DE102012017694A1 - Mo-haltige Beschichtungen auf Werkzeugen für das direkte Presshärten - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart beschichtetes Presshärte-Formwerkzeug mit erhöhtem abrasiven und adhäsiven Verschleissschutz sowie Oxidationsbeständigkeit, wodurch eine längere Werkzeuglebensdauer und somit eine bessere Prozessproduktivität beim direkten Presshärten realisiert werden. Dies wird durch ein Presshärte-Formwerkzeug mit einem auf dem Substrat aufgebrachten Schichtsystem erreicht, welches ein oder mehrere Schichtpakete enthält, in welchem mit zunehmendem Abstand vom Substrat eine hochtemperaturaktive Schmierschicht auf eine hochtemperaturstabilisierten Schicht (HT-Schicht) folgt.

Description

  • Die stetig steigenden Anforderungen im modernen Automobilbau hinsichtlich Leichtbau und Fahrzeugsicherheit können mit neuen Fertigungstechnologien, wie z. B. dem direkten Presshärten, erfüllt werden. Beim direkten Presshärten wird ein höchstfester Bor-Mangan-Stahl (22MnB5) in einem Prozessschritt warm umgeformt und gleichzeitig im Werkzeug gehärtet, wodurch eine Festigkeitssteigerung auf bis zu 1500 MPa ermöglicht wird. Infolge der hohen Prozesstemperaturen und der beachtlichen Relativbewegung beim Umformen resultieren jedoch für das Werkzeug sehr hohe thermische und mechanische Belastungen. Die Folgen sind erhöhter Werkzeugverschleiß, geringere Werkzeugstandzeiten und somit höhere Kosten für die Nacharbeit der Werkzeugoberflächen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Schichtungssystems, das den Werkzeugverschleiß signifikant reduziert und somit die Werkzeugstandzeit deutlich erhöht.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren werden zur Herstellung von Karosseriekomponenten für Automobile mehr und mehr Bleche aus höchstfestem Bor-Mangan-Stahl (22MnB5) verwendet, um den aktuellen Anforderungen hinsichtlich Leichtbau, Fahrzeugsicherheit sowie CO2-Ausstoss (Umweltproblematik) gerecht zu werden. Diese höchstfesten Bor-Mangan-Stähle können mittels direktem Presshärten in einem Prozessschritt bei hohen Temperaturen von ca. 800°C warm umgeformt und gleichzeitig im Werkzeug gehärtet werden. Es resultiert somit ein fertiges Bauteil (z. B. die B-Säule eines Fahrzeugs), das folgende Eigenschaften aufweist: i) Reduziertes Gewicht gegenüber konventionellen Stählen, ii) hohe Maßhaltigkeit durch Reduktion des Bauteilverzugs und iii) Festigkeitssteigerung (Martensitbildung) bis zu 1500 MPa. Das direkte Presshärten umfasst die Schritte i) Tempern bei ca. 900°C (austenitischer Bereich), ii) Transfer des Blechs in die Presse und iii) Formen und Härten des Bauteils durch das auf Raumtemperatur gehaltene Formwerkzeug. Am Ende des Abpressens wird die Presse geschlossen gehalten bis die ganze Stahlplatte ausreichend abgeschreckt ist (Senuma, T.: ISIJ Int. 41, 520 (2001)).
  • Da im Allgemeinen die Formbarkeit von hochfesten Stahlblechen bei Raumtemperatur schwierig ist, wird das Stahlblech, wie bereits oben beschrieben, bei Temperaturen von ca. 800°C verarbeitet. Um jedoch die Verzunderung der Stahloberfläche bei hohen Temperaturen zu verhindern, werden heutzutage unterschiedliche Stahlbeschichtungen (Zn, AlZn, AlSi) verwendet. Insbesondere in Europa wurde ein aluminisiertes Stahlblech als Produkt mit dem Namen USIBOR® 1500 (AlSi-beschichtet, ArcelorMittal) für diese Anwendung entwickelt. Diese hat hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Prozessschmierung, Oxidationsschutz sowie hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit im anschliessenden Einsatz im Automobil.
  • Trotz der sehr vielversprechenden Eigenschaften AlSi-beschichteter Stahlbleche gibt es signifikante Probleme hinsichtlich Adhäsiv-Verschleiss der Werkzeugoberflächen: Die „weiche” AlSi-Beschichtung der Stahlbleche weist bei Temperaturen um die 800°C eine sehr stark Neigung auf, an der Werkzeugoberfläche der Presse haften zu bleiben. Dieser adhesive Verschleiss mit erheblichem Materialübertrag wird häufig auch als „Galling” bezeichnet. Nach mehreren aufeinanderfolgenden Abpresszyklen kann das anhaftende Material zu Kratzern und Rissen auf dem zu formenden Produkt führen und die Neigung zu Abrasiv-Verschleiss des Werkzeugs in Folge von Ausbrüchen des anhaftenden Materials wird stark erhöht. Die Folge ist, dass der Betrieb in regelmässigen Abständen angehalten werden muss, um die Anhaltungen auf der Werkzeugoberfläche zeitaufwendig zu entfernen.
  • Ein Konzept, um die aktuelle Leistungsfähigkeit des industriellen Presshärtens in Kombination mit AlSi-beschichteten Stahlblechen zu verbessern, besteht darin, PVD-Beschichtungen mit niedriger Reibung und hohem Verschleissschutz auf das Formwerkzeug aufzubringen. In der Literatur (Clarysee, F. et al.: Wear 264 (2008) 400–404) sind grundsätzlich zwei unterschiedliche Typen von PVD-Beschichtungen bekannt: Nitridbasierte Beschichtungen (z. B. CrN und TiAlN) und feste Schmiermittel, wie Kohlenstoff oder MoS2 basierte Schichten (z. B. diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) und Metall-MoS2 Verbunde).
  • Ausserdem untersuchten Clarysse et al. (Clarysse, F. et al.: Wear 264 (2008) 400–404) das Verschleissverhalten (Galling) verschiedener Schichtsysteme in speziell dafür ausgelegt Tests. Sie haben beobachtet, dass Verbundschichten aus Kohlenstoffbasis (DLC-Typ und WC/C) ein herausragendes Verhalten hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegenüber Galling zeigen. Sie empfahlen demgemäss die Verwendung dieser Art von Werkzeugbeschichtung anstatt der typischen Hartstoffschichten wie CrN, TiN, CrN/TiCrN.
  • Ein anderes bekanntes Konzept, um die Eigenschaften von Formwerkzeugen für das Presshärten zu verbessern und damit die Oberflächenqualität der dadurch hergestellten Komponenten, besteht darin, die Formwerkzeuge zu nitrieren oder zu karbonitrieren, sowie andere Oberflächenbehandlungen an den Formwerkzeugen vorzunehmen, wie Plasmabehandlungen, Mikrostrukturierung usw.
  • Allerdings führen die besseren Eigenschaften des Formwerkzeuges, welche durch Anwendung der oben genannten Konzepte erreicht werden, nicht zu einer ausreichenden Verbesserung der Prozessqualität des Formprozesses von beschichteten hochfesten Stahlblechen. Speziell wenn AlSi-beschichtete hochfeste Stahlbleche wie USIBOR® 1500 verwendet wurden, konnte das Galling-Phänomen nicht zufriedenstellend reduziert werden und bleibt weiterhin ein zentrales Problem des direkten Presshärtens.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe eine Beschichtung für Formwerkzeuge zur Verfügung zu stellen, die in zufriedenstellender Weise die Lebensdauer und das Verschleissverhalten des Werkzeuges verbessert. Die Beschichtung sollte genügend abrasiven Verschleissschutz, genügend adhäsiven Verschleissschutz, genügend Haftung und genügend Temperaturstabilität (Phasenstabilität und Oxidation) bieten. Grundsätzlich sollte die Beschichtung den Schutz gegen Galling, wie es typischerweise bei AlSi-beschichteten Stahlblechen beim Presshärten beobachtet wird, im Vergleich zu Beschichtungen, die derzeit genutzt werden (TiAlN und AlCrN), verbessern.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass auf das Werkzeug ein Schichtsystem aufgebracht wird, welches ein oder mehrere Schichtpakete enthält in welchem mit zunehmendem Abstand vom Substrat eine hochtemperaturaktive Schmierschicht auf eine hochtemperaturstabilisierte Schicht (HT-Schicht) folgt. In Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „Schmierschicht” als hochtemperaturaktive Schmierschicht verstanden werden. Vorzugsweise sind mehrere solcher Schichtpakete aufeinanderfolgend als Wechselschichtsystem realisiert. Die Anzahl der Schichtpakete sowie die jeweilige Schichtdicke kann entsprechend dem vorherrschenden Hochtemperatur-Tribokontakt und der daraus resultierenden mechanische und chemischen Beanspruchung des Werkzeugs eingestellt werden. Die Bandbreite kann sich somit vom Bi-Layer, über Multilayer bis hin zum nano-laminierten/strukturierten Multilayer erstrecken.
  • Vorzugsweise werden die Schmierschichten der Schichtpakete auf der Basis der HT-Schichten realisiert, indem die in der HT-Schicht vorkommenden metallischen Bestandteile teilweise durch ein (oder mehrere) die Schmiereigenschaften der Schicht fördernde(s) Element(e) ersetzt wird (werden).
  • Konkret kann die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe beispielsweise durch ein Wechselschichtsystem aus molybdänreichen und molybdänarmen Schichten erreicht werden. Die molybdänarmen Schichten im Wechselschichtsystem bilden die HT-Schichten und haben beispielsweise eine Zusammensetzung entsprechend (Me1, Me2, Moa)N. Die molybdänreichen Schichten bilden die Schmierschichten und haben eine Zusammensetzung entsprechend (Me3, Me4, Mob)N. Hierbei geben a und b den metallischen Anteil in at.% an und es gilt 0 ≤ a < b < 1 und Me1, Me2, Me3 und Me4 sind Elemente aus der Gruppe gebildet durch Al, Cr und Ti und es gilt vorzugsweise: Me1 = Me3 und/oder Me2 = Me4
  • Vorzugsweise liegt die maximale Molybdänkonzentration in den molybdänreichen Schichten bei mindestens 5 at.%, besonders bevorzugt mindestens über 10 at.% über der minimalen Molybdänkonzentration der benachbarten molybdänarmen Schichten.
  • Die molybdänreichen Schichten des Wechselschichtsystems können beispielsweise sowohl mittels PVD-Verfahren unter Verwendung von Einzelkomponenten Materialquellen (Targets) als auch mittels PVD-Verfahren unter Verwendung von Mehrkomponenten Materialquellen abgeschieden werden.
  • Die molybdänreichen Schichten des Wechselschichtsystems können, um die Schmierung weiter zu verbessern, ein oder mehrere weitere Elemente aus der Gruppe gebildet durch C, O, Si, V, W, Zr, Cu, und Ag enthalten.
  • Die molybdänarmen Schichten des Wechselschichtsystems können, um die Hochtemperaturstabilität weiter zu verbessern, z. B. durch Verbesserung der mechanischen und chemischen Eigenschaften, ein oder mehrere weitere Elemente und deren Mischungen aus der Gruppe gebildet durch Si, W, Zr und B enthalten.
  • Vorzugsweise beträgt die Gesamtschichtdicke zwischen 4 und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 6 und 8 μm.
  • Die Erfinder haben Grund zur Annahme, dass die bei den hohen Temperaturen (ca. 800°C) stattfindende Schichtoxidation Molybdän freisetzt, das anschliessend teilweise zu sogenannten Magneli Phasen reagiert. Es ist bekannt, dass solche Magneli Phasen exzellente Schmiereigenschaften (Festkörperschmierung) haben. Indiz dafür ist auch der vorteilhafte Einfluss des Kupfers der wohl als Katalysator die Oxidation erleichtert und somit die HT-Schmierung optimiert.
  • Dementsprechend sind neben den hier beschriebenen molybdänhaltigen Schmierschichten generell solche Schichten als Schmierschichten geeignet, welche Magneli Phasen bilden. Diese so genannten „Scherstrukturen” werden beispielsweise durch Oxide von Vanadium, Wolfram, Titan oder auch Molybdän gebildet. Sie zeichnen sich durch kristallographische Scherebenen/Gleitebenen mit niedriger Scherfestigkeit/Schubspannung aus.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen im Detail und beispielhaft erläutert.
  • Gemäss einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird auf ein Presshärte-Formwerkzeug eine 2 μm dicke (Ti0.5Al0.5)N Schicht aufgebracht. Anschliessend folgen 4 Schichtpakete, wobei jedes Schichtpaket eine 0.5 μm dicke (Ti0.3Al0.3Mo0.4)N enthält auf die eine 0.5 μm dicke (Ti0.5Al0.5)N Schicht folgt. Das Schichtsystem wird durch eine 0.5 μm dicke (Ti0.3Al0.3Mo0.4)N abgeschlossen.
  • In einer leicht abgewandelten Variante des ersten Beispiels können die (Ti0.3Al0.3Mo0.4)N Schichten ihrerseits als Nanolagen ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Materialien der Schichten im Rahmen eines PVD-Verfahrens von getrennten Materialquellen (Targets) abschieden werden. Beispielsweise kann in der Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage ein TiAl Target neben einem Mo-Target angeordnet sein, wobei während der Beschichtung die zu beschichtenden Substrate in der Vakuumkammer auf einem sogenannten Karussell montiert an den Targets vorbeirotiert werden. Soll eine HT-Schicht abgeschieden werden, so wird das Mo-Target nicht in Betrieb genommen und lediglich vom TiAl-Target wird beschichtet. Soll eine Schmierschicht abgeschieden werden, so wird zusätzlich das Mo-Target in Betrieb genommen.
  • Gemäss einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird auf ein Presshärte-Formwerkzeug eine 2 μm dicke (Ti0.3Al0.7)N Schicht aufgebracht. Anschliessend folgen 4 Schichtpakete, wobei jedes Schichtpaket eine 0.5 μm dicke (Ti0.18Al0.42Mo0.4)N enthält auf die eine 0.5 μm dicke (Ti0.3Al0.7)N-Schicht folgt. Das Schichtsystem wird durch eine 0.5 μm dicke (Ti0.18Al0.42Mo0.4)N abgeschlossen. Auch dieses Schichtsystem kann als Variante in Form einer Nanolagenstruktur verwirklicht werden.
  • Gemäss einem dritten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird auf ein Presshärte-Formwerkzeug eine 2 μm dicke (Al0.65Cr0.25Si0.05)N Schicht aufgebracht wobei Si optional auch weggelassen werden kann. Anschliessend folgen 4 Schichtpakete, wobei jedes Schichtpaket eine 0.5 μm dicke (Al0.42Cr0.18Mo0.35Cu0.05)N enthält auf die eine 0.5 μm dicke (Al0.7Cr0.3)N Schicht folgt. Das Schichtsystem wird durch eine 0.5 μm dicke (Al0.42Cr0.18Mo0.35Cu0.05)N abgeschlossen. Die Mo-enthaltenden Schichten sind wiederum im Beispiel als Nanolagen verwirklicht.
  • Tests mit den Schichten entsprechend den Beispielen haben gezeigt, dass die entsprechend beschichteten Formwerkzeuge deutlich verbesserte Eigenschaften gegenüber den nicht beschichteten Werkzeugen oder gegenüber herkömmlich beschichteten Werkzeugen aufweisen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wurde ein Presshärte-Formwerkzeug mit einem auf dem Substrat aufgebrachten Schichtsystem offenbart, welches ein oder mehrere Schichtpakete enthält in welchem mit zunehmendem Abstand vom Substrat eine Schmierschicht auf eine hochtemperaturstabilisierten Schicht (HT-Schicht) folgt.
  • Eine oder mehrere der Schmierschichten können eine Magneli Phase enthalten. Eine oder mehrere der Schmierschichten können eine Molybdänkonzentration enthalten, welche über der Molybdänkonzentration in der HT-Schichten liegt.
  • Das Grundmaterial, aus dem die Schmierschichten aufgebaut sind, kann im Wesentlichen dem Grundmaterial, aus dem die HT-Schicht aufgebaut ist, entsprechen.
  • Eine oder mehrere der Schmierschichten können zur zusätzlichen Verbesserung der Schmiereigenschaften eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe gebildet durch C, O, Si, V, W, Zr, Cu, und Ag enthalten.
  • Eine oder mehrere der HT-Schichten können zur Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften ein oder mehrere weitere Elemente und deren Mischungen aus der Gruppe gebildet durch Si, W, Zr und B enthalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Senuma, T.: ISIJ Int. 41, 520 (2001) [0002]
    • Clarysee, F. et al.: Wear 264 (2008) 400–404 [0005]
    • Clarysse, F. et al.: Wear 264 (2008) 400–404 [0006]

Claims (8)

  1. Presshärte-Formwerkzeug mit einem auf dem Substrat aufgebrachten Schichtsystem, welches ein oder mehrere Schichtpakete enthält, in welchem mit zunehmendem Abstand vom Substrat eine Schmierschicht auf eine hochtemperaturstabilisierten Schicht (HT-Schicht) folgt.
  2. Presshärte-Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierschicht eine Magneli Phase enthält.
  3. Presshärte-Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierschicht eine Molybdänkonzentration enthält, welche über der Molybdänkonzentration in der HT-Schicht liegt.
  4. Presshärte-Formwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die HT-Schicht eine Zusammensetzung entsprechend (Me1, Me2, Moa)N hat und die Schmierschicht eine Zusammensetzung entsprechend (Me3, Me4, Mob)N hat, wobei a und b den metallischen Anteil in at.% angibt und 0 ≤ a < b < 1 gilt und wobei Me1, Me2, Me3 und Me4 Elemente aus der Gruppe gebildet durch Al, Cr und Ti sind und vorzugsweise gilt: Me1 = Me3 und/oder Me2 = Me4
  5. Presshärte-Formwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Molybdänkonzentration in der Schmierschicht mindestens 5 at.%, bevorzugt mindestens 10 at.% über der minimalen Molybdänkonzentration einer benachbarten HT-Schicht liegt.
  6. Presshärte-Formwerkzeugt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial aus dem die Schmierschicht aufgebaut ist im Wesentlichen dem Grundmaterial aus dem die HT-Schicht aufgebaut ist entspricht.
  7. Presshärte-Formwerkzeugt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierschicht zur zusätzlichen Verbesserung der Schmiereigenschaften eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe gebildet durch C, O, Si, V, W, Zr, Cu, und Ag enthält.
  8. Presshärte-Formwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HT-Schicht zur Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften ein oder mehrere weitere Elemente und deren Mischungen aus der Gruppe gebildet durch Si, W, Zr und B enthält.
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