[发明专利]涂覆的刀具

说明书

发明领域

本发明是针对一种耐磨损涂覆并且更加具体地讲，是针对用于在温和热金属成形应用中使用的成形工具的一种耐磨损涂覆。

背景信息

金属成形是将工件整形为最终形状、近净形亦或被进一步机加工成所希望的最终形状的净形。金属成形工具通常是由钢、超耐热合金、硬质合金、以及陶瓷制成的。这些工具在金属成形应用中的工作条件是具有挑战性的，因为它们得经受冲击负荷、高的接触负荷、严重的磨损、以及热机械循环和氧化条件。这些工具的严重失效模式的一个实例是因工具表面的耐磨损性能低而使表面磨损。另外的失效实例包括因工具与工件之间的相互作用、腐蚀性润滑剂、或环境、以及温度和热机械负荷而使表面降级，这进而导致诸如工具表面的表面点蚀、开裂之类的机械损坏。

解决这些失效模式中的至少某些的一种方式是通过使用涂覆。涂覆通常被用于通过提高耐磨损性并且使表面降级最小化来延长刀具的寿命的。然而，这些涂覆在冷成形情况下表现得很好，但是在温和热成形操作下或者在高的接触负荷条件下倾向于产生不良的性能。这些涂覆在这些情况下的低性能可以被归因于该涂覆不能，例如在温和热成形应用中，承受住所面临的循环的热机械或高的接触负荷的应用。

在温和热金属成形过程中，刀具被暴露在热机械条件下，并且因此例如穿过工具的厚度而经历了一个高的热梯度。此外，刀具的表面还经受着循环的热负荷以及多次压缩-拉伸应力循环。刀具在温和热成形操作中的热机械负荷循环与刀具在冷成形操作中的热机械负荷循环也明显不同。在温和热成形操作中热负荷明显地造就了所有的应力状态，连同在热循环的逆转时产生瞬时应力。因此，可以在冷成形条件下表现良好的涂覆在高温成形应用中典型地没有提供同样的性能或所希望的特性。

此外，所做的多项研究表明在涂覆性能中另一因素是涂覆的厚度。例如，更厚的涂覆可以帮助防止因工具表面的磨损和氧化而失效。但是，与此同时，更厚的涂覆还可以因不良的负荷承载能力以及对热机械循环的更低耐受性而导致提前失效。解决这种约束的一个方案是通过将分散有更硬、更耐磨损的这些层的一个或多个薄的软金属层引入在这种涂覆中，这可以大大改进该涂覆系统的整个延展性。然而，这种解决方案减小了峰值负荷承载能力，而且降低了这种涂覆的最高操作温度，并且因此并不是用于温和热金属成形应用的解决方案。

因此，对于为在热机械负荷应用中使用的成形工具提供一种改进的耐磨损寿命以及抗氧化特性的涂覆，存在一种需要。

发明概述

本发明提供了一种涂覆的成形工具。这种涂覆的成形工具包括一个工具部件以及位于该工具部件的至少一部分上的一种耐磨损涂覆。这种耐磨损涂覆包括一个底部涂覆层和一个顶部涂覆层。在一个实施方案中，该顶部涂覆层具有从大约1μm到大约12μm的厚度，并且这种涂覆具有该底部涂覆层厚度与该顶部涂覆层厚度的一个厚度比(T_B∶T_T)，该厚度比是从大约0.5到大约5。例如，该顶部涂覆层可以具有从大约4μm到大约10μm的厚度，例如从大约4μm到大约8μm。这种涂覆可以具有从大约0.7到大约3的一个厚度比。该顶部涂覆层可以包括氧化铝或多个含铝的相。该底部涂覆层可以包括TiC_xN_(1-x)或TiMC_xN_(1-x)，其中x是在0到1原子比范围内并且M是铝或者元素周期表上的4族、5族、和6族中的一种过渡元素。这种涂覆可以包括至少一个额外的涂覆层，该额外的涂覆层被提供为该顶部涂覆层上的一个保护层、在该顶部涂覆层与该底部涂覆层之间的一个中间层、在该底部涂覆层与该工具部件之间一个粘结层，或者它们当中的任何组合和全部组合。这种涂覆的成形工具可以被用于多种温或热成形应用中。该工具部件可以是选自下组，该组由以下各项组成：用于经受热机械负荷应用中的冲头、冲模、以及部件。