TW201414850A - 用於直接加壓淬火之含鉬塗層工具 - Google Patents

用於直接加壓淬火之含鉬塗層工具 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種有鍍膜的加壓淬火用成型工具，此種工具具有很好的磨蝕性及黏著性磨損保護作用、及很好的抗氧化性，因此能夠延長工具使用壽命，以及提高直接加壓淬火的生產效率。為達到上述目的，本發明之加壓淬火用成型工具具有一個設置在基板上的塗層系統，此塗層系統包含一或多個塗層組，在這個塗層系統中，在高溫穩定層(HT層)之後有一個高溫活化潤滑層，其中後者距離基板的距離大於前者。

Description

用於直接加壓淬火之含鉬塗層工具
新的製造技術(例如直接加壓淬火)可以滿足現代化汽車製造業對於輕型結構及汽車安全性不斷升高的要求。直接加壓淬火是在一個過程步驟中將高強度的硼-錳鋼(22MnB5)熱成型，同時在工具中淬火，使其強度提高到1500MPa的程度。但由於過程溫度很高及成型時的相對移動相當大，會使工具承受很高的熱負荷及機械負荷。因而導致工具磨損變大、工具使用壽命變短、以及工具表面的後結果時間變長。本發明涉及應用一種能夠大幅減少工具磨損及明顯提高工具使用壽命的塗層系統。
近年來以高強度的硼-錳鋼(22MnB5)製成的鋼板被大量應用於汽車車身構件之製造，以滿足汽車業對輕型結構、汽車安全性及CO2排放(環境問題)日益升高的要求。這種高強度的硼-錳鋼可以經由直接加壓淬火在一個過程步驟中(加熱至800℃左右)熱成型，同時在工具中淬火。因而產生製成的構件(例如汽車的B柱)，該等構件具有以下的特徵：i)重量比傳統的鋼更輕，ii)構 件扭曲變形較小，尺寸穩定性較高，iii)強度提高(馬氏體成形)到1500MPa。
直接加壓淬火包括以下的步驟：i)加熱至900℃左右(奧氏體範圍)，ii)將鋼板送入加壓機，iii)以保持在室溫的成型工具使構件成型及淬火。加壓結束時，關上加壓機，直到整片鋼板被充分淬火為止(Senuma,T.：ISIJ Int.41,520(2001))。
由於高強度鋼板在室溫中的可成型性通常很差，因此如前面所述，通常是在800℃的溫度中對鋼板進行加工。但未了防止鋼表面在高溫中氧化起鱗片，通常會加上不同的鋼塗層(Zn，AlZn，AlSi)。
尤其是歐洲已開發出一種應用於這種場合的鋁化鋼板，其名稱為USIBOR®1500(AlSi塗層，ArcelorMittal)。對汽車製造而言，這種鋁化鋼板在過程潤滑、氧化保護、以及耐腐蝕性等方面都有極優異的表現。
雖然AlSi塗層鋼板具有優異的特性，但是從工具表面的黏著-磨損的角度來看，仍有明顯的缺點：在溫度達到800℃時，鋼板「軟」的AlSi塗層很容易黏著在加壓機的工具表面上。這種伴隨大量材料遷移的黏著磨損通常稱為「擦傷」。經過多個連續的壓出循環後，附著在表面上的材料可能導致待成型的產品被刮傷及出現裂紋，同時工具因為附著之材料破裂而產生磨蝕性磨損的可能性也會大幅升高。其後果是每隔一段時間就必須停機，以清除黏著在工具表面上材料，因此會造成很 大的時間浪費。
為了提高結合AlSi塗層之工業用加壓淬火技術的效能，一種已知的方案是為成型工具加上一層摩擦力較低及具有很好的磨損保護特性的PVD塗層。文獻(Clarysee,F.et.Al.：Wear 264(2008)400-404)提出兩種不同的PVD塗層：以氮化物為基的塗層(例如CrN及TiAlN)，以及固態潤滑劑(例如碳或MoS2)為基礎的塗層(例如類似鑽石的碳(DLC)及金屬-MoS2複合物)。
此外，Clarysee,et.Al.(Clarysee,F.et.Al.：Wear 264(2008)400-404)還以特別設計的試驗研究不同塗層系統的磨損特性(擦傷)。他們觀察到，以碳為基礎(DLC型及WC/C)構成的複合塗層對防止出現擦傷具有極優異的表現。因此他們建議以此種複合塗層作為工具的塗層，以取代典型的硬質材料塗層(例如CrN，TiN，CrN/TiCrN)。
另外一種改善加壓淬火用成型工具之特性及以其製造之構件的表面品質的已知方案是將成型工具氮化或碳氮化(Carbonitriding)，以及對成型工具進行其他的表面處理(例如電漿處理，微結構化)。
但是透過上述方案獲得的較佳的成型工具特性並不能對有塗層之高強度鋼板的成型過程的過程品質達到足夠的改善效果。尤其是若使用的是AlSi塗層的高強度鋼板(例如USIBOR®1500)，擦傷現象並不能獲得令人滿意的改善，也就是說擦傷仍舊是直接加壓淬火的主要問題。
本發明的目的是為成型工具提供一種塗層，此種塗層對於工具的使用壽命及耐磨損特性都要能達到令人滿意的效果。塗層應具備足夠的磨蝕性磨損保護作用、足夠的黏著性磨損保護作用、足夠的附著性、以及足夠的溫度穩定性(相位穩定性及氧化)。原則上本發明的塗層要能夠比目前使用的塗層(例如TiAlN及AlCrN)對抵抗擦傷(如AlSi塗層鋼板在加壓淬火時出現的擦傷)具有好的保護作用。
為達到上述目的，本發明建議為工具加上一個塗層系統，此塗層系統包含一或多個塗層組，在這個塗層系統中，在高溫穩定層(HT層)之後有一個高溫活化潤滑層，其中後者距離基板的距離大於前者。在本說明書中使用的「潤滑層」一詞是指高溫活化潤滑層。較佳是將多個這種塗層組連續組合成交替塗層系統。可以根據主要的高溫摩擦接觸及由此對工具造成的力學及化學負荷，調整塗層組的數量及各塗層的厚度。帶寬可以從雙層、多層、一直延伸到奈米層壓/結構化的多層。
塗層組的潤滑層較佳是以HT層為基礎，其中HT層的金屬成分有一部分被一或多個改善塗層之潤滑特性的成分取代。
具體而言，本發明的解決方案可以透過由鉬 含量很高的塗層及鉬含量很低的塗層組成的交替塗層系統獲得實現。在交替塗層系統中，鉬含量很低的塗層構成HT層，且具有相當於(Me1，Me2，Moa)N的成分。鉬含量很高的塗層構成潤滑層，且具有相當於(Me3，Me4，Mob)N的成分。其中a及b代表金屬成分的濃度(單位at.%)，同時0≦a<b<1，Me1、Me2、Me3、Me4代表Al、Cr、Ti等元素，同時較佳是Me1=Me3及/或Me2=Me4。
鉬含量很高的塗層的最大鉬濃度比相鄰之鉬含量很低的塗層的最低鉬濃度至少高出5at.%，或最好是至少高出10at.%。
例如，利用使用單一成分材料源(標靶)的PVD法及使用多種成分材料源的PVD法均可離析出交替塗層系統的鉬含量很高的塗層。
為了進一步改善潤滑特性，交替塗層系統的鉬含量很高的塗層可以另外含有以下一或多種元素：C、O、Si、V、W、Zr、Cu、Ag。
為了進一步改善高溫穩定性，例如改善力學及化學特性以獲得更好的高溫穩定性，交替塗層系統的鉬含量很低的塗層可以另外含有以下一或多種元素及其混合物：Si、W、Zr、Cu、B。
塗層的總厚度較佳是在4至10μm之間，或最好是在6至8μm之間。
發明人有理由假定在高溫(約800℃)中發生的層氧化會釋出鉬，接著這些鉬有一部分會反應成所謂的馬格涅利相(Magneli phase)。這種馬格涅利相具有非 常好的潤滑特性(固體潤滑)。另一個指標是作為催化劑用的銅對氧化有很好的影響，也就是使氧化反應易於產生，以及使HT潤滑優化。
除了此處描述的含鉬潤滑層外，只要是能夠形成馬格涅利相的塗層均適於作為潤滑層。例如可以透過釩、鎢、鈦、或鉬的氧化形成這種所謂「剪切結構」的。其特徵為抗剪強度/剪應力較低的結晶學切面/滑動面。
以下配合範例對本發明的內容做進一步的說明。
本發明的第一個範例是先在加壓淬火用成型工具上形成一個厚度2μm的(Ti0.5Al0.5)N層。然後再依序形成4個塗層組，其中每一個塗層組都包含一個厚度0.5μm的(Ti0.3Al0.3Mo0.4)N層，並在這個層上形成一個厚度0.5μm的(Ti0.5Al0.5)N層。這個塗層系統的最上面的覆蓋層是一個厚度0.5μm的(Ti0.3Al0.3Mo0.4)N層。
一個與第一個範例略有不同的變化方式是(Ti0.3Al0.3Mo0.4)N層可以構成奈米層。例如在使用PVD法時，從分離的材料源(標靶)離析出塗層的材料，即可實現這樣的奈米層。例如可以在鍍膜設備的真空室中的TiAl標靶旁邊設置一個Mo標靶，其中在鍍膜期間使真空室內一個安裝在所謂的轉盤上的待鍍膜的基板轉動經過標靶。如果要離析出一個HT層，則僅使用TiAl標靶，但不使用Mo標靶。如果要離析出一個潤滑層，則除了使用TiAl標靶外，亦使用Mo標靶。
本發明的第二個範例是先在加壓淬火用成型 工具上形成一個厚度2μm的(Ti0.3Al0.7)N層。然後再依序形成4個塗層組，其中每一個塗層組都包含一個厚度0.5μm的(Ti0.18Al0.42Mo0.4)N層，並在這個層上形成一個厚度0.5μm的(Ti0.3Al0.7)N層。這個塗層系統的最上面的覆蓋層是一個厚度0.5μm的(Ti0.18Al0.42Mo0.4)N層。也可以將這個塗層系統製作成奈米層。
本發明的第三個範例是先在加壓淬火用成型工具上形成一個厚度2μm的(Al0.65Cr0.25Sio0.05)N層，其中這個層也可以不含矽。然後再依序形成4個塗層組，其中每一個塗層組都包含一個厚度0.5μm的(Al0.42Cr0.18Mo0.35Cu0.05)N層，並在這個層上形成一個厚度0.5μm的(Ti0.3Al0.7)N層。這個塗層系統的最上面的覆蓋層是一個厚度0.5μm的(Al0.42Cr0.18Mo0.35Cu0.05)N層。在這個範例中，含Mo的塗層亦可構成奈米層。
對上述範例的塗層進行的試驗顯示，鍍上該等塗層的成型工具的特性明顯優於未鍍膜或一般鍍膜的工具。
本說明揭示一種具有鍍在基板上的塗層系統的加壓淬火用成型工具，其中塗層系統包含一或多個塗層組，在這個塗層系統中，在高溫穩定層(HT層)之後有一個潤滑層，其中後者距離基板的距離大於前者。
一或多個潤滑層可以含有馬格涅利相。一或多個潤滑層的鉬濃度可以高於HT層的鉬濃度。
構成潤滑層的基本材料可以基本上與構成HT層的基本材料相同。
為了進一步改善潤滑特性，潤滑層可以另外含有以下一或多種元素：C、O、Si、V、W、Zr、Cu、Ag。
為了進一步改善高溫穩定性，HT層可以另外含有以下一或多種元素及其混合物：Si、W、Zr、B。

Claims (8)

  1. 一種加壓淬火用成型工具，具有一個設置在基板上的塗層系統，此塗層系統包含一或多個塗層組，在這個塗層系統中，在高溫穩定層(HT層)之後有一個高溫活化潤滑層，其中後者距離基板的距離大於前者。
  2. 如請求項1的加壓淬火用成型工具，其中潤滑層含有馬格涅利相(Magneli phase)。
  3. 如請求項1或2的加壓淬火用成型工具，其中潤滑層的鉬濃度高於HT層的鉬濃度。
  4. 如請求項3的加壓淬火用成型工具，其中HT層的成分相當於(Me1，Me2，Moa)N，潤滑層的成分相當於(Me3，Me4，Mob)N，其中a及b是以at.%為單位表示金屬成分的濃度，其中0≦a<b<1，Me1、Me2、Me3、Me4代表Al、Cr、Ti等元素，同時較佳是Me1=Me3及/或Me2=Me4。
  5. 如請求項4的加壓淬火用成型工具，其中潤滑層的最大鉬濃度比HT層的最低鉬濃度至少高出5at.%，或最好是至少高出10at.%。
  6. 如前述請求項中任一項的加壓淬火用成型工具，其中構成潤滑層的基本材料基本上與構成HT層的基本材料相同。
  7. 如前述請求項中任一項的加壓淬火用成型工具，其中為了進一步改善潤滑特性，潤滑層另外含有以下一或多種元素：C、O、Si、V、W、Zr、Cu、Ag。
  8. 如前述請求項中任一項的加壓淬火用成型工具，其中 為了進一步改善高溫穩定性，HT層另外含有以下一或多種元素及其混合物：Si、W、Zr、B。
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