用于金屬成型構(gòu)件的抗疲勞涂層的制作方法
【專利說明】用于金屬成型構(gòu)件的抗疲勞涂層
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年10月22日提交的標(biāo)題為“用于金屬成型構(gòu)件的抗疲勞涂層”的美國臨時申請序列號61/716965的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，將其主題通過引用全部并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本公開總體上涉及在金屬成型應(yīng)用中使用的工具和模具。更具體而言，本公開涉及抗疲勞、抗磨損和抗摩擦的復(fù)合涂層，并且涉及在其表面上布置有該涂層的的金屬成型構(gòu)件。
[0004]發(fā)明背景
[0005]金屬成型構(gòu)件，例如模具等等暴露在高循環(huán)壓力和摩擦條件下。近來，業(yè)界已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用高級的高強(qiáng)度鋼合金(AHSS)，其顯示出比先前使用的鋼合金遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大的拉伸強(qiáng)度。典型的AHSS合金顯示出超過700MPa的拉伸強(qiáng)度。在具體實(shí)例中，使用具有在900_1200MPa范圍內(nèi)的拉伸強(qiáng)度的合金用于制造汽車等的結(jié)構(gòu)部件。由于其高強(qiáng)度，AHSS鋼非常難以成型并且用于其成型的模具暴露于高沖擊和高壓力條件下。除了高沖擊和高壓力條件，這些模具的表面在使用中經(jīng)歷非常高的摩擦力。這些高壓力、高摩擦條件可能引起對成型模具等的極度磨損，由此大大地折損其使用壽命。
[0006]在某些實(shí)例中，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)尋求通過不同處理工藝來使模具表面變硬；然而，這些結(jié)果產(chǎn)生了僅僅有限的成功。在其他方法中，使用不同的高硬度、抗磨損涂層來涂覆模具，這些涂層包括氮化鈦、碳氮化鈦、氮化鉻、氮化鈦鋁等等。在其他方法中，使用了材料例如碳化釩的熱擴(kuò)散涂層以及化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層，例如碳化鈦。盡管這些表面增強(qiáng)技術(shù)均在延長用于成型具有低于400MPa強(qiáng)度水平的常規(guī)合金的使用壽命中表現(xiàn)出了成功，但它們均表現(xiàn)出在涉及AHSS合金的成型操作中的差性能。
[0007]在某些情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了熱擴(kuò)散和CVD涂層延長了用于成型AHSS合金的模具的使用壽命。然而，這兩種工藝都易于產(chǎn)生由于通常使用的工具鋼模具材料的沉積和熱處理過程中晶體結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的模具尺寸變化。這些尺寸變化的程度非常經(jīng)常是在由成型模具使用者所限定的尺寸規(guī)格之外；因此，此種工藝總體上是不可接受的。此外，熱擴(kuò)散涂層具有較高的摩擦系數(shù)并且與在高拉伸強(qiáng)度AHSS材料的成型中產(chǎn)生的高水平的摩擦力不相容。
[0008]盡管等離子體氣相沉積(PVD)涂層，不像CVD涂層和熱擴(kuò)散涂層，不會引起成型模具的不可接受的尺寸變化，但許多此種涂層具有其他限制，這限制了它們在高拉伸強(qiáng)度材料成型應(yīng)用中的使用。由于其柱狀結(jié)構(gòu)，PVD涂層，例如氮化鉻、氮化鈦鋁等等在經(jīng)受高壓力/沖擊條件時(例如在具有大于400MPa的拉伸強(qiáng)度的材料成型中發(fā)現(xiàn)的那些)易開裂。一些模具性能的增加通過在用常規(guī)的PVD涂層涂覆之前采用將模具的表面表面硬化實(shí)現(xiàn)，因為模具的增加的表面硬度防止了涂層的變形和開裂。但是，這種方法產(chǎn)生了僅僅有限的成功并且僅僅在其中成型的鋼合金的拉伸強(qiáng)度是低于SOOMPa的那些情況下有用。
[0009]因此，對于與AHSS合金材料的成形結(jié)合使用的用于改善金屬成型構(gòu)件(例如模具)的使用壽命的涂層和方法存在需求。此種涂層應(yīng)該是在成型工藝中遇到的非常高的壓力和摩擦條件下耐久的并且應(yīng)該不會不利地影響該模具的尺寸參數(shù)。此外，用于施加涂層的工藝應(yīng)該簡單、經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)施并且可復(fù)涂。如在以下詳細(xì)說明的，本公開內(nèi)容提供了用于實(shí)現(xiàn)以上目的的金屬成型構(gòu)件的復(fù)合涂層。
[0010]發(fā)明概述
[0011]本公開內(nèi)容提供了用于金屬成型構(gòu)件的復(fù)合涂層。該涂層包括布置在該金屬成型構(gòu)件上的第一層。第一層包括摻雜有至少一種摻雜劑的氮化鉻。第二層布置在該第一層上面。第二層包括具有針對低合金鋼所測量的小于或等于0.2的摩擦系數(shù)的潤滑材料。摻雜劑可以選自W、V、T1、Zr、Co、Mo和Ta中的一種或多種。在一個實(shí)例中，摻雜劑是W。摻雜劑能夠以I至10原子百分比范圍，例如3至7原子百分比的范圍存在，并且在具體情況下，所述摻雜劑以約5原子百分比的量存在。第一層的厚度可以在I至10微米的范圍內(nèi)，例如4至6微米的范圍。第一層的硬度可以在2至5KHv，例如3至4KHv，并且在具體情況下3.6至3.8KHv的范圍內(nèi)。
[0012]在另一個實(shí)例中，第二層具有針對低合金鋼所測量的在0.1至0.15范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)。第二層的厚度可以在0.5至5微米的范圍內(nèi)，并且在具體情況下為1.2微米。第二層可以包括至少一種選自氮化物、碳氮化物、氧化物、氧氮化物、碳基涂層、鉬基固體膜潤滑劑涂層以及其組合的材料。在又另一個實(shí)例中，第二層包括TiCN。
[0013]本公開進(jìn)一步提供了金屬成型構(gòu)件，其包括本文描述的那些中任一種的復(fù)合涂層。金屬成型構(gòu)件可以包括模具。
[0014]本公開進(jìn)一步提供了涂覆金屬成型構(gòu)件的方法，其包括將之前描述的涂層中任一種的復(fù)合涂層施加到其上。復(fù)合涂層中的至少一層通過等離子體氣相沉積工藝施加。在另一個實(shí)例中，本公開提供了用于成型高級的高強(qiáng)度鋼本體的方法。該方法包括使用本文所述的金屬成型構(gòu)件。這種高級的高強(qiáng)度鋼可以具有至少700MPa的拉伸強(qiáng)度，例如至少900MPa的強(qiáng)度并且在具體情況下至少100MPa的強(qiáng)度。
[0015]附圖簡要說明
[0016]以下詳細(xì)說明可以參照以下附圖最好的理解，其中
[0017]圖1A圖示了實(shí)例測試裝置，該裝置用于進(jìn)行不同涂層材料在靜止位置(以虛線示出的旋轉(zhuǎn)位置)的沖擊和滑動磨損評估。
[0018]圖1B圖示了處于旋轉(zhuǎn)位置的圖1A的實(shí)例測試裝置。
[0019]圖2圖示了現(xiàn)有技術(shù)的未摻雜CrN涂層在高壓沖擊之后的顯微照片。
[0020]圖3圖示了現(xiàn)有技術(shù)的CrN層在圖1裝置中在200N沖擊和400N滑動磨擦下循環(huán)之后的頂視圖。
[0021]圖4圖示了根據(jù)本公開的CrWN涂層在與圖3中類似的試驗方案之后的顯微照片。
[0022]圖5圖示了對于現(xiàn)有技術(shù)的CrN膜的X射線衍射數(shù)據(jù)，示出了 220晶體取向。
[0023]圖6圖示了根據(jù)本公開的鎢摻雜材料的X衍射數(shù)據(jù)。
[0024]圖7圖示了在其上布置有本公開的復(fù)合涂層的物品的截面顯微照片。
[0025]圖8圖示了圖7中涂覆的物品的表面在圖1裝置中在400N沖擊負(fù)荷和400N滑動負(fù)荷下1500個測試循環(huán)之后的顯微照片。
[0026]詳細(xì)說明
[0027]本公開是針對用于金屬成型構(gòu)件(例如模具等)的復(fù)合涂層。該涂層至少布置在金屬工作構(gòu)件的成型表面上并且包括摻雜的氮化鉻陶瓷的第一層。氮化鉻是高硬度材料，但是基礎(chǔ)材料的柱狀性質(zhì)可以引起其在高壓力條件下表現(xiàn)出斷裂。根據(jù)本公開，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)包括較低量的摻雜劑材料(例如在1-10原子百分比范圍內(nèi))大大限制了穿過該材料的開裂的形成和/或延伸。盡管不希望受推測的限制，推測摻雜劑材料替代了氮化鉻的結(jié)晶基體從而防止穿過其中的開裂延伸。實(shí)例摻雜劑包括但不限于單獨(dú)或以組合使用的W、V、T1、Zr、Zo和Ta。在某些情況下，W被用作摻雜劑。如以上指出的，可以使用與替代摻雜一致的1-10原子百分比的摻雜劑水平，并且在具體情況下，摻雜劑水平落在3-7原子百分比范圍內(nèi)，其中5原子百分比是一種具體摻雜劑水平。
[0028]在一個實(shí)例中，第一層材料總體上具有在1-10微米范圍內(nèi)的厚度，并且在具體情況下約4-6微米。第一層的硬度典型地在3000-4000HV的范圍內(nèi)，并且在本公開中使用的一種具體材料包括摻雜有約5原子百分比W的CrN并且表現(xiàn)出在3200-3800HV范圍內(nèi)的硬度。
[0029]在第一層上面布置由潤滑材料組成的第二層。根據(jù)本公開，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了該第二層應(yīng)該具有低摩擦系數(shù)，典型地針對鋼低于0.2 ;并且在具體情況下，第二層具有在0.1-0.15范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)。潤滑材料層典型地具有小于摻雜的氮化鉻層的厚度并且總體上具有在
0.5-5微米范圍內(nèi)的厚度并且，在具體情況下，在1-3微米范圍內(nèi)的厚度。可以使用多種材料用于形成該潤滑層，并且這些材料可以包括氮化物、碳氮化物、氧化物、氧氮化物、碳基涂層，或鉬基固體膜潤滑涂層等等，條件是它們具有不超過0.2并且優(yōu)選地低于該值的摩擦系數(shù)。在一個實(shí)例中，在本公開中使用的具體材料包括TiCN，并且其他此種材料對本領(lǐng)域技術(shù)人員是容易清楚的。
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