ES2878165T3

ES2878165T3 - Molde metálico revestido y método para producirlo

Info

Publication number: ES2878165T3
Application number: ES16783294T
Authority: ES
Inventors: Fumiaki Honda
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: JP6477867B2; EP3287544A4; US11779989B2; JPWO2016171273A1; KR102174803B1; WO2016171273A1; CN107532279A; CN107532279B; EP3287544A1; US20180141102A1; EP3287544B1; KR20170129876A

Abstract

Un molde metálico revestido con un recubrimiento duro sobre una superficie de dicho molde, de manera que el recubrimiento duro incluye una capa A, formada a partir de un nitruro, que tiene un espesor de película comprendido en un intervalo de 5 μm hasta 70 μm, y una capa B formada a partir de un recubrimiento de carbono tipo diamante, en el cual la capa B está situada más cerca de un lado de la superficie exterior del molde metálico revestido que la capa A; una superficie de la capa B cumple con una rugosidad media aritmética Ra <= 0,2 μm, una altura máxima Rz <= 2,0 μm, y una asimetría Rsk < 0, midiéndose cada uno de los parámetros Ra, Rz y Rsk según la norma JIS-B-0601-2001; y la capa B contiene un porcentaje de hidrógeno comprendido en un intervalo del 5% atómico al 30% atómico.

Description

DESCRIPCIÓN

Molde metálico revestido y método para producirlo

ANTECEDENTES DE LA PRESENTE INVENCIÓN

Ámbito técnico

La presente invención se refiere a un molde metálico revestido con un recubrimiento duro que puede ser aplicado, por ejemplo, a moldes de estampación o forjado, y a un método para producir el molde metálico revestido.

Estado técnico anterior

Los moldes metálicos fabricados con el uso de acero para herramientas como material base, por ejemplo con acero para matricería en frío, acero para matricería en caliente o acero rápido, con un metal duro o similar, se han utilizado normalmente en trabajos de conformación plástica como el forjado o la estampación. Estos métodos de conformación plástica incluyen la mecanización en frío, en la cual la conformación tiene lugar a temperatura cercana a la ambiente, y la mecanización en caliente, en la cual la conformación se efectúa calentando el material de la pieza mecanizada a 400°C o más. En la conformación plástica con el empleo de un molde metálico para estampación o forjado, cuando el plano de mecanización del molde metálico y el material de la pieza mecanizada se deslizan uno contra el otro, puede producirse abrasión o excoriación en el plano de mecanización del molde metálico, con el probable deterioro de dicho plano. Por lo tanto es necesario aumentar la vida útil del molde.

En los últimos años, para aumentar la vida útil del molde se han usado moldes metálicos revestidos sobre cuyo plano de mecanización se ha aplicado un recubrimiento duro por deposición física de vapor (designado en lo sucesivo como método DFV). Entre los diversos métodos de formación de un revestimiento, la deposición física de vapor permite efectuar el recubrimiento a una temperatura inferior a la temperatura de revenido del acero. Por consiguiente, en la deposición física de vapor, el reblandecimiento del molde metálico provocado por el recubrimiento es leve y es menos probable que se produzca una deformación o alteración dimensional del molde metálico.

Por ejemplo, el documento de patente 1 muestra el uso de un nitruro de AlCrSi, el cual es un tipo de película que tiene una excelente resistencia al calor y al desgaste. Además, el documento de patente 2 muestra una estructura laminada de la película del recubrimiento constituido por capas alternativas de un nitruro de V con excelentes características de deslizamiento y un nitruro de AlCrSi, y cuya rugosidad superficial está controlada para que caiga dentro de un intervalo definido. En el documento de patente 3 se revela más información relevante del estado técnico anterior.

Documentos del estado técnico anterior.

Documento de patente 1: solicitud de patente japonesa abierta a la inspección pública (JP-A) n° 2005-042146

Documento de patente 2: JP-A n° 2011-183545

Documento de patente 3: JP 2010284710 A

RESUMEN DE LA PRESENTE INVENCIÓN

Problema técnico

En los últimos años, por lo que respecta a las chapas de acero que deben utilizarse en carrocerías de automoción ha ido aumentado la cantidad de chapas de acero de gran resistencia a la tracción. Para moldearlas se puede emplear un método de estampación en caliente, que consiste en calentar el material de la pieza mecanizada y luego moldearla a presión, endureciéndola al mismo tiempo. En el caso particular del procesamiento de una lámina de acero chapada con aluminio o cinc por el método de estampación en caliente puede haber adhesión a la superficie del molde metálico y, como resultado, la vida del molde puede llegar prematuramente al final.

Según el estudio de los inventores de la presente invención se confirma que, cuando se procesa una lámina de acero chapada con el empleo de cargas pesadas o por el método de estampación en caliente o similar, hay margen para mejorar la vida útil y la resistencia a la adhesión de los moldes metálicos revestidos convencionalmente. Un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un molde metálico revestido, con una excelente resistencia al desgaste, al calor y a la adhesión, y ofrecer método para producir el molde metálico revestido.

Solución del problema

Una forma de ejecución de la presente invención es un molde metálico revestido con un recubrimiento duro sobre su superficie. El recubrimiento duro incluye una capa A, formada a partir de un nitruro, que tiene un espesor de película comprendido en el intervalo de 5 pm a 70 pm, y una capa B formada a partir de un recubrimiento de carbono similar al diamante, de modo que la capa B está más cerca de la cara exterior que la capa A, y la superficie de la capa B tiene una rugosidad media aritmética Ra < 0,2 pm, una altura máxima Rz < 2,0 pm, y una asimetría Rsk < 0, y cada uno de los parámetros Ra, Rz y Rsk se mide conforme a la norma JIS-B-0601-2001; y la capa B contiene un porcentaje de hidrógeno comprendido en el intervalo de un 5% hasta un 30% atómico. Es preferible que la capa A sea una película laminada en la cual se alternen recubrimientos de un nitruro que contiene cromo y de un nitruro que contiene vanadio. Es preferible que la capa A tenga un espesor de película de 8 pm o más.

Otra forma de ejecución de la presente invención es un método para producir un molde metálico que tenga la superficie revestida con un recubrimiento duro. Dicho método incluye: una etapa de aplicación de una capa A formada a partir de un nitruro, con un espesor de película comprendido en el intervalo de 5 pm a 70 pm, una etapa de pulido de la superficie de la capa A, de modo que la capa A tenga una rugosidad superficial Ra < 0,2 mm, Rz < 2,0 mm y Rsk < 0; y tras la etapa de pulido de la superficie de la capa A, una etapa de aplicación de una capa B formada a partir de un recubrimiento de carbono similar al diamante; de modo que la superficie de la capa B satisfaga una rugosidad media aritmética Ra < 0,2 mm, una altura máxima Rz < 2,0 mm y una asimetría Rsk < 0, midiendo cada uno de los parámetros Ra, Rz y Rsk conforme a la norma JIS-B-0601-2001. Es preferible aplicar la capa A con un espesor de 8 pm o más.

Efectos ventajosos de la presente invención

Según la presente invención se puede producir un molde metálico revestido que tenga una excelente durabilidad, tanto al usarlo en frío o hasta templado/caliente, y una mayor la vida útil.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra los resultados de una prueba de rayado en los ejemplos de la presente invención.

La figura 2 es una fotografía ampliada que muestra la sección transversal del revestimiento en el ejemplo de la presente invención.

La figura 3 es una fotografía ampliada que muestra la sección transversal del revestimiento en el ejemplo comparativo.

La figura 4 muestra los resultados de una prueba de bola sobre disco en los ejemplos de la presente invención y en los ejemplos comparativos, cuando el material opuesto es Zn.

La figura 5 muestra los resultados de una prueba de bola sobre disco en los ejemplos de la presente invención y en los ejemplos comparativos, cuando el material opuesto es Al.

La figura 6 incluye fotografías ampliadas de las superficies de la película, que muestran la forma de daño causado en las películas por la prueba de bola sobre disco en los ejemplos de la presente invención y en los ejemplos comparativos.

DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE EJECUCIÓN

Para los trabajos de conformación plástica, como el forjado o la estampación, se utilizan moldes metálicos revestidos con un revestimiento duro formado en la superficie. En los moldes metálicos revestidos utilizados para estos fines, la fuerza que se aplica sobre la superficie del recubrimiento duro es grande. Por ello, cuando la película del recubrimiento es delgada, la resistencia de la película resulta insuficiente y es probable que se dañe. En concreto, cuando la carga es elevada, al aplicar una gran fuerza a la interfase entre la película de recubrimiento y el molde metálico, la película se despega o se daña fácilmente debido a la diferencia cuantitativa de la deformación elástica entre la película de recubrimiento y el molde metálico. Por consiguiente, la influencia del espesor de la película del recubrimiento duro en la vida útil del molde resulta extremadamente grande. En caso de que las características de deslizamiento del propio recubrimiento duro sean insuficientes, puede producirse una excoriación y la vida útil del molde tiende a llegar al final prematuramente.

Para obtener una excelente durabilidad en caso de carga elevada, los inventores de la presente invención han visto que una configuración efectiva del recubrimiento duro consiste en una capa (capa B) formada por carbono similar a diamante (en lo sucesivo también designado como CSD) como capa superior (“capa superior” significa una capa del lado superior, cuando el lado de la superficie exterior del molde metálico revestido al cual se aplica el recubrimiento duro se designa como lado superior y el lado interior del molde metálico revestido se designa como lado inferior), sobre una capa (capa A) formada por un nitruro, que tiene un gran espesor de película. Además, los inventores de la presente invención han encontrado que es importante pulir la superficie de la capa A que mira hacia la capa B. A continuación, se describe detalladamente la presente invención. En la presente descripción, el término “durabilidad” es la expresión general para la resistencia al desgaste, la resistencia térmica y la resistencia a la adhesión, y “durabilidad excelente” significa que los tres tipos de resistencia descritos anteriormente son excelentes.

La película de revestimiento formada a partir de un nitruro es un tipo de recubrimiento con una excelente resistencia al calor y al desgaste, y además tiende a tener una excelente adhesión al acero de un molde metálico y similares. Por lo tanto, la formación de una película más gruesa del recubrimiento de nitruro puede mejorar aún más la durabilidad del molde metálico revestido. En la presente invención, para obtener una excelente durabilidad en trabajos de carga elevada se aplica una capa A formada a partir de un nitruro, que tenga un gran espesor de película, comprendido en el intervalo de 5 pm o más. Sin embargo, las características de deslizamiento de la capa A formada a partir de un nitruro tienden a ser insuficientes y puede producirse excoriación o adhesión en la etapa inicial. Entonces, para impartir excelentes características de deslizamiento al molde metálico revestido, se dispone como capa superior, por encima de la capa A, una capa B de un recubrimiento de carbono similar a diamante, que es un tipo de película con excelentes características de deslizamiento. Al aplicar sobre la capa A un recubrimiento de carbono similar a diamante, que es un tipo de película con excelentes características de deslizamiento, se tiende a suprimir la excoriación o la adherencia en la etapa inicial, y se puede aumentar la resistencia a la adhesión.

En este caso, para que el efecto de la capa B sea suficiente, es importante aplicarla después de pulir la superficie de la capa A adyacente a la capa B. En la presente invención, como la capa A se controla para obtener un gran espesor de película, es fácil que en la película aplicada queden gotitas o defectos. Por tanto, cuando la capa A se deja tal cual una vez formada, la superficie de la capa A queda rugosa. Por lo tanto, cuando una capa B - que es un recubrimiento de carbono similar a diamante cuyo cuerpo principal incluye una sustancia amorfa - se aplica directamente sobre una capa A que tenga una superficie rugosa, también se generan irregularidades en la superficie de la capa B, siguiendo la superficie rugosa (irregularidades) de la capa A, y la capa B aparece deteriorada. Como las irregularidades de la superficie de la capa B son causadas por la rugosidad de la superficie de la capa A, es difícil mejorar la rugosidad de la superficie (especialmente, la asimetría Rsk descrita a continuación) de la capa B, puliendo solo la capa B. Además, es difícil asegurar suficientemente la adhesión entre la capa A y la capa B, y el pelado puede ocurrir fácilmente. Por consiguiente, el pulido de la superficie de la capa A, para eliminar defectos superficiales tales como gotitas o similares y aplicar después la capa B, mejora la adhesión entre la capa A y la capa B, y además permite suavizar la rugosidad superficial de la capa B.

Al pulir la capa A tal como se ha descrito anteriormente, la superficie de la capa B en la presente invención se puede ajustar de manera que la rugosidad media aritmética Ra (según la norma JIS-B-0601-2001) sea de 0,2 pm o menos, la altura máxima Rz (según la norma JIS-B-0601-2001) sea de 2,0 pm o menos, y la asimetría Rsk (según la norma JIS-B 0601-2001) sea menor que 0.

Cuando la superficie del recubrimiento duro presenta gotitas, defectos en la película, impurezas o similares, el molde metálico no es adecuado para usarlo como tal. Además, durante un deslizamiento, la parte convexa de la superficie de la película se convierte en un punto de arranque y ataca el material de la pieza mecanizada generando polvo de abrasión, lo cual provoca el desprendimiento o el desgaste de la película. Por consiguiente es importante controlar la asimetría Rsk para mantener bajo control la frecuencia de las porciones convexas, además de la rugosidad media aritmética Ra y la altura máxima Rz, que son índices generales de rugosidad superficial.

La asimetría Rsk es un parámetro que indica las características de simetría respecto a la línea central de una curva de distribución de amplitudes. Así, por ejemplo, en el caso de una película cuya superficie tiene muchas porciones cóncavas la asimetría Rsk es menor que 0, y en caso de una película cuya superficie tiene muchas porciones convexas la asimetría Rsk es igual o mayor que 0. Es posible controlar las frecuencias de las porciones convexas y de las porciones cóncavas. En la presente invención es preferible que la superficie de la película tenga pocas porciones convexas y es bueno que la asimetría Rsk sea menor que 0.

La rugosidad superficial, como rugosidad media aritmética Ra y altura máxima Rz, se puede reducir puliendo con un papel abrasivo, o puliendo por pulverización de un producto que incluya una resina y partículas de diamante, pero no es fácil reducir con certeza el número de porciones convexas y es difícil controlar la asimetría Rsk de una película de recubrimiento para que sea menor que 0. Por otra parte, al realizar un pulido abrillantador con pasta de diamante se puede obtener fácilmente una superficie lisa con un menor número de porciones convexas, lo cual es preferible para controlar que la asimetría Rsk sea inferior a 0.

La capa A está formada a partir de un nitruro y puede ser monocapa o multicapa, siempre que el espesor total de la película sea de 5 pm o más. Asimismo, la capa A puede ser una película laminada en la cual se alternen capas de nitruros de diferentes composiciones.

Es preferible que el espesor de película de la capa A sea de 8 pm o más después del pulido. La capa A también tiene preferiblemente un espesor de película de 10 pm o más. Sin embargo, cuando el espesor de la película es demasiado grueso hay casos en los cuales es probable que se produzca un desprendimiento de la película, dependiendo de las condiciones de procesamiento. Por consiguiente, el espesor de la película de la capa A es de 70 pm o menos. También es preferiblemente de 60 pm o menos. También es preferiblemente de 50 pm o menos. También es preferiblemente de 40 pm o menos.

La capa A se forma preferiblemente a partir de un nitruro que contenga uno, dos o más tipos de elementos escogidos del grupo integrado por elementos metálicos de los grupos 4a, 5a y 6a de la tabla periódica y aluminio (Al), silicio (Si) y boro (B). Como los nitruros que contienen uno o más de dichos elementos tienen una gran resistencia al calor y al desgaste, su durabilidad es excelente. Asimismo es preferible que la estructura cristalina de la capa A sea del tipo reticular cúbica centrada en la cara (fcc), porque mejora aún más la durabilidad.

En condiciones de uso riguroso cabe la posibilidad de que la capa B se desgaste. Por lo tanto, para asegurar también un cierto grado de durabilidad, en caso de que la capa A quede expuesta, es preferible que la capa A incluya un nitruro con contenido de cromo (Cr). En particular es preferible, por ejemplo, un recubrimiento duro de CrN, CrAIN, CrSiN, AlCrSiN o similares. Estos recubrimientos duros tienen una excelente resistencia al desgaste y al calor. Por otra parte, cuando el recubrimiento duro contiene cromo se forma fácilmente una película densa y uniforme de óxido sobre la superficie del molde metálico que se está procesando, y los daños tienden a suprimirse. Por consiguiente, la aplicación de un nitruro que contenga cromo a un molde metálico que deba utilizarse en un entorno de carga elevada, donde se genera calor por fricción durante el deslizamiento, es eficaz y preferible para mejorar la vida útil del molde metálico revestido.

Asimismo es preferible que la capa A incluya un nitruro con contenido de vanadio (V). Como el vanadio se oxida de forma adecuada en un intervalo de temperatura de trabajo de 25°C a 200°C, un compuesto que incluya principalmente vanadio dejará una fina película de óxido en la superficie del molde metálico, disminuyendo así la afinidad respecto al material opuesto (el material de la pieza mecanizada). Por lo tanto, cuando la capa A contiene un nitruro de vanadio con excelentes características de deslizamiento, todo el recubrimiento duro tiene también excelentes características de deslizamiento, lo cual permite reducir la adherencia del material de la pieza mecanizada a la superficie de la película del revestimiento durante la utilización del molde metálico. Si la pieza mecanizada es de un material férrico, el óxido de vanadio reacciona con el óxido de hierro, que es la superficie del material de la pieza mecanizada, o con el polvo de abrasión y, como resultado el óxido de hierro se ablanda. Por consiguiente puede evitar el desgaste abrasivo que se produce cuando el polvo de abrasión penetra en la película del revestimiento. Además, el ablandamiento del óxido de hierro del material de la pieza mecanizada por efecto del óxido de vanadio tiende a suprimir la generación de polvo de abrasión durante el deslizamiento, y permite evitar el rayado o la excoriación localizada del plano de trabajo durante el moldeo a presión.

En el caso de que la capa A según la presente invención sea una capa única, es preferible que esté constituida por nitruro de cromo o nitruro de vanadio. En este caso el nitruro de cromo incluye aquellos que contienen uno, dos o más tipos de elementos seleccionados del grupo integrado por elementos metálicos de los grupos 4a, 5a y 6a de la tabla periódica y aluminio (Al), silicio (Si) y boro (B).

Para conseguir eficazmente los efectos de la adición de cromo y vanadio descritos anteriormente es preferible que la capa A incluya una película laminada, formada por capas alternativas de un nitruro que contenga cromo y un nitruro que contenga vanadio. Con una película laminada de este tipo se puede impartir una excelente resistencia al desgaste y al calor, y al mismo tiempo unas excelentes características de deslizamiento, a la capa A, que es el cuerpo principal del recubrimiento duro y es una película gruesa, lo cual permite mejorar todavía más la durabilidad del molde metálico revestido.

El nitruro de cromo es preferiblemente un nitruro con un contenido de cromo del 30% o más, referido al porcentaje atómico de la porción metálica. Además, el nitruro de vanadio es preferiblemente un nitruro con un contenido de vanadio del 60% o más, referido al porcentaje atómico de la porción metálica, con mayor preferencia del 70% o más, y sobre todo del 80% o más.

Para lograr efectivamente todas las características de excelente resistencia al desgaste y al calor del nitruro de cromo y las buenas propiedades de deslizamiento del nitruro de vanadio, es preferible que el espesor de capa individual de la película laminada sea de 100 nm o menos. Controlando el espesor de capa individual de la película laminada se puede obtener un molde metálico revestido que tenga un buen balance de las características descritas anteriormente. Además puede evitarse la aparición de irregularidades en la superficie de deslizamiento de la película, incluso bajo diversas condiciones de temperatura durante el uso, y la agresividad respecto al material de la pieza mecanizada es baja. Por lo tanto se evitan daños tales como la excoriación producida durante el deslizamiento y se puede mejorar la vida útil del molde metálico revestido. El espesor de capa individual es con mayor preferencia menor de 50 nm, y sobre todo menor de 20 nm. Por otra parte es preferible que el espesor de capa individual sea de 3 nm o más.

Además en la presente invención, con el fin de conseguir unas características de deslizamiento suficientes, incluso en condiciones rigurosas, es preferible que el espesor de la película de nitruro de vanadio sea mayor que el espesor de la película de nitruro de cromo. Además, cuando el espesor de la película de nitruro de vanadio es 1,5 o más veces superior al espesor de la película de nitruro de cromo, se produce suficientemente un óxido de vanadio que mejora las propiedades de deslizamiento, lo cual es por tanto más preferible. Es aún más preferible que lo sea 2,0 o más veces.

A una temperatura de trabajo de aproximadamente 300°C o más, la oxidación de un compuesto que incluya vanadio como masa principal avanza. Entonces se forma una cantidad excesiva de óxido y, como resultado, hay casos en los que la resistencia al desgaste se deteriora dependiendo de las condiciones de uso. Por consiguiente, el espesor de la película del nitruro de vanadio es preferiblemente igual a 4,0 o menos veces el espesor de la película del nitruro de cromo.

En el caso de que la capa A según la presente invención sea múltiple, se prefiere una película laminada de nitruro de cromo y nitruro de vanadio. Es más preferible que el nitruro de cromo y el nitruro de vanadio formen capas alternadas. El nitruro de cromo puede incluir uno, o dos o más tipos de elementos seleccionados del grupo integrado por elementos metálicos de los grupos 4a, 5a y 6a de la tabla periódica y aluminio (Al), silicio (Si) y boro (B).

Es preferible que la capa B sea un recubrimiento de carbono tipo diamante, que contenga carbono con un enlace sp2 o sp3 entre átomos de carbono y/o carbono libre sin un enlace entre átomos de carbono. Con el fin de impartir mayores características de deslizamiento, es preferible que la capa B sea un recubrimiento de carbono tipo diamante con un contenido de enlaces sp2 mayor que el contenido de enlaces sp3. La capa B puede contener otros elementos, si es necesario, siempre que el contenido de átomos de carbono sea el más alto entre los elementos constituyentes de la capa B.

Es preferible que la capa B contenga un elemento metálico (incluido un semimetal), con el fin de impartir características como resistencia al desgaste o al calor. Es suficiente que el elemento metálico (incluido el semimetal) esté incluido en la capa B en forma de un compuesto tal como un metal, una aleación, un carburo, un nitruro, un carbonitruro, un carbooxo-nitruro o un carboboruro. El porcentaje del contenido (% atómico) del elemento metálico (incluido el semimetal) es preferiblemente del 2% o más. También es preferiblemente del 5% o más. Sin embargo, al aumentar el porcentaje del contenido de elemento metálico (incluido el semimetal), las características de deslizamiento tienden a deteriorarse. Por lo tanto, el porcentaje del contenido (% atómico) del elemento metálico (incluido el semimetal) en la capa B es preferiblemente del 20% o menos. También es preferiblemente del 10% o menos.

Además, para impartir resistencia al calor, es preferible que la capa B sea un revestimiento de carbono tipo diamante que contenga nitrógeno. Cuando el revestimiento de carbono tipo diamante contiene nitrógeno se puede impartir a la película de revestimiento una mejor resistencia térmica. Preferiblemente, el porcentaje de contenido (% atómico) de nitrógeno es 5% o más. Además, es preferiblemente del 10% o más. Sin embargo, cuando el contenido de nitrógeno es demasiado alto, la característica de deslizamiento tiende a deteriorarse. Por lo tanto, para impartir una excelente resistencia al calor, el porcentaje de contenido (% atómico) de nitrógeno en la capa B es preferiblemente del 20% o menos. Además, es preferiblemente del 15% o menos.

La capa B es un recubrimiento de carbono tipo diamante que contiene hidrógeno. Cuando el recubrimiento de carbono tipo diamante contiene hidrógeno disminuye la dureza de la película y se pueden impartir mejores características de deslizamiento.

El porcentaje del contenido (% atómico) de hidrógeno es del 5% o más. También es preferiblemente del 10% o más. Sin embargo, cuando el contenido de hidrógeno es demasiado alto, la resistencia al desgaste tiende a deteriorarse. Por consiguiente el porcentaje del contenido (% atómico) de hidrógeno en la capa B es del 30% o menor. También es preferiblemente del 25% o menor.

La capa B puede incluir un elemento metálico (incluido semimetal), nitrógeno o hidrógeno, individual o conjuntamente. Así, por ejemplo, la capa B puede contener al mismo tiempo un elemento metálico (incluido semimetal), nitrógeno e hidrógeno; puede contener solo nitrógeno e hidrógeno; puede contener solo un elemento metálico (incluido semimetal) y nitrógeno, o puede contener solo un elemento metálico (incluido semimetal) e hidrógeno.

La capa B puede ser monocapa o multicapa. Es posible que la capa B contenga un gas noble como el Ar, oxígeno o similares.

El espesor de la película de la capa B es preferiblemente de 1 pm o más. También es preferiblemente de 2 pm o más. Sin embargo en algunos casos, cuando es demasiado gruesa, la película puede desprenderse, dependiendo de las condiciones de procesamiento. Por consiguiente, el espesor de película de la capa B es preferiblemente de 15 pm o menos. También es preferiblemente de 12 pm o menos.

El material utilizado para el molde metálico según la presente invención no está particularmente definido, y puede ser apropiado el acero para matricería en frío, el acero para matricería en caliente, el acero rápido para herramientas, un metal duro, o similares. También se puede adoptar un molde metálico previamente sometido a un tratamiento de endurecimiento superficial por difusión, tal como un tratamiento de nitruración o cementación.

La aplicación del recubrimiento duro según la presente invención mediante un método DFV permite llevar a cabo el revestimiento a una temperatura inferior a la temperatura de revenido del material del molde metálico, tal como acero para matricería en frío, acero para matricería en caliente o acero rápido, evitando la variación dimensional del molde metálico. Además se puede impartir tensión compresiva residual al recubrimiento duro y también se pueden mejorar sus características mecánicas, lo cual es por tanto preferible.

La capa A se recubre preferiblemente según un método de chapado por arco iónico, con el cual se logra una excelente adhesión de la película de recubrimiento, entre los métodos de DFV. Después de recubrir la capa A según el método de chapado por arco iónico se saca la muestra del horno y se pule la superficie de la capa A. Después la capa B se recubre preferiblemente por un método de deposición catódica. Para recubrir la capa B según un método de deposición catódica se puede aplicar un recubrimiento de carbono tipo diamante que es más suave y tiene excelentes propiedades de deslizamiento. El recubrimiento de la capa B es preferible realizarlo por un método de deposición catódica en el cual se aplica energía eléctrica a una placa de grafito y se usa gas hidrocarburo y nitrógeno como gases de reacción. En particular se prefiere aplicar el recubrimiento por un método de deposición catódica de magnetrón sin equilibrio. La capa B también se puede recubrir por DFV de plasma. Mediante el uso de DFV de plasma se obtiene una productividad óptima y por lo tanto es preferible.

La capa B se puede pulir para conseguir una superficie más lisa.

Para pulir la superficie de la capa A se prefiere un método mecánico como el que se describe a continuación.

(1) Un método para pulir la superficie del recubrimiento duro mediante un paño provisto de un abrasivo como pasta de diamante o similar.

(2) Un método de pulido llamado AERO LAP (marca registrada) o similar, en el cual se usan partículas de diamante y un abrasivo que contiene agua, haciendo que el abrasivo se deslice a una gran velocidad sobre la película del recubrimiento aplicado sobre el molde metálico, de modo que el pulido se realiza utilizando la fuerza de fricción producida.

También, en la presente invención, además de los métodos descritos anteriormente, el pulido puede llevarse a cabo según un método basado en el llamado SMAP (que es una máquina de granallado de superficie especular fabricada por Kamei Tekkousho Ltd.) o similar, el cual consiste en pulir con un chorro de un abrasivo que tiene elasticidad y pegajosidad, sin usar aire. Tras el pulido mecánico se puede realizar el pulido con pasta de diamante de 3 pm o menos. De acuerdo con lo anterior se puede conseguir un alisado más preferido.

Con el pulido anterior, la rugosidad superficial de la capa A se controla para conseguir una rugosidad media aritmética Ra < 0,2 pm, una altura máxima Rz < 2,0 pm y una asimetría Rsk <0. Es preferible que la rugosidad aritmética media Ra sea de 0,05 pm o menos y la altura máxima Rz sea de 1,00 pm o menos.

Entre el molde metálico y la capa A, si es necesario, se puede aplicar un recubrimiento duro de un metal, un carburo, un carbonitruro o un nitruro que tenga una composición diferente a la de la capa A, o similar, para mejorar la adherencia entre el molde metálico y la capa A.

Además, para mejorar la adhesión entre la capa A y la capa B, se puede aplicar otra película de recubrimiento que tenga una composición diferente a la de la capa A, si es necesario, antes de aplicar la capa B. En este proceso se prefiere aplicar un recubrimiento duro de un metal, un carburo, un carbonitruro o un nitruro que tenga una composición diferente a la de la capa A, o similar, después de pulir la superficie de la capa A.

Esta película de recubrimiento entre la capa A y la capa B es con mayor preferencia una película que contenga titanio metálico, con el fin de mejorar aún más la adhesión.

Si es necesario, también se puede aplicar un recubrimiento duro de un metal, un carburo, un carbonitruro, un nitruro, o similar, sobre la capa B.

La presente invención sirve preferiblemente para un molde metálico de conformación plástica en aquellos casos en que el plano de trabajo del molde metálico y el material de la pieza mecanizada se deslizan violentamente uno contra el otro. En particular, cuando la presente invención se aplica a un molde metálico revestido para trabajos en caliente, donde el material de la pieza mecanizada se calienta a 400°C o más, el efecto de mejora de la vida útil es grande, lo cual es preferible.

También es preferible usar la presente invención para un molde metálico de estampación en caliente, donde el material de la pieza mecanizada se calienta y después es sometida al mismo tiempo a moldeo por presión y endurecimiento. Además, es preferible aplicar la presente invención a un molde metálico para procesar una lámina de acero chapada con aluminio, cinc o similares.

Ejemplo 1

Para aplicar la capa A se usó un aparato de chapado por arco iónico que tiene una estructura en cuyo centro gira un molde metálico rodeado por varias placas. La placa metálica que lleva los componentes metálicos o la aleación del recubrimiento duro se preparó por un método de pulvimetalurgia y se montó en el aparato de chapado por arco iónico. Para el molde metálico se usó un producto de acabado superficial especular, constituido por un acero para matricería en caliente SKD 61, y se realizó un desengrasado y una limpieza suficiente, antes de colocar el molde metálico en el aparato de chapado por arco iónico. Como paso inicial, el molde metálico se calentó a aproximadamente 450°C en el aparato de chapado por arco iónico, utilizando un calentador (no representado en la figura) instalado en la cámara, y se mantuvo durante 50 minutos. Luego se introdujo gas Ar, se aplicó un voltaje de polarización de -200 V a -500 V al molde metálico y se realizó un tratamiento de limpieza con plasma (ataque con iones en atmósfera de Ar) durante 20 minutos. A continuación se aplicó un voltaje de polarización de -800 V al molde metálico y, utilizando una placa de Ti metálico, se llevó a cabo el ataque con iones metálicos durante aproximadamente 5 minutos (incluido el período de enfriamiento tras el ataque con iones metálicos). Seguidamente se explican en detalle las condiciones de recubrimiento para cada muestra.

Después de realizar el ataque iónico del molde metálico se introdujo gas nitrógeno, se aplicó un voltaje de polarización de -130 V al molde metálico y se aplicó una capa A formada a partir de CrN de manera que el espesor de la película fuera de aproximadamente 6 |jm a una temperatura del molde de 450°C, una presión del gas de reacción de 3,0 Pa y una corriente de arco de 100 A. En la etapa de recubrimiento, la frecuencia de giro del molde metálico se fijó a 3 rpm. Posteriormente, para pulir la superficie del CrN y alisarla, se sacó el molde metálico de la cámara y se pulió la superficie con una máquina AERO LAP (AERO LAP YT-300) fabricada por Yamashita Works Co., Ltd. Luego se pulió con pasta de diamante de 1 jm , de manera que la rugosidad media aritmética Ra fuera de 0,2 jm o menos, la altura máxima Rz de 2,0 jm o menos y la asimetría Rsk menor que 0.

Para aplicar la capa B se utilizó un aparato de deposición catódica. En este aparato se montó una placa metálica de Ti y una placa de C grafito. El molde metálico, que ya estaba recubierto con la capa A, se desengrasó y se limpió suficientemente, y a continuación se colocó en el aparato de deposición catódica. Como paso inicial, el molde metálico se calentó a aproximadamente 200°C en el aparato de pulverización catódica, utilizando un calentador instalado en la cámara, y se mantuvo durante 50 minutos. Luego se introdujo gas Ar, se aplicó un voltaje de polarización de -200 V a -500 V al molde metálico y se realizó un tratamiento de limpieza con plasma (ataque con iones en atmósfera de Ar) durante 20 minutos.

Después se aplicó un voltaje de polarización de -50 V al molde metálico y se introdujo gas Ar, gas hidrocarburo y gas nitrógeno. Se aplicó una capa intermedia (que incluía carburo de titanio) de titanio metálico y carbono por deposición catódica a una potencia de 0,5 kW a 10 kW. Sobre esta capa se aplicó una capa B formada por carbono tipo diamante, con un espesor de película de aproximadamente 4 jm , como capa más externa. En la etapa de aplicación la frecuencia de rotación del molde metálico se ajustó a 3 rpm.

Como capa A se aplicó una película de recubrimiento con una estructura laminada en capas alternas de Al6pCr37S¡3N (en %) y VN (en lo sucesivo, también descritas como AlCrSiN/ VN). En la muestra n° 3 se aplicó una capa A de manera que el espesor de la película fuera de aproximadamente 9 jm . Las condiciones para la capa B y análogas fueron las mismas que para la muestra n° 1.

Se aplicó CrN como capa A y el pulido superficial de la capa A solo se realizó con una máquina AERO LAP (AERO LAP YT-300) fabricada por Yamashita Works Co., Ltd. Las condiciones de formación de la capa B y similares fueron las mismas que las de la muestra n° 1.

Como capa A se aplicó CrN para la muestra n° 12 y AlCrSiN/ VN para la muestra n° 13. Estas dos capas A se dejaron con la superficie sin pulir y sobre ellas se aplicó la capa B. Las condiciones de formación de la capa B fueron las mismas que las de la muestra n°1.

Para las muestras n° 14, n° 15 y n° 16 se aplicó CrN como capa A, y no se recubrieron con capa B. En el caso de la muestra n° 14, la superficie de la capa A se pulió con AERO LAP y luego con pasta de diamante de 1 jm . En el caso de la muestra n° 15, la superficie de la capa A solo se pulió con AERO LAP. En el caso de la muestra n° 16 no se pulió la superficie de la capa A. Las condiciones de recubrimiento para cada muestra se muestran en la tabla 1. Además, en la fig. 2 se muestra una fotografía ampliada de la sección transversal del recubrimiento de la muestra n° 2, que es un ejemplo según la presente invención. En la fig. 3 se muestra una fotografía ampliada de la sección transversal del recubrimiento de la muestra n° 14, que es un ejemplo comparativo.

[Tabla 1]

De estas muestras se realizó la medición de la rugosidad superficial del recubrimiento duro, una prueba de rayado, una prueba de resistencia térmica y una prueba de bola sobre disco. A continuación se describen los métodos de las pruebas de evaluación.

(Medición de la rugosidad de la superficie)

Para medir la rugosidad superficial se utilizó un perfilómetro de sonda de contacto (SURFCOM) fabricado por TOKYO SEIMITSU CO., LTD. Las condiciones de medición fueron las siguientes: longitud de evaluación: 4 mm, velocidad de medición: 0,3 mm/s, valor límite: 0,8 mm y tipo de filtro: gaussiano. Los resultados de la medición se muestran en la tabla 2. Las muestras n° 1 a n° 3, que son los ejemplos de la presente invención, muestran todas ellas los valores que cumplen: Ra < 0,2 pm, Rz < 2,0 pm, y Rsk < 0, y se entiende que tienen la superficie lisa y pocas porciones convexas. En las muestras n° 11 y n° 15, que son ejemplos comparativos en los cuales el acabado superficial de la capa A se realizó solo por pulido AERO LAP, la asimetría Rsk resulta > 0, que no satisface la rugosidad superficial pretendida. También en otras muestras comparativas, en las que no se pulió la superficie de la capa A, la rugosidad superficial Rz resulta > 2,0 y Rsk > 0, y por consiguiente no tienen la rugosidad superficial deseada. Además en la n° 14 no se formó la capa B, de modo que la rugosidad superficial mostrada en la tabla 2 es la rugosidad superficial de la capa A. Esta capa A tiene una rugosidad superficial Ra < 0,2 mm, Rz < 2,0 mm y Rsk < 0. En la n° 14, la capa A se pulió del mismo modo que en las n° 1 a n° 3. Es decir, se entiende que en las n° 1 a n° 3 la rugosidad superficial de la capa A también cumple con Ra < 0,2 pm, Rz < 2,0 pm y Rsk < 0.

(Prueba de rayado)

A continuación, con el fin de evaluar la adherencia de la película de revestimiento, se midió la fuerza para despegar la película de revestimiento mediante un medidor de rayado (REVETEST) fabricado por CSM Instruments, Inc.

Las condiciones de medición fueron las siguientes: fuerza ejercida durante la medición: de 0,9 N a 120 N, velocidad de carga: 99,25 N/min, velocidad de rayado: 10 mm/min, distancia de rayado: 12 mm, sensibilidad EA: 5, penetrador: ROCKWELL, diamante, radio de la punta: 200 pm , configuración de hardware: Fn de contacto 0,9 N, velocidad de Fn: 5 N/s, velocidad de remoción de Fn: 10 N/s, y velocidad de aproximación: 2%/s. El valor de carga crítica de pelado de la película del revestimiento se toma como el valor de carga al que ha fluctuado la fuerza de fricción obtenida por la medición o la carga en el momento en que todo el revestimiento duro se despega del molde metálico. Los resultados de la medición se muestran en la tabla 2 y en la fig. 1.

Como se ve en la tabla 2 y en la fig. 1, en todas las muestras se consigue una gran adherencia, con un valor crítico de carga de pelado de 90 N o superior. Esto se debe a que la película del revestimiento es extremadamente gruesa y tiene un espesor de 5 pm o más. Sobre todo en la muestra n° 3, que es un ejemplo de la presente invención en el cual el espesor de película de la capa A es de 9 pm, no hubo ningún desprendimiento, ni siquiera aplicando una fuerza de medición de 120 N, a pesar de ser más gruesa que las otras muestras.

(Prueba de resistencia térmica)

En este ensayo, para ver la resistencia a la oxidación de la película del revestimiento, se evaluó su resistencia térmica del modo siguiente. Cada muestra se calentó en un horno de atmósfera controlada, a una temperatura constante de 400°C durante 1 hora. Luego, observando la sección transversal de la película del revestimiento, se evaluó si se había producido una reducción del espesor de la película o si se había o no formado una capa de oxidación. Por ejemplo, en el caso de un revestimiento CSD constituido por C (carbono) o similar, el C de la película del revestimiento produce gas CO2 al oxidarse y, como resultado, disminuye el espesor de la película. En el caso de una película de nitruro, al producirse la oxidación, los nitruros son reemplazados por óxidos y, como resultado, se forma una película de óxido de baja densidad. Los resultados se muestran en la tabla 2 y en la fig. 4. En todas las muestras, después de calentar en un horno de atmósfera controlada no se había visto ninguna reducción del espesor de la película ni formación de una capa de oxidación, lo cual confirmó que no había ningún problema de resistencia térmica.

[Tabla 2]

(Prueba de bola sobre disco)

De cada muestra se evaluaron las características de deslizamiento cuando el material opuesto fue Zn o Al. En cuanto a las condiciones de prueba, se utilizó un aparato de ensayo de bola sobre disco (TRIBOMETER, fabricado por CSM Instruments, Inc.). A 25°C (temperatura normal), apretando un vástago de Zn de 96 mm de diámetro en la punta o una bola de Al de 96 mm, como material opuesto, y ejerciendo una fuerza de 10 N contra la película del revestimiento, se hizo girar una pieza mecanizada en forma de disco a una velocidad de 10 cm/s. La distancia de prueba fue de 50 m y el coeficiente de fricción se obtuvo tomando un promedio respecto a toda la distancia de prueba. En la tabla 3 y en las figs. 4 y 5 se muestran los coeficientes de fricción de cada película de revestimiento de los materiales opuestos. Por otra parte la figura 6 muestra la fotografía del aspecto de la parte del deslizamiento.

En las muestras n° 1 a 3, que son ejemplos de la presente invención, tanto en el caso en que el material opuesto era Zn, como en el caso en que el material opuesto era Al, no se vio ninguna adherencia a la superficie de deslizamiento. Además, en cuanto al coeficiente de fricción, las muestras mostraron un valor pequeño, de modo que, respecto al Zn, el coeficiente de fricción fue de 0,15 o menos y, respecto al Al, el coeficiente de fricción fue de 0,25 o menos. Es decir, las muestras tuvieron un comportamiento de fricción estable. En cambio, en las muestras n° 11 a 13, que son ejemplos comparativos y cuya superficie era rugosa, tanto en el caso en que el material opuesto era Zn, como en el caso en que el material opuesto era Al, aumentó la adherencia y también subió el coeficiente de fricción. En las muestras n° 14 a 16, que son ejemplos comparativos en los cuales no se había aplicado la capa B, el material opuesto se había adherido a la muestra, independientemente de la rugosidad de la superficie.

[Tabla 3]

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un molde metálico revestido con un recubrimiento duro sobre una superficie de dicho molde, de manera que el recubrimiento duro incluye una capa A, formada a partir de un nitruro, que tiene un espesor de película comprendido en un intervalo de 5 pm hasta 70 pm, y una capa B formada a partir de un recubrimiento de carbono tipo diamante, en el cual

la capa B está situada más cerca de un lado de la superficie exterior del molde metálico revestido que la capa A; una superficie de la capa B cumple con una rugosidad media aritmética Ra < 0,2 pm, una altura máxima Rz < 2,0 pm, y una asimetría Rsk < 0, midiéndose cada uno de los parámetros Ra, Rz y Rsk según la norma JIS-B-0601-2001; y la capa B contiene un porcentaje de hidrógeno comprendido en un intervalo del 5% atómico al 30% atómico.

2. El molde metálico revestido según la reivindicación 1, en el cual la capa A es una película laminada donde se alternan capas de un nitruro que contiene cromo y de un nitruro que contiene vanadio.

3. El molde metálico revestido según la reivindicación 2, donde el nitruro que contiene cromo es un nitruro que tiene un 30% o más de cromo, expresado como porcentaje atómico de la porción metálica, y el nitruro que contiene vanadio es un nitruro que tiene un 60% o más de vanadio, expresado como porcentaje atómico de la porción metálica.

4. El molde metálico revestido, según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde la capa A tiene un espesor de película comprendido en un intervalo de 8 pm hasta 70 pm.

5. Un método para producir un molde metálico revestido con un recubrimiento duro sobre una superficie de dicho molde, que consiste en

aplicar una capa A formada a partir de un nitruro, que tenga un espesor de película comprendido en un intervalo de 5 pm hasta 70 pm,

pulir una superficie de la capa A de manera que la capa A tenga una rugosidad superficial Ra < 0,2 pm, una altura máxima Rz < 2,0 pm, y

después de pulir la superficie de la capa A, aplicar una capa B formada a partir de un recubrimiento de carbono similar al diamante,

de manera que una superficie de la capa B tenga una rugosidad media aritmética Ra < 0,2 pm, una altura máxima Rz < 2,0 pm, y una asimetría Rsk < 0, midiéndose cada uno de los parámetros Ra, Rz y Rsk conforme a la norma JIS-B-0601-2001.

6. El método para producir un molde metálico revestido según la reivindicación 5, donde la capa A tiene un espesor de película comprendido en un intervalo de 8 pm o más hasta 70 pm.