ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ФОРМОВКИ ИЛИ ШТАМПОВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ С ПОКРЫТИЕМ ИЗ Cr-Si-N
HOT METAL SHEET FORMING OR STAMPING TOOL WITH Cr-Si-N COATINGS

Применение процессов горячего формования листового металла для производства новых деталей, в частности деталей автомобилей, в последние годы существенно выросло. Это заставило сконцентрировать внимание на трудностях, которые встречаются в таких процессах. Настоящее изобретение относится к применению системы покрытия на основе Cr-Si-N, которая позволяет улучшить срок службы и рабочие характеристики инструментов для горячей формовки. Тем самым достигается также очень хороший контроль уровня трения в операциях такого рода.
Уровень техники
В последние годы высокопрочные стальные листы все больше и больше используют для производства автомобильных деталей, чтобы уменьшить вес автомобилей и тем самым снизить экологические проблемы и одновременно улучшить безопасность при столкновениях. Многие автомобильные детали и элементы конструкции можно сделать значительно легче, если уменьшить толщину высокопрочных стальных листов, применяющихся для их изготовления. Например, в Европе для получения элементов конструкции автомобилей, имеющих прочность примерно 1500 МПа, применяются способы горячего формования металлических листов, называемые закалкой в штампе, горячим формоизменением, горячей штамповкой или горячим прессованием. Этими способами прочность стального листа повышают путем закалки после его нагрева до температуры в диапазоне аустенитной температуры, например, порядка 900°C. Нагретый стальной лист извлекают из нагревательной печи, переносят в прессовочную машину, придают ему заданную форму, используя инструмент для горячего формования металлических листов, выдерживают при комнатной температуре и, таким образом, закаляют. Во время формования прессовочная машина удерживается на нижней исходной точке, пока весь стальной лист не будет достаточно закален (Senuma, T.: ISIJ Int. 41, 520 (2001)).
Вообще говоря, по мере увеличения прочности стального листа его формуемость ухудшается, и чтобы решить эту проблему, были разработаны различные типы высокопрочных стальных листовых продуктов. Например, были разработаны высокопрочный стальной лист с контролируемыми микроструктурами или с покрытиями Zn, или Al-Zn, или AlSi. Однако несмотря на эти усилия штамповка сложных форм затруднительна, когда прочность стального листа достигает примерно 1500 МПа (Senuma, T.: ISIJ Int. 41, 520 (2001)).
В Европе для этого применения был разработан алитированный стальной листовой продукт под названием USIBOR 1500 (с покрытием AlSi). Он имеет отличные характеристики в горячем прессовании и отличную коррозионную стойкость.
Однако несмотря на очень многообещающие свойства стальных листов с металлическим покрытием они требуют много смазки при операциях формования из-за большой тенденции мягкого металлического покрытия прилипать к поверхности инструмента. После нескольких успешных циклов формования приставший материал может привести к царапинам и даже к трещинам на формованном продукте. Эту проблему часто называют фрикционной коррозией.
Кроме того, требующаяся смазка может ухудшить атмосферу в цехе и необходимы опасные для здоровья обезжиривающие средства, чтобы удалить смазку с образованных деталей.
2
2
Одна идея для улучшения характеристик современных способов горячего формования металлических листов, использующих металлические листы с покрытием, состоит в нанесении на инструмент для горячего формования металлических листов PVD-покрытия (покрытия, полученного физическим осаждением из паровой фазы), обладающего низким коэффициентом трения/высокой износостойкостью. В документе (Clarysse, F. et al.: Wear 264 (2008) 400-404), описано в основном два типа PVD-покрытий: покрытия на основе нитридов (например, CrN и TiAlN) и твердые смазки, такие как слои на основе углерода или MoS (например, алмазоподобный углерод (DLC) и композиты металл-MoS).
Кроме того, Francis Clarysse и другие (Clarysse, F. et al.: Wear 264 (2008) 400-404) изучали поведение различных кроющих систем в специально разработанных испытаниях, чтобы проверить реакцию покрытий на фрикционную коррозию. Они наблюдали, что композитные слои на основе углерода (типа DLC и WC/C) ведут себя исключительно в отношении сопротивления фрикционной коррозии. Поэтому авторы рекомендуют использовать этот тип покрытий инструмента вместо типичных твердых покрытий, таких как CrN, TiN, CrN/TiCrN.
Другая известная идея, как улучшить характеристики инструментов для горячего формования металлических листов и тем самым качество поверхности произведенных деталей, заключается в азотировании и нитроцементации инструмента для горячего формования металлических листов, а также в выполнении другого рода поверхностной обработки инструмента для горячего формования металлических листов, такой как плазменная обработка, микроструктурирование и т.д.
Однако лучшие характеристики инструмента для горячего формования металлических листов, получаемые при применении вышеуказанных идей, недостаточно улучшают качество процессов горячего формования высокопрочных металлических листов с покрытием. В частности, при использовании высокопрочных стальных листов с покрытием AlSi, как USIBOR 1500, не удалось существенно уменьшить явление фрикционной коррозии, так что эта проблема остается.
Задача изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание инструмента для горячего формования металлических листов с покрытием, которое в удовлетворительной степени улучшает ресурс и рабочие характеристики инструмента. Покрытие должно обеспечивать достаточную абразивную износостойкость, достаточную адгезионную износостойкость и достаточную термостабильность. В принципе, покрытие должно улучшать защиту от фрикционной коррозии, наблюдаемой на покрытых AlSi стальных листах после процесса горячего формования металлических листов по сравнению с покрытиями, использующимися в настоящее время.
Описание изобретения
Согласно настоящему изобретению, на инструменты для горячего формования наносят покрытия CrSiN. Авторы изобретения обнаружили, что покрытия CrSiN значительно улучшают срок службы и рабочие характеристики инструмента, используемого в процессе горячего формования листовых металлов.
Как известно, покрытия CrSiN используют до настоящего времени в качестве защитного покрытия для инструментов сухого резания (JP2005186184), где технологические требования и напряжения в совокупности совершенно другие, чем предъявляемые к инструментам для горячего формования металлических листов, где одной из самых больших проблем является, например, явление фрикционной коррозии, которое возникает, когда, как было упомянуто выше, в качестве обрабатываемой детали используются покрытые AlSi стальные листы.
Покрытия CrSiN, нанесенные согласно изобретению, имеют очень хороший абразивный износ, отличную термостабильность и исключительно хорошее снижение адгезии AlSi к поверхности инструмента для горячего формования металлических листов и, таким образом, представляют очень хорошее решение проблемы фрикционной коррозии, обычно обнаруживаемой на поверхности деталей, выполненных из стальных листов с AlSi-покрытием способом горячего формования металлических листов. Предпочтительно, на основу наносят покрытие CrSiN толщиной от 4 мкм до 8 мкм.
Покрытия Cr-Si-N осаждали согласно изобретению на инструмент для горячего формования металлических листов способом физического осаждения из паровой фазы (PVD), в частности реактивным ионно-дуговым осаждением. Как источник материала для осаждения CrSiN-покрытий использовались сплавные мишени Cr:Si с разным содержанием Cr и Si. Мишени активировали в атмосфере азота, получая покрытия CrSiN на поверхности инструмента.
-2
Для покрытия подложек (опытные образцы и инструменты для горячего формования металлических листов или штамповочные инструменты) применялась машина для нанесения покрытий Innova от компании Balzers. Инструменты для горячего формования металлических листов или штамповочные инструменты, выполненные из азотированных и неазотированных сталей, а также другие опытные образцы из металлов других сортов нагревали, протравливали и покрывали в вакуумной камере машины для нанесения покрытий способом ионно-дугового PVD-осаждения. При осаждении подложки постоянно поворачивали. На этапе покрытия вводили азот в вакуумную камеру, поддерживаемую при давлении ~2·10 мбар, активировали шесть сплавных мишеней Cr:Si с составом 95:5 ат.% и прикладывали постоянное напряжение смещения 40 В.
Следует отметить, что способ дугового испарения приводит к так называемым каплям в слое CrSiN. Эти капли являются частицами с металлическими компонентами, которые не полностью прореагировали с химически активным газом, например азотом в данном случае. Авторы изобретения обнаружили, что предпочтительными являются инструменты для горячего формования листов с покрытием CrSiN, нанесенным дуговым испарением. Это потенциально может быть связано с присутствием ограниченного, однако ненулевого числа капелек в покрытии.
Покрытые CrSiN инструменты для горячей штамповки были испытаны для горячего формования металлического листа Usibor 1500 P (Arcelor), который состоит из тонкозернистой борсодержащей стали с покрытием на основе Al-Si толщиной около 30 мкм.
Антиадгезионные свойства этих покрытий CrSiN при горячем формовании металлического листа Usibor 1500 P были явно лучше, чем наблюдаемые с такими же инструментами, применяющимися в идентичных процессах формования, но покрытыми другими системами для покрытий, такими как TiAlN, CrN, AlCrN и AlCrSiN.
Кроме того, измеряли также смачиваемость и параметр решетки CrSiN-покрытий.
Элементный состав покрытий CrSiN, осажденных на инструменты для горячей штамповки согласно изобретению, оказался следующим (выражен в атомных процентах с учетом как металлических, так и неметаллических элементов, содержащихся в покрытии):
x
y
Z
CrSiN, где x: 40-69%, y: 1-20% и z: 30-40%.
Структуру осажденных таким способом CrSiN-покрытий исследовали методами рентгеновской дифракции (РД), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Образование кристаллической структуры было подтверждено для всех осажденных покрытий. Все осаженные покрытия имели предпочтительную гранецентрированную кубическую решетку. В дифракционной рентгенограмме осажденных покрытий CrSiN наблюдались пики, соответствующие предпочтительным ориентациям кристаллографических плоскостей (111) и (200). Наблюдалось также, что пики смещались при изменении концентрации Si в покрытии из-за изменения химического состава, размера зерна и остаточного напряжения. Покрытия согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения обнаруживают пики, соответствующие предпочтительным ориентациям кристаллографических плоскостей (111) и (222), которые сдвинуты по сравнению с пиками соответствующих плоскостей для покрытий из чистого CrN. Степень такого сдвига дает указание на количество Si, введенного в покрытие.
Наблюдалась существенная зависимость между содержанием Si в покрытиях CrSiN и параметром их решетки, характеристиками смачиваемости и антиадгезионными свойствами в сравнении с металлическими листами, покрытыми AlSi.
Величины содержания Si в покрытиях CrSiN для следующих предпочтительных вариантов осуществления изобретения рассчитаны с учетом только металлических элементов в покрытии. Это означает, что учитываются только Cr и Si.
Один предпочтительный вариант осуществления изобретения получается при использовании покрытий CrSiN с содержанием Si в покрытии от >0 до 15 ат.%.
Следующий предпочтительный вариант осуществления изобретения получается при использовании покрытий CrSiN с содержанием Si в покрытии 2-10 ат.%.
Наиболее предпочтительный вариант осуществления изобретения получается при использовании покрытий CrSiN с содержанием Si в покрытии 3-8 ат.%.
Согласно настоящему изобретению, покрытие CrSiN используется в качестве покрытия инструмента для горячего формования. Настоящее изобретение раскрывает инструмент для горячего формования металлических листов, имеющих твердое покрытие CrSiN. Указанное твердое покрытие CrSiN, в частности, имеет содержание Si в пленке в диапазоне от >0 до 15 ат.%, предпочтительно 2-10 ат.%, более предпочтительно 3-8 ат.%, причем для расчета указанного содержания Si в атомных процентах учитываются только металлические элементы.
Следующий предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения получается при использовании стали с высокой теплопроводностью (HTCS), или азотированной стали, или нитроцементированной стали в качестве основы инструмента, или любой другой предварительно поверхностно обработанной стали в качестве основы инструмента.
Настоящее изобретение раскрывает инструмент для горячего формования металлических листов, покрытый CrSiN согласно изобретению, причем указанное твердое покрытие CrSiN образовано способом дугового ионного осаждения.
Настоящее изобретение раскрывает способ горячего формования листового металла, когда инструмент, покрытый согласно изобретению, применяется, чтобы улучшить срок службы инструмента для горячего формования и общую производительность и тем самым чтобы улучшить также качество металлического листа, произведенного этим способом.
Настоящее изобретение особо рассматривает способ горячего формования листового металла, когда инструмент, покрытый согласно изобретению, применяется для формования металлических листов с покрытием AlSi и/или для формования металлических листов, материал которых имеет прочность примерно 1500 МПа или выше.