MX2013008949A - Herramientas de conformacion o estampado en caliente de lamina metalica con recubrimientos de cr-si-n. - Google Patents

Abstract

La presente invención describe una herramienta de conformación en caliente de lámina de metal recubierta con CrSiN que tiene una resistencia al desgaste, la resistencia a la oxidación y la resistencia al desgaste adhesivo mejoradas y de tal modo exhibe un tiempo de vida más largo y un mejor rendimiento. El recubrimiento de CrSiN es especialmente bueno para mejorar el rendimiento mediante los procesos de conformación en caliente de lámina de metal donde la pieza de trabajo es una lámina de metal recubierta con AISi y/o una lámina de metal con una resistencia de 1,500 MPa o más.

Description

HERRAMIENTAS DE CONFORMACIÓN O ESTAMPADO EN CALIENTE DE LÁMINA METÁLICA CON RECUBRIMIENTOS DE CR-SI-N Campo de la Invención En los últimos años ha aumentado considerablemente el uso de procesos de conformación en caliente de lámina de metal para fabricar nuevos componentes, especialmente los componentes automotrices. Se ha hecho necesario analizar las dificultades que ocurrieron por tales procesos. La presente invención se refiere al uso de un sistema de recubrimiento de Cr-Si-N que permite mejorar el tiempo de vida y el rendimiento de las herramientas de conformación en caliente. También se logra de tal modo un control muy bueno del nivel de fricción durante este tipo de operaciones.

Antecedentes de la Invención En los últimos años las láminas de acero de alta resistencia se usaron cada vez más para la fabricación de componentes automotrices, con el fin de reducir el peso de los automóviles y por lo tanto, reducir los problemas ambientales y mejorar la seguridad de la colisión al mismo tiempo. Muchos componentes automotrices y miembros estructurales pueden hacerse significativamente más ligeros al reducir el espesor de las láminas de acero de alta resistencia usadas para su fabricación. En Europa, por ejemplo, un método de conformación en caliente de lámina de metal denominado enfriamiento rápido de matriz, conformación en caliente, estampado en caliente o prensado en caliente, se emplea para la fabricación de los miembros estructurales automotrices que tienen una resistencia de aproximadamente 1,500 MPa. Por este método, se aumenta la resistencia de una lámina de acero a través del enfriamiento rápido después de calentarla a una temperatura en el intervalo de temperatura de la austenita, es decir, aproximadamente 900°C. La lámina de acero calentada se extrae desde un horno de calentamiento, se transfirió a una máquina de prensado, se conformó en una forma prescrita al usar las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal mantenidas a temperatura ambiente y por lo tanto, se enfría rápidamente. En el trabajo de conformación, la máquina de prensado es retenida en el punto muerto inferior hasta que toda la lámina de acero se enfríe rápidamente dé manera suficiente (Senuma, T.: 41 ISIJ int., 520 (2001)).

En términos generales, a medida que aumenta la resistencia de una lámina de acero, se deteriora su conformabilidad , y al superar este problema, se han desarrollado varios tipos de productos de lámina de acero de alta resistencia. Por ejemplo, se ha desarrollado la lámina de acero de alta resistencia con microestructuras controladas o con recubrimientos de Zn o Al-Zn o AISi. A pesar de estos esfuerzos, sin embargo, conformar por prensado las formas complicadas es difícil cuando la resistencia de una lámina de acero es tan alta como aproximadamente 1,500 MPa (Senuma, T.: 41 ISIJ inf. , 520 (2001)).

En Europa, un producto de lámina de acero aluminizado denominado USIBOR 1500 (recubierto con AISi) se ha desarrollado para esta aplicación. Tiene excelentes propiedades de prensado en caliente y cualidades de resistencia a la corrosión.

Sin embargo, a pesar de las propiedades muy prometedoras de las láminas de acero recubiertas con metal, necesitan mucha lubricación durante las operaciones de conformación debido a la fuerte tendencia del recubrimiento de metal suave de adherirse a la superficie de la herramienta. Después de varios ciclos de conformación sucesivos, el material adherido puede dar lugar a ralladuras y eventualmente grietas en el producto conformado. Este problema frecuentemente se denomina excoriación.

Además, la lubricación requerida puede deteriorar el entorno del taller y los agentes desengrasantes insalubres son necesarios para eliminar el lubricante de las piezas conformadas.

Un concepto para mejorar el rendimiento actual mediante los procesos de conformación en caliente de láminas de metal usando las láminas de metal recubiertas, es aplicar un recubrimiento por PVD de baja fricción/alta resistencia al desgaste sobre la herramienta de conformación en caliente de lámina de metal. En la literatura (Clarysse, F. et al.: Wear 264 (2008) 400-404), se conocen básicamente dos tipos diferentes de recubrimientos por PVD: recubrimientos a base de nitruros (por ejemplo, CrN y TiAIN) y lubricantes sólidos, como carbono o capas a base de MoS2 (por ejemplo, carbono de tipo diamante (DLC) y compuestos de metal-MoS2).

Además, Francis Clarysse et al. (Clarysse, F. et al.: Wear 264 (2008) 400-404) investigaron el comportamiento de los diferentes sistemas de recubrimientos en las pruebas especialmente diseñadas para probar la respuesta de los recubrimientos a la excoriación. Se observó que las capas de material compuesto a base de carbono (tipo DLC y WC/C) funcionan excepcionalmente en cuanto a la resistencia a la excoriación. Por lo tanto, se recomienda usar este tipo de recubrimientos de herramientas en lugar de los recubrimientos duros típicos, como CrN, TiN, CrN/TiCrN.

Otro concepto conocido para mejorar el rendimiento de las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal y de tal modo de la calidad superficial de los componentes fabricados de tal manera, es la nitruración y la carbonitruración de las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal, así como para ejecutar otro tipo de tratamientos superficiales en las herramientas de conformación en caliente de lámina caliente como los tratamientos con plasma, la microestructuración, etcétera.

Sin embargo, mejorar el rendimiento de las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal obtenido al usar los conceptos mencionados anteriormente no mejora suficientemente la calidad del proceso mediante los procesos de conformación en caliente de lámina de metal de las láminas de metal de alta resistencia recubiertas. Especialmente al usar las láminas de acero de alta resistencia recubiertas con AISi como USIBOR 1500, el fenómeno de excoriación no podría reducirse satisfactoriamente y continuaría siendo un problema.

Breve Descripción de la Invención Es un objetivo de la presente invención, proporcionar una herramienta de conformación en caliente de lámina de metal con un recubrimiento que mejora satisfactoriamente el tiempo de vida y el rendimiento de la matriz. El recubrimiento debe proporcionar suficiente resistencia al desgaste abrasivo, suficiente resistencia al desgaste adhesivo y suficiente estabilidad de temperatura. Principalmente, el recubrimiento debe mejorar la protección contra la excoriación observada en las láminas de acero recubiertas con AISi después de las operaciones de conformación en caliente de lámina de metal en comparación con el recubrimiento que se usa actualmente.

Descripción Detallada de la Invención De acuerdo con la presente invención, las herramientas de conformación en caliente están recubiertas con recubrimiento de CrSiN. Los inventores observaron que los recubrimientos de CrSiN mejoran considerablemente el tiempo de vida de servicio y el rendimiento de las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal usadas por los procesos de conformación en caliente de lámina de metal.

Los recubrimientos de CrSiN son hasta ahora conocidos por usarse como recubrimiento de protección para las herramientas de mecanizado en seco (JP2005186184), donde la demanda operacional y la tensión colectiva sean completamente diferentes que las correspondientes a las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal, donde uno de los grandes problemas es, por ejemplo, el fenómeno de excoriación que se presenta cuando láminas de acero recubiertas con AISi se usan como pieza de trabajo, según se mencionó anteriormente.

Los recubrimientos de CrSiN aplicados de acuerdo con la invención, exhibieron muy buen desgaste abrasivo, excelente estabilidad de temperatura y una buena y sobresaliente reducción de adherencia de AISi en la superficie de las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal y por lo tanto, una muy buena solución al problema de excoriación, que normalmente se observa en la superficie de los componentes fabricados a partir de las láminas de acero recubiertas con AISi por medio de las operaciones de conformación en caliente de lámina de metal. Preferiblemente un espesor de recubrimiento de entre 4 pm y 8 µ?t? de CrSiN se aplica sobre el sustrato.

Los recubrimientos de Cr-Si-N se depositaron de ácuerdo con la invención en las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal por medio de los métodos de deposición física de vapor (PVD, por sus siglas en inglés), particularmente por medio de la laminación de ión de arco reactivo. Los objetos de aleación de Cr:Si con diferente contenido de Cr y Si, se usaron como fuente de material para la deposición de los recubrimientos de CrSiN. Los objetos se activaron en una atmósfera de nitrógeno que producen los recubrimientos de CrSiN en la superficie de la herramienta.

Para el recubrimiento de los sustratos (las muestras de prueba y las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal o las herramientas de estampado) se usó un máquina de recubrimiento Innova de la compañía Balzers. Las herramientas de conformación en caliente de lámina de metal o las herramientas de estampado hechas de aceros de nitruro y de aceros no nitrurados, así como las muestras de prueba adicionales de diferentes tipos de metal se calentaron, se decaparon y se recubrieron en la cámara de vacío de la máquina de recubrimiento por medio del proceso de PVD de laminación iónica por arco. Durante la deposición, los sustratos se hicieron girar continuamente. En la etapa de recubrimiento, el nitrógeno se introdujo en la cámara de vacío que mantiene una presión de ~2 x 10'2 mbar, seis objetos de aleación de Cr:Si con una composición de 95:5% se activaron y se aplicó un voltaje de polarización de CC de 40 V.

Cabe mencionar que el proceso de evaporación por arco conduce a las denominadas gotitas en la capa de CrSiN. Estas gotas son partículas con componentes metálicos que no reaccionaron completamente con el gas reactivo, que es por ejemplo, nitrógeno en el presente caso. Los inventores encontraron que son preferibles las herramientas de conformación en caliente de lámina recubierta con CrSiN mediante evaporación por arco. Esto potencialmente podría atribuirse a la presencia de un limitado pero existente número de gotitas en el recubrimiento.

Las herramientas de estampado en caliente recubiertas con CrSiN se probaron mediante la conformación en caliente de lámina de metal de USIBOR P® 1500 (Arcelor), que consiste en acero de boro de grano fino con recubrimiento a base de Al-Si que es de aproximadamente 30 pm de espesor.

Las propiedades antiadherencia de estos recubrimientos de CrSiN mediante la conformación en caliente de lámina de metal de USIBOR 1500 P®, fueron claramente mejores que las observadas por las herramientas idénticas usadas en los procesos de conformación idénticos pero recubiertas con diferentes sistemas de recubrimiento como TiAIN, CrN, AlCrN y AlCrSiN.

También se midieron la humectabilidad adicional y el parámetro de celosía de los recubrimientos de CrSiN.

La composición elemental de los recubrimientos de CrSiN depositados en las herramientas de conformación en caliente de acuerdo con la invención, exhibe la siguiente composición en porcentaje atómico considerando también los elementos metálicos al igual que los elementos no metálicos contenidos en el recubrimiento: CrxS¡yNz) donde x: 40 - 69%, y: 1-20% y z: 30-40% La estructura de los recubrimientos de CrSiN depositados de tal manera, se investigó por difracción de rayos X (XRD, por sus siglas en inglés), microscopía electrónica de exploración (SEM, por sus siglas en inglés) y exámenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés). La formación de una estructura cristalina se confirmó para todos los recubrimientos depositados. Todos los recubrimientos depositados mostraron la celosía cúbica lateral preferida. En el patrón de XRD de los recubrimientos de CrSiN depositados, se observaron los picos correspondientes a las orientaciones preferidas de los planos de celosía (111) y (200). También se observó que los picos cambiados por la variación de la concentración de Si en el recubrimiento debido a las modificaciones de la composición química, el tamaño de grano y la tensión residual. Los recubrimientos de acuerdo con una modalidad preferida de acuerdo con la presente invención muestran picos correspondientes en las orientaciones preferenciales de los planos de celosía (111) y (222) que se cambian en comparación con los picos de los planos correspondientes de los recubrimientos de CrN puros. El grado de tal cambio de este da una indicación de la cantidad del Si incorporado en el recubrimiento.

Se observó una dependencia importante entre el contenido de Si en los recubrimientos de CrSiN y su parámetro de celosía, las propiedades de humectabilidad, y el comportamiento antiadhesivo contra las láminas de metal recubiertas de AISi.

Los valores del contenido de Si en los recubrimientos de CrSiN para las siguientes modalidades preferidas de la invención se consideran como calculados al considerar solamente los elementos metálicos en el recubrimiento. Eso significa considerar solamente Cr y Si.

Una modalidad preferida de acuerdo con la invención se obtiene al usar los recubrimientos de CrSiN que tienen el contenido de Si en el recubrimiento de >0 hasta 15%.

Una modalidad preferida adicional de acuerdo con la invención se obtiene al usar los recubrimientos de CrSiN que tienen el contenido de Si en el recubrimiento de 2-10%.

Una modalidad más preferida de acuerdo con la invención se obtiene al usar los recubrimientos de CrSiN que tienen el contenido de Si en el recubrimiento de 3-8%.

De acuerdo con la presente invención un recubrimiento de CrSiN se usa como recubrimiento para una herramienta de conformación en caliente. La presente invención describe una herramienta para la conformación en caliente de lámina de metal que tiene un recubrimiento duro de CrSiN. Dicho recubrimiento duro de CrSiN especialmente tiene un contenido de Si en una película en el intervalo de >0 hasta 15%, preferiblemente de 2- 10%, más preferiblemente de 3-8% considerando sólo los elementos metálicos para el cálculo del contenido de Si mencionado en porcentaje atómico.

Una modalidad preferida adicional de acuerdo con la presente invención se obtiene al usar el acero caliente de conductividad térmica (HTCS, por sus siglas en inglés) o el acero nitrurado o el acero carbonitrurado como el sustrato de herramienta o cualquier otra herramienta de acero tratada superficialmente anterior como el sustrato de herramienta.

La presente invención describe una herramienta para la conformación en caliente de lámina de metal recubierta con CrSiN de acuerdo con la invención, donde dicho recubrimiento duro de CrSiN es formado por un método de laminación iónica por arco.

La presente invención describe un proceso de conformación en caliente de lámina de metal donde el recubrimiento de una herramienta de acuerdo con la invención se usa para mejorar el tiempo de vida de la herramienta de conformación en caliente y el rendimiento general y por lo tanto también para mejorar la calidad de la lámina de metal fabricada mediante este proceso.

La presente invención considera especialmente un proceso de conformación en caliente de lámina de metal donde el recubrimiento de una herramienta de acuerdo con la invención se usa para conformar las láminas de metal recubiertas con AISi y/o para conformar las láminas de metal, cuyo material posee una resistencia de aproximadamente 1,500 MPa o más.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. La herramienta de conformación en caliente de lámina de metal que tiene un recubrimiento duro de CrSiN.

2. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho recubrimiento duro de CrSiN se caracteriza por un contenido de Si en una película que es de >0 hasta 15%, preferiblemente de 2-10%, más preferiblemente de 3-8%.

3. Una herramienta de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, donde el sustrato de las herramientas es un acero caliente de conductividad térmica o un acero nitrurado o un acero carbonitrurado o cualquier otro acero tratado superficialmente anterior.

4. Una herramienta de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, donde el sustrato de las herramientas es un acero no nitrurado.

5. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 1 a 4, donde dicho recubrimiento duro de CrSiN está formado por una laminación iónica por arco.

6. El proceso de conformación en caliente de lámina de metal para la manipulación de una pieza de trabajo, donde se usa una herramienta de acuerdo con las reivindicaciones 1-5.

7. Un proceso de conformación en caliente de lámina de metal de acuerdo con la reivindicación 6, donde la pieza de trabajo es una lámina de metal recubierta con AISi.

8. Un proceso de conformación en caliente de lámina de metal de acuerdo con las reivindicaciones 6-7, donde la pieza de trabajo es una lámina de metal que tiene una resistencia de aproximadamente 1,500 MPa o más.

9. El Uso de un recubrimiento de CrSiN como un recubrimiento en una herramienta de conformación en caliente de lámina de metal.