專(zhuān)利名稱(chēng)：熱金屬成型工具的納米復(fù)合材料涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于熱成型作業(yè)的金屬工具表面的搪瓷納米復(fù)合材料涂層以及 一種形成該涂層的方法。本發(fā)明還涉及一種具有包含不同體積分?jǐn)?shù)納米顆粒的至少兩種部 分的納米復(fù)合材料梯度涂層。
背景技術(shù)：
在熱成型時(shí)加工材料被加熱到一定溫度，在此溫度下材料的塑性變形比在室溫下 更易得到。然后使用模具、工具或沖頭(加熱或室溫下)，以及液壓和/或機(jī)械力，或粘性流 體的力(加熱或室溫下)讓材料成型達(dá)到所需的形狀和結(jié)構(gòu)。金屬制品可以由熱成型工藝制備，其在工作氣體壓力的壓力下用互補(bǔ)成型工具靠 成型工具的成型表面拉伸成型預(yù)加熱的金屬坯件，例如鋁合金板材坯件。熱成型工藝包括， 例如，超塑成型(SPF)，鍛造，溫沖壓，吹塑成型，溫液壓成型，和快速塑性成型(QPF)，在共 同受讓的美國(guó)專(zhuān)利No. 6253588中描述。在熱吹塑成型中，高可成型板材(例如鋁合金板)加熱到例如約50(TC，然后夾持 在互補(bǔ)相對(duì)模具之間的外圍邊緣。加壓空氣或其他流體向板材的一邊施加使其延伸到與一 個(gè)模具的成型表面一致。相對(duì)的模具提供了鋁板加壓側(cè)的氣室。兩個(gè)模具可加熱到高成型 溫度使得板材維持在預(yù)定的成型溫度來(lái)使板材成型。所述板材可先向一個(gè)模具擠壓來(lái)預(yù)成 型，而后被吹向相對(duì)的模具來(lái)結(jié)束成型。因此，熱板材的至少一個(gè)面向模具的成型表面延伸 并覆蓋模具的成型表面。熱成型工具可以被涂覆上潤(rùn)滑劑或脫模劑來(lái)防止工件粘結(jié)或粘連在工具上。
發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，基體被包含小顆粒潤(rùn)滑材料的粘結(jié)性搪瓷材料涂覆。所述涂層 可以覆蓋任何合適的基體應(yīng)用。所述搪瓷可提供耐久性和對(duì)基體的附著性，同時(shí)小顆粒提 供潤(rùn)滑性。在一個(gè)實(shí)施例中，基體是金屬模具或工具。在一個(gè)實(shí)施例中，基體是在熱成型作業(yè) 中使用的工具鋼。通過(guò)在工具鋼表面應(yīng)用至少一種涂覆混合物并在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)在預(yù)定溫 度下加熱所述涂覆混合物以覆蓋工具鋼表面形成涂層，從而可覆蓋工具鋼形成涂層。涂層 中的納米顆?？梢詾榈鸺{米顆粒。在一個(gè)實(shí)施例中，所述涂層可以包含鄰近基體表面 的第一部分，并且具有對(duì)基體表面優(yōu)異的附著性。所述涂層的第一部分也可以非常抗壓應(yīng) 力、抗層離和耐磨。所述涂層也可以包含鄰近第一部分的第二部分，其提供耐磨損、減摩以及潤(rùn)滑涂 層。當(dāng)基體是工具時(shí)，例如，涂層的第二部分與工件接觸。涂層工具鋼，例如，可能與工件滑 動(dòng)接合。在一個(gè)實(shí)施例中，在熱成型工藝中通過(guò)接觸涂層工具鋼而使鋁板金屬工件熱成型 為所需制品。所述涂層的第二部分增加的潤(rùn)滑性可以降低使用涂層工具成型工件時(shí)所需潤(rùn) 滑劑的量，且其可在延長(zhǎng)的時(shí)間段上有助于工具表面上的希望成型條件。
所述涂層潤(rùn)滑性可以通過(guò)調(diào)整其中納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)而控制并適應(yīng)特殊的應(yīng) 用。涂層第一部分中的納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)可以少于涂層第二部分中納米顆粒的體積分 數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一部分可不含任何納米顆粒，而在第二部分中納米顆粒的體積分?jǐn)?shù) 可高達(dá)約百分之十。在另一個(gè)實(shí)施例中，涂層第一部分中納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)范圍可從約 零到約百分之八，而第二部分中納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)范圍從約百分之二到約百分之十。所述涂層可包含納米顆粒和搪瓷。所述搪瓷可為硼硅酸鹽玻璃或任何其他合適的 搪瓷。在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)層可覆蓋基體表面應(yīng)用。第一層可包含搪瓷而無(wú)納米顆粒?；?者，第一層可包含搪瓷和第一體積分?jǐn)?shù)的納米顆粒，例如高達(dá)百分之八。第二層可包含搪瓷 和具有大于第一體積分?jǐn)?shù)納米顆粒的第二體積分?jǐn)?shù)的納米顆粒。例如，納米顆粒的第二體 積分?jǐn)?shù)可為約百分之二到約百分之十。搪瓷組合物和/或納米顆粒的組份可與水混合以形 成混合物或漿料。第一層可通過(guò)覆蓋基體表面沉積或涂覆適合的混合物或漿料而形成。第 二層可通過(guò)覆蓋第一層沉積或涂覆適合的混合物或漿料而形成。而后，第一和第二層可被 加熱以固化所述層。在一個(gè)實(shí)施例中，可只形成單個(gè)層。含有納米顆粒的混合物或漿料可覆蓋基體表 面沉積或涂覆，隨后加熱融化所述混合物或漿料。在固化過(guò)程中，納米顆粒梯度變化可形成 梯度涂層。所述梯度可由用于加熱或焙燒基體的時(shí)間和溫度控制，也由納米顆粒在混合物 或漿料中的量控制?；蛘?，納米顆粒可保持相對(duì)靜態(tài)而形成在整個(gè)涂層中具有基本一致納 米顆粒濃度的涂層。本發(fā)明還提供了下列方案1、一種用于熱金屬成型的涂層工具，包括用于熱金屬成型的工具；覆蓋所述工具的層，所述層包括在層中不均勻分布的搪瓷和氮化硼納米顆粒，其中，所述層的一側(cè)附著到所述工具上，所述層的相對(duì)側(cè)用于在熱金屬成型作業(yè) 中與工件接觸，以及其中，氮化硼納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)在整個(gè)所述層中增加以在與所述工件接觸的所 述層相對(duì)側(cè)達(dá)到最大體積分?jǐn)?shù)。2、根據(jù)方案1所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中氮化硼納米顆粒的最大體 積分?jǐn)?shù)為約10%。3、一種用于熱金屬成型的涂層工具，包括用于熱金屬成型的工具，所述工具具有用于與金屬工件接觸的表面；涂層的第一部分，其鄰近所述工具的表面并且包括搪瓷，或搪瓷和第一體積分?jǐn)?shù) 的氮化硼納米顆粒，其中所述第一體積分?jǐn)?shù)高達(dá)8% ；和涂層的第二部分，其鄰近涂層的第一部分并且包括搪瓷和具有大于所述第一體積 分?jǐn)?shù)的第二體積分?jǐn)?shù)的氮化硼納米顆粒，其中所述第二體積分?jǐn)?shù)是2%到10%。4、根據(jù)方案3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述第二體積分?jǐn)?shù)為約5%。5、根據(jù)方案3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中氮化硼納米顆粒的尺寸范 圍為從3nm到IOOnm06、根據(jù)方案3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中涂層的第一和第二部分的結(jié)合厚度為約5微米到約40微米。7、根據(jù)方案3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷是硼硅酸鹽玻璃。8、根據(jù)方案3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷由搪瓷組合物制 備，所述搪瓷組合物包括石英、硼砂、硼酸、硝酸鉀、氟硅酸鈉和二氧化錳。9、根據(jù)方案8所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷組合物進(jìn)一步包 括二氧化鈦、三氧化二銻，氧化鈷，或氧化鋇的至少一種。10、根據(jù)方案3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷由搪瓷組合物 制備，所述搪瓷組合物包括從約39%到約52%重量百分比的石英；從約15%到約24%重量百分比的硼砂(以無(wú)水的為基準(zhǔn))；從約6%到約12%重量百分比的硼酸；從約5 %到約8 %重量百分比的硝酸鉀；從約3%到約6%重量百分比的氟硅酸鈉；和從約3%到約12%重量百分比的二氧化錳。11、根據(jù)方案10所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷組合物進(jìn)一步 包括以下至少一種高達(dá)約15%重量百分比的二氧化鈦；高達(dá)約3%重量百分比的三氧化二銻；高達(dá)約重量百分比的氧化鈷；和高達(dá)約1 %重量百分比的氧化鋇。12、根據(jù)方案3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷由搪瓷組合物 制備，所述搪瓷組合物包括從約39%到約52%重量百分比的石英；從約15%到約24%重量百分比的硼砂(以無(wú)水的為基準(zhǔn))；從約7%到約12%重量百分比的硼酸；從約5 %到約8 %重量百分比的硝酸鉀；從約3%到約8%重量百分比的氟硅酸鈉；和從約3%到約12%重量百分比的二氧化錳。13、根據(jù)方案12所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷組合物進(jìn)一步 包括以下至少一種高達(dá)約12%重量百分比的二氧化鈦；高達(dá)約8%重量百分比的三氧化二銻；高達(dá)約重量百分比的氧化鈷；和高達(dá)約1 %重量百分比的氧化鋇。14、根據(jù)方案3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷由搪瓷組合物 制備，所述搪瓷組合物包括約46. 5%重量百分比的石英；約21%重量百分比的硼砂(以無(wú)水的為基準(zhǔn))；
約7. 5%重量百分比的硼酸；約6%重量百分比的硝酸鉀；約5%重量百分比的氟硅酸鈉；約11. 5%重量百分比的二氧化錳；和約2. 5%重量百分比的三氧化二銻。15、一種方法，包括將至少一層涂層混合物應(yīng)用到熱成型工具的表面，其中所述涂層混合物包括搪瓷 組合物和預(yù)定體積分?jǐn)?shù)的氮化硼納米顆粒；和在預(yù)定溫度下加熱涂層混合物的層預(yù)定時(shí)間，從而覆蓋熱成型工具表面形成涂 層；其中，所述涂層包括鄰近表面的第一部分和鄰近所述第一部分的第二部分，所述 第一部分包括第一體積分?jǐn)?shù)的氮化硼納米顆粒，所述第二部分包括大于所述第一體積分?jǐn)?shù) 的第二體積分?jǐn)?shù)的氮化硼納米顆粒；和其中，所述第一體積分?jǐn)?shù)高達(dá)約8%，所述第二體積分?jǐn)?shù)為約2%到約10%。16、根據(jù)方案15所述的方法，其中所述搪瓷組合物包括石英、硼砂、硼酸、硝酸鉀、
氟硅酸鈉和二氧化錳。17、根據(jù)方案16所述的方法，其中所述搪瓷組合物進(jìn)一步包括二氧化鈦、三氧化 二銻、氧化鈷、或氧化鋇中的至少一種。18、根據(jù)方案15所述的方法，還包括使金屬工件靠所述熱成型工具表面接觸，使得所述金屬工件靠涂層的第二部分滑 動(dòng)；和使所述金屬工件成型為制品。19、根據(jù)方案18所述的方法，其中所述金屬工件是金屬板。20、根據(jù)方案18所述的方法，其中所述金屬工件是鋁板。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的覆蓋基體的梯度涂層。圖2示出了在板材金屬工件熱成型之前根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有梯度涂層 的成型表面的工具。圖3示出了在板材金屬工具已經(jīng)與具有梯度涂層的成型表面接觸后根據(jù)本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施例的具有梯度涂層的工具的一部分。圖4示出了涂覆后試樣相對(duì)于未涂覆試樣摩擦學(xué)性能的提升。
具體實(shí)施例方式一個(gè)實(shí)施例包括具有涂層12的基體10，如圖1所示。涂層12可包括納米顆粒13。 在一個(gè)實(shí)施例中，納米顆粒13可為氮化硼納米顆粒。涂層12可為梯度的或者其在整個(gè)涂 層中可具有相對(duì)均勻的納米顆粒濃度。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層12可包括至少兩個(gè)部分。仍 然參照?qǐng)D1，涂層12的第一部分14可位于與基體10的表面16相鄰，涂層12的第二部分 18可與位于第一部分14相鄰。第一部分14可包括搪瓷并且要么無(wú)納米顆?；虻谝惑w積分?jǐn)?shù)的納米顆粒。第二部分18可包括搪瓷和大于第一體積分?jǐn)?shù)的第二體積分?jǐn)?shù)的納米顆粒。 在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二部分14、18不是有區(qū)別的層。在另一個(gè)實(shí)施例中，涂層14可 僅包括在整個(gè)涂層中具有基本一致納米顆粒濃度的一個(gè)部分(未示出)。搪瓷可為任何合 適的搪瓷。涂層12的潤(rùn)滑性可以通過(guò)調(diào)整涂層12中納米顆粒13的體積分?jǐn)?shù)而控制并適應(yīng) 特殊的應(yīng)用。在一個(gè)實(shí)施例中，在第一部分14中的納米顆粒的第一體積分?jǐn)?shù)可高達(dá)約百分 之八?；蛘叩谝粚?4可不包含納米顆粒。在另一個(gè)實(shí)施例中，在第二部分18中納米顆粒 的第二體積分?jǐn)?shù)范圍可從約百分之二至約百分之十。在一個(gè)實(shí)施例中，約百分之九十的納米顆粒直徑都小于約15納米，其具有約5到 約7納米的平均粒徑。在另一個(gè)實(shí)施例中，納米顆粒直徑的平均粒徑范圍可從3納米到100 納米。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層20的厚度可從約5微米到約40微米。在另一個(gè)實(shí)施例中，涂 層20的厚度可從約5微米到約30微米。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層12中的搪瓷可以為硼硅酸鹽玻璃。包括硼硅酸鹽的搪瓷 在其構(gòu)成上相當(dāng)復(fù)雜，具有主要由其構(gòu)成決定的物理和機(jī)械性能。硼硅酸鹽玻璃可由組合 物制備，其包括石英(SiO2)、硼砂(無(wú)水化學(xué)式Na2B4O7)、硼酸(H3BO3)、硝酸鉀(KNO3)、氟硅 酸鈉(Na2SiF6)和二氧化錳(MnO2)中的至少一種，并且進(jìn)一步可選地包括二氧化鈦(TiO2)、 三氧化二銻(Sb2O3)、氧化鈷[氧化亞鈷(CoO)，四氧化三鈷(Co3O4)和/或三氧化二鈷 (Co2O3)]、或氧化鋇(BaO)。在另一個(gè)實(shí)施例中，涂層12中的搪瓷可以由組合物制備，其包括石英、硼砂、硼 酸、硝酸鉀、氟硅酸鈉和二氧化錳中的至少一種，并且可選地二氧化鈦、三氧化二銻、鈷氧化 物[氧化亞鈷，四氧化三鈷和/或三氧化二鈷]、或氧化鋇中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施例中， 用于預(yù)焙燒的搪瓷組合物(不包括納米顆粒)的適合的組分范圍為約39至約52重量百分 數(shù)的石英，約15至約24重量百分?jǐn)?shù)的無(wú)水硼砂，約6至約12重量百分?jǐn)?shù)的硼酸，約5至約 8重量百分?jǐn)?shù)的硝酸鉀，約3至約6重量百分?jǐn)?shù)的氟硅酸鈉，約3至約12重量百分?jǐn)?shù)的二氧 化錳，和可選地一種或多種以下成分高達(dá)約15重量百分?jǐn)?shù)的二氧化鈦，高達(dá)約3重量百分 數(shù)的三氧化二銻，高達(dá)約1重量百分?jǐn)?shù)的氧化鈷和高達(dá)約1重量百分?jǐn)?shù)的氧化鋇。在一個(gè)實(shí)施例中，納米顆粒13可混合入涂層組合物以形成混合物或漿料。例如， 根據(jù)已知的實(shí)踐，搪瓷組合物的干組分可與水和納米顆粒13混合以形成漿料形式的干組 分和納米顆粒的水性分散物。然后混合物或漿料可覆蓋基體10的表面16沉積或應(yīng)用，例 如但不限于，通過(guò)空氣或靜電液體噴涂。然后基體10可在高溫下加熱或焙燒，例如在窯爐 或烘箱中?；蛘呒訜峥墒褂没鹁婊蚣す獍l(fā)生。加熱或焙燒可在以下溫度例如約700°C至 約1200°C，或約750°C至約900°C，從而融化混合物或漿料。加熱的溫度可與搪瓷的熔融溫 度相對(duì)應(yīng)。焙燒的時(shí)間可取決于層的厚度和基體的厚度。在固化處理過(guò)程中，納米顆粒梯 度產(chǎn)生以形成梯度涂層12。梯度可由用于加熱或焙燒基體10的時(shí)間和溫度控制，同時(shí)也由 混合物或漿料中納米顆粒的量控制。在另一個(gè)實(shí)施例中，納米顆粒并不遷移，并且形成無(wú)梯 度的涂層，其在整個(gè)涂層中具有基本一致的納米顆粒濃度。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一混合物或漿料可覆蓋基體10的表面16沉積或涂覆以形 成第一層，然后第二混合物或漿料可覆蓋第一混合物或漿料沉積以形成第二層。第二混合 物或漿料的沉積可緊隨第一混合物或漿料沉積之后或一段時(shí)間之后進(jìn)行。然后可將第一和第二層加熱以固化所述層。第一層可包括搪瓷而不含納米顆粒?；蛘叩谝粚涌砂麓珊?第一體積分?jǐn)?shù)的納米顆粒，例如高達(dá)百分之八。第二層可包括搪瓷和大于第一體積分?jǐn)?shù)的 第二體積分?jǐn)?shù)的納米顆粒。例如，納米顆粒的第二體積分?jǐn)?shù)可為約百分之二到約百分之十。涂層的最終組分將部分取決于焙燒條件，但可包括除氧化硼(B2O3)外的上述漿料 的干組分，其由焙燒期間漿料中的硼酸成分產(chǎn)生。最終涂層(不包括納米顆粒)的合適組 分的范圍為約39至約52重量百分?jǐn)?shù)的石英，約15至約24重量百分?jǐn)?shù)的硼砂(基于無(wú)水 化學(xué)式)，約7至約12重量百分?jǐn)?shù)的氧化硼，約5至約12重量百分?jǐn)?shù)的硝酸鉀，約3到約8 重量百分?jǐn)?shù)的氟硅酸鈉，約3到約12重量百分?jǐn)?shù)的二氧化錳，以及可選地以下的一種或多 種高達(dá)約12重量百分?jǐn)?shù)的二氧化鈦，高達(dá)約8重量百分?jǐn)?shù)的三氧化二銻，高達(dá)約1重量百 分?jǐn)?shù)的氧化鈷，以及高達(dá)約1重量百分?jǐn)?shù)的氧化鋇。在另一個(gè)實(shí)施例中，最終搪瓷組分(不包括納米顆粒)可為約46. 5重量百分?jǐn)?shù) 的石英，約21重量百分?jǐn)?shù)的硼砂(基于無(wú)水化學(xué)式Na2B4O7)，約7. 5重量百分?jǐn)?shù)的硼酸，約 6重量百分?jǐn)?shù)的硝酸鉀，約5重量百分?jǐn)?shù)的氟硅酸納，約11. 5重量百分?jǐn)?shù)的二氧化錳，和約 2. 5重量百分?jǐn)?shù)的三氧化二銻的混合物。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基體10可為工具，例如熱成型工具。因此，涂層12的 第一部分14可鄰近于工具表面，涂層12的第二部分18可鄰近于第一部分14。工具表面可 為任何合適的材料，例如但不限于鋼。涂層12可在工具用于熱成型作業(yè)之前的任何適合的 時(shí)間覆蓋工具表面成型。熱成型作業(yè)的例子包括但不限于，超塑成型(SPF)，快速塑性成型 (QPF)，鍛造，溫沖壓，吹塑成型。涂層12可防止工具表面和成型材料之間的金屬-金屬接觸。而且，涂層12可降 低工具表面重整的需要，這可提高產(chǎn)量并降低金屬表面加工成本。涂層12可提高使用工具 成型的零件的表面質(zhì)量。涂層12的第一部分14可具有對(duì)基體，例如工具表面優(yōu)異的附著 性。第一部分14也可非?？箟簯?yīng)力、抗層離和耐磨。第二部分18可提供與工件接觸的耐 磨、減摩和潤(rùn)滑的涂層。第二部分18因此可在延長(zhǎng)的時(shí)間段中在工具表面上保持理想的成 型條件。第二部分18增加的潤(rùn)滑性可減少使用涂層工具成型零件所需的潤(rùn)滑劑量。涂層12可覆蓋任何適合的基體應(yīng)用，例如工具。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層12可覆蓋 QPF工具應(yīng)用。圖2和圖3示出了 QPF工藝的工具20，包括下部工具22和上部工具24。梯 度涂層12可覆蓋下部工具22的成型表面26成型，涂層12可具有上文所述的第一和第二 部分。涂層12可覆蓋整個(gè)成型表面26成型或者涂層12可僅覆蓋成型表面26的一部分成 型。圖2和3還示出了最初為板材形式的工件28，其用工具20使形變來(lái)生產(chǎn)所需制 品。工具22和24的每個(gè)分別具有腔體30和32。雖然，在QPF的常規(guī)的工藝中，工具22和 24可由球墨鑄鐵、低碳或低合金鋼、或工具鋼(如AISI P20)制成，但是任何適合的材料都 可使用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解圖2和3目的僅是示意性表示QPF工具，且工件和工具可 以與圖示完全不同。如圖3所示，下部工具22的腔體30的表面通常為QPF工藝的成型表面，即，工件 28靠著其形變。工件28可由任何能表現(xiàn)出“超塑性”的材料制成，這意味著材料在適當(dāng)?shù)?條件(包括超細(xì)晶粒和在高處理溫度下)表現(xiàn)出非凡的延展性。適合的工件28材料的例 子包括鈦和鋁合金。
如圖2所示，工件28最初夾持在工具22和24之間，優(yōu)選地實(shí)現(xiàn)氣密密封。一旦 達(dá)到所需的處理溫度，不反應(yīng)氣體(如氬氣)通過(guò)入口 34泵送入上部工具24的腔32中， 逐漸地迫使工件28以受控的應(yīng)變率降入下部工具22的腔30中。下部工具22配備了出口 36從而允許氣體從下部腔30中排出。如圖3所示，氣體的壓力(吹塑成型的)使工件28 形變，而且最終與下部工具22的成型表面26的至少一部分一致。當(dāng)工件28形變時(shí)，工件 28接觸下部工具22的成型表面26上的涂層12。工件28在涂層12和/或成型表面26上 可滑動(dòng)、拉伸或擠壓。換句話說(shuō)，當(dāng)工件與成型表面26相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬工件28與涂層12 接觸。涂層12可防止表面26和工件28之間的金屬-金屬接觸，還會(huì)提高成型的工件28 的表面質(zhì)量。此后，將工件28從工具20中移除，而后裝載下一個(gè)工件。進(jìn)行試驗(yàn)以測(cè)試涂層基體的耐磨性。涂層試樣具有95mmX59mm的尺寸。試樣所 用的工具材料是P20工具鋼。樣品在每一測(cè)試前和測(cè)試后都用Iym拋光劑進(jìn)行拋光。涂層試樣的摩擦學(xué)性能用Plint TE-77型高頻摩擦機(jī)器測(cè)量。機(jī)器用于評(píng)估不同 潤(rùn)滑劑對(duì)滑動(dòng)接觸的鋁/鋼工具副的摩擦學(xué)性能的影響。測(cè)試包括兩個(gè)平的樣品，上部鋼 (模擬成型工具)和下部潤(rùn)滑的鋁板之間的接觸。上部鋼相對(duì)固定的鋁板進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每0. 1秒記錄數(shù)據(jù)。下述測(cè)試條件用于評(píng)估涂層試樣法向力50N，測(cè)試根據(jù) 潤(rùn)滑劑持續(xù)時(shí)間從數(shù)十秒到50分鐘，頻率0. 1Hz，溫度450°C。使用的短時(shí)數(shù)據(jù)收集和低滑動(dòng)速度允許觀察在每次單個(gè)滑動(dòng)期間(15mm行程)中 的摩擦學(xué)系統(tǒng)的摩擦性能，摩擦系數(shù)(FC)的高振蕩性能和每次具體行程中摩擦系數(shù)的振 幅。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄每次測(cè)試中的摩擦系數(shù)、接觸電勢(shì)(CP)、負(fù)載、溫度和頻率。每 種條件和潤(rùn)滑劑進(jìn)行三次測(cè)試。摩擦學(xué)測(cè)試的結(jié)果在圖4中給出。圖4示出了具有納米復(fù)合材料梯度涂層的基體 和無(wú)涂層基體對(duì)時(shí)間的摩擦系數(shù)。每個(gè)數(shù)據(jù)組的線條表示對(duì)應(yīng)于適于四階多項(xiàng)式曲線的三 次實(shí)驗(yàn)的振蕩摩擦系數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)曲線最適于得到平均摩擦系數(shù)。虛線對(duì)應(yīng)滑動(dòng)副，其包括 模具試樣(P20工具鋼)，該試樣涂有納米梯度涂層，該涂層包括搪瓷和五體積百分比氮化 硼納米顆粒，該滑動(dòng)副相對(duì)于具有約9微米厚度氮化硼涂層潤(rùn)滑的AA5083板金屬試樣滑 動(dòng)。實(shí)線對(duì)應(yīng)控制滑動(dòng)副，其包括無(wú)涂層的模具試樣(P20工具鋼)，該滑動(dòng)副相對(duì)于具有約 9微米厚度氮化硼涂層潤(rùn)滑的AA5083板金屬試樣滑動(dòng)。圖4中所示的結(jié)果表明涂層工具試樣的接觸時(shí)間相對(duì)于無(wú)涂層控制工具試樣增 加了 10倍。接觸時(shí)間是從測(cè)試開(kāi)始到當(dāng)接觸電勢(shì)陡降至零時(shí)刻之間的時(shí)間。這對(duì)應(yīng)于潤(rùn) 滑的鋁板和模具材料之間的第一金屬_金屬接觸。接觸時(shí)間的摩擦系數(shù)是當(dāng)接觸電勢(shì)達(dá)到 零時(shí)的摩擦系數(shù)，而且其對(duì)應(yīng)于從相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)到突然增大的摩擦系數(shù)時(shí)潤(rùn)滑體系的變 化。這表明由于潤(rùn)滑劑耗盡或增加的粗糙接觸會(huì)導(dǎo)致摩擦學(xué)失效。圖4所示的結(jié)果還表明涂層試樣相對(duì)于無(wú)涂層控制試樣降低了一半以上的穩(wěn)定 狀態(tài)的摩擦系數(shù)(SSFC)。SSFC是摩擦系數(shù)在其急速增加前的平均值。實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)定狀態(tài) 時(shí)間段定義為從滑動(dòng)開(kāi)始到接觸電勢(shì)降至零時(shí)刻之間的時(shí)間。本發(fā)明的實(shí)踐已經(jīng)用特定的實(shí)施例進(jìn)行了例證，但本發(fā)明的范圍并不限于這些示 例。
9
權(quán)利要求
一種用于熱金屬成型的涂層工具，包括用于熱金屬成型的工具；覆蓋所述工具的層，所述層包括在層中不均勻分布的搪瓷和氮化硼納米顆粒，其中，所述層的一側(cè)附著到所述工具上，所述層的相對(duì)側(cè)用于在熱金屬成型作業(yè)中與工件接觸，以及其中，氮化硼納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)在整個(gè)所述層中增加以在與所述工件接觸的所述層相對(duì)側(cè)達(dá)到最大體積分?jǐn)?shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中氮化硼納米顆粒的最大體 積分?jǐn)?shù)為約10%。
3. 一種用于熱金屬成型的涂層工具，包括用于熱金屬成型的工具，所述工具具有用于與金屬工件接觸的表面； 涂層的第一部分，其鄰近所述工具的表面并且包括搪瓷，或搪瓷和第一體積分?jǐn)?shù)的氮 化硼納米顆粒，其中所述第一體積分?jǐn)?shù)高達(dá)8% ；和涂層的第二部分，其鄰近涂層的第一部分并且包括搪瓷和具有大于所述第一體積分?jǐn)?shù) 的第二體積分?jǐn)?shù)的氮化硼納米顆粒，其中所述第二體積分?jǐn)?shù)是2%到10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述第二體積分?jǐn)?shù)為約5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中氮化硼納米顆粒的尺寸范 圍為從3nm到IOOnm0
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中涂層的第一和第二部分的 結(jié)合厚度為約5微米到約40微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷是硼硅酸鹽玻璃ο
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷由搪瓷組合物制 備，所述搪瓷組合物包括石英、硼砂、硼酸、硝酸鉀、氟硅酸鈉和二氧化錳。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于熱金屬成型的涂層工具，其中所述搪瓷組合物進(jìn)一步包 括二氧化鈦、三氧化二銻，氧化鈷，或氧化鋇的至少一種。
10. 一種方法，包括將至少一層涂層混合物應(yīng)用到熱成型工具的表面，其中所述涂層混合物包括搪瓷組合 物和預(yù)定體積分?jǐn)?shù)的氮化硼納米顆粒；和在預(yù)定溫度下加熱涂層混合物的層預(yù)定時(shí)間，從而覆蓋熱成型工具表面形成涂層； 其中，所述涂層包括鄰近表面的第一部分和鄰近所述第一部分的第二部分，所述第一 部分包括第一體積分?jǐn)?shù)的氮化硼納米顆粒，所述第二部分包括大于所述第一體積分?jǐn)?shù)的第 二體積分?jǐn)?shù)的氮化硼納米顆粒；和其中，所述第一體積分?jǐn)?shù)高達(dá)約8%，所述第二體積分?jǐn)?shù)為約2%到約10%。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱金屬成型工具的納米復(fù)合材料涂層。具體地，在一個(gè)實(shí)施例中，基體，例如用于熱金屬成型作業(yè)的工具，被涂覆上具有搪瓷納米顆粒梯度的涂層。涂層中的納米顆?？蔀榈鸺{米顆粒。涂層可包括鄰近基體表面的第一部分和鄰近第一部分的第二部分。涂層的第一部分可具有比第二部分較低體積分?jǐn)?shù)的納米顆粒。第一部分具有對(duì)基體表面優(yōu)異的附著性，第二部分減小了摩擦和磨損。通過(guò)在工具表面應(yīng)用至少一層涂層混合物并加熱涂層混合物，可形成涂層工具。通過(guò)使金屬工件靠工件涂層表面接觸，金屬工件可成型為制品。
文檔編號(hào)C10M103/00GK101905261SQ201010240178
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者A·T·莫雷爾斯 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司