衝壓模具及衝壓模具的製造方法

2023-06-06 18:38:51

專利名稱：：衝壓模具及衝壓模具的製造方法
技術領域：
：本發明涉及一種衝壓模具，其可適用於高張力鋼板等高強度鋼板的衝壓加工。
背景技術：
：近幾年，在汽車製造領域中，以提高安全性和實現車身輕量化為目的而使用高張力鋼板。由於高張力鋼板具有高拉力、高強度，因而與自以往使用的普通鋼板相比，在進行衝壓加工時要施予較大的壓力。因此，高張力鋼板的衝壓加工中，施加給衝壓模具的壓力明顯增大，從而導致模具容易磨損。由此，存在著模具壽命短的問題。作為抑制上述那樣的模具磨損的方法，已知有例如通過在模具母材表面形成TiC(碳化鈦)鍍膜、TiCN(碳氮化鈦)鍍膜等硬質鍍膜來提高模具表面硬度的方法(例如，參見日本專利公開公報特開平6-145960號)。作為形成所述TiC鍍膜等硬質薄膜的方法，已知有CVD法(化學氣相沉積法(ChemicalVaporD印osition))禾卩PVD法(PVD法(PhysicalVaporDeposition))。一般而言，通過CVD法形成的鍍膜的附著性，比通過PVD法形成的鍍膜的附著性強。因此，在形成與基底材料之間附著性不夠強的TiC鍍膜時，自以往採用CVD法。然而，通過CVD法形成鍍膜時，必須以約100(TC的溫度進行鍍膜處理。所以，存在著在進行鍍膜處理時導致模具母材產生變形等問題。因此，由CVD法形成鍍膜的模具，在進行鍍膜處理後，須通過修正模具尺寸才可使用。另一方面，通過PVD法形成鍍膜時，由於可在比高速鋼的回火溫度或模具鋼的高溫回火溫度更低的500'C以下這樣的溫度下進行鍍膜處理，因此，模具母材的變形小。因此，通過PVD法形成鍍膜的模具，具有在進行鍍膜處理後無須修正模具尺寸便可直接使用這樣的優點。但是，通過PVD法形成的TiC鍍膜，由於附著性不夠強，因而鍍膜容易剝離。因此存在著耐久性不夠的問題。另外，作為通過PVD法形成的硬質鍍膜，還已知有附著性比TiC鍍膜更好的TiCN鍍膜，不過，雖然TiCN鍍膜的附著性比TiC鍍膜優越，但由於其平滑性低，因此存在著容易磨損的問題。作為綜合評價衝壓模具表面所形成的鍍膜的耐久性、平滑性等鍍膜特性的方法，已知有對在後述實施例中詳細說明的凸緣拉拔特性進行評價的方法。如圖4所示，凸緣拉拔特性，是將鋼板夾在凸模30和凹膜31之間，逐漸推壓凸模30和凹膜31來進行衝壓，在衝壓過程中以規定速度拉拔鋼板，根據鋼板破裂時的推壓負荷P及拉拔負荷F來進行評價的特性。通過此特性，可判斷形成在模具表面的鍍膜的耐久性、平滑性等。具體而言，可以說，衝壓時的推壓負荷P及拉拔負荷F越大，鍍膜的平滑性越好，耐久性也越好。以往已知的由PVD法形成的硬質鍍膜的衝壓模具中，存在著凸緣拉拔特性低這一問題。
發明內容本發明的目的在於，提供一種由PVD法形成硬質鍍膜的、能夠適用於高張力鋼板等各種鋼板的衝壓加工且鍍膜的硬度、附著性、平滑性及凸緣拉拔特性均優異的衝壓模具。本發明的衝壓模具，為用於對衝壓用材料進行衝壓加工的衝壓模具，其特徵在於，其進行衝壓加工時與衝壓用材料接觸的部分，形成有通過PVD法形成的鍍膜，所述鍍膜包括形成在模具母材表面的TiN層；形成在所述TiN層表面的Ti(CxNy)層，其中，x+y=l、x<l，隨著遠離所述TiN層表面，x的值逐漸增大以接近l;形成在所述Ti(CxNy)層表面的TiC層。採用本發明，由於由PVD法形成鍍膜的衝壓模具與衝壓用材料接觸的表面上，形成有從模具母材的表面側開始，由TiN層、碳濃度逐漸增加的TiCN層、及TiC層所構成的鍍膜，因此，衝壓模具能夠形成硬度、附著性、平滑性及凸緣拉拔特性均優異且耐久性高的鍍膜。並且，由於所述鍍膜通過PVD法形成，因而無須在鍍膜形成後進行模具的修正等。因此，在降低製造成本方面也很優異。本發明的目的、特徵、技術方案及優點，通過以下的詳細說明及附圖，將更為明確。圖l是一個剖面模式圖，其表示涉及本發明實施方式的衝壓模具上所形成的鍍膜層的結構。圖2是在實施方式中使用的離子鍍膜(ionplating)裝置的概念圖。圖3是凸緣拉拔特性的試驗模具的形狀的概略說明圖。圖4是凸緣拉拔特性的評價方法的概略說明圖。圖5是在實施例中所獲得的形成在衝壓模具上的鍍膜的顯微鏡照片。圖6是在對比例中所獲得的形成在衝壓模具上的鍍膜的顯微鏡照片。具體實施方式以下，通過實施方式對本發明進行更詳細的說明。不過，本發明的範圍，不受以下的實施方式的任何限制。圖l是一個剖面模式圖，其表示本實施方式的衝壓模具上所形成的鍍膜層的結構。圖1模式地表示了在模具母材1表面上形成鍍膜2而構成的衝壓模具5。鍍膜2是通過PVD法形成的硬質薄膜，其包括形成在模具母材l表面的TiN層2a、形成在TiN層2a表面的Ti(CxNy)層2b(其中，x+y=l、x<l,隨著遠離所述TiN層表面，x的值逐漸增大以接近l)、以及形成在Ti(CxNy)層2b表面的TiC層2c。衝壓模具5中，由於TiN層2a及Ti(CxNy)層2b介於模具母材l的表面與TiC層2c之間，因此，與在模具母材l的表面上直接形成由TiC構成的鍍膜時相比，可顯著提高附著性。因此，即使通過PVD法形成了在最表面具有TiC層的鍍膜，所形成的鍍膜也能夠確保充分的附著強度。作為模具母材l的材質，可採用自以往使用的各種材料，沒有特別的限制。作為其具體例，例如有，日本工業規格(JIS)(下同)的SKDll、SKD61等模具鋼，SKH51等高速鋼，SK5、SKS3等各種工具鋼，超硬材料，或者SUS440C、SUS420J2、SUS304等不鏽鋼材料等。這些材料中，SKD11等模具鋼或SKH51等高速鋼的支撐力高，耐磨性優異，因此作為模具母材較為理想。作為模具母材1形成鍍膜2的表面的表面粗糙度，以R^O.l!i邁以下較為理想。在模具母材表面形成鍍膜時，若表面粗糙度在所述範圍內，則平滑性特別好。這是由於通過PVD法形成鍍膜時，可獲得既細密且平滑性高的鍍膜，使得模具母材表面的形狀容易反映到鍍膜上。鍍膜2包括形成在模具母材l表面的TiN層2a、形成在TiN層2a表面且隨著遠離TiN層2a表面碳濃度逐漸增大的Ti(CxNy)層2b、以及形成在Ti(CxNy)層2b表面的TiC層2c。這樣，通過在模具母材l的表面上形成與模具母材l之間附著性良好的TiN層2a，在TiN層2a表面上形成通過將氮原子逐漸調換成碳從而使碳濃度逐漸增大的Ti(CxNy)層2b，在最表層形成硬度及平滑性均優異的TiC層2c，從而形成硬度、附著性、平滑性及凸緣拉拔特性均優異的鍍膜2。鍍膜2的厚度沒有特別限制，不過，為維持鍍膜的內部應力平衡，確保儘量高的附著性起見，該厚度為5iim以下，甚至4!im以下較為理想。另外，為保持儘量高的鍍膜2的附著性起見，TiN層2a和Ti(CxNy)層2b的合計厚度為24pm左右，甚至3nm左右較為理想。另外，TiC層2c的鍍膜厚度也沒有特別限制，不過，厚度為limi以上較為理想。此外，因製造條件或鍍膜厚度等的不同，各層之間的界線有時難以明確地確定。形成在模具母材1的鍍膜2，由例如電弧離子鍍膜法(arcionplatingmethod)等離子鍍膜法(ionplatingmethod)、磁控濺射法(magnetronsputteringmethod)等反應磁控濺射法(reactivesputteringmethod)等的物理沉積法(PVD法)等所形成。在這些方法中，由下面詳細敘述的電弧離子鍍膜法所形成的鍍膜較為理想，因為採用該方法即使在大型的衝壓模具中也能夠獲得維持高附著性的鍍膜。根據圖2，對通過電弧離子鍍膜法形成鍍膜的方法的一個例子進行說明。圖2表示採用電弧離子鍍膜法的電弧式真空鍍膜裝置的一個例子。圖2中，標記符號10為真空腔、ll為旋轉臺、12a為氣體導入口、12b為氣體排出口、13及14為鈦蒸發源、13a及14a為電弧電源、15為偏壓電源、16為陽極。首先，將模具母材1載置於真空腔10內的旋轉臺11上。接著，將真空腔10內的溫度提升至25055(TC，並將真空腔10內的壓力減至l(^10-sPa左右，然後從氣體導入口12a導入氬氣(Ar)。為提高鍍膜的附著性，模具母材1的溫度被加熱至40050(TC左右較為理想。接著，通過對模具母材l施加偏壓來使Ar離子轟擊模具母材l，使模具母材l表面活化。然後，利用電弧電源13a、14a產生電弧放電，使鈦蒸發源13、14的鈦蒸發。同時，通過氣體導入口12a供給作為氮源的例如氮氣。然後，在通過電弧放電所產生的等離子體中，使氮及鈦離子化，並通過偏壓加速離子運動，從而使離子化物質附著在模具母材l表面上，形成TiN膜。其次，通過從氣體導入口12供給作為碳源的碳氫氣體，形成TiCN層。此時，逐漸地減少氮氣的供給量，增加碳氫氣體的供給量。最後，停止氮氣的供給，僅供給碳氫氣體。這樣，作為供給到裝置內的原料氣體，通過在開始時供給多量的氮氣，之後漸漸將氮氣轉換為碳氫氣體，在模具母材表面上形成TiN膜，其次形成鍍膜中氮量逐漸減少而碳量逐漸增多的Ti(CxNy)層，最後形成位於最外層的TiC層。這樣，通過將附著性優異的TiN層直接形成在模具表面上，並且漸漸將氮轉換為碳以使鍍層厚度方向的成分發生變化，在鍍層表面形成平滑性和耐磨性均優異的TiC層，從而能夠在模具表面上形成耐久性優異的硬質鍍膜。為提高鍍膜的耐磨性起見，作為形成有上述那樣的鍍膜的衝壓模具的表面硬度(維氏硬度Vickershardness),以30004000HV左右較為理想。6形成有這種鍍膜的衝壓模具，凸緣拉拔特性優異。因此，這種衝壓模具能夠適用於高張力鋼板那樣的各種鋼板的壓力加工。以下，通過實施例進一步具體說明本發明。不過，本發明不受此實施例的任何限制。實施例首先，製作一套由SKDll模具鋼製成的凸模母材30a和凹膜母材31a的模具組合，該套模具的形狀及尺寸如圖3所示，其表面被鏡面拋光至表面粗糙度Ra二0.05pm左右。然後，利用圖2所示的電弧式真空鍍膜裝置，通過電弧離子鍍膜法，在凸模母材30a及凹膜母材31a的表面上形成鍍膜。作為鍍膜的形成過程，首先，將凸模母材30a及凹膜母材31a載置於旋轉臺ll上。接著，將真空腔10內的氣壓減至3xlO-sPa。凸模母材30a和凹膜母材31a各自的溫度，通過未圖示的加熱器，控制在45(TC。其次，通過從氣體導入口12a供給Ar氣體，以及從排出口排氣來將腔內氣壓維持在2.7Pa。接著，在停止Ar氣體的供給後，以3000mL/min的流量供給氮氣7分種。此時，腔內氣壓仍維持在2.7Pa。同時，對鈦蒸發源13及14進行電弧放電來使鈦蒸發。在通過電弧放電產生的等離子體中，氮及鈦被離子化，並且，通過對凸模母材30a及凹膜母材31a施加偏壓，離子被加速，在各模具母材的表面上形成TiN層。其次，在氮氣和甲垸氣的供給量方面上，一邊通過逐漸減少氮氣的供給量，增加甲烷氣的供給量來進行控制，一邊在腔內氣壓維持在2.7Pa的狀態下供給氮氣和甲烷氣20分鐘。最後，停止氮氣的供給，僅供給甲烷氣，供給時間為20分種。通過上述那樣的方法，在凸模母材30a和凹膜母材31a的各表面上均形成了厚約lpm的TiN層，在所述TiN層的表面上形成了厚約2iim的Ti(CxNy)層，在所述Ti(CxNy)層的表面上形成了厚約lpm的TiC層。上述各鍍層的厚度，利用了膜厚精密測量儀(簡便式膜厚精密測量儀CALOTEST,CSEM公司製造)進行測定，該測量儀，通過球形試驗器產生研磨痕，利用光學顯微鏡測量該研磨痕的指定部分之長度，計算出各鍍膜厚度。圖5表示測定時所獲得的顯微鏡照片。此外，對通過上述方法形成有鍍膜的凸模30及凹膜31的表面的顯微維氏硬度(microVickershardness)、附著性及凸緣拉拔特性進行了評價。其中，附著性，根據劃痕測量值進行評價，該劃痕測量值通過CSEM公司製造的劃痕試驗儀(AutomaticScratchTesterREVETEST)獲得。另外，凸緣拉拔特性通過以下的方法進行了評價。凸緣拉拔特性如圖4所示，將鋼板40夾在表面形成有鍍膜的凸模30和凹膜31之間，該鋼板40由尺寸為20x300xl.4mm的高張力鋼材CR980Y(100k級高張力)所形成。接著，將夾住鋼板40的由凸模30和凹膜31所構成的衝壓模具設置於小型衝壓機。然後，在由小型衝壓機對凸模30及凹膜31慢慢加壓的過程中，以固定速度(500mm/min)拉拔被夾住的鋼板40的一端。並且，測量鋼板40破裂時的拉拔負荷F和小型衝壓機的推壓負荷P。另外，根據拉拔初期及鋼板破裂時的拉拔負荷F及推壓負荷P，由算式"摩擦係數11=拉拔負荷F/加壓負荷F'，算出了摩擦係數。其結果，見表l。對比例本對比例中，至停止Ar氣體供給為止所進行的工序與實施例相同，停止Ar氣體的供給後，在腔內氣壓維持在2.7Pa的狀態下僅供給氮氣，供給時間為15分鐘。此後，供給甲烷氣並使甲烷氣的流量線性地增加，以在經過90分鐘後使氮氣和甲烷氣的流量比成為1:1。此期間，腔內氣壓維持在2.7Pa。接著，使甲烷氣的流量線性地增加，以10分鐘時間，將氮氣和甲垸氣的流量比變為1:2，將腔內氣壓變為1.3Pa，然後，維持氮氣和甲烷氣的流量比1:2、腔內氣壓1.3Pa的狀態，進行10分鐘的供給。並且，上述工序中，同時地對鈦蒸發源13及14進行電弧放電來使鈦蒸發。通過電弧放電產生的等離子體中，氮、碳、鈦均被離子化，並且，通過施加給凸模母材30a及凹膜母材31a的偏壓，離子被加速，從而形成了在最表面具有Ti(CxNy)層的鍍膜。通過上述那樣的方法，在凸模母材30a及凹膜母材31a的各表面上均形成了由TiN層和Ti(CxNy)層構成的厚約4n邁的鍍膜。圖6表示所形成的鍍膜的球形試驗器研磨痕的顯微鏡照片。此外，對所獲得的衝壓模具的顯微維氏硬度、附著性以及凸緣拉拔特性進行了評價。其結果，見表l。表ltableseeoriginaldocumentpage8通過PVD法形成了在最表面具有Ti(CxNy)層的鍍膜的比較例的衝壓模具的顯微維氏硬度為2070N，與此相比，涉及本發明實施例的衝壓模具的顯微維氏硬度為3709N，由此可知，採用本發明的衝壓模具，其表面上所形成的鍍膜硬度高。另外，通過劃痕試驗所得的對比例的模具的附著性為29.3N，與此相比，實施例的衝壓模具的附著性為54.5N，由此可知，採用本發明的衝壓模具，其表面上所形成的鍍膜的附著性優異。此外，在凸緣拉拔特性評價方面，對比例的拉拔負荷為26kN，而實施例中的拉拔負荷相對更高，為30kN，另外，對比例的推壓負荷為6kN，而實施例中的推壓負荷相對更高，為23kN，由此可知，採用本發明的衝壓模具，其表面上所形成的鍍膜的凸緣拉拔特性優異。另外，在凸緣拉拔特性評價中所測得的本實施例的衝壓模具的初始摩擦係數及破裂時摩擦係數均小於對比例的衝壓模具的這些係數，由此可知，實施例的衝壓模具的平滑性優異。9權利要求1.一種衝壓模具，用於對衝壓用材料進行衝壓加工，其特徵在於，其進行衝壓加工時與衝壓用材料接觸的部分，形成有通過物理氣相沉積法形成的鍍膜，所述鍍膜包括形成在模具母材表面的TiN層；形成在所述TiN層表面的Ti(CxNy)層，其中，x+y＝1、x＜1，隨著遠離所述TiN層表面，x的值逐漸增大以接近1；形成在所述Ti(CxNy)層表面的TiC層。2.根據權利要求l所述的衝壓模具，其特徵在於，所述物理氣相沉積法為電弧離子鍍膜法。3.根據權利要求l所述的衝壓模具，其特徵在於，所述鍍膜的厚度為5iim以下。4.一種衝壓模具的製造方法，在所述模具表面形成硬質鍍膜，其特徵在於，包括-形成TiN膜的步驟，通過向載置有模具母材和鈦蒸發源的真空腔內供給氮氣，對所述鈦蒸發源進行電弧放電，使鈦蒸發，產生等離子體，並通過偏壓使基於所述等離子體而被離子化的氮離子及鈦離子加速運動，使氮離子及鈦離子附著到所述模具母材表面，來形成TiN層；形成TiCN膜的步驟，通過逐漸減少所述氮氣的供給量，同時通過在供給碳氫氣體的過程中逐漸增加該碳氫氣體的供給量，來形成TiCN層；形成TiC膜的步驟，通過停止所述氮氣的供給，僅供給所述碳氫氣體，來形成TiC層。全文摘要本發明的衝壓模具，是用於對衝壓用材料進行衝壓加工的衝壓模具，其進行衝壓加工時與衝壓用材料接觸的部分，形成有通過PVD法形成的鍍膜，所述鍍膜包括形成在模具母材表面的TiN層；形成在所述TiN層表面的Ti(CxNy)層，其中，x+y＝1、x＜1，隨著遠離所述TiN層表面，x的值逐漸增大以接近1；形成在所述Ti(CxNy)層表面的TiC層。採用本發明，衝壓模具能夠形成硬度、附著性、平滑性及凸緣拉拔特性均優異且耐久性高的鍍膜。並且，由於所述鍍膜通過PVD法形成，因而無須在鍍膜形成後進行模具的修正等。因此，在降低製作成本方面也很優異。文檔編號B32B33/00GK101254515SQ2007101959公開日2008年9月3日申請日期2007年12月4日優先權日2007年2月27日發明者上場一郎,藤原浩司,高野正申請人:東洋先進工具機有限公司