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EP3768876A1 - Method for producing improved cold-forming tools for high-strength and super-high-strength steels, and cold-forming tool - Google Patents

Method for producing improved cold-forming tools for high-strength and super-high-strength steels, and cold-forming tool

Info

Publication number
EP3768876A1
EP3768876A1 EP20726793.1A EP20726793A EP3768876A1 EP 3768876 A1 EP3768876 A1 EP 3768876A1 EP 20726793 A EP20726793 A EP 20726793A EP 3768876 A1 EP3768876 A1 EP 3768876A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
titanium nitride
layers
top layer
deposited
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20726793.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Farwah Nahif
Mark Falkingham
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voestalpine Eifeler Vacotec GmbH
Original Assignee
Voestalpine Eifeler Vacotec GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Eifeler Vacotec GmbH filed Critical Voestalpine Eifeler Vacotec GmbH
Publication of EP3768876A1 publication Critical patent/EP3768876A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications

Definitions

  • the invention relates to a method for producing cold forming tools, in particular re for cold forming high-strength steels and the cold forming tool for this purpose.
  • the weight can be reduced by up to 40% compared to conventional components.
  • costs can be reduced and production efficiency can be increased.
  • Hot forming refers to all those forming steps that take place above the recrystallization temperature of a metal. Generally these are lower Forming forces are necessary, and there is no work hardening of the workpiece during the forming process.
  • AI203-based solutions are often used for hot forming tools, which, through the oxidic components, increase the hot hardness and oxidation resistance of the entire layer for the high temperature application of hot forming.
  • these oxide layers are hard and brittle. Coatings on hot forming tools mostly aim to withstand the thermal load and also to act as a diffusion barrier.
  • PVD layers are used in cold forming, the focus of which is on increasing the mechanical load-bearing capacity, increasing wear and reducing the spread of cracks, instead of using oxidic layers, as is the case with hot forming, which have a higher hot hardness in order to withstand thermal fatigue Tools to counteract it. Since long tool life is necessary for economic production, it must be ensured that wear is reduced due to the extremely high normal contact stresses.
  • One approach here in cold forming is the pretreatment of the workpieces and, in particular, the addition of lubricants with a higher level of additives.
  • the addition of lubricants can have negative effects on the health of employees, since when using lubricant emissions can occur in the breathing air and on the skin of employees at the workplaces.
  • cooling lubricants can be carried over into the area around the machine, which in turn worsens the ecological balance of the entire process.
  • the object of the invention is to create a method with which cold forming tools can be made that show a reduced tendency to wear and with which the tool life can be increased significantly.
  • Another object of the invention is to reduce the amount of lubrication required in forming processes, in particular high-strength steels.
  • Another object is to create a corresponding cold forming tool.
  • the task is solved with a cold forming tool with the features of claim 9 ge.
  • the invention relates to the special requirements in cold forming processes due to the high forming forces, especially in the cold forming of high-strength steels.
  • a multi-layer hard material layer is applied for the cold forming tool according to the invention, consisting of an applied titanium nitride adhesive layer and alternating layers of aluminum titanium nitride and aluminum chromium trite deposited thereon.
  • This specific multilayer structure enables the strength and load-bearing capacity of the overall layer to be developed, which is required by the application of cold forming of high-strength sheet metal.
  • the crack growth through the entire layer which is observed with the high loading forces of cold forming of high-strength sheets, can be stopped by the alternating layers of aluminum titanium nitride and aluminum chromium nitride by stopping the cracks at the transitions between the individual layers due to their different microstructures.
  • a titanium nitride or alternatively a titanium carbonitride top layer is provided as the top layer to reduce the breakaway torque.
  • a single level of the multilayer composite is referred to synonymously with layer or layer or layer.
  • the focus of the present invention is designed on the mechanical and tribological requirements of cold forming, in which the hot hardness and oxidation resistance of the entire layer and individual layers are negligible due to the application of cold forming.
  • Oxidic layers are extremely hard and brittle.
  • the main stress on the tool is generated by the high forming forces and strain hardening, which means that the use of oxidic layers, the advantages of which are thermal resistance, is less common and more focus is placed on wear-resistant, multilayer, nitride-based layers which will inhibit crack growth and increase mechanical strength.
  • the use of oxidic layers in cold forming is also only possible to a limited extent, as the synthesis of e.g.
  • AI203 layers for this application area requires the generation of the alpha-AI203 phase, which can only be achieved with the usual PVD / CVD processes from deposition temperatures> 1000 ° C. Due to the high deposition temperatures and the resulting thermal distortion and hardness reduction of the tools, only a limited number of tools for cold forming can be coated with these processes due to the near-net-shape specifications.
  • a coating of the gamma-AI203 phase at temperatures ⁇ 800 ° C for use in cold forming is only possible to a limited extent, as this does not have comparable mechanical properties and wear resistance as other nitridic PVD systems.
  • the surface of a cold forming tool in particular for forming high-strength steels, is changed in that hard material layers with a reduced coefficient of friction are applied to the surface.
  • the underlying idea is to offer better resistance to the local stresses by generating property gradients on the tool surface.
  • the surface is provided with a higher hardness, for example, while the substrate tool ensures the required toughness.
  • PVD hard material layer is deposited on corresponding tools.
  • the production of PVD layers has been known for a long time and is used in particular in tools, in particular in cutting tools.
  • a method commonly used for such hard material layers is the light arc evaporation, also known as arc PVD or arc evaporation.
  • This process belongs to the group of physical vapor deposition (PVD) and is more precisely an evaporation process.
  • the cathode or the material to be vaporized is placed on a negative potential, with an arc burning between the chamber wall of the vacuum chamber (acting accordingly as an anode) and the cathode surface.
  • the cathode contains the material that is later to be deposited on the workpiece, in this case on the tool, for example, with the cathode material in the plasma phase also being able to react with corresponding gases (reaction gases), for example through a suitable atmosphere in the chamber, to form a corresponding layer.
  • Al chromium nitride (AICrN) and aluminum titanium nitride (AITiN) layers can usually only be applied to the growing layer with a high proportion of macroparticle deposits (so-called “droplets”) or high macroparticle formation when aluminum chromium cathodes evaporate This is expressed in so-called droplet / macroparticle inclusions within the growing thin layer and a correspondingly higher layer roughness.
  • droplets also form in monolithic designs of aluminum chromium nitride and aluminum titanium nitride layers.
  • aluminum chromium nitride and aluminum titanium nitride layers have a comparative effect high layer hardness and a higher coefficient of friction in use
  • higher layer roughness and the higher coefficients of friction can have a disadvantageous effect in the near-surface area during the forming of, for example, high-strength galvanized steel sheets and lead to welds that can reduce the tool life.
  • the welds are an adhesive material transfer from the softer, formed material to the harder tool.
  • an additional thin titanium nitride top layer (TiN) is applied as the last layer, which through its reduced droplet deposits leads to a more uniform, smoother layer surface.
  • Another property of the titanium nitride top layer is the lower coefficient of friction than the layers below. This reduces the risk of weld build-up and thus improves the running-in behavior of the layer in comparison to the harder aluminum titanium nitride and aluminum chrome multilayers underneath. Before geous enough, the running-in behavior is improved by the titanium nitride top layer due to its good sliding properties and its low breakaway torque (the force that is necessary to overcome static friction and initiate the transition to sliding friction).
  • the titanium nitride top layer absorbs some force with every stroke, since the titanium nitride top layer has better elasticity than the hard aluminum chromium nitride and aluminum titanium nitride layers underneath.
  • a TiN top layer thinner than 0.1 ⁇ m does not lead to any improved running-in behavior. If the TiN top layers are too thick (thicker than 0.5 ⁇ m), the multilayer underneath can no longer show its advantageous properties, for example slower crack growth. TiN top layers with a thickness between 0.2 and 0.3 ⁇ m can be particularly distinguished. This represents an optimum of good running-in properties and slower tool damage, for example through the inhibition of crack growth.
  • TiN titanium nitride top layer
  • TiCN titanium carbonitride top layer
  • the use of the titanium nitride top layer (TiN) is to be preferred, for example, for the cold forming of coated, ultra-high-strength sheet metal, as these, due to their lower hardness compared to the titanium carbonitride top layer (TiCN), reduce the abrasion and thus the possible welding of the coating (e. B. electrochemically galvanized with zinc) of the ultra-high-strength sheet on the tool.
  • TiN titanium nitride adhesive layer
  • the TiN adhesive layer advantageously has a thickness of 0.2 to 0.9 ⁇ m. In the case of thicker layers than 0.9 gm, the internal stresses in the layer can be so high that the layer adhesion deteriorates.
  • a titanium nitride adhesive layer 0.4 to 0.7 ⁇ m thick proves to be particularly advantageous; the best layer adhesion could be achieved here.
  • the upper limit can also be selected at 0.9 or 0.8 or 0.7 or 0.6 ⁇ m thickness.
  • the lower limit can also be selected at 0.2 or 0.3 or 0.4 or 0.45 ⁇ m thickness.
  • aluminum chromium and aluminum titanium and titanium cathodes are preferably used, whereby nitrogen can be used as the reactive gas for the deposition of aluminum titanium nitride or aluminum chromium nitride layers (AITiN-AICrN multilayer systems). Due to their mechanical and thermal properties, these nitride hard material layers can have a wear-minimizing effect in relation to the extreme normal contact stresses and local thermal effects. It has proven advantageous to first deposit an aluminum titanium nitride layer on the optional TiN adhesive layer. This can improve the connection of the following multilayers.
  • the interplay of layers with different mechanical and thermal properties is u. a. beneficial to reduce crack propagation.
  • the inventors have recognized that advantageously 5 layers each of AICrN and AITiN (ie a total of 10 layers) can effectively reduce the propagation of cracks.
  • too many layers can have the disadvantage that with increasing layer thickness the internal stresses in the applied layer can become so high that layer adhesion problems can arise.
  • the number of alternating layer layers 20 that is to say in total 40 or 42 with TiN adhesive layer and TiN or alternatively TiCN top layer
  • 20 or 18 or 16 or 14 or 12 layers of AICrN and AITiN can also be selected as the upper limit for alternating layers.
  • 5 or 6 or 7 or 8 or 9 or 10 layers of AICrN and AITiN can also be selected as the lower limit for alternating layers.
  • the individual aluminum titanium nitride layers can advantageously each be 0.1 to 0.5 ⁇ m thick. With layers thinner than 0.1 ⁇ m, the desired properties (somewhat more elastic than AICrN) of the hard material layer may not be achieved. Thicker layers in particular Those over 0.5 mih thick can have such high internal stresses that the layer adhesion deteriorates. Layer thicknesses between 0.2 and 0.3 ⁇ m can be particularly noticeable because they can already have a functional effect without introducing too high internal stresses. The upper limit can also be selected at 0.50 or 0.40 or 0.35 or 0.30 ⁇ m thickness.
  • the lower limit can also be selected at 0.10 or 0.15 or 0.20 ⁇ m thickness.
  • the individual aluminum chromium nitride layers can advantageously each be 0.1 to 0.5 ⁇ m thick. With layers thinner than 0.1 ⁇ m, the desired properties (resistant to abrasive wear, very hard, tougher than AITiN, high hot hardness - temperature stability up to approx. 900 ° C) of the hard material layer may not be achieved. Thicker layers, especially over 0.5 ⁇ m thick, can have such high internal stresses that the layer adhesion deteriorates. Layer thicknesses between 0.2 and 0.3 ⁇ m can be particularly noticeable because they can already have a functional effect without introducing too high internal stresses. The upper limit can also be selected at 0.50 or 0.40 or 0.35 or 0.30 ⁇ m thickness.
  • the lower limit can also be selected at 0.10 or 0.15 or 0.20 ⁇ m thickness.
  • a layer thickness combination of 0.2 to 0.3 ⁇ m in each case is selected for each aluminum chromium nitride and aluminum titanium nitride layer.
  • the interplay between somewhat more elastic and somewhat tougher layers can, for example, slow down the growth of cracks and thereby ensure a longer service life of the tool.
  • the total layer thickness can be between 1.5 and 21 ⁇ m.
  • the total layer thickness is preferably 10 to 11 ⁇ m.
  • the thickness of the AITiN-AICrN multilayer system is preferably more than 5 ⁇ m, since the crack propagation is slowed down.
  • the chemical composition of the layers of titanium nitride is 40 to 50 atom% titanium and 50 to 60 atom% nitrogen, in titanium carboron nitride (alternative top layer) 20 to 23 atom% carbon, 30 to 33 atom% nitrogen and 44 - 50 atomic percent titanium, for aluminum chromium nitride 30 to 40 atomic percent aluminum, 10 to 20 atomic percent chromium and 45 to 55 atomic percent nitrogen and for aluminum titanium nitride 8 to 14 atomic percent aluminum, 30 to 40 atomic percent % Titanium and 40 to 50 atomic% nitrogen.
  • Ti z Ni z with z 0.4 to 0.6
  • the layer structure according to the invention on the cold forming tool can be deposited using a duplex process (in-situ plasma nitriding and subsequent PVD coating).
  • Preferred substrates are all materials that can be plasma nitrided, in particular metal materials, in particular HSS (high-speed steel) and hard metal.
  • the metal material to be coated is referred to as the substrate.
  • the applicant produces the coating systems alpha 400P and alpha 900P.
  • both work steps plasma nitriding and PVD coating
  • plasma nitriding and PVD coating are switched one after the other in one process without having to ventilate the system in between.
  • nitrogen diffuses into the edge zone, which increases the surface hardness of the tool material.
  • the formation of interfering connection layers is suppressed. This means that the workpiece can be optimally prepared (good supporting effect) for the hard, brittle PVD coating that follows.
  • the invention thus relates to a method for producing a cold forming tool, in particular for cold forming ultra-high-strength steels, the cold forming tool being the upper and / or lower tool of a forming tool set, wherein the cold forming tool is made of a metal material and has a forming surface that is designed so that a formed sheet has the desired final contour of the component,
  • a hard material layer is deposited on the forming surface of the forming tool via physical vapor phase separation, the hard material layer consisting of a titanium nitride adhesive layer and alternating layers of aluminum titanium nitride and aluminum chromium nitride deposited thereon, with the outermost outer surface facing a workpiece to be formed being the last layer Titanium nitride top layer or a titanium carbonitride top layer is deposited.
  • a further advantageous embodiment provides that an aluminum titanium nitride layer is first deposited on the titanium nitride adhesive layer as the first layer of the alternately deposited layers.
  • five to twenty alternating layers are deposited on the titanium nitride adhesive layer before a final titanium nitride top layer or a titanium carbonitride top layer is deposited.
  • the titanium nitride adhesive layer (2) has a thickness of 0.2 micrometers to 0.9 Micrometers, preferably from 0.4 micrometers to 0.7 micrometers.
  • the aluminum titanium nitride layers (3) have a thickness of 0.1 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
  • the aluminum chromium nitride layers (4) advantageously have a thickness of 0.1 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
  • the final titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer has a thickness of 0.2 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
  • the invention also relates to a cold forming tool which has a hard material coating which is deposited according to the method described above.
  • the hard material layer is formed from alternating aluminum titanium nitride layers (3) and aluminum chromium nitride layers (4), with a titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer finally being present.
  • the first layer on the tool is a titanium nitride adhesive layer (2) and then the aluminum titanium nitride layers (3) and aluminum chromium nitride layers (4) and the final titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer.
  • Figure 1 shows an exemplary layer structure with a titanium nitride adhesive layer 2 on a
  • FIG. 2 shows an abstract dome section, ie a top view in which the individual layers can be seen;
  • FIG. 3 shows a metallographic comparison of model layers by means of dome grinding, which were applied to a sample in two different systems
  • Figure 1 is an exemplary layer structure with a titanium nitride adhesive layer 2 on a substrate 1 with 15 alternating layers of aluminum titanium nitride layers 3 and aluminum chromium nitride layers 4 and a titanium nitride top layer 5 in a first embodiment, where on the titanium nitride Adhesive layer 2 is followed directly by an aluminum titanium nitride layer 3.
  • a titanium nitride adhesive layer 2 is applied to the substrate 1, which improves the adhesion between the subsequent layers and the substrate 1.
  • the titanium nitride adhesive layer 2 is advantageously followed directly by an aluminum titanium nitride layer 3.
  • aluminum titanium nitride layers 3 and aluminum chromium nitride layers 4 alternate, these layers each being deposited 15 times and finally a titanium nitride top layer 5 being deposited.
  • the figures do not show the exemplary use of a titanium carbonitride top layer instead of a titanium nitride top layer.
  • the chemical composition of the layers in the example of titanium nitride consists of approx. 45 atom% titanium and approx. 55 atom% nitrogen, in the case of aluminum chromium nitride approx. 35 atom% aluminum, approx. 15 atom% chromium and approx. 50 atoms -% nitrogen, while aluminum titanium nitride contains about 11 atom% aluminum, 35 atom% titanium and 45 atom% nitrogen.
  • a coating for cold forming tools is produced in the form of a multi-layer hard material coating, which is produced using PVD-ARC technology from the substrate 1 (tool base material, metal material) as a sequence of a TiN adhesive layer 2, an AITiN-AICrN multilayer system ( 15 individual layers) and a TiN top layer 5 is deposited and is able to improve the service life of the cold forming tool.
  • the tool life is optimized because the PVD arc-based AITiN-AICrN multilayer system, due to its mechanical and thermal properties, has a wear-minimizing effect on the extreme normal contact stresses and local thermal effects during forming.
  • the additional thin TiN top layer 5 promotes the running-in behavior of the layer and reduces the friction compared to the harder AITiN-AICrN multilayers underneath.
  • the 0.5 .mu.m thick TiN adhesive layer 2 is evaporated with an increasing substrate temperature ramp from 400 to 450 ° C and a decreasing substrate bias of 600-220 V and a Ver evaporator current of 60 A with the help of the reaction gas N2 at 1.2 * 10 ⁇ 2 mbar deposited.
  • the composition of the TiN adhesive layer 2 is within the scope of the measurement inaccuracy: 45 atom% Ti and 55 atom% Al.
  • the 0.2 to 0.3 ⁇ m thick AITiN layer 3 of the AITiN-AICrN multilayer system starts with an Al-TiN layer with a higher Ti concentration, which is at 450 ° C substrate temperature, at 200 V substrate bias and simultaneous deposition of AITi -Cathodes at 55 A and Ti cathodes at 60 A with the help of the reaction gas N2 at 2 * 10 ⁇ 2 mbar.
  • the composition of the AITiN single layer is within the scope of the measurement inaccuracy: 11 atom% Al, 35 atom% Ti and 54 atom% N.
  • the overlying 0.2 to 0.3 ⁇ m thick AICrN layer 4 of the AITiN-AICrN multi-layer system is at 450 ° C substrate temperature, at 80 V substrate bias and an AICr cathode current of 105 A with the aid of the reaction gas N2 at 2 * 10 ⁇ 2 mbar is deposited.
  • the composition of the AICrN single layer 4 is within the scope of the measurement inaccuracy: 35 atom%
  • the AITiN 3 and AICrN individual layers 4 are coated 15 times in succession and produce the named AITiN-AICrN multilayer system.
  • the 0.2 mih thick TiN top location 5 mbar is deposited at a substrate temperature rising to 450 ° C and a substrate bias voltage 80 V and a Ti-cathode current of 60 A with the aid of Reakti onsgases N2 at 2 * 10 ⁇ 2 only.
  • the composition of the TiN top layer 5 is within the scope of the measurement inaccuracy: 45 atom% Ti and 55 atom% Al.
  • the layer thickness of the overall layer composite in the example is 5-7 ⁇ m.
  • the upper mold surface 6 is the tool surface facing the workpiece.
  • the layer properties and tool life were determined on a punching tool, since punching tests and the associated parameters are better defined than forming tests. All punching tests were carried out on an eccentric press (four pillar eccentric press, 15000kg). A punching tool made of cold work steel was coated in each case (with 0.7% by weight of carbon, 5% by weight of chromium, 2.3% by weight of Mo, 0.5% by weight of vanadium, 0.5% by weight Manganese, 0.2 wt.% Si and a hardness of 60 to 61 HRc). A 1.5 mm thick sheet of high-strength steel with a tensile strength of 1400 MPa was punched without additional lubrication.
  • Feed rate (with 1.5 mm thick sheet steel): 8 m / min
  • the tool life was measured in comparison to an aluminum titanium nitride-based reference layer and the tool failure or the burr height on the punched workpiece / component was used as the termination criterion. I.e. if tool failure occurs, the wear on the edge areas of the tool is so high that a critical burr height is achieved on the workpiece / sheet steel.
  • the aluminum titanium nitride-based reference layer achieved a critical burr height with 65,000 strokes and the tool coated according to the invention only achieved the critical burr height after 365,000 strokes. This corresponds to a 5-fold increase in service life.
  • a TiCN top layer can also be used. With a rising substrate temperature of 450 ° C and a falling substrate bias voltage from 150 V to 50 V and a falling Ti cathode current from 60 A to 42 A with the aid of the reaction gases N2 and CH at 2 * 10 ⁇ 2 mbar can be deposited.
  • the composition of the TiCN top layer is within the scope of the measurement inaccuracy: 20 to 23 atom% C, 30 -33 atom% N2 and 44 - 50 atom% Ti.
  • the advantage of the invention is that the service life could be increased significantly with the multilayer arrangement on a tool according to the invention.
  • Titanium nitride top layer TiN top layer

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Abstract

The invention relates a method for producing a cold-forming tool, in particular for the cold forming of super-high-strength steels, wherein the cold-forming tool is the upper and/or lower tool of a forming-tool set, wherein the cold-forming tool is formed from a metal material and has a mould surface which is designed such that a formed metal sheet has the desired final contour of the component, characterized in that a hard-material layer is deposited on the mould surface of the cold-forming tool by means of physical vapour deposition, wherein the hard-material layer constists of a titanium nitride bonding layer and, deposited on top of that, alternating layers of aluminium titanium nitride and aluminium chromium nitride, wherein as a last layer a titanium nitride top player or alternatively a titanium carbonitride top layer is deposited as an outermost outer surface facing the workpiece to be formed.

Description

Verfahren zum Erzeugen verbesserter Kaltumformwerkzeuae für hoch- und höchstfeste Stähle und Kaltumformwerkzeuq Process for producing improved cold forming tools for high and ultra-high strength steels and cold forming tools
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kaltumformwerkzeugen, insbesonde re für das Kaltumformen höchstfester Stähle sowie das Kaltumformwerkzeug hierzu. The invention relates to a method for producing cold forming tools, in particular re for cold forming high-strength steels and the cold forming tool for this purpose.
Insbesondere im Automobilbau besteht eine Bestrebung, die Karosserie von Fahrzeugen im mer leichter zu gestalten. In den vergangenen Jahren wurden hierzu Anstrengungen unter nommen, die darin mündeten, beispielsweise durch Presshärteverfahren, hochfeste Stahl komponente zur Verfügung zu stellen, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit mit vergleichswei se 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 betref fen Stahl-Werkstoffe mit einer Zugfestigkeit von mehr als 350 MPa, insbesondere mehr als 600 MPa. Insbesondere Bauteile, wie Stoßstangenverstärkungen, Seitenaufprallträger, Sitz rahmen und Mechanismen sowie Chassiskomponenten werden aus solchen Materialien her gestellt. In the automotive industry in particular, there is an effort to make the body of vehicles ever lighter. In recent years, efforts have been made to this end, for example by press hardening process, to provide high-strength steel components that manage with comparatively low material thicknesses and thus weights due to their high strength. In the meantime, for reasons of environmental protection and the saving of fuel, the subject of lightweight construction has the highest priority among automobile manufacturers. In particular, so-called high, ultra high and ultra high strength steel materials are installed (UHSS - Ultra High Strength Steel, AHSS - Advanced High Strength Steel). High-strength steels within the meaning of the application relate to steel materials with a tensile strength of more than 350 MPa, in particular more than 600 MPa. In particular, components such as bumper reinforcements, side impact beams, seat frames and mechanisms and chassis components are made from such materials.
Mit derartigen Werkstoffen kann das Gewicht gegenüber herkömmlicher Bauteile um bis zu 40% reduziert werden. Es können zudem Kosten gesenkt und die Produktionseffizienz ge steigert werden. With such materials, the weight can be reduced by up to 40% compared to conventional components. In addition, costs can be reduced and production efficiency can be increased.
Bei der Umformung von Metallen finden hauptsächlich zwei Prozesse Anwendung, nämlich die Warmumformung und die Kaltumformung. There are mainly two processes used in the forming of metals, namely hot forming and cold forming.
Mit Warmumformung werden all diejenigen Umformschritte bezeichnet, die oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Metalls stattfinden. Im Allgemeinen sind hierbei geringere Umformkräfte notwendig, weiters kommt es zu keiner Kaltverfestigung des Werkstücks wäh rend des Umformens. Hot forming refers to all those forming steps that take place above the recrystallization temperature of a metal. Generally these are lower Forming forces are necessary, and there is no work hardening of the workpiece during the forming process.
Hierbei finden oft AI203 basierte Lösungen für die Warmumformwerkzeuge Anwendung, welche durch die oxidischen Bestandteile die Warmhärte und Oxidationsbeständigkeit der Gesamtschicht für die Hochtemperatur-Anwendung der Warmumformung steigern. Diese oxidische Schichten sind jedoch hart und spröde. Beschichtungen auf Warmumformwerk- zeugen haben zumeist das Ziel, der thermischen Belastung standzuhalten und weiters als Diffusionsbarriere zu wirken. Here, AI203-based solutions are often used for hot forming tools, which, through the oxidic components, increase the hot hardness and oxidation resistance of the entire layer for the high temperature application of hot forming. However, these oxide layers are hard and brittle. Coatings on hot forming tools mostly aim to withstand the thermal load and also to act as a diffusion barrier.
Eine Herausforderung in diesem Zusammenhang ist jedoch die Kaltumformung derartiger höchstfester Stähle. A challenge in this context, however, is the cold forming of such high-strength steels.
Aufgrund ihrer Eigenschaft setzen diese Materialien den Umformwerkzeugen erheblich höhe re Kräfte entgegen, als dies ein üblicher Karosseriestahl tun würde. Due to their properties, these materials oppose the forming tools with considerably higher forces than would be the case with conventional body steel.
Aufgrund der hohen Kontaktdrücke, die sich zwischen Werkstück und Werkzeug während der Kaltumformung von höchstfesten Stählen einstellen, sind insbesondere die tribologischen Belastungen der Werkzeuge sehr groß. Aus diesem Grund werden bei der Kaltumformung PVD-Schichten eingesetzt, deren Fokus auf die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit, der Verschleißerhöhung und Reduzierung der Rissausbreitung liegen, statt wie bei der Warmumformung auf oxidischen Schichten zurückzugreifen, welche eine höhere Warmhärte aufweisen, um der thermischen Ermüdung der Werkzeuge entgegen zu wirken. Da für eine wirtschaftliche Produktion lange Standzeiten der Werkzeuge notwendig sind, muss sicherge stellt werden, dass der Verschleiß aufgrund der extrem hohen Kontaktnormalspannungen reduziert wird. Ein Ansatz hierbei ist bei der Kaltumformung die Vorbehandlung der Werkstü cke und insbesondere der Zusatz höher additivierter Schmierstoffe. Due to the high contact pressures that arise between the workpiece and the tool during the cold forming of high-strength steels, the tribological loads on the tools in particular are very high. For this reason, PVD layers are used in cold forming, the focus of which is on increasing the mechanical load-bearing capacity, increasing wear and reducing the spread of cracks, instead of using oxidic layers, as is the case with hot forming, which have a higher hot hardness in order to withstand thermal fatigue Tools to counteract it. Since long tool life is necessary for economic production, it must be ensured that wear is reduced due to the extremely high normal contact stresses. One approach here in cold forming is the pretreatment of the workpieces and, in particular, the addition of lubricants with a higher level of additives.
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 Ver schleppung 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 Kaltumformwerkzeuge her gestellt werden können, die eine verminderte Verschleißneigung zeigen und womit die Werk zeug-Einsatzdauer wesentlich erhöht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Reduktion des Schmieraufwands bei Umformprozessen, insbesondere von höchstfesten Stählen. The addition of lubricants can have negative effects on the health of employees, since when using lubricant emissions can occur in the breathing air and on the skin of employees at the workplaces. In addition, cooling lubricants can be carried over into the area around the machine, which in turn worsens the ecological balance of the entire process. The object of the invention is to create a method with which cold forming tools can be made that show a reduced tendency to wear and with which the tool life can be increased significantly. Another object of the invention is to reduce the amount of lubrication required in forming processes, in particular high-strength steels.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The object is achieved with a method having the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeich net. Advantageous further developments are identified in the dependent claims.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein entsprechendes Kaltumformwerkzeug zu schaffen. Another object is to create a corresponding cold forming tool.
Die Aufgabe wird mit einem Kaltumformwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 ge löst. The task is solved with a cold forming tool with the features of claim 9 ge.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeich net. Advantageous further developments are identified in the dependent claims.
Die Erfindung bezieht sich auf die besonderen Erfordernisse bei Kaltumformprozessen durch die hohen Umformkräfte insbesondere bei der Kaltumformung von höchstfesten Stählen. Zur Erfüllung dieser Erfordernisse wird für das erfindungsgemäße Kaltumformwerkzeug eine Mehrlagenhartstoffschicht aufgebracht aus einer aufgebrachten Titannitrid-Haftlage und da rauf abgeschiedenen abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromni trit. Durch diese spezifische Multilagenstruktur kann die Festigkeit und Tragfähigkeit der Ge samtschicht ausbildet, die von der Anwendung Kaltumformung von höchstfesten Blechen gefordert ist. The invention relates to the special requirements in cold forming processes due to the high forming forces, especially in the cold forming of high-strength steels. To meet these requirements, a multi-layer hard material layer is applied for the cold forming tool according to the invention, consisting of an applied titanium nitride adhesive layer and alternating layers of aluminum titanium nitride and aluminum chromium trite deposited thereon. This specific multilayer structure enables the strength and load-bearing capacity of the overall layer to be developed, which is required by the application of cold forming of high-strength sheet metal.
Des Weiteren kann das Risswachstum durch die Gesamtschicht, welches bei den hohen Be lastungskräften der Kaltumformung von höchstfesten Blechen beobachtet wird, durch die abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid aufgehalten wer den, indem die Risse an den Übergängen der Einzelschichten durch ihre unterschiedlichen Mikrostrukturen gestoppt werden. Als Toplage ist zur Verminderung des Losbrechmoments eine Titannitrid- oder alternativ eine Titancarbonitrid-Toplage vorgesehen. In der Beschreibung wird mit Schicht oder Layer oder Lage synonym eine einzelne Ebene des Mehrlagenschichtverbundes bezeichnet. Furthermore, the crack growth through the entire layer, which is observed with the high loading forces of cold forming of high-strength sheets, can be stopped by the alternating layers of aluminum titanium nitride and aluminum chromium nitride by stopping the cracks at the transitions between the individual layers due to their different microstructures. A titanium nitride or alternatively a titanium carbonitride top layer is provided as the top layer to reduce the breakaway torque. In the description, a single level of the multilayer composite is referred to synonymously with layer or layer or layer.
Der Fokus bei der gegenständlichen Erfindung ist auf die mechanischen und tribologischen Anforderungen der Kaltumformung ausgelegt, bei der die Warmhärte und Oxidationsbestän digkeit der Gesamtschicht und Einzellagen aufgrund der Applikation Kaltumformung vernach lässigbar sind. Oxidische Schichten sind ausgesprochen hart und spröde. Bei der Kaltumfor mung wird die Hauptbeanspruchung des Werkzeuges durch die auftretenden hohen Umfor mungskräfte sowie der Kaltverfestigung erzeugt, wodurch der Einsatz von oxidischen Schich ten, deren Vorzüge auf der thermischen Beständigkeit liegen, seltener ist und stärkerer Fo kus auf verschleißbeständige Multilagen-Schichten nitridischer Basis gelegt wird, welcher das Risswachstum hemmen und die mechanische Belastbarkeit steigern. Der Einsatz von oxidi schen Schichten im Kaltumform bereich ist des Weiteren nur begrenzt möglich, da die Syn these von z.B. AI203 Schichten für diesen Applikationsbereich die Erzeugung der alpha- AI203 Phase benötigt, welche mit den gängigen PVD/CVD-Verfahren erst ab Abscheidungs temperaturen > 1000°C erzielt werden kann. Durch die hohen Abscheidungstemperaturen und somit dem eingehenden thermischen Verzug und Härtereduzierung der Werkzeuge, können aufgrund der near-net-shape-Vorgaben nur begrenzt Werkzeuge der Kaltumformung mit diesen Prozessen beschichtet werden. Eine Beschichtung der gamma-AI203 Phase bei Temperaturen < 800°C für die Nutzung im Kaltumformung kommt entsprechend auch nur begrenzt in Betracht, da diese nicht vergleichbare mechanische Eigenschaften und Ver schleißbeständigkeit aufbringt wie andere nitridische PVD-Systeme. The focus of the present invention is designed on the mechanical and tribological requirements of cold forming, in which the hot hardness and oxidation resistance of the entire layer and individual layers are negligible due to the application of cold forming. Oxidic layers are extremely hard and brittle. In cold forming, the main stress on the tool is generated by the high forming forces and strain hardening, which means that the use of oxidic layers, the advantages of which are thermal resistance, is less common and more focus is placed on wear-resistant, multilayer, nitride-based layers which will inhibit crack growth and increase mechanical strength. The use of oxidic layers in cold forming is also only possible to a limited extent, as the synthesis of e.g. AI203 layers for this application area requires the generation of the alpha-AI203 phase, which can only be achieved with the usual PVD / CVD processes from deposition temperatures> 1000 ° C. Due to the high deposition temperatures and the resulting thermal distortion and hardness reduction of the tools, only a limited number of tools for cold forming can be coated with these processes due to the near-net-shape specifications. A coating of the gamma-AI203 phase at temperatures <800 ° C for use in cold forming is only possible to a limited extent, as this does not have comparable mechanical properties and wear resistance as other nitridic PVD systems.
Erfindungsgemäß wird die Oberfläche eines Kaltumformwerkzeuges, insbesondere zum Um formen höchstfester Stähle, 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 Werkzeug Substrat die erforderliche Zähigkeit gewährleistet. According to the invention, the surface of a cold forming tool, in particular for forming high-strength steels, is changed in that hard material layers with a reduced coefficient of friction are applied to the surface. The underlying idea is to offer better resistance to the local stresses by generating property gradients on the tool surface. The surface is provided with a higher hardness, for example, while the substrate tool ensures the required toughness.
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. In particular, according to the invention, a PVD hard material layer is deposited on corresponding tools. The production of PVD layers (Physical Vapor Deposition) has been known for a long time and is used in particular in tools, in particular in cutting tools.
Ein üblicherweise für solche Hartstoffschichten eingesetztes Verfahren ist das Lichtbogenver dampfen, auch Arc-PVD oder Arc-Evaporation genannt. Dieses Verfahren gehört zur Gruppe der physikalischen Gasphasenabscheidungen (PVD) und ist genauer gesagt ein Verdamp fungsverfahren. A method commonly used for such hard material layers is the light arc evaporation, also known as arc PVD or arc evaporation. This process belongs to the group of physical vapor deposition (PVD) and is more precisely an evaporation process.
Bei diesem Verfahren wird die Kathode bzw. das zu verdampfende Material auf ein negatives Potenzial gelegt, wobei ein Lichtbogen zwischen der Kammerwand der Vakuumkammer (ent sprechend 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 (Re aktionsgasen) reagieren kann, um eine entsprechende Schicht auszubilden. In this process, the cathode or the material to be vaporized is placed on a negative potential, with an arc burning between the chamber wall of the vacuum chamber (acting accordingly as an anode) and the cathode surface. The cathode contains the material that is later to be deposited on the workpiece, in this case on the tool, for example, with the cathode material in the plasma phase also being able to react with corresponding gases (reaction gases), for example through a suitable atmosphere in the chamber, to form a corresponding layer.
Bei dieser Lichtbogenverdampfung wird ein großer Teil des verdampften Materials ionisiert, wobei sich das Material radial in einem Sichtlinienprozess von der Kathodenoberfläche aus breitet. An das Substrat wird zusätzlich ein negatives Potenzial gelegt, so dass der ionisierte Metalldampf zum Substrat hin beschleunigt wird. Der Dampf kondensiert an der Substrat oberfläche, 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. In this arc evaporation, a large part of the evaporated material is ionized, with the material spreading radially in a line-of-sight process from the cathode surface. A negative potential is also applied to the substrate, so that the ionized metal vapor is accelerated towards the substrate. The vapor condenses on the substrate surface, whereby a high kinetic energy can be introduced into the growing layer due to the high proportion of ionization and the negative bias voltage on the substrate. In this way, among other things, the properties, such as layer adhesion, density and composition, as well as the microstructure of the deposited layer can be influenced.
Allerdings ist es bekannt, dass Aluminiumchromnitrid- (AICrN) und Aluminiumtitannitrid- (AITiN) Schichten üblicherweise nur mit einem hohen Anteil an Makropartikeleinlagerungen (sogenann ten„Droplets") in die aufwachsende Schicht aufgebracht werden können bzw. beim Verdamp fen von Aluminiumchromkathoden eine hohe Makropartikelbildung festzustellen ist. Diese äu ßert 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 oberflä chennahen 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 Material übertrag vom weicheren, umgeformten Material auf das härtere Werkzeug. However, it is known that aluminum chromium nitride (AICrN) and aluminum titanium nitride (AITiN) layers can usually only be applied to the growing layer with a high proportion of macroparticle deposits (so-called "droplets") or high macroparticle formation when aluminum chromium cathodes evaporate This is expressed in so-called droplet / macroparticle inclusions within the growing thin layer and a correspondingly higher layer roughness. These droplets also form in monolithic designs of aluminum chromium nitride and aluminum titanium nitride layers. In addition, aluminum chromium nitride and aluminum titanium nitride layers have a comparative effect high layer hardness and a higher coefficient of friction in use However, higher layer roughness and the higher coefficients of friction can have a disadvantageous effect in the near-surface area during the forming of, for example, high-strength galvanized steel sheets and lead to welds that can reduce the tool life. The welds are an adhesive material transfer from the softer, formed material to the harder tool.
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. Vor teilhafterweise 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). Überra schenderweise absorbiert die Titannitrid-Toplage bei jedem Hub etwas Kraft, da die Titan nitrid-Toplage eine bessere Elastizität aufweist als die harten Aluminiumchromnitrid- und Alu- miniumtitannitrid-Schichten darunter. Eine dünnere TiN-Toplage als 0,1 pm führt zu keinem verbesserten Einlaufverhalten. Bei zu dicken TiN-Toplagen (dicker als 0,5 pm) kann die darun ter liegende Multilayer ihre vorteilhaften Eigenschaften, beispielsweise das langsamere Riss wachstum, nicht mehr zeigen. Besonders auszeichnen können sich TiN-Toplagen mit einer Dicke zwischen 0,2 und 0,3 pm. Dies stellt ein Optimum aus guten Einlaufeigenschaften und verlangsamter Werkzeugschädigung, beispielsweise durch Risswachstumshemmung, dar. According to the invention, therefore, an additional thin titanium nitride top layer (TiN) is applied as the last layer, which through its reduced droplet deposits leads to a more uniform, smoother layer surface. Another property of the titanium nitride top layer is the lower coefficient of friction than the layers below. This reduces the risk of weld build-up and thus improves the running-in behavior of the layer in comparison to the harder aluminum titanium nitride and aluminum chrome multilayers underneath. Before geous enough, the running-in behavior is improved by the titanium nitride top layer due to its good sliding properties and its low breakaway torque (the force that is necessary to overcome static friction and initiate the transition to sliding friction). Surprisingly, the titanium nitride top layer absorbs some force with every stroke, since the titanium nitride top layer has better elasticity than the hard aluminum chromium nitride and aluminum titanium nitride layers underneath. A TiN top layer thinner than 0.1 μm does not lead to any improved running-in behavior. If the TiN top layers are too thick (thicker than 0.5 μm), the multilayer underneath can no longer show its advantageous properties, for example slower crack growth. TiN top layers with a thickness between 0.2 and 0.3 μm can be particularly distinguished. This represents an optimum of good running-in properties and slower tool damage, for example through the inhibition of crack growth.
Statt der Titannitrid-Toplage (TiN) kann alternativ auch eine Titancarbonitrid-Toplage (TiCN) vorgesehen sein. Die Nutzung der Titannitrid-Toplage (TiN) ist beispielsweise bei der Kaltum formung von beschichteten ultra hochfesten Blechen vorzuziehen, da diese aufgrund ihrer ge ringeren Härte im Vergleich zur Titancarbonitrid-Toplage (TiCN) den Abrieb und somit die mögliche Aufschweißung der Beschichtung (z. B. elektrochemisch mit Zink galvanisiert) des ultrahochfesten Bleches auf dem Werkzeug reduziert. Des Weiteren erlaubt die Auswahl zwi schen den beiden Toplagen eine farbliche Diversifizierung für den Anwender falls diese ge wünscht ist, da die TiN Toplage eine goldene Färbung aufweist und die TiCN-Toplage eine grau-bläuliche Färbung. Vorteilhafterweise kann zusätzlich zuerst eine Titannitrid-Haftlage (TiN) auf das zu beschich tende Werkzeug abgeschieden werden. Instead of the titanium nitride top layer (TiN), a titanium carbonitride top layer (TiCN) can alternatively also be provided. The use of the titanium nitride top layer (TiN) is to be preferred, for example, for the cold forming of coated, ultra-high-strength sheet metal, as these, due to their lower hardness compared to the titanium carbonitride top layer (TiCN), reduce the abrasion and thus the possible welding of the coating (e. B. electrochemically galvanized with zinc) of the ultra-high-strength sheet on the tool. Furthermore, the choice between the two top layers allows a color diversification for the user if this is desired, since the TiN top layer has a golden color and the TiCN top layer has a gray-bluish color. Advantageously, a titanium nitride adhesive layer (TiN) can also be deposited onto the tool to be coated first.
Diese Haftlage kann zu einer besseren Anbindung der nachfolgenden Multilagen Beschich tung führen. Vorteilhafterweise weist die TiN-Haftlage eine Dicke von 0,2 bis 0,9 gm auf. Bei dickeren Schichten als 0,9 gm kann es zu so hohen Eigenspannungen in der Schicht kom men, dass die Schichthaftung schlechter wird. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine 0,4 bis 0,7 pm dicke Titannitrid-Haftlage, hier konnte die beste Schichthaftung erzielt werden. This adhesive layer can lead to a better connection of the subsequent multilayer coating. The TiN adhesive layer advantageously has a thickness of 0.2 to 0.9 μm. In the case of thicker layers than 0.9 gm, the internal stresses in the layer can be so high that the layer adhesion deteriorates. A titanium nitride adhesive layer 0.4 to 0.7 μm thick proves to be particularly advantageous; the best layer adhesion could be achieved here.
Die obere Grenze kann auch bei 0,9 oder 0,8 oder 0,7 oder 0,6 pm Dicke gewählt werden.The upper limit can also be selected at 0.9 or 0.8 or 0.7 or 0.6 μm thickness.
Die untere Grenze kann auch bei 0,2 oder 0,3 oder 0,4 oder 0,45 pm Dicke gewählt werden. Für das Aufbringen der einzelnen Schichten der Multilayer werden bevorzugt Aluminium chrom- und Aluminiumtitan- sowie Titankathoden eingesetzt, wobei als Reaktivgas Stickstoff verwendet werden kann, zur Abscheidung von Aluminiumtitannitrid bzw. Aluminiumchromni trid-Schichten (AITiN-AICrN-Multilagensysteme). Diese Nitrid hartstoffschichten können auf grund 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. The lower limit can also be selected at 0.2 or 0.3 or 0.4 or 0.45 μm thickness. For the application of the individual layers of the multilayer, aluminum chromium and aluminum titanium and titanium cathodes are preferably used, whereby nitrogen can be used as the reactive gas for the deposition of aluminum titanium nitride or aluminum chromium nitride layers (AITiN-AICrN multilayer systems). Due to their mechanical and thermal properties, these nitride hard material layers can have a wear-minimizing effect in relation to the extreme normal contact stresses and local thermal effects. It has proven advantageous to first deposit an aluminum titanium nitride layer on the optional TiN adhesive layer. This can improve the connection of the following multilayers.
Das Wechselspiel von Lagen mit unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaf ten ist u. a. vorteilhaft um die Rissausbreitung zu verringern. Dabei haben die Erfinder er kannt, dass vorteilhafterweise je 5 Lagen AICrN und AITiN (also in Summe 10 Lagen) die Riss ausbreitung 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 vorteilhaf terweise herausgestellt, dass hierfür die Anzahl an abwechselnden Schichtlagen 20 (also in Summe 40 bzw. 42 mit TiN-Haftlage und TiN- oder alternativ TiCN-Toplage) nicht überschrei ten sollte. Als obere Grenze an abwechselnden Lagen können auch je 20 oder 18 oder 16 oder 14 oder 12 Lagen AICrN und AITiN gewählt werden. Als untere Grenze an abwechselnden La gen können auch je 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9 oder 10 Lagen AICrN und AITiN gewählt werden. The interplay of layers with different mechanical and thermal properties is u. a. beneficial to reduce crack propagation. The inventors have recognized that advantageously 5 layers each of AICrN and AITiN (ie a total of 10 layers) can effectively reduce the propagation of cracks. However, too many layers can have the disadvantage that with increasing layer thickness the internal stresses in the applied layer can become so high that layer adhesion problems can arise. It has advantageously been found that for this purpose the number of alternating layer layers 20 (that is to say in total 40 or 42 with TiN adhesive layer and TiN or alternatively TiCN top layer) should not be exceeded. 20 or 18 or 16 or 14 or 12 layers of AICrN and AITiN can also be selected as the upper limit for alternating layers. 5 or 6 or 7 or 8 or 9 or 10 layers of AICrN and AITiN can also be selected as the lower limit for alternating layers.
Vorteilhafterweise können die einzelnen Aluminiumtitannitridschichten je 0,1 bis 0,5 pm dick sein. Bei dünneren Schichten als 0,1 pm können ggf. nicht die gewünschten Eigenschaften (etwas elastischer als AICrN) der Hartstoffschicht erzielt werden. Dickere Schichten insbeson- dere über 0,5 mih Dicke können so hohe Eigenspannungen aufweisen, dass die Schichthaftung schlechter wird. Besonders auszeichnen können sich Schichtdicken zwischen 0,2 und 0,3 pm da diese bereits funktionell wirken können, ohne zu hohe Eigenspannungen einzubringen. Die obere Grenze kann auch bei 0,50 oder 0,40 oder 0,35 oder 0,30 pm Dicke gewählt werden.The individual aluminum titanium nitride layers can advantageously each be 0.1 to 0.5 μm thick. With layers thinner than 0.1 μm, the desired properties (somewhat more elastic than AICrN) of the hard material layer may not be achieved. Thicker layers in particular Those over 0.5 mih thick can have such high internal stresses that the layer adhesion deteriorates. Layer thicknesses between 0.2 and 0.3 μm can be particularly noticeable because they can already have a functional effect without introducing too high internal stresses. The upper limit can also be selected at 0.50 or 0.40 or 0.35 or 0.30 μm thickness.
Die untere Grenze kann auch bei 0,10 oder 0,15 oder 0,20 pm Dicke gewählt werden. The lower limit can also be selected at 0.10 or 0.15 or 0.20 μm thickness.
Vorteilhafterweise können die einzelnen Aluminiumchromnitridschichten je 0,1 bis 0,5 pm dick sein. Bei dünneren Schichten als 0,1 pm können ggf. nicht die gewünschten Eigenschaften (beständig gegen Abrasiwerschleiß, sehr hart, zäher als AITiN, hohe Warmhärte - Tempera turstabilität bis ca. 900 °C) der Hartstoffschicht erzielt werden. Dickere Schichten insbesonde re über 0,5 pm Dicke können so hohe Eigenspannungen aufweisen, dass die Schichthaftung schlechter wird. Besonders auszeichnen können sich Schichtdicken zwischen 0,2 und 0,3 pm da diese bereits funktionell wirken können, ohne zu hohe Eigenspannungen einzubringen. Die obere Grenze kann auch bei 0,50 oder 0,40 oder 0,35 oder 0,30 pm Dicke gewählt werden.The individual aluminum chromium nitride layers can advantageously each be 0.1 to 0.5 μm thick. With layers thinner than 0.1 μm, the desired properties (resistant to abrasive wear, very hard, tougher than AITiN, high hot hardness - temperature stability up to approx. 900 ° C) of the hard material layer may not be achieved. Thicker layers, especially over 0.5 μm thick, can have such high internal stresses that the layer adhesion deteriorates. Layer thicknesses between 0.2 and 0.3 μm can be particularly noticeable because they can already have a functional effect without introducing too high internal stresses. The upper limit can also be selected at 0.50 or 0.40 or 0.35 or 0.30 μm thickness.
Die untere Grenze kann auch bei 0,10 oder 0,15 oder 0,20 pm Dicke gewählt werden. The lower limit can also be selected at 0.10 or 0.15 or 0.20 μm thickness.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird eine Schichtdickenkombination von jeweils 0,2 bis 0,3 pm je Aluminiumchromnitrid- und Aluminiumtitannitrid-Schicht 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. In a particularly advantageous embodiment, a layer thickness combination of 0.2 to 0.3 μm in each case is selected for each aluminum chromium nitride and aluminum titanium nitride layer. The interplay between somewhat more elastic and somewhat tougher layers can, for example, slow down the growth of cracks and thereby ensure a longer service life of the tool.
Die Gesamtschichtdicke kann zwischen 1,5 und 21 pm betragen. Bevorzugt beträgt die Ge samtschichtdicke 10 bis 11 pm. Bevorzugt beträgt die Dicke des AITiN-AICrN-Multilagensystem mehr als 5 pm, da die Rissausbreitung verlangsamt wird. The total layer thickness can be between 1.5 and 21 μm. The total layer thickness is preferably 10 to 11 μm. The thickness of the AITiN-AICrN multilayer system is preferably more than 5 μm, since the crack propagation is slowed down.
Die chemische Zusammensetzung der Lagen beträgt beim Titannitrid (Haftlage und Toplage) 40 bis 50 Atom-% Titan und 50 bis 60 Atom-% Stickstoff, beim Titancarbornitrid (alternative Toplage) 20 bis 23 Atom-% Kohlenstoff, 30 bis 33 Atom-% Stickstoff und 44 - 50 Atom-% Titan, beim Aluminiumchromnitrid 30 bis 40 Atom-% Aluminium, 10 bis 20 Atom-% Chrom und 45 bis 55 Atom-% Stickstoff und beim Aluminiumtitannitrid 8 bis 14 Atom-% Aluminium, 30 bis 40 Atom-% Titan und 40 bis 50 Atom-% Stickstoff. In anderen Worten: TizNi-z mit z = 0,4 bis 0,6, TixCyNi-(x+y) mit x = 44 bis 50 und y = 20 bis 23, Rest Stickstoff, AlaCrbNi-(a+b) mit a = 30 bis 40 und b = 10 bis 20, Rest Stickstoff und AlcTidNi-(C+d) mit c = 8 bis 14 und d = 30 bis 40, Rest Stickstoff. Der erfindungsgemäße Schichtaufbau auf dem Kaltumformwerkzeug kann mit einem Duplex- Verfahren (in-situ Plasmanitrieren und nachfolgende PVD-Beschichtung) abgeschieden wer den. Bevorzugte Substrate sind alle Werkstoffe die plasmanitrierbar sind, insbesondere Me tallmaterialien, insbesondere HSS (Schnellarbeitsstahl) und Hartmetall. Im Sinne der Anmel dungen 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 hintereinan der geschalten, ohne dazwischen die Anlage belüften zu müssen. Beim Plasmanitrieren diffun diert Stickstoff in die Randzone ein, wodurch die Oberflächen härte 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. The chemical composition of the layers of titanium nitride (adhesive layer and top layer) is 40 to 50 atom% titanium and 50 to 60 atom% nitrogen, in titanium carboron nitride (alternative top layer) 20 to 23 atom% carbon, 30 to 33 atom% nitrogen and 44 - 50 atomic percent titanium, for aluminum chromium nitride 30 to 40 atomic percent aluminum, 10 to 20 atomic percent chromium and 45 to 55 atomic percent nitrogen and for aluminum titanium nitride 8 to 14 atomic percent aluminum, 30 to 40 atomic percent % Titanium and 40 to 50 atomic% nitrogen. In other words: Ti z Ni z with z = 0.4 to 0.6, Ti x CyNi- ( x + y) with x = 44 to 50 and y = 20 to 23, remainder nitrogen, Al a Cr b Ni - (a + b) with a = 30 to 40 and b = 10 to 20, remainder nitrogen and Al c Ti d Ni ( C + d) with c = 8 to 14 and d = 30 to 40, remainder nitrogen. The layer structure according to the invention on the cold forming tool can be deposited using a duplex process (in-situ plasma nitriding and subsequent PVD coating). Preferred substrates are all materials that can be plasma nitrided, in particular metal materials, in particular HSS (high-speed steel) and hard metal. For the purposes of the applications, the metal material to be coated is referred to as the substrate. For this purpose, the applicant produces the coating systems alpha 400P and alpha 900P. With the duplex process, both work steps (plasma nitriding and PVD coating) are switched one after the other in one process without having to ventilate the system in between. During plasma nitriding, nitrogen diffuses into the edge zone, which increases the surface hardness of the tool material. The formation of interfering connection layers is suppressed. This means that the workpiece can be optimally prepared (good supporting effect) for the hard, brittle PVD coating that follows.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Herstellen eines Kaltumformwerkzeuges, insbe sondere zum Kaltumformen höchstfester Stähle, wobei das Kaltumformwerkzeug das Ober und/oder Unterwerkzeug eines Umformwerkzeugsatzes ist, wobei das Kaltumformwerkzeug aus einem Metallmaterial ausgebildet ist und eine Formoberfläche besitzt, die so konstruiert ist, dass ein umgeformtes Blech die gewünschte Endkontur des Bauteils aufweist, The invention thus relates to a method for producing a cold forming tool, in particular for cold forming ultra-high-strength steels, the cold forming tool being the upper and / or lower tool of a forming tool set, wherein the cold forming tool is made of a metal material and has a forming surface that is designed so that a formed sheet has the desired final contour of the component,
wobei dass auf der Formoberfläche des Umformwerkzeuges über physikalische Gasphasenab scheidung eine Hartstoffschicht abgeschieden wird, wobei die Hartstoffschicht aus einer Titan nitrid-Haftlage und darauf abgeschiedenen abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid besteht, wobei als äußerste einem zu formenden Werkstück zuge wandten Außenfläche als letzte Schicht eine Titannitrid-Toplage oder eine Titancarbonitrid- Toplage abgeschieden ist. whereby a hard material layer is deposited on the forming surface of the forming tool via physical vapor phase separation, the hard material layer consisting of a titanium nitride adhesive layer and alternating layers of aluminum titanium nitride and aluminum chromium nitride deposited thereon, with the outermost outer surface facing a workpiece to be formed being the last layer Titanium nitride top layer or a titanium carbonitride top layer is deposited.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass auf die Titannitrid-Haftlage als erste Lage der abwechselnd abgeschiedenen Lagen zuerst eine Aluminiumtitannitridschicht abge schieden wird. A further advantageous embodiment provides that an aluminum titanium nitride layer is first deposited on the titanium nitride adhesive layer as the first layer of the alternately deposited layers.
Bei einer wiederum vorteilhaften Ausführungsform werden je fünf bis zwanzig abwechselnde Schichten auf die Titannitrid-Haftlage abgeschieden bevor eine abschließende Titannitrid- Toplage oder eine Titancarbonitrid-Toplage abgeschieden wird. In another advantageous embodiment, five to twenty alternating layers are deposited on the titanium nitride adhesive layer before a final titanium nitride top layer or a titanium carbonitride top layer is deposited.
Es ist vorteilhaft, wenn die Titannitrid-Haftlage (2) eine Dicke von 0,2 Mikrometern bis 0,9 Mikrometern, bevorzugt von 0,4 Mikrometern bis 0,7 Mikrometern besitzt. It is advantageous if the titanium nitride adhesive layer (2) has a thickness of 0.2 micrometers to 0.9 Micrometers, preferably from 0.4 micrometers to 0.7 micrometers.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die Aluminiumtitannitridschichten (3) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern besitzen. It is also advantageous if the aluminum titanium nitride layers (3) have a thickness of 0.1 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
Vorteilhafterweise besitzen die Aluminiumchromnitridschichten (4) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern. The aluminum chromium nitride layers (4) advantageously have a thickness of 0.1 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt die abschließende Titannitrid-Toplage (5) oder eine Titancarbonitrid-Toplage eine Dicke von 0,2 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern. In a further embodiment, the final titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer has a thickness of 0.2 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
Bei einer wiederum vorteilhaften Ausführungsform ist die chemische Zusammensetzung der Lagen folgendermaßen: Haft- und Toplage TizNi-z mit z = 0,4 bis 0,6, als alternative In another advantageous embodiment, the chemical composition of the layers is as follows: Adhesive and top layer Ti z Ni z with z = 0.4 to 0.6, as an alternative
Toplage TixCyNi-(X+y) mit x = 44 bis 50 und y = 20 bis 23, Rest Stickstoff, AlaCrbNi-(a+b) mit a = 30 bis 40 und b = 10 bis 20, Rest Stickstoff und AlcTidNi-(c+d) mit c = 8 bis 14 und d = 30 bis 40, Rest Stickstoff. Top layer Ti x CyNi- (X + y) with x = 44 to 50 and y = 20 to 23, remainder nitrogen, Al a Cr b Ni- (a + b) with a = 30 to 40 and b = 10 to 20, Remainder nitrogen and Al c Ti d Ni (c + d) with c = 8 to 14 and d = 30 to 40, remainder nitrogen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kaltumformwerkzeug, welches eine Hartstoffbeschichtung Aufweist, die nach dem oben beschriebenen Verfahren abgeschieden wird. The invention also relates to a cold forming tool which has a hard material coating which is deposited according to the method described above.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Hartstoffschicht aus sich abwechseln den Aluminiumtitannitridschichten (3) und Aluminiumchromnitridschichten (4) ausgebildet ist, wobei abschließend eine Titannitrid-Topschicht (5) oder eine Titancarbonitrid-Topschicht vorhanden ist. An advantageous embodiment provides that the hard material layer is formed from alternating aluminum titanium nitride layers (3) and aluminum chromium nitride layers (4), with a titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer finally being present.
Bei einer wiederum vorteilhaften Ausführungsform ist als erste Schicht auf dem Werkzeug eine Titannitrid-Haftlage (2) vorhanden und anschließend sind die Aluminiumtitannitrid schichten (3) und Aluminiumchromnitridschichten (4) und die abschließende Titannitrid- Toplage (5) oder eine Titancarbonitrid-Toplage vorhanden. In another advantageous embodiment, the first layer on the tool is a titanium nitride adhesive layer (2) and then the aluminum titanium nitride layers (3) and aluminum chromium nitride layers (4) and the final titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei: The invention is explained by way of example with the aid of a drawing. It shows:
Figur 1 einen beispielhaften Schichtaufbau mit einer Titannitrid-Haftlage 2 auf einem Figure 1 shows an exemplary layer structure with a titanium nitride adhesive layer 2 on a
Substrat 1 mit je 15 wechselnden Lagen aus Aluminiumtitannitrid-Schichten 3 und Aluminiumchromnitrid-Schichten 4 und einer Titannitrid-Toplage 5 in einer ersten Ausführungsform; Figur 2 einen abstrahierten Kalottenschliff, d.h eine Draufsicht, bei der die einzelnen Schichten erkennbar sind; Substrate 1 with 15 alternating layers of aluminum titanium nitride layers 3 and aluminum chromium nitride layers 4 and a titanium nitride top layer 5 in a first embodiment; FIG. 2 shows an abstract dome section, ie a top view in which the individual layers can be seen;
Figur 3 einen metallographischen Vergleich von Modellschichten mittels Kalottenschliff, die auf zwei unterschiedlichen Anlagen auf eine Probe aufgebracht wurden; FIG. 3 shows a metallographic comparison of model layers by means of dome grinding, which were applied to a sample in two different systems;
In Figur 1 ist ein beispielhafter Schichtaufbau mit einer Titannitrid-Haftlage 2 auf einem Sub strat 1 mit je 15 wechselnden Lagen aus Aluminiumtitannitrid-Schichten 3 und Aluminium chromnitrid-Schichten 4 und einer Titannitrid-Toplage 5 in einer ersten Ausführungsform, wo bei auf die Titannitrid-Haftlage 2 direkt eine Aluminiumtitannitrid-Schicht 3 folgt. In Figure 1 is an exemplary layer structure with a titanium nitride adhesive layer 2 on a substrate 1 with 15 alternating layers of aluminum titanium nitride layers 3 and aluminum chromium nitride layers 4 and a titanium nitride top layer 5 in a first embodiment, where on the titanium nitride Adhesive layer 2 is followed directly by an aluminum titanium nitride layer 3.
In Figur 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 Aluminiumchromnitridschich ten 4 ab, wobei diese Schichten jeweils 15-fach abgeschieden werden und abschließend eine Titannitrid-Toplage 5 abgeschieden wird. In Figure 2, an abstract spherical cut is shown. When grinding a spherical cap, a ball grinds a spherical cap into the surface. If you grind through the multilayer down to the substrate, you can see the substrate in the innermost circle. You can see the model-like layer structures. First, a titanium nitride adhesive layer 2 is applied to the substrate 1, which improves the adhesion between the subsequent layers and the substrate 1. The titanium nitride adhesive layer 2 is advantageously followed directly by an aluminum titanium nitride layer 3. Subsequently, aluminum titanium nitride layers 3 and aluminum chromium nitride layers 4 alternate, these layers each being deposited 15 times and finally a titanium nitride top layer 5 being deposited.
In Figur 3 erkennt man die metallographischen Kalottenschliffe von zwei modellhafte Lagen strukturen, die auf einem zylindrischen Probenkörper aus dem entsprechenden Stahlmaterial aufgebracht wurden. Schichtaufbau wie bei Figur 2. Das Beschichtungssystem links wurde auf einer Beschichtungsanlage alpha 400P der Anmelderin aufgebracht, das Beschichtungssys tem rechts wurde auf einer Beschichtungsanlage alpha 900P der Anmelderin aufgebracht. In Figure 3 you can see the metallographic spherical grindings of two model-like layer structures that were applied to a cylindrical sample body made of the corresponding steel material. Layer structure as in FIG. 2. The coating system on the left was applied to an alpha 400P coating system from the applicant, the coating system on the right was applied to an alpha 900P coating system from the applicant.
In den Figuren nicht dargestellt ist die beispielhafte Verwendung einer Titancarbonitrid- Toplage anstelle einer Titanitrid-Toplage. The figures do not show the exemplary use of a titanium carbonitride top layer instead of a titanium nitride top layer.
Die Erfindung wird folgend anhand eines konkreten Beispiels erläutert: The invention is explained below using a specific example:
Die chemische Zusammensetzung der Lagen besteht im Beispiel beim Titannitrid aus ca. 45 Atom-% Titan und ca. 55 Atom-% Stickstoff, beim Aluminiumchromnitrid ca. 35 Atom-% Alu minium, ca. 15 Atom-% Chrom und ca. 50 Atom-% Stickstoff, während beim Aluminiumtitan nitrid etwa 11 Atom-% Aluminium, 35 Atom-% Titan und 45 Atom-% Stickstoff enthalten sind. Hergestellt wird eine Beschichtung für Kaltumformwerkzeuge in Form einer mehrlagigen Hart stoffbeschichtung, die unter Verwendung der PVD-ARC-Technologie vom Substrat 1 (Werk zeug-Grundwerkstoff, Metallmaterial) her als eine Abfolge von einer TiN-Haftlage 2, einem AITiN-AICrN Multilagensystem (15 Einzellagen) und einer TiN-Toplage 5 abgeschieden wird und in der Lage ist, die Standzeit des Kaltumformwerkzeuges zu verbessern. Die Optimierung der Werkzeugstandzeit wird dadurch erreicht, dass das PVD arc-basierte AITiN-AICrN Multila gensystem, aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften verschleißminimie rend 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 AITiN- AICrN Multilagen. The chemical composition of the layers in the example of titanium nitride consists of approx. 45 atom% titanium and approx. 55 atom% nitrogen, in the case of aluminum chromium nitride approx. 35 atom% aluminum, approx. 15 atom% chromium and approx. 50 atoms -% nitrogen, while aluminum titanium nitride contains about 11 atom% aluminum, 35 atom% titanium and 45 atom% nitrogen. A coating for cold forming tools is produced in the form of a multi-layer hard material coating, which is produced using PVD-ARC technology from the substrate 1 (tool base material, metal material) as a sequence of a TiN adhesive layer 2, an AITiN-AICrN multilayer system ( 15 individual layers) and a TiN top layer 5 is deposited and is able to improve the service life of the cold forming tool. The tool life is optimized because the PVD arc-based AITiN-AICrN multilayer system, due to its mechanical and thermal properties, has a wear-minimizing effect on the extreme normal contact stresses and local thermal effects during forming. The additional thin TiN top layer 5 promotes the running-in behavior of the layer and reduces the friction compared to the harder AITiN-AICrN multilayers underneath.
Die 0,5 pm 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 Ver dampferstrom 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. The 0.5 .mu.m thick TiN adhesive layer 2 is evaporated with an increasing substrate temperature ramp from 400 to 450 ° C and a decreasing substrate bias of 600-220 V and a Ver evaporator current of 60 A with the help of the reaction gas N2 at 1.2 * 10 ~ 2 mbar deposited. The composition of the TiN adhesive layer 2 is within the scope of the measurement inaccuracy: 45 atom% Ti and 55 atom% Al.
Die 0,2 bis 0,3 pm dicke AITiN-Lage 3 des AITiN-AICrN Multilagensystem startet mit einer Al- TiN-Lage mit höherer Ti-Konzentration, die bei 450 °C Substrattemperatur, bei 200 V Sub stratvorspannung 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 Zusammen setzung der AITiN-Einzellage beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 11 Atom-% AI, 35 Atom-% Ti und 54 Atom-% N. The 0.2 to 0.3 μm thick AITiN layer 3 of the AITiN-AICrN multilayer system starts with an Al-TiN layer with a higher Ti concentration, which is at 450 ° C substrate temperature, at 200 V substrate bias and simultaneous deposition of AITi -Cathodes at 55 A and Ti cathodes at 60 A with the help of the reaction gas N2 at 2 * 10 ~ 2 mbar. The composition of the AITiN single layer is within the scope of the measurement inaccuracy: 11 atom% Al, 35 atom% Ti and 54 atom% N.
Die darüberliegende 0,2 bis 0,3 pm dicke AICrN-Lage 4 des AITiN-AICrN Multi lagensystem 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 Zusam mensetzung der AICrN-Einzellage 4 beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 35 Atom-%The overlying 0.2 to 0.3 μm thick AICrN layer 4 of the AITiN-AICrN multi-layer system is at 450 ° C substrate temperature, at 80 V substrate bias and an AICr cathode current of 105 A with the aid of the reaction gas N2 at 2 * 10 ~ 2 mbar is deposited. The composition of the AICrN single layer 4 is within the scope of the measurement inaccuracy: 35 atom%
AI, 15 Atom-% Ti und 50 Atom-% N. Al, 15 atom% Ti and 50 atom% N.
Die AITiN- 3 und AICrN-Einzellagen 4 werden 15mal hintereinander beschichtet und erzeugen das benannte AITiN-AICrN Multilagensystem. Die 0,2 mih 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 Reakti onsgases N2 bei 2*10~2mbar abgeschieden. Die Zusammensetzung der TiN-Toplage 5 beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 45 Atom-% Ti und 55 Atom-% AI. The AITiN 3 and AICrN individual layers 4 are coated 15 times in succession and produce the named AITiN-AICrN multilayer system. The 0.2 mih thick TiN top location 5 mbar is deposited at a substrate temperature rising to 450 ° C and a substrate bias voltage 80 V and a Ti-cathode current of 60 A with the aid of Reakti onsgases N2 at 2 * 10 ~ 2 only. The composition of the TiN top layer 5 is within the scope of the measurement inaccuracy: 45 atom% Ti and 55 atom% Al.
Die Schichtdicke des Gesamt-Schichtverbundes des Beispiels liegt bei5 - 7 pm. Die Formober fläche 6 ist die dem Werkstück zugewandte Werkzeugoberfläche. The layer thickness of the overall layer composite in the example is 5-7 μm. The upper mold surface 6 is the tool surface facing the workpiece.
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. The layer properties and tool life were determined on a punching tool, since punching tests and the associated parameters are better defined than forming tests. All punching tests were carried out on an eccentric press (four pillar eccentric press, 15000kg). A punching tool made of cold work steel was coated in each case (with 0.7% by weight of carbon, 5% by weight of chromium, 2.3% by weight of Mo, 0.5% by weight of vanadium, 0.5% by weight Manganese, 0.2 wt.% Si and a hardness of 60 to 61 HRc). A 1.5 mm thick sheet of high-strength steel with a tensile strength of 1400 MPa was punched without additional lubrication.
Stanzparameter: Punching parameters:
Schlagzahl: 160-170 Hübe/Minute Number of strokes: 160-170 strokes / minute
Vorschubgeschwindigkeit (bei 1,5 mm dickem Stahlblech): 8 m/min Feed rate (with 1.5 mm thick sheet steel): 8 m / min
Druck: 72500-74000 N Pressure: 72500-74000 N
Die Standzeit wurde im Vergleich zu einer Aluminiumtitannitrid-basierten Referenzschicht gemessen und als Abbruchkriterium wurde das Werkzeugversagen bzw. die Grathöhe am ge stanzten 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 Referenz schicht bei 65000 Hüben eine kritische Grathöhe und das erfindungsgemäß beschichtete Werkzeug erst nach 365000 Hüben die kritische Grathöhe. Das entspricht einer 5fachen Ver längerung der Standzeit. The tool life was measured in comparison to an aluminum titanium nitride-based reference layer and the tool failure or the burr height on the punched workpiece / component was used as the termination criterion. I.e. if tool failure occurs, the wear on the edge areas of the tool is so high that a critical burr height is achieved on the workpiece / sheet steel. The aluminum titanium nitride-based reference layer achieved a critical burr height with 65,000 strokes and the tool coated according to the invention only achieved the critical burr height after 365,000 strokes. This corresponds to a 5-fold increase in service life.
Statt der TiN-Toplage kann auch eine TiCN-Toplage verwendet werden. Die 0,2 pm dicke TiCN-Toplage kann bei einer ansteigenden Substrattemperatur 450°C und einer abfallenden Substratvorspannung von 150 V auf 50 V und einem abfallenden Ti-Kathodenstrom von 60 A auf 42 A mit Hilfe der Reaktionsgase N2 und CH bei 2*10~2mbar abgeschieden werden. Die Zusammensetzung der TiCN-Toplage beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 20 bis 23 Atom-% C, 30 -33 Atom-Prozent N2 und 44 - 50 Atom-% Ti. Instead of the TiN top layer, a TiCN top layer can also be used. With a rising substrate temperature of 450 ° C and a falling substrate bias voltage from 150 V to 50 V and a falling Ti cathode current from 60 A to 42 A with the aid of the reaction gases N2 and CH at 2 * 10 ~ 2 mbar can be deposited. The The composition of the TiCN top layer is within the scope of the measurement inaccuracy: 20 to 23 atom% C, 30 -33 atom% N2 and 44 - 50 atom% Ti.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass bei der Multilagenanordnung auf einem Werkzeug nach der Erfindung die Standzeit signifikant erhöht werden konnte. The advantage of the invention is that the service life could be increased significantly with the multilayer arrangement on a tool according to the invention.
Bezuaszeichenliste Reference list
1 Meta II material, Substrat (zu beschichtendes Werkzeug) 2 Titannitrid-Haftlage (TiN-Haftlage) 1 Meta II material, substrate (tool to be coated) 2 Titanium nitride adhesive layer (TiN adhesive layer)
3 Aluminiumtitannitridschichten (AITiN-Schicht) 3 aluminum titanium nitride layers (AITiN layer)
4 Aluminiumchromnitridschichten (AICrN-Schicht) 4 aluminum chromium nitride layers (AICrN layer)
5 Titannitrid-Toplage (TiN-Toplage) 5 Titanium nitride top layer (TiN top layer)
6 Formoberfläche 6 mold surface

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Herstellen eines Kaltumformwerkzeuges, insbesondere zum Kaltumfor men höchstfester Stähle, wobei das Kaltumformwerkzeug das Ober- und/oder Unter werkzeug eines Umformwerkzeugsatzes ist, wobei das Kaltumformwerkzeug 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, 1. A method for producing a cold forming tool, in particular for cold forming men high-strength steels, wherein the cold forming tool is the upper and / or lower tool of a forming tool set, wherein the cold forming tool is made of a metal material (1) and has a mold surface (6) which is designed so that a formed sheet has the desired final contour of the component, characterized in that,
dass auf der Formoberfläche des Umformwerkzeuges (6) über physikalische Gasphasen abscheidung eine Hartstoffschicht abgeschieden wird, wobei die Hartstoffschicht aus ei ner Titannitrid-Haftlage (2) und darauf abgeschiedenen abwechselnden Lagen von Alu miniumtitannitrid (3) und Aluminiumchromnitrid (4) besteht, wobei als äußerste einem zu formenden Werkstück zugewandten Außenfläche als letzte Schicht eine Titannitrid- Toplage (5) oder eine Titancarbonitrid-Toplage abgeschieden ist. that a hard material layer is deposited on the forming surface of the forming tool (6) via physical vapor deposition, the hard material layer consisting of a titanium nitride adhesive layer (2) and alternating layers of aluminum titanium nitride (3) and aluminum chromium nitride (4) deposited thereon, with as the outer surface facing a workpiece to be shaped is deposited as the last layer a titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer.
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass auf die Titannitrid-Haftlage (2) als erste Lage der abwechselnd abgeschiedenen Lagen zuerst eine Aluminiumtitannitridschicht (3) abgeschieden wird. that an aluminum titanium nitride layer (3) is first deposited on the titanium nitride adhesive layer (2) as the first layer of the alternately deposited layers.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 3. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass je fünf bis zwanzig abwechselnde Schichten auf die Titannitrid-Haftlage (2) abge schieden werden bevor eine abschließende Titannitrid-Toplage (5) oder eine Titancarbo- nitrid-Toplage abgeschieden wird. that five to twenty alternating layers are deposited on the titanium nitride adhesive layer (2) before a final titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer is deposited.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
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. that the titanium nitride adhesive layer (2) has a thickness of 0.2 micrometers to 0.9 micrometers, preferably 0.4 micrometers to 0.7 micrometers.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized,
dass die Aluminiumtitannitridschichten (3) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometern, be vorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern besitzen. that the aluminum titanium nitride layers (3) have a thickness of 0.1 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Aluminiumchromnitridschichten (4) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern besitzen. that the aluminum chromium nitride layers (4) have a thickness of 0.1 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die abschließende Titannitrid-Toplage (5) oder eine Titancarbonitrid-Toplage eine Dicke von 0,2 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern besitzt. that the final titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer has a thickness of 0.2 to 0.5 micrometers, preferably 0.2 to 0.3 micrometers.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die chemische Zusammensetzung der Lagen folgendermaßen ist: Haft- und Topla ge TizNi-z mit z = 0,4 bis 0,6, als alternative Toplage TixCyNi-(X+y) mit x = 44 bis 50 und y = 20 bis 23, Rest Stickstoff, AlaCrbNi-(a+b) mit a = 30 bis 40 und b = 10 bis 20, Rest Stickstoff und AlcTidNi-(c+d) mit c = 8 bis 14 und d = 30 bis 40, Rest Stickstoff. that the chemical composition of the layers is as follows: Adhesive and top layer TizNi-z with z = 0.4 to 0.6, as an alternative top layer Ti x CyNi- (X + y) with x = 44 to 50 and y = 20 to 23, remainder nitrogen, Al a Cr b Ni- ( a + b) with a = 30 to 40 and b = 10 to 20, remainder nitrogen and Al c Ti d Ni- (c + d) with c = 8 to 14 and d = 30 to 40, remainder nitrogen.
9. Kaltumformwerkzeug mit einer Hartstoffbeschichtung, die insbesondere nach einem Ver fahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche abgeschieden ist. 9. Cold forming tool with a hard material coating, which is deposited in particular according to a Ver drive according to one of the preceding claims.
10. Kaltumformwerkzeug nach Anspruch 9, 10. Cold forming tool according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Hartstoffschicht aus sich abwechselnden Aluminiumtitannitridschichten (3) und Aluminiumchromnitridschichten (4) ausgebildet ist, wobei abschließend eine Titannitrid- Topschicht (5) oder eine Titancarbonitrid-Topschicht vorhanden ist. that the hard material layer is formed from alternating aluminum titanium nitride layers (3) and aluminum chromium nitride layers (4), with a titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer finally being present.
11. Kaltumformwerkzeug nach Anspruch 9 oder 10, 11. Cold forming tool according to claim 9 or 10,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass als erste Schicht auf dem Werkzeug eine Titannitrid-Haftlage (2) vorhanden ist und anschließend die Aluminiumtitannitridschichten (3) und Aluminiumchromnitridschichten (4) und die abschließende Titannitrid-Toplage (5) oder eine Titancarbonitrid-Toplage vorhanden sind. that the first layer on the tool is a titanium nitride adhesive layer (2) and then the aluminum titanium nitride layers (3) and aluminum chromium nitride layers (4) and the final titanium nitride top layer (5) or a titanium carbonitride top layer.
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