CZ2013542A3 - Coated pressing or forming tools - Google Patents

Abstract

Povlakové lisovací nebo tvářecí nástroje z oceli, jejichž alespoň pracovní plochy jsou opatřeny ochrannou nanokompozitní multivrstvou na bázi titanu, bóru a uhlíku (TiBC) v kombinaci s diboridem titanu (TiB.sub.2.n.) a nitridem titanu (TiN). K zajištění dobré adheze obou mezivrstev z (TiBC) a z (TiB.sub.2.n.) k ocelovému substrátu je jako první nanesena spodní vrstva nitridu titanu (TiN), na níž navazuje střední ochranná mezivrstva složená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC), přičemž na střední ochrannou mezivrstvu (TiBC), obsahující nitridy bóru a nitridy titanu, je nanesena vrchní ochranná mezivrstva diboridu titanu (TiB.sub.2.n.) a ochranná nanokompozitní multivrstva je zakončena horní vrstvou z nitridu titanu (TiN). Ochranná nanokompozitní multivrstva vykazuje tloušťku 2 až 4 .mi.m. Tloušťka první spodní vrstvy z nitridu titanu (TiN), nanesené na ocelový substrát, nepřesahuje 0,5 .mi.m. Ve výhodném provedení tohoto řešení se střední ochranná mezivrstva složená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC) pravidelně střídá s vrchní ochrannou mezivrstvou diboridu titanu (TiB.sub.2.n.), takže je vytvořeno několik těchto mezivrstev umístěných nad sebou. Ochranná nanokompozitní multivrstva je zakončena vždy horní vrstvou z nitridu titanu (TiN).Coating press or forming tools of steel, at least working surfaces of which have a protective nanocomposite titanium, boron and carbon (TiBC) layer in combination with titanium diboride (TiB 2) and titanium nitride (TiN). To ensure good adhesion of both (TiBC) and z (TiB.sub.2.n) intermediate layers to the steel substrate, a lower titanium nitride layer (TiN) is first applied followed by a medium protective intermediate layer composed of titanium, boron and carbon ( TiBC), wherein a titanium diboride top protective layer (TiB.sub.2) is applied to the intermediate protective interlayer (TiBC) containing boron nitrides and titanium nitrides, and the protective nanocomposite multilayer is terminated with a titanium nitride (TiN) topsheet . The protective nanocomposite multilayer has a thickness of 2 to 4 microns. The thickness of the first titanium nitride (TiN) backsheet applied to the steel substrate does not exceed 0.5 µm. In a preferred embodiment of this embodiment, the intermediate protective layer composed of titanium, boron and carbon (TiBC) regularly alternates with the upper titanium diboride protective layer (TiB 2) so that several of these intermediate layers are arranged one above the other. The protective nanocomposite multi-layer is always topped with a titanium nitride (TiN) top layer.

Description

Povlakované lisovací nebo tvářecí nástrojeCoated punching or forming tools

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká ocelových lisovacích nebo tvářecích nástrojů, jejichž povrch je opatřen povlakem pro zvýšení životnosti a také jejich kvality.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to steel punching or forming tools whose surface is coated to increase durability as well as their quality.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době existuje velký zájem o zvýšení životnosti různých druhů nástrojů, mezi které patří např. lisovací nástroje. Pro výrobu různých strojních dílů nebo hotových výrobků se používají různé tvářecí či lisovací nástroje. Tento proces je velmi náročný na samotný lisovací nebo tvářecí nástroj a z tohoto důvodu jsou jako základní materiály pro tyto nástroje používány dražší druhy ocelí s vyššími užitnými vlastnostmi. Výroba samotného nástroje je také často velice nákladná^ a proto výrobci v posledních letech hledají další technologie pro prodloužení životnosti lisovacích či tvářecích nástrojů za účelem úspory výrobních nákladů.At present, there is a great interest in increasing the life of various types of tools, such as stamping tools. Various forming or pressing tools are used to produce various machine parts or finished products. This process is very demanding on the pressing or forming tool itself, and therefore more expensive grades of steel with higher performance properties are used as the basic materials for these tools. The production of the tool itself is also often very expensive, and therefore manufacturers have been looking for other technologies to extend the life of the dies in recent years in order to save production costs.

Lisovací nebo tvářecí proces se provádí za studená anebo za tepla, a to ve více stupních podle technologického postupu. V celém technologickém procesu jsou použité lisovací nástroje silně mechanicky namáhány. Zvýšení životnosti lisovacích nástrojů lze dosáhnout pomocí depozice tenkých vrstev vytvářených plazmatickými metodami. V tomto případě se jedná především o zvýšení tvrdosti a snížení koeficientu tření.The pressing or forming process is carried out cold or hot, in several stages according to the technological process. Throughout the technological process, the pressing tools used are subject to a high mechanical stress. Increase in tool life can be achieved by thin film deposition created by plasma methods. In this case, it is mainly an increase in hardness and a reduction in the coefficient of friction.

V současnosti existuje mnoho publikovaných informací týkajících se povlakování lisovacích nebo tvářecích nástrojů tenkými tvrdými vrstvami s cílem zlepšení jejich užitných vlastností. Realizují se různé typy nitridových, oxidických nebo karbidických povlaků, příkladně na bázi karbidu wolframu, které jsou charakterizovány dobrou tvrdostí, což zaručuje velkou odolnost nástrojů proti opotřebení.At present, there is a great deal of published information on the coating of stamping or forming tools with thin hard layers to improve their performance. Various types of nitride, oxide or carbide coatings are made, for example based on tungsten carbide, which are characterized by good hardness, which guarantees high wear resistance of the tools.

Ochranné povlaky proti opotřebení povrchu nástrojů mají velké využití v průmyslu v mnoha oblastech₍jako je například lisování nebo tváření. Opotřebení povrchu těchto nástrojů nejen snižuje životnost nástrojů samotných, ale může také vést k zhoršení kvality výlisku. Při styku lisovacího nástroje s obrobkem dochází ke značnému mechanickému namáhání. Opotřebené nástroje jsou podle stavu opotřebení znovu repasovány nebo vyhozeny. Ke zvyšování životnosti lisovacích nástrojů jsou používány různé technologické postupy, přičemž v posledních letech nej rozšířenější je vytváření tenkých vrstev pomocí metody CVD, což je obchodní zkratka pro Chemical Vapour Deposition. Rovněž je známa metoda označená PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) nebo PVD (Physical Vapour Deposition). Tyto metody kladou specifické požadavky na vlastnosti tenkých vrstev vytvářených plazmatickými technologiemi na povrchu nástrojů. Ve všech těchto případech by měly být povlaky charakterizovány vysokou tvrdostí a hladkým povrchem s nízkým koeficientem tření.Tool surface wear coatings are widely used in industry in many areas ₍ such as stamping or molding. Wear on these tools not only reduces tool life but also can lead to deterioration in molding quality. Worn tools are reconditioned or discarded depending on the state of wear, and various technological processes have been used to increase the life of the dies, and in recent years, the most widespread is the formation of thin films using the CVD method, which stands for Chemical Vapor Deposition. known method called PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) or PVD (Physical Vapor Deposition) These methods impose specific requirements on the properties of thin films produced by plasma In all these cases, coatings should be characterized by a high hardness and a smooth surface with a low coefficient of friction.

í ií i

liif

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Jednou z možných cest pro řešení výše uvedených problémů u lisovacích nebo tvářecích nástrojů z kalené oceli je použití tenkých ochranných multivrstev na bázi titanu, bóru a uhlíku, to je zkráceně TiBGv kombinaci s diboridem titanu T1B2. K zajištění dobré adheze uvedených obou vrstev T1BC/TÍB2 k ocelovému substrátu je jako první nanesena spodní vrstva nitridu titanu ΊΪΝ. V tomto případě je většina nežádoucích zbytkových pnutí takto konstruované multivrstvy vyloučena v důsledku lokální deformace materiálu měkčí první spodní vrstvy z TiN. Ochranná multivrstva tvořená ve směru od ocelového substrátu TiN, TiBC a T1B2 je shora opět zakončena horní vrstvou nitridu titanu TiN. Takže mezi první spodní vrstvou z TiN a horní vrstvou rovněž z TiN se nachází střední ochranná mezivrstva na bázi titanu, bóru a uhlíku TiBC, na níž je nanesena vrchní ochranná mezivrstva diboridu titanu T1B2.One possible way to solve the above problems with hardened steel punching or forming tools is to use thin protective multilayers based on titanium, boron and carbon, i.e. TiBG in combination with titanium diboride T1B2. To ensure good adhesion of the two T1BC / TiB2 layers to the steel substrate, a titanium nitride backing layer ΊΪΝ is first applied. In this case, most of the undesirable residual stresses of the multilayers so constructed are eliminated due to local deformation of the softer first TiN backing material. The protective multilayer formed upstream of the steel substrate TiN, TiBC and T1B2 is again topped with a top layer of titanium nitride TiN. Thus, between the first TiN backsheet and the TiN backsheet, there is an intermediate titanium, boron and TiBC based intermediate intermediate layer on which the top titanium diboride T1B2 intermediate intermediate layer is applied.

Podle navrhovaného řešení je výhodné, když v další fázi úpravy nástroje jsou střídavě deponovány ochranné mezivrstvy TiBC a T1B2 s cílem zvýšení tvrdosti a snížení vnitřních pnutí v takto vytvořené multivrstvě. Potom tedy střední ochranná mezivrstva složená z titanu, bóru a uhlíku je tvořena několika vrstvami umístěnými nad sebou a také následná vrchní ochranná mezivrstva diboridu titanu je tvořena několika umístěnými vrstvami nad sebou, přičemž střední ochranné mezivrstvy z titanu, bóru a uhlíku se pravidelně střídají s vrchními ochrannými mezivrstvami z diboridu titanu. Ochranná nanokompozitní multivrstva je vždy zakončena horní vrstvou tvořenou z nitridu titanu. Na základě provedených studií životnosti nástrojů bylo zjištěno, že k dosažení požadovaného cíle je nutné vytvořit systém ochranných mezivrstev z TÍBC/T1B2 v počtu vyšším než dvacet.According to the proposed solution, it is advantageous that the TiBC and T1B2 protective interlayers are alternately deposited in the next stage of the tool treatment in order to increase the hardness and reduce the internal stresses in the multilayer thus formed. Thus, the intermediate protective interlayer consisting of titanium, boron and carbon is composed of several superimposed layers, and also the subsequent upper protective interlayer of titanium diboride is composed of several superimposed layers, the intermediate protective interlayers of titanium, boron and carbon alternating regularly with the upper protective titanium diboride interlayers. The protective nanocomposite multilayer is always topped with an upper layer made of titanium nitride. Based on the tool life studies carried out, it was found that to achieve the desired goal, a system of protective interlayers of TBC / T1B2 of more than twenty had to be created.

Takto vytvořený systém jednotlivých nanesených vrstev zajišťuje silné a trvalé spojení mezi ochrannou multivrstvou a ocelovým povrchem nástroje. Ochranná multivrstva vykazuje tloušťku 2 až 4 pm, zatímco tloušťka první spodní vrstvy z TiN nepřesahuje 0,5 pm. Ochrannou multivrstvu tvoří první spodní vrstva z TiN, střední_?ochranná mezivrstva z TiBC, vrchní ochranná mezivrstva z T1B2 a konečná horní vrstva z NťF. Střední ochranná mezivrstva, resp. střední ochranné mezivrstvy složené z titanu, bóru a uhlíku/a vrchní ochranná mezivrstva,resp. vrchní ochranné mezivrstvy z diboridu titanu/vykazují tvrdost kolem 45 GPa. Tloušťka konečné horní vrstvy z TiN vykazuje tloušťku 0,5 pm.The system of individual coatings thus formed ensures a strong and durable connection between the protective multilayer and the steel surface of the tool. The protective multilayer has a thickness of 2 to 4 µm, while the thickness of the first TiN backing layer does not exceed 0.5 µm. The protective multilayer consists of the first TiN bottom layer, medium _? TiBC protective interlayer, T1B2 top protective interlayer, and final NfF top layer. Medium protective interlayer, resp. medium protective interlayers composed of titanium, boron and carbon / and a top protective interlayer, respectively. the upper protective interlayers of titanium diboride / have a hardness of about 45 GPa. The thickness of the final TiN top layer was 0.5 µm.

Přehled obrázku na výkreseOverview of the figure in the drawing

Schematicky a názorně je na připojeném obrázku ukázána konstrukce ochranné nanokompozitní multivrstvy nanesené na povrch ocelového lisovacího nástroje, přičemž ve směru od ocelového substrátu je vytvořena nejprve první spodní vrstva z nitridu titany na kterou navazuje střední ochranná mezivrstva složená z titanu, bóru a uhlíky na níz je nanesena vrchní ochranná mezivrstva z diboridu titanu a následně je ochranná multivrstva zakončena horní vrstvou z nitridu titanu.The construction of a protective nanocomposite multilayer applied to the surface of a steel stamping tool is shown schematically and illustratively in the attached figure. First, a first lower titanium nitride layer is formed in the direction away from the steel substrate, followed by a medium protective intermediate layer composed of titanium, boron and carbons. the top protective intermediate layer of titanium diboride is applied and the protective multilayer is then topped with an upper layer of titanium nitride.

Příklady provedení vynálezu í *DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Podle obrázku je na povrchu lisovacího nástroje nanesena ochranná nanokompozitní multivrstva složená z několika vrstev tvořených postupně ve směru od ocelového substrátu. První spodní vrstva je tvořena nitridem titanu TiN, na níž je nanesena střední ochranná mezivrstva TiBC, složená z titanu, bóru a uhlíku, která obsahuje nitridy bóru a nitridy titanu/ a následně vrchní ochranná mezivrstva diboridu titanu T1B2. Ve výhodném provedení tohoto technického řešení jsou střední ochranná mezivrstva TiBC a vrchní ochranná mezivrstva T1B2 uspořádány vzájemně střídavě a toto vzájemné střídání obou mezivrstev se několikrát opakuje, příkladně alespoň dvacetkrát. Takto konstruovaná ochranná multivrstva je nakonec zakončena horní vrstvou vytvořenou opět z nitridu titanu TiN. Tato horní vrstva nitridu titanu má tloušťku 0,5 pm. Tloušťka první spodní vrstvy z TiN nanesená na ocelový substrát nepřesahuje 0,5 pm.According to the figure, a protective nanocomposite multilayer composed of several layers formed sequentially away from the steel substrate is deposited on the die surface. The first backsheet consists of titanium nitride TiN, on which a middle protective intermediate layer of TiBC, composed of titanium, boron and carbon, is deposited, containing boron nitrides and titanium nitrides / followed by a top protective titanium diboride intermediate layer T1B2. In a preferred embodiment of the present invention, the intermediate protective intermediate layer TiBC and the upper protective intermediate layer T1B2 are arranged alternately with each other and this interconnection of the two intermediate layers is repeated several times, for example at least twenty times. The protective multilayer constructed in this way is finally terminated with an upper layer again made of titanium nitride TiN. This top layer of titanium nitride has a thickness of 0.5 µm. The thickness of the first TiN backing applied to the steel substrate does not exceed 0.5 µm.

Tloušťka celé ochranné nanokompozitní multivrstvy se pohybuje v rozmezí 2 až 4 pm a je vždy zakončena horní vrstvou tvořenou nitridem titanu.The thickness of the entire protective nanocomposite multilayer is in the range of 2 to 4 µm and is always terminated with an upper layer of titanium nitride.

Ochranná nanokompozitní multivrstva je nanášena postupně a kjejímu vytvoření je využita technologie PA CVD (plasma assisted chemical vapour deposition). V komoře zařízení jsou pomocí plazmy při teplotě ~ 500 °C rozkládány plyny: titanium tetrachlorid (T1CI4 - zdroj Ti), chlorid boritý (BCI3 - zdroj B), metan (CH4 - zdroj C) a dusík. Zlepšení adheze střední ochranné mezivrstvy z TiBC a následně vrchní ochranné mezivrstvy z T1B2 na kovový substrát je dosaženo za použití první spodní vrstvy z nitridu titanu TiN, která je nanesena na ocelový substrát jako první a jejíž tloušťka nepřesahuje 0,5 pm. V další fázi jsou střídavě deponovány ochranné mezivrstvy TiBC a T1B2 a to v počtu vyšším než 20 opakování pro dosažení potřebné tvrdosti a snížení vnitřních pnutí. Nakonec je nanesena horní vrstva z TiN, zakončující ochrannou multivrstvu.The protective nanocomposite multilayer is applied gradually and its creation uses PA CVD (plasma assisted chemical vapor deposition) technology. In the chamber of the device, gases are decomposed by means of plasma at a temperature of ~ 500 ° C: titanium tetrachloride (T1Cl4 - source Ti), boron trichloride (BCI3 - source B), methane (CH4 - source C) and nitrogen. Improvement of the adhesion of the intermediate TiBC intermediate layer and subsequently of the T1B2 top intermediate layer to the metal substrate is achieved by using the first TiN nitride backing layer which is first applied to the steel substrate and whose thickness does not exceed 0.5 µm. In the next phase, the protective interlayers TiBC and T1B2 are deposited alternately in the number of more than 20 repetitions to achieve the required hardness and reduce internal stresses. Finally, a top layer of TiN is applied, terminating the protective multilayer.

Zařízení pro nanášení jednotlivých vrstev ochranné nanokompozitní multivrstvy využívá pulzní technologie DC-PECVD, kde hlavním zdrojem plazmy je DC pulzní výboj (impulsy stejnosměrného proudu). Použití tohoto depozičního systému umožňuje realizovat vytváření ochranné nanokompozitní multivrstvy bez nutnosti přerušení procesu a otevírání reakční komory. Široký rozsah parametrů plazmového generátoru, možnost řízení teploty a tlaku v kombinaci s přesným systémem dávkování plynu umožňují plnou kontrolu během procesu tvorby jednotlivých vrstev, což dává možnost ovlivnit chemické složení a vlastnosti deponovaných vrstev nanášených na povrch ocelového substrátu lisovacího nástroje.The device for application of individual layers of protective nanocomposite multilayers uses the pulse technology DC-PECVD, where the main source of plasma is DC pulse discharge (DC pulses). The use of this deposition system makes it possible to realize the formation of a protective nanocomposite multilayer without having to interrupt the process and open the reaction chamber. The wide range of plasma generator parameters, the ability to control temperature and pressure in combination with a precise gas metering system allow full control during the single layer formation process, giving the possibility to influence the chemical composition and properties of deposited layers deposited on the steel substrate surface of the die.

Realizací depozice tenkých vrstev TÍN/TÍBC/TÍB2/TÍN na povrch lisovacího nástroje podle vynálezu bylo prokázáno, že koeficient tření pro třecí dvojici tvořenou ocelí a vzorkem z kalené oceli opatřeným vrchní ochrannou nanokompozitní multivrstvou nepřesahuje hodnotu 0,6 (na leštěném vzorku). Bylo dokázáno, že povlak tvořený z ochranných mezivrstev T1BC/TÍB2 je charakterizován tvrdostí 45 GPa, Youngův modul pružnostijTŘO GPa. Nástroje opatřené těmito uváděnými vrstvami a mezivrstvami byly úspěšně vyzkoušeny v průmyslových aplikacích, kde výrazně zvýšily životnost a užitné vlastnosti lisovacích či tvářecích nástrojů.By realizing the deposition of TIN / TIB / TIB2 / TIN thin films on the press tool surface according to the invention, it has been shown that the friction coefficient for the friction pair consisting of steel and hardened steel sample provided with a top protective nanocomposite multilayer does not exceed 0.6 (on polished sample). It has been shown that the coating formed from the T1BC / TiB2 protective interlayers is characterized by a hardness of 45 GPa, Young's modulus of elasticity (GPa). The tools provided with these layers and interlayers have been successfully tested in industrial applications where they significantly increased the service life and performance of dies.

Claims (6)

1. Povlakované lisovací nebo tvářecí nástroje z oceli, vyznačující se tím, že alespoň jejich?pracovní plochy jsou opatřeny ochrannou nanokompozitní multivrstvou složenou z několika vrstev tvořených postupně ve směru od substrátu z kalené oceli první spodní vrstvou z nitridu titanu (TiN)₍ na níž navazuje střední ochranná mezivrstva vytvořená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC), obsahující rovněž nitridy bóru a nitridy titanu, přičemž na střední ochrannou mezivrstvu (TiBC) je nanesena vrchní ochranná mezivrstva diboridu titanu (TÍB2) a ochranná nanokompozitní multivrstva je zakončena horní vrstvou z nitridu titanu (TiN).Coated punching or forming tools of steel, characterized in that at least their working surfaces are provided with a protective nanocomposite multilayer composed of several layers formed successively downstream of the hardened steel substrate by the first titanium nitride (TiN) backing ₍ on which a middle protective intermediate layer made of titanium, boron and carbon (TiBC), also containing boron nitrides and titanium nitrides, the upper protective intermediate layer (TiBC) being coated with a top protective intermediate layer of titanium diboride (TiB2) and a protective nanocomposite multilayer topped with a top layer of titanium nitride (TiN). 2. Povlakované lisovací nebo tvářecí nástroji z oceli podle nároku 1, vyznačující se tím, že první spodní vrstva z nitridu titanu (TiN) vykazuje tloušťku nepřesahující 0,5 pm.Coated steel punching or forming tools according to Claim 1, characterized in that the first titanium nitride (TiN) backing layer has a thickness not exceeding 0.5 µm. 3. Povlakované lisovací nebo tvářecí nástroje z oceli podle nároku 1, vyznačující se tím, že zakončující horní vrstva z nitridu titanu (TiN) vykazuje tloušťku 0,5 pm.Coated steel punching or forming tools according to claim 1, characterized in that the terminating top layer of titanium nitride (TiN) has a thickness of 0.5 µm. 4. Povlakované lisovací nebo tvářecí nástroj^ z oceli podle nároku 1, vyznačující se tím, že střední ochranná mezivrstva složená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC) je tvořena několika vrstvami umístěnými nad sebou₍mezi kterými jsou pravidelně umístěny jednotlivé vrchní ochranné mezivrstvy diboridu titanu (T1B2), přičemž ochranná nanokompozitní multivrstva je vždy zakončena horní vrstvou z nitridu titanu (TiN), která je umístěna na poslední vrchní ochranné mezivrstvě diboridu titanu (TiB₂).Coated steel punching or forming tool according to claim 1, characterized in that the intermediate protective interlayer composed of titanium, boron and carbon (TiBC) is composed of several layers placed one above the other ₍ between which the individual top protective interlayers of diboride are regularly placed) titanium (T1B2), the protective nanocomposite multilayer is always topped with a top layer of titanium nitride (TiN), which is located on the last top protective intermediate layer of titanium diboride (TiB ₂ ). 5. Povlakované lisovací nebo tvářecí nástroji z oceli podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochranná nanokompozitní multivrstva vykazuje tloušťku 2 až 4 pm.Coated steel punching or forming tools according to claim 1, characterized in that the protective nanocomposite multilayer has a thickness of 2 to 4 µm. 6. Povlakovaný lisovací nebo tvářecí nástroji z oceli podle nároku 1, vyznačující se tím, že střední ochranná mezivrstva složená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC), vrchní ochranná mezivrstva diboridu titanu (T1B2) a zakončující horní vrstva nitridu titanu (TiN) vykazují tvrdost kolem 42 GPa.Coated steel punching or forming tools according to claim 1, characterized in that the intermediate protective intermediate layer composed of titanium, boron and carbon (TiBC), the upper protective intermediate layer of titanium diboride (T1B2) and the finishing layer of titanium nitride (TiN) have hardness around 42 GPa.