und ultrahochfeste Stahlmaterialien eingebaut (UHSS - Ultra High Strength Steel, AHSS - Advanced High Strength Steel). Höchstfeste Stähle im Sinne der Anmeldung betreffen Stahl-Werkstoffe mit einer Zugfestigkeit von mehr als 350 MPa, insbesondere mehr als 600 MPa. Insbesondere Bauteile, wie Stoßstangenverstärkungen, Seitenaufprallträger, Sitzrahmen und Mechanismen sowie Chassiskomponenten werden aus solchen Materialien hergestellt.
  • Mit derartigen Werkstoffen kann das Gewicht der herkömmlichen Bauteile um bis zu 40% reduziert werden. Es können zudem Kosten gesenkt und die Produktionseffizienz gesteigert werden.
  • Eine Herausforderung in diesem Zusammenhang ist jedoch die Kaltumformung derartiger höchstfester Stähle.
  • Aufgrund ihrer Eigenschaft setzen diese Materialien den Umformwerkzeugen erheblich höhere Kräfte entgegen, als dies ein üblicher Karosseriestahl tun würde.
  • Aufgrund der hohen Kontaktdrücke, die sich zwischen Werkstück und Werkzeug während der Umformung von höchstfesten Stählen einstellen, sind insbesondere die tribologischen Belastungen der Werkzeuge sehr groß. Da für eine wirtschaftliche Produktion lange Standzeiten der Werkzeuge notwendig sind, muss sichergestellt werden, dass der Verschleiß aufgrund der extrem hohen Kontaktnormalspannungen reduziert wird. Ein Ansatz hierbei ist bei der Kaltumformung die Vorbehandlung der Werkstücke und insbesondere der Zusatz höher additivierter Schmierstoffe.
  • Durch den Zusatz von Schmierstoffen können negative Auswirkungen auf die Gesundheit der Mitarbeiter auftreten, da beim Einsatz Schmierstoff-Emissionen in der Atemluft und auf der Haut der Mitarbeiter an den Arbeitsplätzen auftreten können. Darüber hinaus kann die Verschleppung von Kühlschmierstoffen ins Umfeld der Maschine erzeugt werden, welche die Ökobilanz des gesamten Prozesses wiederum verschlechtern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Umformwerkzeuge hergestellt werden können, die eine verminderte Verschleißneigung zeigen und womit die Werkzeug-Einsatzdauer wesentlich erhöht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Reduktion des Schmieraufwands bei Umformprozessen, insbesondere von höchstfesten Stählen.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Es ist eine weitere Aufgabe, ein entsprechendes Umformwerkzeug zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird mit einem Umformwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Erfindungsgemäß wird die Oberfläche eines Umformwerkzeuges, insbesondere zum Umformen höchstfester Stähle, chemisch, physikalisch und mechanisch dadurch verändert, dass auf der Oberfläche Hartstoffschichten mit reduziertem Reibungskoeffizienten aufgebracht werden. Die zugrundeliegende Idee ist durch die Erzeugung von Eigenschaftsgradienten an der Werkzeugoberfläche den lokalen Beanspruchungen besser Widerstand zu bieten. Die Oberfläche wird hierbei beispielsweise mit einer höheren Härte versehen, während das Werkzeugsubstrat die erforderliche Zähigkeit gewährleistet.
  • Insbesondere wird erfindungsgemäß auf entsprechenden Werkzeugen eine PVD-Hartstoffschicht abgeschieden.
  • Die Erzeugung von PVD-Schichten (Physical Vapor Deposition) ist seit langem bekannt und wird insbesondere bei Werkzeugen, insbesondere bei Schneidwerkzeugen eingesetzt.
  • Ein üblicherweise für solche Hartstoffschichten eingesetztes Verfahren ist das Lichtbogenverdampfen, auch Arc-PVD oder Arc-Evaporation genannt. Dieses Verfahren gehört zur Gruppe der physikalischen Gasphasenabscheidungen (PVD) und ist genauer gesagt ein Verdampfungsverfahren.
  • Bei diesem Verfahren wird die Kathode bzw. das zu verdampfende Material auf ein negatives Potenzial gelegt, wobei ein Lichtbogen zwischen der Kammerwand der Vakuumkammer (entsprechend als Anode wirkend) und der Kathodenoberfläche brennt. Die Kathode enthält das Material, was später zum Beispiel auf dem Werkstück, in diesem Fall auf dem Werkzeug, abgeschieden werden soll, wobei beispielsweise durch eine entsprechende Atmosphäre in der Kammer das Kathodenmaterial in der Plasmaphase auch mit entsprechenden Gasen (Reaktionsgasen) reagieren kann, um eine entsprechende Schicht auszubilden.
  • Bei dieser Lichtbogenverdampfung wird ein großer Teil des verdampften Materials ionisiert, wobei sich das Material radial in einem Sichtlinienprozess von der Kathodenoberfläche ausbreitet. An das Substrat wird zusätzlich ein negatives Potenzial gelegt, so dass der ionisierte Metalldampf zum Substrat hin beschleunigt wird. Der Dampf kondensiert an der Substratoberfläche, wobei durch die hohen Ionisierungsanteile und die negative Vorspannung am Substrat eine große kinetische Energie in die aufwachsende Schicht eingebracht werden kann. Hierdurch können unter anderem die Eigenschaften, wie zum Beispiel Schichthaftung, Dichte und Zusammensetzung, sowie Mikrostruktur der abgeschiedenen Schicht beeinflusst werden.
  • Allerdings ist es bekannt, dass Aluminiumchromnitrid- (AICrN) und Aluminiumtitannitrid- (AlTiN) Schichten üblicherweise nur mit einem hohen Anteil an Makropartikeleinlagerungen (sogenannten „Droplets“) in die aufwachsende Schicht aufgebracht werden können bzw. beim Verdampfen von Aluminiumchromkathoden eine hohe Makropartikelbildung festzustellen ist. Diese äußert sich in sogenannten Droplet-/Makropartikeleinlagerungen innerhalb der aufwachsenden Dünnschicht und einer entsprechend höheren Schichtrauheit. Diese Droplets bilden sich auch bei monolithischen Ausgestaltungen von Aluminiumchromnitrid- und Aluminiumtitannitrid-Schichten. Darüber hinaus weisen Aluminiumchromnitrid- und Aluminiumtitannitrid-Schichten eine vergleichsweise hohe Schichthärte und höheren Reibungskoeffizienten im Einsatz auf. Die höheren Schichtrauheiten, sowie die höheren Reibungskoeffizienten können jedoch im oberflächennahen Bereich während der Umformung von z.B. höchstfesten verzinkten Stahlblechen von nachteiligem Effekt sein und zu Aufschweißungen führen, welche die Werkzeug-Einsatzdauer herabsetzen können. Bei den Aufschweißungen handelt es sich um einen adhäsiven Materialübertrag vom weicheren, umgeformten Material auf das härtere Werkzeug.
  • Erfindungsgemäß wird daher eine zusätzlich dünne Titannitrid-Toplage (TiN) als letzte Schicht aufgebracht, welche durch ihre reduzierte Dropleteinlagerungen zu einer gleichmäßigeren, glatteren Schichtoberfläche führt. Eine weitere Eigenschaft der Titannitrid-Toplage ist der niedrigere Reibungskoeffizient als die darunterliegenden Lagen. Dadurch wird das Risiko von Aufschweißungen reduziert und somit das Einlaufverhalten der Schicht im Vergleich zu den darunterliegenden härteren Aluminiumtitannitrid-, Aluminiumchrommultilagen verbessert. Vorteilhafterweise wird das Einlaufverhalten durch die Titannitrid-Toplage verbessert aufgrund seiner guten Gleiteigenschaften und seines geringen Losbrechmoments (jene Kraft, die nötig ist zur Überwindung der Haftreibung und den Übergang in die Gleitreibung einleitet). Überraschenderweise absorbiert die Titannitrid-Toplage bei jedem Hub etwas Kraft, da die Titannitrid-Toplage eine bessere Elastizität aufweist als die harten Aluminiumchromnitrid- und Aluminiumtitannitrid-Schichten darunter. Eine dünnere TiN-Toplage als 0,1 µm führt zu keinem verbesserten Einlaufverhalten. Bei zu dicken TiN-Toplagen (dicker als 0,5 µm) kann die darunter liegende Multilayer ihre vorteilhaften Eigenschaften, beispielsweise das langsamere Risswachstum, nicht mehr zeigen. Besonders auszeichnen können sich TiN-Toplagen mit einer Dicke zwischen 0,2 und 0,3 µm. Dies stellt ein Optimum aus guten Einlaufeigenschaften und verlangsamter Werkzeugschädigung, beispielsweise durch Risswachstumshemmung, dar.
  • Vorteilhafterweise kann zusätzlich zuerst eine Titannitrid-Haftlage (TiN) auf das zu beschichtende Werkzeug abgeschieden werden.
  • Diese Haftlage kann zu einer besseren Anbindung der nachfolgenden Multilagen Beschichtung führen. Vorteilhafterweise weist die TiN-Haftlage eine Dicke von 0,2 bis 0,9 µm auf. Bei dickeren Schichten als 0,9 µm kann es zu so hohen Eigenspannungen in der Schicht kommen, dass die Schichthaftung schlechter wird. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine 0,4 bis 0,7 µm dicke Titannitrid-Haftlage, hier konnte die beste Schichthaftung erzielt werden. Für das Aufbringen der einzelnen Schichten der Multilayer werden bevorzugt Aluminiuchrom- und Aluminiumtitan- sowie Titankathoden eingesetzt, wobei als Reaktivgas Stickstoff verwendet werden kann, zur Abscheidung von Aluminiumtitannitrid bzw. Aluminiumchromnitrid-Schichten (AITiN-AICrN-Multilagensysteme). Diese Nitridhartstoffschichten können aufgrund ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften verschleißminimierend gegenüber den extremen Kontaktnormalspannungen und lokal thermischen Effekten wirken. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zuerst eine Aluminiumtitannitridschicht auf die optionale TiN-Haftlage abzuscheiden. Dadurch kann die Anbindung der folgenden Multilagen verbessert werden.
  • Das Wechselspiel von Lagen mit unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften ist u. a. vorteilhaft um die Rissausbreitung zu verringern. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass vorteilhafterweise je 5 Lagen AlCrN und AlTiN (also in Summe 10 Lagen) die Rissausbreitung effektiv vermindern können. Jedoch können zu viele Lagen den Nachteil haben, dass mit steigender Schichtdicke die Eigenspannungen in der aufgebrachten Schicht so hoch werden können, dass es zu Schichthaftungsproblemen kommen kann. Es hat sich vorteilhafterweise herausgestellt, dass hierfür die Anzahl an abwechselnden Schichtlagen 20 (also in Summe 40 bzw. 42 mit TiN-Haftlage und TiN-Toplage) nicht überschreiten sollte.
  • Vorteilhafterweise können die einzelnen Aluminiumtitannitridschichten je 0,1 bis 0,5 µm dick sein. Bei dünneren Schichten als 0,1 µm können ggf. nicht die gewünschten Eigenschaften (etwas elastischer als AICrN) der Hartstoffschicht erzielt werden. Dickere Schichten insbesondere über 0,5 µm Dicke können so hohe Eigenspannungen aufweisen, dass die Schichthaftung schlechter wird. Besonders auszeichnen können sich Schichtdicken zwischen 0,2 und 0,3 µm da diese bereits funktionell wirken können, ohne zu hohe Eigenspannungen einzubringen.
  • Vorteilhafterweise können die einzelnen Aluminiumchromnitridschichten je 0,1 bis 0,5 µm dick sein. Bei dünneren Schichten als 0,1 µm können ggf. nicht die gewünschten Eigenschaften (beständig gegen Abrasiwerschleiß, sehr hart, zäher als AlTiN, hohe Warmhärte - Temperaturstabilität bis ca. 900 °C) der Hartstoffschicht erzielt werden.
  • Dickere Schichten insbesondere über 0,5 µm Dicke können so hohe Eigenspannungen aufweisen, dass die Schichthaftung schlechter wird. Besonders auszeichnen können sich Schichtdicken zwischen 0,2 und 0,3 µm da diese bereits funktionell wirken können, ohne zu hohe Eigenspannungen einzubringen.
  • Vorteilhafterweise können die einzelnen Aluminiumtitannitridschichten je 0,1 bis 0,5 µm dick sein. Bei dünneren Schichten als 0,1 µm können ggf. nicht die gewünschten Eigenschaften der Hartstoffschicht erzielt werden. Dickere Schichten insbesondere über 0,5 µm Dicke können so hohe Eigenspannungen aufweisen, dass die Schichthaftung schlechter wird. Besonders auszeichnen können sich Schichtdicken zwischen 0,2 und 0,3 µm da diese bereits funktionell wirken können, ohne zu hohe Eigenspannungen einzubringen.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird eine Schichtdickenkombination jeweils 0,2 bin 0,3 µm von gewählt. Durch das Wechselspiel an etwas elastischeren und etwas zäheren Lagen kann beispielsweise das Risswachstum verlangsamt werden und dadurch eine längere Standzeit des Werkzeugs gewährleistet werden.
  • Der erfindungsgemäße Schichtaufbau auf dem Umformwerkzeug kann mit einem Duplex-Verfahren (in-situ Plasmanitrieren und nachfolgende PVD-Beschichtung) abgeschieden werden. Bevorzugte Substrate sind alle Werkstoffe die plasmanitrierbar sind, insbesondere Metallmaterialien, insbesondere HSS (Schnellarbeitsstahl) und Hartmetall. Im Sinne der Anmeldungen wird das zu beschichtende Metallmaterial als Substrat bezeichnet. Die Anmelderin stellt dafür die Beschichtungsanlagen alpha 400P und alpha 900P her. Beim Duplex-Verfahren sind beide Arbeitsgänge (Plasmanitrieren und PVD-beschichten) in einem Prozess hintereinander geschalten, ohne dazwischen die Anlage belüften zu müssen. Beim Plasmanitrieren diffundiert Stickstoff in die Randzone ein, wodurch die Oberflächenhärte des Werkzeugwerkstoffes erhöht wird. Die Bildung von störenden Verbindungsschichten wird dabei unterdrückt. Dadurch kann das Werkstück optimal vorbereitet werden (gute Stützwirkung) für die folgende, harte, spröde PVD-Beschichtung.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
    • 1 einen beispielhaften Schichtaufbau mit einer Titannitrid-Haftlage 2 auf einem Substrat 1 mit je 15 wechselnden Lagen aus Aluminiumtitannitrid-Schichten 3 und Aluminiumchromnitrid-Schichten 4 und einer Titannitrid-Toplage 5 in einer ersten Ausführungsform;
    • 2 einen abstrahierten Kalottenschliff, d.h eine Draufsicht, bei der die einzelnen Schichten erkennbar sind;
    • 3 einen metallographischen Vergleich von Modellschichten mittels Kalottenschliff, die auf zwei unterschiedlichen Anlagen auf eine Probe aufgebracht wurden;
  • In 1 ist ein beispielhafter Schichtaufbau mit einer Titannitrid-Haftlage 2 auf einem Substrat 1 mit je 15 wechselnden Lagen aus Aluminiumtitannitrid-Schichten 3 und Aluminiumchromnitrid-Schichten 4 und einer Titannitrid-Toplage 5 in einer ersten Ausführungsform, wobei auf die Titannitrid-Haftlage 2 direkt eine Aluminiumtitannitrid-Schicht 3 folgt.
  • In 2 ist ein abstrahierter Kalottenschliff abgebildet. Beim Kalottenschliff schleift eine Kugel eine Kalotte (Kugelkappe) in die Oberfläche. Schleift man durch die Multilayer bis zum Substrat, kann man im innersten Kreis das Substrat erkennen. Man erkennt die modellhaften Lagenstrukturen. Zunächst wird auf das Substrat 1 eine Titannitrid-Haftlage 2 aufgebracht, die die Haftung zwischen den nachfolgenden Schichten und dem Substrat 1 verbessert. Auf die Titannitrid-Haftlage 2 folgt vorteilhafterweise direkt eine Aluminiumtitannitrid-Schicht 3. Anschließend wechseln sich Aluminiumtitannitridschichten 3 und Aluminiumchromnitridschichten 4 ab, wobei diese Schichten jeweils 15-fach abgeschieden werden und abschließend eine Titannitrid-Toplage 5 abgeschieden wird.
  • In 3 erkennt man die metallographischen Kalottenschliffe von zwei modellhafte Lagenstrukturen, die auf einem zylindrischen Probenkörper aus dem entsprechenden Stahlmaterial aufgebracht wurden. Schichtaufbau wie bei 2. Das Beschichtungssystem links wurde auf einer Beschichtungsanlage alpha 400P der Anmelderin aufgebracht, das Beschichtungssystem rechts wurde auf einer Beschichtungsanlage alpha 900P der Anmelderin aufgebracht.
  • Die chemische Zusammensetzung der Lagen besteht beim Titannitrid dabei aus ca. 45 Atom% Titan und ca. 55 Atom-% Stickstoff, beim Aluminiumchromnitrid ca. 35 Atom-% Aluminium, ca. 15 Atom-% Chrom und ca. 50 Atom-% Stickstoff, während beim Aluminiumtitannitrid etwa 11 Atom-% Aluminium, 35 Atom-% Titan und 45 Atom-% Stickstoff enthalten sind.
  • Hergestellt wird eine Beschichtung für Umformwerkzeuge in Form einer mehrlagigen Hartstoffbeschichtung, die unter Verwendung der PVD-ARC-Technologie vom Substrat 1 (Werkzeug-Grundwerkstoff, Metallmaterial) her als eine Abfolge von einer TiN-Haftlage 2, einem AlTiN-AlCrN Multilagensystem (15 Einzellagen) und einer TiN-Toplage 5 abgeschieden wird und in der Lage ist, die Standzeit des Umformwerkzeuges zu verbessern. Die Optimierung der Werkzeugstandzeit wird dadurch erreicht, dass das PVD arc-basierte AlTiN-AlCrN Multilagensystem, aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften verschleißminimierend gegenüber den extremen Kontaktnormalspannungen und lokal thermischen Effekten bei der Umformung wirkt. Die zusätzliche dünne TiN-Toplage 5 begünstigt das Einlaufverhalten der Schicht und reduziert die Reibung im Vergleich zu den darunterliegenden härteren AlTiN-AlCrN Multilagen.
  • Die 0,5 µm dicke TiN-Haftlage 2 wird bei einer ansteigenden Substrattemperatur-Rampe von 400 b 450 °C und einer absteigenden Substratvorspannung von 600 - 220 V und einem Verdampferstrom von 60 A mit Hilfe des Reaktionsgases N2 bei 1,2*10-2 mbar abgeschieden. Die Zusammensetzung der TiN-Haftlage 2 beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 45 Atom-% Ti und 55 Atom-% AI.
  • Die 0,2 bis 0,3 µm dicke AlTiN-Lage 3 des AlTiN-AlCrN Multilagensystem startet mit einer AlTiN-Lage mit höherer Ti-Konzentration, die bei 450 °C Substrattemperatur, bei 200 V Substratvorspannung und zeitgleicher Abscheidung von AITi-Kathoden bei 55 A und Ti-Kathoden bei 60 A mit Hilfe des Reaktionsgases N2 bei 2*10-2 mbar abgeschieden wird. Die Zusammensetzung der AlTiN-Einzellage beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 11 Atom-% AI, 35 Atom-% Ti und 54 Atom-% N.
  • Die darüberliegende 0,2 bis 0,3 µm dicke AICrN-Lage 4 des AITiN-AICrN Multilagensystem wird bei 450 °C Substrattemperatur, bei 80 V Substratvorspannung und einem AICr-Kathodenstrom von 105 A mit Hilfe des Reaktionsgases N2 bei 2*10-2 mbar abgeschieden wird. Die Zusammensetzung der AICrN-Einzellage 4 beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 35 Atom-% AI, 15 Atom-% Ti und 50 Atom-% N.
  • Die AlTiN- 3 und AICrN-Einzellagen 4 werden 15mal hintereinander beschichtet und erzeugen das benannte AlTiN-AlCrN Multilagensystem.
  • Die 0,2 µm dicke TiN-Toplage 5 wird bei einer ansteigenden Substrattemperatur 450°C und einer Substratvorspannung 80 V und einem Ti-Kathodenstrom von 60 A mit Hilfe des Reaktionsgases N2 bei 2*10-2mbar abgeschieden. Die Zusammensetzung der TiN-Toplage 5 beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 45 Atom-% Ti und 55 Atom-% AI.
  • Die Schichtdicke des Gesamt-Schichtverbundes liegt bei 5 - 7 µm . Die Formoberfläche 6 ist die dem Werkstück zugewandte Werkzeugoberfläche.
  • Die Schichteigenschaften bzgl. Werkzeugstandzeit wurden an einem Stanzwerkzeug bestimmt, da Stanzversuche und die damit zusammenhängenden Parameter besser definiert sind als Umformversuche. Alle Stanzversuche wurden an einer exzentrischen Presse (four pillar eccentric press, 15000kg) durchgeführt. Beschichtet wurde jeweils ein Stanzwerkzeug aus Kaltarbeitsstahl (mit 0,7 Gew.-% Kohlenstoff, 5 Gew.-% Chrom, 2,3 Gew.-% Mo, 0,5 Gew.-% Vanadium, 0,5 Gew.-% Mangan, 0,2 Gew.-% Si und einer Härte von 60 bis 61 HRc). Damit wurde ein 1,5 mm dickes Blech aus höchstfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1400 MPa ohne zusätzliche Schmierung gestanzt.
  • Stanzparameter:
  • Schlagzahl: 160-170 Hübe/Minute
    Vorschubgeschwindigkeit (bei 1,5 mm dickem Stahlblech): 8 m/min
    Druck: 72500-74000 N
  • Die Standzeit wurde im Vergleich zu einer Aluminiumtitannitrid-basierten Referenzschicht gemessen und als Abbruchkriterium wurde das Werkzeugversagen bzw. die Grathöhe am gestanzten Werkstück/Bauteil herangezogen. D.h. wenn Werkzeugversagen eintritt, dann ist der Verschleiß an den Kantenbereichen des Werkzeuges so hoch, dass eine kritische Grathöhe am Werkstück/Stahlblech erzielt wird. Dabei erzielte die Aluminiumtitannitrid-basierte Referenzschicht bei 65000 Hüben eine kritische Grathöhe und das erfindungsgemäß beschichtete Werkzeug erst nach 365000 Hüben die kritische Grathöhe. Das entspricht einer 5fachen Verlängerung der Standzeit.
  • Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass bei der Multilagenanordnung auf einem Werkzeug nach der Erfindung die Standzeit signifikant erhöht werden konnte.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Metallmaterial, Substrat (zu beschichtendes Werkzeug)
    2
    Titannitrid-Haftlage (TiN-Haftlage)
    3
    Aluminiumtitannitridschichten (AlTiN-Schicht)
    4
    Aluminiumchromnitridschichten (AICrN-Schicht)
    5
    Titannitrid-Toplage (TiN-Toplage)
    6
    Formoberfläche

Claims (11)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges, insbesondere zum Umformen höchstfester Stähle, wobei das Umformwerkzeug das Ober- und/oder Unterwerkzeug eines Umformwerkzeugsatzes ist, wobei das Umformwerkzeug aus einem Metallmaterial (1) ausgebildet ist und eine Formoberfläche (6) besitzt, die so konstruiert ist, dass ein umgeformtes Blech die gewünschte Endkontur des Bauteils aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Formoberfläche des Umformwerkzeuges (6) über physikalische Gasphasenabscheidung eine Hartstoffschicht abgeschieden wird, wobei die Hartstoffschicht aus einer optional aufgebrachten Titannitrid-Haftlage (2) und darauf abgeschiedenen abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid (3) und Aluminiumchromnitrid (4) besteht, wobei als äußerste einem zu formenden Werkstück zugewandten Außenfläche als letzte Schicht eine Titannitrid-Toplage (5) abgeschieden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die optionale Titannitrid-Haftlage (2) als erste Lage der abwechselnd abgeschiedenen Lagen zuerst eine Aluminiumtitannitridschicht (3) abgeschieden wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je fünf bis zwanzig abwechselnde Schichten auf die optional aufgebrachte Titannitrid-Haftlage (2) abgeschieden werden bevor eine abschließende Titannitrid-Toplage (5) abgeschieden wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Titannitrid-Haftlage (2) eine Dicke von 0,2 Mikrometern bis 0,9 Mikrometern, bevorzugt von 0,4 Mikrometern bis 0,7 Mikrometern besitzt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumtitannitridschichten (3) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern besitzen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumchromnitridschichten (4) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern besitzen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abschließende Titannitrid-Toplage (5) eine Dicke von 0,2 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern besitzt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung der Lagen beim Titannitrid (1 und 5) aus 40 bis 50 Atom-% Titan und 50 bis 60 % Stickstoff, beim Aluminiumchromnitrid (4) zwischen 30 und 40 Atom-% Aluminium, 10 bis 20 Atom-% Chrom und 45 bis 55 Atom-% Stickstoff besteht und bei der Aluminiumtitannitridschicht (3) 8 bis 14 Atom-% Aluminium, 30 bis 40 Atom-% Titan und 40 bis 50 Atom-% Stickstoff besteht.
  9. Umformwerkzeug mit einer Hartstoffbeschichtung, die insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche abgeschieden ist.
  10. Umformwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht aus sich abwechselnden Aluminiumtitannitridschichten (3) und Aluminiumchromnitridschichten (4) ausgebildet ist, wobei abschließend eine Titannitrid-Topschicht (5) vorhanden ist.
  11. Umformwerkzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht auf dem Werkzeug eine Titannitrid-Haftlage (2) vorhanden ist und anschließend die Aluminiumtitannitridschichten (3) und Aluminiumchromnitridschichten (4) und die sowie die abschließende Titannitrid-Toplage (5) vorhanden sind.
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