用于金属成型构件的抗疲劳涂层的制作方法
【专利说明】用于金属成型构件的抗疲劳涂层
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年10月22日提交的标题为“用于金属成型构件的抗疲劳涂层”的美国临时申请序列号61/716965的优先权权益，将其主题通过引用全部并入本文。
发明领域
[0003]本公开总体上涉及在金属成型应用中使用的工具和模具。更具体而言，本公开涉及抗疲劳、抗磨损和抗摩擦的复合涂层，并且涉及在其表面上布置有该涂层的的金属成型构件。
[0004]发明背景
[0005]金属成型构件，例如模具等等暴露在高循环压力和摩擦条件下。近来，业界已经转向使用高级的高强度钢合金(AHSS)，其显示出比先前使用的钢合金远远更大的拉伸强度。典型的AHSS合金显示出超过700MPa的拉伸强度。在具体实例中，使用具有在900_1200MPa范围内的拉伸强度的合金用于制造汽车等的结构部件。由于其高强度，AHSS钢非常难以成型并且用于其成型的模具暴露于高冲击和高压力条件下。除了高冲击和高压力条件，这些模具的表面在使用中经历非常高的摩擦力。这些高压力、高摩擦条件可能引起对成型模具等的极度磨损，由此大大地折损其使用寿命。
[0006]在某些实例中，现有技术已经寻求通过不同处理工艺来使模具表面变硬；然而，这些结果产生了仅仅有限的成功。在其他方法中，使用不同的高硬度、抗磨损涂层来涂覆模具，这些涂层包括氮化钛、碳氮化钛、氮化铬、氮化钛铝等等。在其他方法中，使用了材料例如碳化钒的热扩散涂层以及化学气相沉积(CVD)涂层，例如碳化钛。尽管这些表面增强技术均在延长用于成型具有低于400MPa强度水平的常规合金的使用寿命中表现出了成功，但它们均表现出在涉及AHSS合金的成型操作中的差性能。
[0007]在某些情况下，已经发现了热扩散和CVD涂层延长了用于成型AHSS合金的模具的使用寿命。然而，这两种工艺都易于产生由于通常使用的工具钢模具材料的沉积和热处理过程中晶体结构变化而导致的模具尺寸变化。这些尺寸变化的程度非常经常是在由成型模具使用者所限定的尺寸规格之外；因此，此种工艺总体上是不可接受的。此外，热扩散涂层具有较高的摩擦系数并且与在高拉伸强度AHSS材料的成型中产生的高水平的摩擦力不相容。
[0008]尽管等离子体气相沉积(PVD)涂层，不像CVD涂层和热扩散涂层，不会引起成型模具的不可接受的尺寸变化，但许多此种涂层具有其他限制，这限制了它们在高拉伸强度材料成型应用中的使用。由于其柱状结构，PVD涂层，例如氮化铬、氮化钛铝等等在经受高压力/冲击条件时(例如在具有大于400MPa的拉伸强度的材料成型中发现的那些)易开裂。一些模具性能的增加通过在用常规的PVD涂层涂覆之前采用将模具的表面表面硬化实现，因为模具的增加的表面硬度防止了涂层的变形和开裂。但是，这种方法产生了仅仅有限的成功并且仅仅在其中成型的钢合金的拉伸强度是低于SOOMPa的那些情况下有用。
[0009]因此，对于与AHSS合金材料的成形结合使用的用于改善金属成型构件(例如模具)的使用寿命的涂层和方法存在需求。此种涂层应该是在成型工艺中遇到的非常高的压力和摩擦条件下耐久的并且应该不会不利地影响该模具的尺寸参数。此外，用于施加涂层的工艺应该简单、经济、易于实施并且可复涂。如在以下详细说明的，本公开内容提供了用于实现以上目的的金属成型构件的复合涂层。
[0010]发明概述
[0011]本公开内容提供了用于金属成型构件的复合涂层。该涂层包括布置在该金属成型构件上的第一层。第一层包括掺杂有至少一种掺杂剂的氮化铬。第二层布置在该第一层上面。第二层包括具有针对低合金钢所测量的小于或等于0.2的摩擦系数的润滑材料。掺杂剂可以选自W、V、T1、Zr、Co、Mo和Ta中的一种或多种。在一个实例中，掺杂剂是W。掺杂剂能够以I至10原子百分比范围，例如3至7原子百分比的范围存在，并且在具体情况下，所述掺杂剂以约5原子百分比的量存在。第一层的厚度可以在I至10微米的范围内，例如4至6微米的范围。第一层的硬度可以在2至5KHv，例如3至4KHv，并且在具体情况下3.6至3.8KHv的范围内。
[0012]在另一个实例中，第二层具有针对低合金钢所测量的在0.1至0.15范围内的摩擦系数。第二层的厚度可以在0.5至5微米的范围内，并且在具体情况下为1.2微米。第二层可以包括至少一种选自氮化物、碳氮化物、氧化物、氧氮化物、碳基涂层、钼基固体膜润滑剂涂层以及其组合的材料。在又另一个实例中，第二层包括TiCN。
[0013]本公开进一步提供了金属成型构件，其包括本文描述的那些中任一种的复合涂层。金属成型构件可以包括模具。
[0014]本公开进一步提供了涂覆金属成型构件的方法，其包括将之前描述的涂层中任一种的复合涂层施加到其上。复合涂层中的至少一层通过等离子体气相沉积工艺施加。在另一个实例中，本公开提供了用于成型高级的高强度钢本体的方法。该方法包括使用本文所述的金属成型构件。这种高级的高强度钢可以具有至少700MPa的拉伸强度，例如至少900MPa的强度并且在具体情况下至少100MPa的强度。
[0015]附图简要说明
[0016]以下详细说明可以参照以下附图最好的理解，其中
[0017]图1A图示了实例测试装置，该装置用于进行不同涂层材料在静止位置(以虚线示出的旋转位置)的冲击和滑动磨损评估。
[0018]图1B图示了处于旋转位置的图1A的实例测试装置。
[0019]图2图示了现有技术的未掺杂CrN涂层在高压冲击之后的显微照片。
[0020]图3图示了现有技术的CrN层在图1装置中在200N冲击和400N滑动磨擦下循环之后的顶视图。
[0021]图4图示了根据本公开的CrWN涂层在与图3中类似的试验方案之后的显微照片。
[0022]图5图示了对于现有技术的CrN膜的X射线衍射数据，示出了 220晶体取向。
[0023]图6图示了根据本公开的钨掺杂材料的X衍射数据。
[0024]图7图示了在其上布置有本公开的复合涂层的物品的截面显微照片。
[0025]图8图示了图7中涂覆的物品的表面在图1装置中在400N冲击负荷和400N滑动负荷下1500个测试循环之后的显微照片。
[0026]详细说明
[0027]本公开是针对用于金属成型构件(例如模具等)的复合涂层。该涂层至少布置在金属工作构件的成型表面上并且包括掺杂的氮化铬陶瓷的第一层。氮化铬是高硬度材料，但是基础材料的柱状性质可以引起其在高压力条件下表现出断裂。根据本公开，已经发现包括较低量的掺杂剂材料(例如在1-10原子百分比范围内)大大限制了穿过该材料的开裂的形成和/或延伸。尽管不希望受推测的限制，推测掺杂剂材料替代了氮化铬的结晶基体从而防止穿过其中的开裂延伸。实例掺杂剂包括但不限于单独或以组合使用的W、V、T1、Zr、Zo和Ta。在某些情况下，W被用作掺杂剂。如以上指出的，可以使用与替代掺杂一致的1-10原子百分比的掺杂剂水平，并且在具体情况下，掺杂剂水平落在3-7原子百分比范围内，其中5原子百分比是一种具体掺杂剂水平。
[0028]在一个实例中，第一层材料总体上具有在1-10微米范围内的厚度，并且在具体情况下约4-6微米。第一层的硬度典型地在3000-4000HV的范围内，并且在本公开中使用的一种具体材料包括掺杂有约5原子百分比W的CrN并且表现出在3200-3800HV范围内的硬度。
[0029]在第一层上面布置由润滑材料组成的第二层。根据本公开，已经发现了该第二层应该具有低摩擦系数，典型地针对钢低于0.2 ;并且在具体情况下，第二层具有在0.1-0.15范围内的摩擦系数。润滑材料层典型地具有小于掺杂的氮化铬层的厚度并且总体上具有在
0.5-5微米范围内的厚度并且，在具体情况下，在1-3微米范围内的厚度。可以使用多种材料用于形成该润滑层，并且这些材料可以包括氮化物、碳氮化物、氧化物、氧氮化物、碳基涂层，或钼基固体膜润滑涂层等等，条件是它们具有不超过0.2并且优选地低于该值的摩擦系数。在一个实例中，在本公开中使用的具体材料包括TiCN，并且其他此种材料对本领域技术人员是容易清楚的。
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