Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kaltumformwerkzeugen, insbesonde re für das Kaltumformen höchstfester Stähle sowie das Kaltumformwerkzeug hierzu.

Insbesondere im Automobilbau besteht eine Bestrebung, die Karosserie von Fahrzeugen im mer leichter zu gestalten. In den vergangenen Jahren wurden hierzu Anstrengungen unter nommen, die darin mündeten, beispielsweise durch Presshärteverfahren, hochfeste Stahl komponente zur Verfügung zu stellen, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit mit vergleichswei se geringen Materialdicken und damit Gewichten auskommen. Mittlerweile hat insbesondere aus Gründen des Umweltschutzes und der Einsparung von Kraftstoffen das Thema Leichtbau bei den Automobilherstellern höchste Priorität. Es werden insbesondere sogenannte hoch-, höchst- und ultrahochfeste Stahlmaterialien eingebaut (UHSS - Ultra High Strength Steel, AHSS - Advanced High Strength Steel). Höchstfeste Stähle im Sinne der Anmeldung betref fen Stahl-Werkstoffe mit einer Zugfestigkeit von mehr als 350 MPa, insbesondere mehr als 600 MPa. Insbesondere Bauteile, wie Stoßstangenverstärkungen, Seitenaufprallträger, Sitz rahmen und Mechanismen sowie Chassiskomponenten werden aus solchen Materialien her gestellt.

Mit derartigen Werkstoffen kann das Gewicht gegenüber herkömmlicher Bauteile um bis zu 40% reduziert werden. Es können zudem Kosten gesenkt und die Produktionseffizienz ge steigert werden.

Bei der Umformung von Metallen finden hauptsächlich zwei Prozesse Anwendung, nämlich die Warmumformung und die Kaltumformung.

Mit Warmumformung werden all diejenigen Umformschritte bezeichnet, die oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Metalls stattfinden. Im Allgemeinen sind hierbei geringere Umformkräfte notwendig, weiters kommt es zu keiner Kaltverfestigung des Werkstücks wäh rend des Umformens.

Hierbei finden oft AI203 basierte Lösungen für die Warmumformwerkzeuge Anwendung, welche durch die oxidischen Bestandteile die Warmhärte und Oxidationsbeständigkeit der Gesamtschicht für die Hochtemperatur-Anwendung der Warmumformung steigern. Diese oxidische Schichten sind jedoch hart und spröde. Beschichtungen auf Warmumformwerk- zeugen haben zumeist das Ziel, der thermischen Belastung standzuhalten und weiters als Diffusionsbarriere zu wirken.

Eine Herausforderung in diesem Zusammenhang ist jedoch die Kaltumformung derartiger höchstfester Stähle.

Aufgrund ihrer Eigenschaft setzen diese Materialien den Umformwerkzeugen erheblich höhe re Kräfte entgegen, als dies ein üblicher Karosseriestahl tun würde.

Aufgrund der hohen Kontaktdrücke, die sich zwischen Werkstück und Werkzeug während der Kaltumformung von höchstfesten Stählen einstellen, sind insbesondere die tribologischen Belastungen der Werkzeuge sehr groß. Aus diesem Grund werden bei der Kaltumformung PVD-Schichten eingesetzt, deren Fokus auf die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit, der Verschleißerhöhung und Reduzierung der Rissausbreitung liegen, statt wie bei der Warmumformung auf oxidischen Schichten zurückzugreifen, welche eine höhere Warmhärte aufweisen, um der thermischen Ermüdung der Werkzeuge entgegen zu wirken. Da für eine wirtschaftliche Produktion lange Standzeiten der Werkzeuge notwendig sind, muss sicherge stellt werden, dass der Verschleiß aufgrund der extrem hohen Kontaktnormalspannungen reduziert wird. Ein Ansatz hierbei ist bei der Kaltumformung die Vorbehandlung der Werkstü cke und insbesondere der Zusatz höher additivierter Schmierstoffe.

Durch den Zusatz von Schmierstoffen können negative Auswirkungen auf die Gesundheit der Mitarbeiter auftreten, da beim Einsatz Schmierstoff-Emissionen in der Atemluft und auf der Haut der Mitarbeiter an den Arbeitsplätzen auftreten können. Darüber hinaus kann die Ver schleppung von Kühlschmierstoffen ins Umfeld der Maschine erzeugt werden, welche die Ökobilanz des gesamten Prozesses wiederum verschlechtern. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Kaltumformwerkzeuge her gestellt werden können, die eine verminderte Verschleißneigung zeigen und womit die Werk zeug-Einsatzdauer wesentlich erhöht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Reduktion des Schmieraufwands bei Umformprozessen, insbesondere von höchstfesten Stählen.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeich net.

Es ist eine weitere Aufgabe, ein entsprechendes Kaltumformwerkzeug zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit einem Kaltumformwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 ge löst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeich net.

Die Erfindung bezieht sich auf die besonderen Erfordernisse bei Kaltumformprozessen durch die hohen Umformkräfte insbesondere bei der Kaltumformung von höchstfesten Stählen. Zur Erfüllung dieser Erfordernisse wird für das erfindungsgemäße Kaltumformwerkzeug eine Mehrlagenhartstoffschicht aufgebracht aus einer aufgebrachten Titannitrid-Haftlage und da rauf abgeschiedenen abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromni trit. Durch diese spezifische Multilagenstruktur kann die Festigkeit und Tragfähigkeit der Ge samtschicht ausbildet, die von der Anwendung Kaltumformung von höchstfesten Blechen gefordert ist.

Des Weiteren kann das Risswachstum durch die Gesamtschicht, welches bei den hohen Be lastungskräften der Kaltumformung von höchstfesten Blechen beobachtet wird, durch die abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid aufgehalten wer den, indem die Risse an den Übergängen der Einzelschichten durch ihre unterschiedlichen Mikrostrukturen gestoppt werden. Als Toplage ist zur Verminderung des Losbrechmoments eine Titannitrid- oder alternativ eine Titancarbonitrid-Toplage vorgesehen. In der Beschreibung wird mit Schicht oder Layer oder Lage synonym eine einzelne Ebene des Mehrlagenschichtverbundes bezeichnet.

Der Fokus bei der gegenständlichen Erfindung ist auf die mechanischen und tribologischen Anforderungen der Kaltumformung ausgelegt, bei der die Warmhärte und Oxidationsbestän digkeit der Gesamtschicht und Einzellagen aufgrund der Applikation Kaltumformung vernach lässigbar sind. Oxidische Schichten sind ausgesprochen hart und spröde. Bei der Kaltumfor mung wird die Hauptbeanspruchung des Werkzeuges durch die auftretenden hohen Umfor mungskräfte sowie der Kaltverfestigung erzeugt, wodurch der Einsatz von oxidischen Schich ten, deren Vorzüge auf der thermischen Beständigkeit liegen, seltener ist und stärkerer Fo kus auf verschleißbeständige Multilagen-Schichten nitridischer Basis gelegt wird, welcher das Risswachstum hemmen und die mechanische Belastbarkeit steigern. Der Einsatz von oxidi schen Schichten im Kaltumform bereich ist des Weiteren nur begrenzt möglich, da die Syn these von z.B. AI203 Schichten für diesen Applikationsbereich die Erzeugung der alpha- AI203 Phase benötigt, welche mit den gängigen PVD/CVD-Verfahren erst ab Abscheidungs temperaturen > 1000°C erzielt werden kann. Durch die hohen Abscheidungstemperaturen und somit dem eingehenden thermischen Verzug und Härtereduzierung der Werkzeuge, können aufgrund der near-net-shape-Vorgaben nur begrenzt Werkzeuge der Kaltumformung mit diesen Prozessen beschichtet werden. Eine Beschichtung der gamma-AI203 Phase bei Temperaturen < 800°C für die Nutzung im Kaltumformung kommt entsprechend auch nur begrenzt in Betracht, da diese nicht vergleichbare mechanische Eigenschaften und Ver schleißbeständigkeit aufbringt wie andere nitridische PVD-Systeme.

Erfindungsgemäß wird die Oberfläche eines Kaltumformwerkzeuges, insbesondere zum Um formen höchstfester Stähle, dadurch verändert, dass auf der Oberfläche Hartstoffschichten mit reduziertem Reibungskoeffizienten aufgebracht werden. Die zugrundeliegende Idee ist durch die Erzeugung von Eigenschaftsgradienten an der Werkzeugoberfläche den lokalen Beanspruchungen besser Widerstand zu bieten. Die Oberfläche wird hierbei beispielsweise mit einer höheren Härte versehen, während das Werkzeug Substrat die erforderliche Zähigkeit gewährleistet.

Insbesondere wird erfindungsgemäß auf entsprechenden Werkzeugen eine PVD- Hartstoffschicht abgeschieden. Die Erzeugung von PVD-Schichten (Physical Vapor Deposition) ist seit langem bekannt und wird insbesondere bei Werkzeugen, insbesondere bei Schneidwerkzeugen eingesetzt.

Ein üblicherweise für solche Hartstoffschichten eingesetztes Verfahren ist das Lichtbogenver dampfen, auch Arc-PVD oder Arc-Evaporation genannt. Dieses Verfahren gehört zur Gruppe der physikalischen Gasphasenabscheidungen (PVD) und ist genauer gesagt ein Verdamp fungsverfahren.

Bei diesem Verfahren wird die Kathode bzw. das zu verdampfende Material auf ein negatives Potenzial gelegt, wobei ein Lichtbogen zwischen der Kammerwand der Vakuumkammer (ent sprechend als Anode wirkend) und der Kathodenoberfläche brennt. Die Kathode enthält das Material, was später zum Beispiel auf dem Werkstück, in diesem Fall auf dem Werkzeug, abgeschieden werden soll, wobei beispielsweise durch eine entsprechende Atmosphäre in der Kammer das Kathodenmaterial in der Plasmaphase auch mit entsprechenden Gasen (Re aktionsgasen) reagieren kann, um eine entsprechende Schicht auszubilden.

Bei dieser Lichtbogenverdampfung wird ein großer Teil des verdampften Materials ionisiert, wobei sich das Material radial in einem Sichtlinienprozess von der Kathodenoberfläche aus breitet. An das Substrat wird zusätzlich ein negatives Potenzial gelegt, so dass der ionisierte Metalldampf zum Substrat hin beschleunigt wird. Der Dampf kondensiert an der Substrat oberfläche, wobei durch die hohen Ionisierungsanteile und die negative Vorspannung am Substrat eine große kinetische Energie in die aufwachsende Schicht eingebracht werden kann. Hierdurch können unter anderem die Eigenschaften, wie zum Beispiel Schichthaftung, Dichte und Zusammensetzung, sowie Mikrostruktur der abgeschiedenen Schicht beeinflusst werden.

Allerdings ist es bekannt, dass Aluminiumchromnitrid- (AICrN) und Aluminiumtitannitrid- (AITiN) Schichten üblicherweise nur mit einem hohen Anteil an Makropartikeleinlagerungen (sogenann ten„Droplets") in die aufwachsende Schicht aufgebracht werden können bzw. beim Verdamp fen von Aluminiumchromkathoden eine hohe Makropartikelbildung festzustellen ist. Diese äu ßert sich in sogenannten Droplet-/Makropartikeleinlagerungen innerhalb der aufwachsenden Dünnschicht und einer entsprechend höheren Schichtrauheit. Diese Droplets bilden sich auch bei monolithischen Ausgestaltungen von Aluminiumchromnitrid- und Aluminiumtitannitrid- Schichten. Darüber hinaus weisen Aluminiumchromnitrid- und Aluminiumtitannitrid-Schichten eine vergleichsweise hohe Schichthärte und höheren Reibungskoeffizienten im Einsatz auf. Die höheren Schichtrauheiten, sowie die höheren Reibungskoeffizienten können jedoch im oberflä chennahen Bereich während der Umformung von z.B. höchstfesten verzinkten Stahlblechen von nachteiligem Effekt sein und zu Aufschweißungen führen, welche die Werkzeug-Einsatzdauer herabsetzen können. Bei den Aufschweißungen handelt es sich um einen adhäsiven Material übertrag vom weicheren, umgeformten Material auf das härtere Werkzeug.

Erfindungsgemäß wird daher eine zusätzlich dünne Titannitrid-Toplage (TiN) als letzte Schicht aufgebracht, welche durch ihre reduzierte Dropleteinlagerungen zu einer gleichmäßigeren, glatteren Schichtoberfläche führt. Eine weitere Eigenschaft der Titannitrid-Toplage ist der niedrigere Reibungskoeffizient als die darunterliegenden Lagen. Dadurch wird das Risiko von Aufschweißungen reduziert und somit das Einlaufverhalten der Schicht im Vergleich zu den darunterliegenden härteren Aluminiumtitannitrid-, Aluminiumchrommultilagen verbessert. Vor teilhafterweise wird das Einlaufverhalten durch die Titannitrid-Toplage verbessert aufgrund seiner guten Gleiteigenschaften und seines geringen Losbrechmoments (jene Kraft, die nötig ist zur Überwindung der Haftreibung und den Übergang in die Gleitreibung einleitet). Überra schenderweise absorbiert die Titannitrid-Toplage bei jedem Hub etwas Kraft, da die Titan nitrid-Toplage eine bessere Elastizität aufweist als die harten Aluminiumchromnitrid- und Alu- miniumtitannitrid-Schichten darunter. Eine dünnere TiN-Toplage als 0,1 pm führt zu keinem verbesserten Einlaufverhalten. Bei zu dicken TiN-Toplagen (dicker als 0,5 pm) kann die darun ter liegende Multilayer ihre vorteilhaften Eigenschaften, beispielsweise das langsamere Riss wachstum, nicht mehr zeigen. Besonders auszeichnen können sich TiN-Toplagen mit einer Dicke zwischen 0,2 und 0,3 pm. Dies stellt ein Optimum aus guten Einlaufeigenschaften und verlangsamter Werkzeugschädigung, beispielsweise durch Risswachstumshemmung, dar.

Statt der Titannitrid-Toplage (TiN) kann alternativ auch eine Titancarbonitrid-Toplage (TiCN) vorgesehen sein. Die Nutzung der Titannitrid-Toplage (TiN) ist beispielsweise bei der Kaltum formung von beschichteten ultra hochfesten Blechen vorzuziehen, da diese aufgrund ihrer ge ringeren Härte im Vergleich zur Titancarbonitrid-Toplage (TiCN) den Abrieb und somit die mögliche Aufschweißung der Beschichtung (z. B. elektrochemisch mit Zink galvanisiert) des ultrahochfesten Bleches auf dem Werkzeug reduziert. Des Weiteren erlaubt die Auswahl zwi schen den beiden Toplagen eine farbliche Diversifizierung für den Anwender falls diese ge wünscht ist, da die TiN Toplage eine goldene Färbung aufweist und die TiCN-Toplage eine grau-bläuliche Färbung. Vorteilhafterweise kann zusätzlich zuerst eine Titannitrid-Haftlage (TiN) auf das zu beschich tende Werkzeug abgeschieden werden.

Diese Haftlage kann zu einer besseren Anbindung der nachfolgenden Multilagen Beschich tung führen. Vorteilhafterweise weist die TiN-Haftlage eine Dicke von 0,2 bis 0,9 gm auf. Bei dickeren Schichten als 0,9 gm kann es zu so hohen Eigenspannungen in der Schicht kom men, dass die Schichthaftung schlechter wird. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine 0,4 bis 0,7 pm dicke Titannitrid-Haftlage, hier konnte die beste Schichthaftung erzielt werden.

Die obere Grenze kann auch bei 0,9 oder 0,8 oder 0,7 oder 0,6 pm Dicke gewählt werden.

Die untere Grenze kann auch bei 0,2 oder 0,3 oder 0,4 oder 0,45 pm Dicke gewählt werden. Für das Aufbringen der einzelnen Schichten der Multilayer werden bevorzugt Aluminium chrom- und Aluminiumtitan- sowie Titankathoden eingesetzt, wobei als Reaktivgas Stickstoff verwendet werden kann, zur Abscheidung von Aluminiumtitannitrid bzw. Aluminiumchromni trid-Schichten (AITiN-AICrN-Multilagensysteme). Diese Nitrid hartstoffschichten können auf grund ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften verschleißminimierend gegenüber den extremen Kontaktnormalspannungen und lokal thermischen Effekten wirken. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zuerst eine Aluminiumtitannitridschicht auf die optionale TiN- Haftlage abzuscheiden. Dadurch kann die Anbindung der folgenden Multilagen verbessert werden.

Das Wechselspiel von Lagen mit unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaf ten ist u. a. vorteilhaft um die Rissausbreitung zu verringern. Dabei haben die Erfinder er kannt, dass vorteilhafterweise je 5 Lagen AICrN und AITiN (also in Summe 10 Lagen) die Riss ausbreitung effektiv vermindern können. Jedoch können zu viele Lagen den Nachteil haben, dass mit steigender Schichtdicke die Eigenspannungen in der aufgebrachten Schicht so hoch werden können, dass es zu Schichthaftungsproblemen kommen kann. Es hat sich vorteilhaf terweise herausgestellt, dass hierfür die Anzahl an abwechselnden Schichtlagen 20 (also in Summe 40 bzw. 42 mit TiN-Haftlage und TiN- oder alternativ TiCN-Toplage) nicht überschrei ten sollte. Als obere Grenze an abwechselnden Lagen können auch je 20 oder 18 oder 16 oder 14 oder 12 Lagen AICrN und AITiN gewählt werden. Als untere Grenze an abwechselnden La gen können auch je 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9 oder 10 Lagen AICrN und AITiN gewählt werden.

Vorteilhafterweise können die einzelnen Aluminiumtitannitridschichten je 0,1 bis 0,5 pm dick sein. Bei dünneren Schichten als 0,1 pm können ggf. nicht die gewünschten Eigenschaften (etwas elastischer als AICrN) der Hartstoffschicht erzielt werden. Dickere Schichten insbeson- dere über 0,5 mih Dicke können so hohe Eigenspannungen aufweisen, dass die Schichthaftung schlechter wird. Besonders auszeichnen können sich Schichtdicken zwischen 0,2 und 0,3 pm da diese bereits funktionell wirken können, ohne zu hohe Eigenspannungen einzubringen. Die obere Grenze kann auch bei 0,50 oder 0,40 oder 0,35 oder 0,30 pm Dicke gewählt werden.

Die untere Grenze kann auch bei 0,10 oder 0,15 oder 0,20 pm Dicke gewählt werden.

Vorteilhafterweise können die einzelnen Aluminiumchromnitridschichten je 0,1 bis 0,5 pm dick sein. Bei dünneren Schichten als 0,1 pm können ggf. nicht die gewünschten Eigenschaften (beständig gegen Abrasiwerschleiß, sehr hart, zäher als AITiN, hohe Warmhärte - Tempera turstabilität bis ca. 900 °C) der Hartstoffschicht erzielt werden. Dickere Schichten insbesonde re über 0,5 pm Dicke können so hohe Eigenspannungen aufweisen, dass die Schichthaftung schlechter wird. Besonders auszeichnen können sich Schichtdicken zwischen 0,2 und 0,3 pm da diese bereits funktionell wirken können, ohne zu hohe Eigenspannungen einzubringen. Die obere Grenze kann auch bei 0,50 oder 0,40 oder 0,35 oder 0,30 pm Dicke gewählt werden.

Die untere Grenze kann auch bei 0,10 oder 0,15 oder 0,20 pm Dicke gewählt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird eine Schichtdickenkombination von jeweils 0,2 bis 0,3 pm je Aluminiumchromnitrid- und Aluminiumtitannitrid-Schicht gewählt. Durch das Wechselspiel an etwas elastischeren und etwas zäheren Lagen kann beispielsweise das Risswachstum verlangsamt werden und dadurch eine längere Standzeit des Werkzeugs gewährleistet werden.

Die Gesamtschichtdicke kann zwischen 1,5 und 21 pm betragen. Bevorzugt beträgt die Ge samtschichtdicke 10 bis 11 pm. Bevorzugt beträgt die Dicke des AITiN-AICrN-Multilagensystem mehr als 5 pm, da die Rissausbreitung verlangsamt wird.

Die chemische Zusammensetzung der Lagen beträgt beim Titannitrid (Haftlage und Toplage) 40 bis 50 Atom-% Titan und 50 bis 60 Atom-% Stickstoff, beim Titancarbornitrid (alternative Toplage) 20 bis 23 Atom-% Kohlenstoff, 30 bis 33 Atom-% Stickstoff und 44 - 50 Atom-% Titan, beim Aluminiumchromnitrid 30 bis 40 Atom-% Aluminium, 10 bis 20 Atom-% Chrom und 45 bis 55 Atom-% Stickstoff und beim Aluminiumtitannitrid 8 bis 14 Atom-% Aluminium, 30 bis 40 Atom-% Titan und 40 bis 50 Atom-% Stickstoff. In anderen Worten: Ti _z Ni- _z mit z = 0,4 bis 0,6, Ti _x CyNi- ₍ x _+y) mit x = 44 bis 50 und y = 20 bis 23, Rest Stickstoff, Al _a Cr _b Ni- _(a+b) mit a = 30 bis 40 und b = 10 bis 20, Rest Stickstoff und Al _c Ti _d Ni-( _C+d) mit c = 8 bis 14 und d = 30 bis 40, Rest Stickstoff. Der erfindungsgemäße Schichtaufbau auf dem Kaltumformwerkzeug kann mit einem Duplex- Verfahren (in-situ Plasmanitrieren und nachfolgende PVD-Beschichtung) abgeschieden wer den. Bevorzugte Substrate sind alle Werkstoffe die plasmanitrierbar sind, insbesondere Me tallmaterialien, insbesondere HSS (Schnellarbeitsstahl) und Hartmetall. Im Sinne der Anmel dungen wird das zu beschichtende Metallmaterial als Substrat bezeichnet. Die Anmelderin stellt dafür die Beschichtungsanlagen alpha 400P und alpha 900P her. Beim Duplex-Verfahren sind beide Arbeitsgänge (Plasmanitrieren und PVD-beschichten) in einem Prozess hintereinan der geschalten, ohne dazwischen die Anlage belüften zu müssen. Beim Plasmanitrieren diffun diert Stickstoff in die Randzone ein, wodurch die Oberflächen härte des Werkzeugwerkstoffes erhöht wird. Die Bildung von störenden Verbindungsschichten wird dabei unterdrückt. Dadurch kann das Werkstück optimal vorbereitet werden (gute Stützwirkung) für die folgende, harte, spröde PVD-Beschichtung.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Herstellen eines Kaltumformwerkzeuges, insbe sondere zum Kaltumformen höchstfester Stähle, wobei das Kaltumformwerkzeug das Ober und/oder Unterwerkzeug eines Umformwerkzeugsatzes ist, wobei das Kaltumformwerkzeug aus einem Metallmaterial ausgebildet ist und eine Formoberfläche besitzt, die so konstruiert ist, dass ein umgeformtes Blech die gewünschte Endkontur des Bauteils aufweist,

wobei dass auf der Formoberfläche des Umformwerkzeuges über physikalische Gasphasenab scheidung eine Hartstoffschicht abgeschieden wird, wobei die Hartstoffschicht aus einer Titan nitrid-Haftlage und darauf abgeschiedenen abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid besteht, wobei als äußerste einem zu formenden Werkstück zuge wandten Außenfläche als letzte Schicht eine Titannitrid-Toplage oder eine Titancarbonitrid- Toplage abgeschieden ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass auf die Titannitrid-Haftlage als erste Lage der abwechselnd abgeschiedenen Lagen zuerst eine Aluminiumtitannitridschicht abge schieden wird.

Bei einer wiederum vorteilhaften Ausführungsform werden je fünf bis zwanzig abwechselnde Schichten auf die Titannitrid-Haftlage abgeschieden bevor eine abschließende Titannitrid- Toplage oder eine Titancarbonitrid-Toplage abgeschieden wird.

Es ist vorteilhaft, wenn die Titannitrid-Haftlage (2) eine Dicke von 0,2 Mikrometern bis 0,9 Mikrometern, bevorzugt von 0,4 Mikrometern bis 0,7 Mikrometern besitzt.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die Aluminiumtitannitridschichten (3) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern besitzen.

Vorteilhafterweise besitzen die Aluminiumchromnitridschichten (4) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern.

In einer weiteren Ausführungsform besitzt die abschließende Titannitrid-Toplage (5) oder eine Titancarbonitrid-Toplage eine Dicke von 0,2 bis 0,5 Mikrometern, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 Mikrometern.

Bei einer wiederum vorteilhaften Ausführungsform ist die chemische Zusammensetzung der Lagen folgendermaßen: Haft- und Toplage Ti _z Ni- _z mit z = 0,4 bis 0,6, als alternative

Toplage Ti _x CyNi- _(X+y) mit x = 44 bis 50 und y = 20 bis 23, Rest Stickstoff, Al _a Cr _b Ni- _(a+b) mit a = 30 bis 40 und b = 10 bis 20, Rest Stickstoff und Al _c Ti _d Ni-(c _+d) mit c = 8 bis 14 und d = 30 bis 40, Rest Stickstoff.

Die Erfindung betrifft ferner ein Kaltumformwerkzeug, welches eine Hartstoffbeschichtung Aufweist, die nach dem oben beschriebenen Verfahren abgeschieden wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Hartstoffschicht aus sich abwechseln den Aluminiumtitannitridschichten (3) und Aluminiumchromnitridschichten (4) ausgebildet ist, wobei abschließend eine Titannitrid-Topschicht (5) oder eine Titancarbonitrid-Topschicht vorhanden ist.

Bei einer wiederum vorteilhaften Ausführungsform ist als erste Schicht auf dem Werkzeug eine Titannitrid-Haftlage (2) vorhanden und anschließend sind die Aluminiumtitannitrid schichten (3) und Aluminiumchromnitridschichten (4) und die abschließende Titannitrid- Toplage (5) oder eine Titancarbonitrid-Toplage vorhanden.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:

Figur 1 einen beispielhaften Schichtaufbau mit einer Titannitrid-Haftlage 2 auf einem

Substrat 1 mit je 15 wechselnden Lagen aus Aluminiumtitannitrid-Schichten 3 und Aluminiumchromnitrid-Schichten 4 und einer Titannitrid-Toplage 5 in einer ersten Ausführungsform; Figur 2 einen abstrahierten Kalottenschliff, d.h eine Draufsicht, bei der die einzelnen Schichten erkennbar sind;

Figur 3 einen metallographischen Vergleich von Modellschichten mittels Kalottenschliff, die auf zwei unterschiedlichen Anlagen auf eine Probe aufgebracht wurden;

In Figur 1 ist ein beispielhafter Schichtaufbau mit einer Titannitrid-Haftlage 2 auf einem Sub strat 1 mit je 15 wechselnden Lagen aus Aluminiumtitannitrid-Schichten 3 und Aluminium chromnitrid-Schichten 4 und einer Titannitrid-Toplage 5 in einer ersten Ausführungsform, wo bei auf die Titannitrid-Haftlage 2 direkt eine Aluminiumtitannitrid-Schicht 3 folgt.

In Figur 2 ist ein abstrahierter Kalottenschliff abgebildet. Beim Kalottenschliff schleift eine Kugel eine Kalotte (Kugelkappe) in die Oberfläche. Schleift man durch die Multilayer bis zum Substrat, kann man im innersten Kreis das Substrat erkennen. Man erkennt die modellhaften Lagenstrukturen. Zunächst wird auf das Substrat 1 eine Titannitrid-Haftlage 2 aufgebracht, die die Haftung zwischen den nachfolgenden Schichten und dem Substrat 1 verbessert. Auf die Titannitrid-Haftlage 2 folgt vorteilhafterweise direkt eine Aluminiumtitannitrid-Schicht 3. Anschließend wechseln sich Aluminiumtitannitridschichten 3 und Aluminiumchromnitridschich ten 4 ab, wobei diese Schichten jeweils 15-fach abgeschieden werden und abschließend eine Titannitrid-Toplage 5 abgeschieden wird.

In Figur 3 erkennt man die metallographischen Kalottenschliffe von zwei modellhafte Lagen strukturen, die auf einem zylindrischen Probenkörper aus dem entsprechenden Stahlmaterial aufgebracht wurden. Schichtaufbau wie bei Figur 2. Das Beschichtungssystem links wurde auf einer Beschichtungsanlage alpha 400P der Anmelderin aufgebracht, das Beschichtungssys tem rechts wurde auf einer Beschichtungsanlage alpha 900P der Anmelderin aufgebracht.

In den Figuren nicht dargestellt ist die beispielhafte Verwendung einer Titancarbonitrid- Toplage anstelle einer Titanitrid-Toplage.

Die Erfindung wird folgend anhand eines konkreten Beispiels erläutert:

Die chemische Zusammensetzung der Lagen besteht im Beispiel beim Titannitrid aus ca. 45 Atom-% Titan und ca. 55 Atom-% Stickstoff, beim Aluminiumchromnitrid ca. 35 Atom-% Alu minium, ca. 15 Atom-% Chrom und ca. 50 Atom-% Stickstoff, während beim Aluminiumtitan nitrid etwa 11 Atom-% Aluminium, 35 Atom-% Titan und 45 Atom-% Stickstoff enthalten sind. Hergestellt wird eine Beschichtung für Kaltumformwerkzeuge in Form einer mehrlagigen Hart stoffbeschichtung, die unter Verwendung der PVD-ARC-Technologie vom Substrat 1 (Werk zeug-Grundwerkstoff, Metallmaterial) her als eine Abfolge von einer TiN-Haftlage 2, einem AITiN-AICrN Multilagensystem (15 Einzellagen) und einer TiN-Toplage 5 abgeschieden wird und in der Lage ist, die Standzeit des Kaltumformwerkzeuges zu verbessern. Die Optimierung der Werkzeugstandzeit wird dadurch erreicht, dass das PVD arc-basierte AITiN-AICrN Multila gensystem, aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften verschleißminimie rend gegenüber den extremen Kontaktnormalspannungen und lokal thermischen Effekten bei der Umformung wirkt. Die zusätzliche dünne TiN-Toplage 5 begünstigt das Einlaufverhalten der Schicht und reduziert die Reibung im Vergleich zu den darunterliegenden härteren AITiN- AICrN Multilagen.

Die 0,5 pm dicke TiN-Haftlage 2 wird bei einer ansteigenden Substrattemperatur-Rampe von 400 b 450 °C und einer absteigenden Substratvorspannung von 600 - 220 V und einem Ver dampferstrom von 60 A mit Hilfe des Reaktionsgases N2 bei 1,2*10 ^~2 mbar abgeschieden. Die Zusammensetzung der TiN-Haftlage 2 beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 45 Atom-% Ti und 55 Atom-% AI.

Die 0,2 bis 0,3 pm dicke AITiN-Lage 3 des AITiN-AICrN Multilagensystem startet mit einer Al- TiN-Lage mit höherer Ti-Konzentration, die bei 450 °C Substrattemperatur, bei 200 V Sub stratvorspannung und zeitgleicher Abscheidung von AITi-Kathoden bei 55 A und Ti-Kathoden bei 60 A mit Hilfe des Reaktionsgases N2 bei 2*10 ^~2 mbar abgeschieden wird. Die Zusammen setzung der AITiN-Einzellage beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 11 Atom-% AI, 35 Atom-% Ti und 54 Atom-% N.

Die darüberliegende 0,2 bis 0,3 pm dicke AICrN-Lage 4 des AITiN-AICrN Multi lagensystem wird bei 450 °C Substrattemperatur, bei 80 V Substratvorspannung und einem AICr-Kathodenstrom von 105 A mit Hilfe des Reaktionsgases N2 bei 2*10 ^~2 mbar abgeschieden wird. Die Zusam mensetzung der AICrN-Einzellage 4 beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 35 Atom-%

AI, 15 Atom-% Ti und 50 Atom-% N.

Die AITiN- 3 und AICrN-Einzellagen 4 werden 15mal hintereinander beschichtet und erzeugen das benannte AITiN-AICrN Multilagensystem. Die 0,2 mih dicke TiN-Toplage 5 wird bei einer ansteigenden Substrattemperatur 450°C und einer Substratvorspannung 80 V und einem Ti-Kathodenstrom von 60 A mit Hilfe des Reakti onsgases N2 bei 2*10 ^~2 mbar abgeschieden. Die Zusammensetzung der TiN-Toplage 5 beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 45 Atom-% Ti und 55 Atom-% AI.

Die Schichtdicke des Gesamt-Schichtverbundes des Beispiels liegt bei5 - 7 pm. Die Formober fläche 6 ist die dem Werkstück zugewandte Werkzeugoberfläche.

Die Schichteigenschaften bzgl. Werkzeugstandzeit wurden an einem Stanzwerkzeug bestimmt, da Stanzversuche und die damit zusammenhängenden Parameter besser definiert sind als Umformversuche. Alle Stanzversuche wurden an einer exzentrischen Presse (four pillar eccentric press, 15000kg) durchgeführt. Beschichtet wurde jeweils ein Stanzwerkzeug aus Kaltarbeitsstahl (mit 0,7 Gew.-% Kohlenstoff, 5 Gew.-% Chrom, 2,3 Gew.-% Mo, 0,5 Gew.-% Vanadium, 0,5 Gew.-% Mangan, 0,2 Gew.-% Si und einer Härte von 60 bis 61 HRc). Damit wurde ein 1,5 mm dickes Blech aus höchstfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1400 MPa ohne zusätzliche Schmierung gestanzt.

Stanzparameter:

Schlagzahl: 160-170 Hübe/Minute

Vorschubgeschwindigkeit (bei 1,5 mm dickem Stahlblech): 8 m/min

Druck: 72500-74000 N

Die Standzeit wurde im Vergleich zu einer Aluminiumtitannitrid-basierten Referenzschicht gemessen und als Abbruchkriterium wurde das Werkzeugversagen bzw. die Grathöhe am ge stanzten Werkstück/Bauteil herangezogen. D.h. wenn Werkzeugversagen eintritt, dann ist der Verschleiß an den Kantenbereichen des Werkzeuges so hoch, dass eine kritische Grathöhe am Werkstück/Stahlblech erzielt wird. Dabei erzielte die Aluminiumtitannitrid-basierte Referenz schicht bei 65000 Hüben eine kritische Grathöhe und das erfindungsgemäß beschichtete Werkzeug erst nach 365000 Hüben die kritische Grathöhe. Das entspricht einer 5fachen Ver längerung der Standzeit.

Statt der TiN-Toplage kann auch eine TiCN-Toplage verwendet werden. Die 0,2 pm dicke TiCN-Toplage kann bei einer ansteigenden Substrattemperatur 450°C und einer abfallenden Substratvorspannung von 150 V auf 50 V und einem abfallenden Ti-Kathodenstrom von 60 A auf 42 A mit Hilfe der Reaktionsgase N2 und CH bei 2*10 ^~2 mbar abgeschieden werden. Die Zusammensetzung der TiCN-Toplage beträgt im Rahmen der Messungenauigkeit: 20 bis 23 Atom-% C, 30 -33 Atom-Prozent N2 und 44 - 50 Atom-% Ti.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass bei der Multilagenanordnung auf einem Werkzeug nach der Erfindung die Standzeit signifikant erhöht werden konnte.

Bezuaszeichenliste

1 Meta II material, Substrat (zu beschichtendes Werkzeug) 2 Titannitrid-Haftlage (TiN-Haftlage)

3 Aluminiumtitannitridschichten (AITiN-Schicht)

4 Aluminiumchromnitridschichten (AICrN-Schicht)

5 Titannitrid-Toplage (TiN-Toplage)

6 Formoberfläche