專利名稱：耐磨涂層金屬板模具及制造耐磨涂層金屬板成型模的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐磨涂層金屬板模具及制造耐磨涂層金屬板成型模 的方法。
背景技術(shù)：
金屬板沖模的典型制造工藝為將工具機(jī)械加工成大致尺寸、將模具
淬火(quench)和回火(temper)處理成最終加工硬度(final working)(全 干硬度(fUll hardness),典型地為55-64 Rc)，然后將模具磨削或者機(jī)械加 工成最終尺寸。由于工具的硬度高，淬火和回火之后的機(jī)械加工和磨削過(guò) 程非常緩慢且成本較高。成本特別高的是需要在把工具放置在銑床 (milling machine)或者平面磨床(surface grinder)上之前使工具的一個(gè)
平面變得平坦的手工操作磨削過(guò)程。在緩和的條件下成品處理的機(jī)械加工 是不可能的，原因在于熱處理過(guò)程中發(fā)生的冶金學(xué)變化(metallurgical transformations)導(dǎo)致工具尺寸的變化。工具經(jīng)淬火和回火處理到高的洛氏 硬度(Rockwell hardness)出于兩點(diǎn)原因。第一，表面硬度靠耐磨性提高 了工具的壽命。第二，使金屬板成型時(shí)，工具橫截面的硬度抵抗了工具的 塑性形變。
需要降低制造金屬板件用的鋼模的制造時(shí)間及成本。
而且還需要?jiǎng)?chuàng)造用于金屬?zèng)_壓操作的廉價(jià)鋼模。
通過(guò)閱讀以下說(shuō)明和權(quán)利要求可以理解本發(fā)明的這些和其它目的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種制造具有頂部構(gòu)件和底部構(gòu)件的金屬板沖模的方法。該方法可以包含
(a) 在足夠的溫度下對(duì)鋼模淬火和回火，以賦予鋼模約35 — 50Rc范 圍的最終硬度以及約1200—2000MPa范圍的抗壓強(qiáng)度；
(b) 機(jī)械加工鋼模以獲得所需的最終尺寸和輪廓表面；
(c) 通過(guò)物理氣相沉積向所述輪廓表面施加至少一層耐磨涂層，以 賦予所述輪廓表面耐磨性。
耐磨涂層可以選自由CrN， AlCrN， TiCrN， TiN， TiCN和TiAlN所 組成的群組，在另一實(shí)施例中，可以由多層交替的TiN-TiCN-TiN層組成。 耐磨涂層最好通過(guò)物理氣相沉積施加，可以通過(guò)選自濺射、反應(yīng)濺射、離 子電鍍和等離子噴涂的技術(shù)施加。多層或單層的涂層在用作多層時(shí)最好具 有約5至約10微米的厚度，在用單一材料作為耐磨層時(shí)最好具有約3至 約8微米的厚度。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明可以涉及一種用于金屬板沖壓操作的具有頂 部構(gòu)件和底部構(gòu)件的模具，其包含至少一個(gè)硬度約為40—45Rc并且抗壓 強(qiáng)度為約500 — 1750MPa范圍的回火和淬火過(guò)的鋼模工具。模具構(gòu)件表面 中的至少一個(gè)表面在淬火和回火之后被機(jī)械加工成所需的最終尺寸表面， 以呈現(xiàn)輪廓表面。輪廓表面可以通過(guò)物理氣相沉積用足夠厚的耐磨涂層涂 覆，以賦予所述輪廓表面耐磨性。較佳地，耐磨涂層是通過(guò)物理氣相沉積 施加的至少一層，并且可以選自CrN， AlCrN， TiCrN， TiN， TiCN和TiAlN。 較佳地，涂層為多層耐磨材料，包含交替的TiN-TiCN-TiN層。涂層可以 通過(guò)選自濺射、反應(yīng)濺射、離子電鍍和等離子噴涂的技術(shù)施加。每層具有 約0.1微米至約5微米的厚度，總的耐磨層具有約5微米至約10微米的厚 度。鋼模在1500MPa時(shí)能抵抗塑性形變。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明為包含頂部構(gòu)件和底部構(gòu)件的鋼模，每個(gè)構(gòu) 件都具有互補(bǔ)的表面。每個(gè)模具構(gòu)件可以承受回火、淬火和機(jī)械加工以形 成輪廓，至少一個(gè)輪廓通過(guò)物理氣相沉積用足夠厚的耐磨材料涂覆，以賦 予所述表面輪廓耐磨性。


圖1為鋼模的側(cè)視圖，顯示頂部構(gòu)件、底部構(gòu)件以及各構(gòu)件中的互補(bǔ) 的表面輪廓。
圖2為鋼模中的一個(gè)構(gòu)件的側(cè)剖視圖，顯示通過(guò)物理氣相沉積 (Physical Vapor Deposition)加在其上的耐磨涂層的輪廓和各層。
圖3為處理過(guò)的鋼模的一部分的顯微照片，顯示氮滲透的深度。
圖4為流程圖，表示制造本發(fā)明的鋼模的一種方法。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參看附圖，附圖中相同的數(shù)字代表相同的結(jié)構(gòu)，具體到圖1,其中 表示了分別具有頂部構(gòu)件12、底部構(gòu)件14、最好有互補(bǔ)的表面輪廓17和 16的鋼模10。鋼模構(gòu)件最好在足夠的溫度下淬火和回火，以使構(gòu)件具有 約40至45Rc范圍的洛氏硬度以及約1500至1750MPa的抗壓強(qiáng)度。最好 在經(jīng)受淬火和回火之后將輪廓裁切成鋼模，因?yàn)?0至45Rc硬度范圍的鋼 仍然可以經(jīng)濟(jì)并容易地機(jī)械加工。
現(xiàn)參照?qǐng)D2，其中表示了模構(gòu)件14的側(cè)剖視圖，表示了沉積在輪廓表 面16上的涂層23。具體說(shuō)，涂層23為可以通過(guò)物理氣相沉積22以單涂 層或以多涂層18和20施加在表面輪廓上、賦予表面輪廓耐磨性的耐磨材 料或一系列耐磨材料。盡管只討論了一個(gè)表面輪廓，但對(duì)所屬技術(shù)領(lǐng)域的 技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，兩個(gè)表面輪廓都可以用公知的耐磨材料進(jìn)行涂覆是顯而易 見(jiàn)的。具體說(shuō)，構(gòu)件14最好由選自由CrN， AlCrN， TiCrN， TiN， TiCN 和TiAlN所組成的群組的多層耐磨材料涂覆在表面輪廓上以賦予表面輪 廓耐磨性。最佳地，表面涂層可以包含多層交替的TiN-TiCN-TiN涂層。 單一涂層施加到足夠的厚度，以形成具有從約3微米到約8微米厚度范圍 的的一層。當(dāng)施加多層時(shí)，總層可以具有約5微米至約IO微米的厚度， 各個(gè)涂層可以具有約0.1微米至約5微米的厚度。涂層最好通過(guò)物理氣相 沉積技術(shù)施加，例如所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的濺射、反應(yīng)濺射、 離子電鍍和等離子噴涂。盡管這里只公開(kāi)了幾種確定的物理氣相沉積技術(shù)，但是應(yīng)該理解，任何物理氣相沉積技術(shù)都可以用于將涂覆層沉積到表 面輪廓上。所選擇的技術(shù)必須賦予涂層對(duì)輪廓表面足夠的附著力以防止模 具在使用過(guò)程中涂層剝落。
圖3為處理過(guò)的鋼模具的一部分的顯微照片，顯示氮滲透到鋼模中的 深度。在施加涂層之前氮化表面有利于保證涂層對(duì)表面的適當(dāng)附著力，以 減少或排除涂層的剝落。氮化穿透基材的表面，在這里基材就是模具，生 成一種比未氮化的鋼模具硬度和剛性都大的外殼。氮化以及之后以物理氣
相沉積層進(jìn)行的表面涂覆通常稱為復(fù)合表面處理(duplex surface treatment)，是用于制作根據(jù)本發(fā)明的工具的較佳實(shí)施方式。可以看到氮 滲透25到約140微米的深度轉(zhuǎn)變回鋼，這樣以來(lái)在約200微米以下就沒(méi) 有能察覺(jué)得到的氮滲透。典型地，氮化了的基材具有深度約為0.1至約0.25 毫米的外殼。
圖4為制造本發(fā)明的鋼模的一種方法24的示意性流程圖。具體說(shuō)， 在步驟26中，從來(lái)源接收至少一個(gè)已經(jīng)淬火和回火至約40到45Rc洛氏 硬度范圍的鋼模。該洛氏硬度范圍的鋼可以容易地就地機(jī)械加工，所以在 步驟28中，將鋼模機(jī)械加工成所需的最終尺寸并形成輪廓表面。步驟29 是將鋼模氮化到足以容許耐磨涂層通過(guò)物理氣相沉積技術(shù)附著的深度。典 型地，如圖3所見(jiàn)，氮穿透鋼表面到達(dá)約200微米的深度。 一旦該步驟完 成，鋼模就可以經(jīng)受步驟30物理氣相沉積技術(shù)，施加足夠厚的耐磨材料 涂層，以抵抗模具使用過(guò)程中的磨損。具體說(shuō)，物理氣相沉積技術(shù)可以是 如上所公開(kāi)的，或者可以是任何其他可以將涂層以足夠的附著力施加到表 面上、以防止模具在使用過(guò)程中涂層剝落的物理氣相沉積技術(shù)。
如此制造的模具可以用于金屬板沖壓操作或任何其他需要使金屬承 受壓力以制成最終成型金屬制品的操作中。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本說(shuō)明書(shū)中使用的詞語(yǔ)為說(shuō)明 性詞語(yǔ)，而非限制性詞語(yǔ)?？梢宰龀龆喾N變化和修改而不脫離權(quán)利要求所 限定的本發(fā)明的范圍和思想。
權(quán)利要求
1.一種制造具有頂部構(gòu)件和底部構(gòu)件的金屬板沖模的方法，包含(a)在足夠的溫度下對(duì)鋼模淬火和回火，以賦予鋼模約35-50Rc范圍的最終硬度以及約1200-2000MPa范圍的抗壓強(qiáng)度；(b)機(jī)械加工鋼模以獲得所需的最終尺寸和輪廓表面；(c)通過(guò)物理氣相沉積向所述輪廓表面施加至少一層耐磨涂層，以賦予所述輪廓表面耐磨性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一層耐磨涂層 選自由CrN, AlCrN， TiCrN， TiN， TiCN和TiAlN所組成的群組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述涂層由多層交替的 TiN-TiCN-TiN層組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂層通過(guò)選自濺射、 反應(yīng)濺射、離子電鍍和等離子噴涂的技術(shù)施加。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂層具有約3微米 至約8微米的厚度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂層包含多層，每 一層所述層具有約0.1微米至約5微米范圍的厚度；所述涂層具有約5微 米至約10微米的范圍。
7. —種用于金屬板沖壓操作的具有頂部構(gòu)件和底部構(gòu)件的模具，包含 至少一個(gè)硬度約為40—45Rc并且抗壓強(qiáng)度為約1500—1750MPa范圍的淬 火和回火過(guò)的鋼模工具；模具構(gòu)件中的至少一個(gè)表面在淬火和回火之后被 機(jī)械加工成所需的最終尺寸表面，以呈現(xiàn)輪廓表面；所述輪廓表面通過(guò)物 理氣相沉積用足夠厚的耐磨涂層涂覆，以賦予所述輪廓表面耐磨性。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋼模，其特征在于，所述耐磨涂層是選自 CrN， AlCrN， TiCrN， TiN， TiCN和TiAlN的至少一層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的鋼模，其特征在于，所述涂層具有約3微米至約8微米的厚度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋼模，其特征在于，所述涂層包含多層耐 磨涂層材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的鋼模，其特征在于，所述涂層包含多層， 每一層所述層具有約0.1微米至約5微米范圍的厚度；所述涂層具有約5 微米至約IO微米的范圍。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的鋼模，其特征在于，所述多層包含交替的 TiN-TiCN-TiN層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋼模，其特征在于，所述鋼模在1500MPa時(shí)能抵抗塑性形變。
14. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋼模，其特征在于，所述涂層通過(guò)選自濺 射、反應(yīng)濺射、離子電鍍和等離子噴涂的技術(shù)施加。
15. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋼模，其特征在于，所述模具包含頂部構(gòu) 件和底部構(gòu)件，每個(gè)所述構(gòu)件都具有互補(bǔ)的表面輪廓；每個(gè)所述構(gòu)件都承 受回火、淬火和機(jī)械加工；至少一個(gè)所述輪廓承受氮化并通過(guò)物理氣相沉 積用足夠厚的耐磨材料涂覆，以賦予所述表面輪廓耐磨性。
16. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋼模，其特征在于，所述層具有約5微米 至約10微米范圍的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種制造輪廓表面上具有物理氣相沉積耐磨涂層的鋼模的方法以及通過(guò)該方法制成的鋼模。鋼模經(jīng)受淬火和回火以獲得約40-45Rc范圍的洛氏硬度，接著經(jīng)過(guò)機(jī)械加工形成輪廓表面。然后表面經(jīng)受耐磨涂層的物理氣相沉積，該耐磨涂層可以是多層CrN，AlCrN，TiCrN，TiN，TiCN或TiAlN，最好是TiN-TiCN-TiN交替層。涂層施加足夠厚以賦予鋼模耐磨性。該鋼模用于金屬板沖壓操作。
文檔編號(hào)B21D37/20GK101549381SQ20091013236
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者達(dá)瑞爾·莉·楊 申請(qǐng)人:福特汽車(chē)公司