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Dokumentenidentifikation DE69218481T2 09.10.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0499197
Titel Verbessertes Presswerkzeug zur Metallbearbeitung und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder Hughes Aircraft Co., Los Angeles, Calif., US
Erfinder Matossian, Jesse N., Woodland Hills, CA 91367, US;
Wysocki, Joseph A., Oxnard, CA 93033, US;
Wilson, Robert G., Canoga Park, CA 91360, US;
Yamagishi, Frederic G., Newbury Park, CA 91320, US;
Ryntz, Edward F., Jr., Warren, Michigan 48093, US
Vertreter Witte, Weller, Gahlert, Otten & Steil, 70178 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69218481
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 11.02.1992
EP-Aktenzeichen 921022349
EP-Offenlegungsdatum 19.08.1992
EP date of grant 26.03.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.10.1997
IPC-Hauptklasse C23C 18/12
IPC-Nebenklasse C23C 14/48   C23C 18/14   B21J 13/02   B21D 37/20   C08J 7/04   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges für die Bearbeitung eines Werkstückes, wobei das Werkzeug eine vorbestimmte Form aufweist, bei dem ein Substrat bereitgestellt wird, das die vorbestimmte Form eines Werkzeuges zur Materialbearbeitung aufweist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein beschichtetes Werkzeug zur Materialbearbeitung, das eine verlängerte Funktionslebensdauer aufweist, mit einem Substrat, das die vorbestimmte Form eines Werkzeuges zur Materialbearbeitung aufweist, und mit einer Beschichtung auf der Oberfläche des Substrates.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung Arbeitsvorgänge zur Metallbearbeitung, und genauer eine Stempelausrüstung mit verbessertem Widerstand gegen Verschleiß.

Viele Gegenstände aus Metall werden durch Metallbearbeitungstechniken in ihre endgültigen Formen und Abmaße gebracht. Bei einer derartigen Technik wird ein aus dünnem Metall bestehender Gegenstand unter Verwendung eines metallformenden Stempels aus einer dünnen Platte oder einem aufgewikkelten Streifen eines metallenen Werkstückes ausgeformt. Der Stempel ist ein weiteres Materialteil mit einer vorbestimmten Form, die dabei hilft, das Werkstück in seine Zwischen- oder Endform zu verformen. Blechartige Werkstücke werden üblicherweise verformt, indem das Blech unter Verwendung einer Patrize in eine Matrize gedrückt wird.

Einige der Arbeitsvorgänge beim Gesenkformen haben große Gesamtproduktionen an metallenen Werkstücken und fertigen gängige Produkte. Die meisten Automobile haben z.B. Karosserieteile aus Metall. Um diese Teile zu fertigen, werden flache Stücke von Metallblech geformt, indem das Ausgangsblech über eine Matrize gelegt wird, woraufhin dann das Blech mit einer geeignet geformten Patrize in die Matrize gedrückt wird. Das sich ergebende Stück hat die komplexe Form des Karosserieteiles.

Die Lebensdauer von Stempeln wird normalerweise durch Verschleiß begrenzt, der Veränderungen in deren Abmaßen und folglich in den Abmaßen der gefertigten Stücke bewirkt. Wenn das einzelne Stück geformt wird, entfernt die Reibung zwischen dem blechartigen Werkstück und dem Stempel eine geringe Menge an Material von dem Stempel. Schließlich ist der Stempel in den Abmaßen so verändert, daß die endgültigen Produkte hinsichtlich der Abmaße den Standards nicht mehr entsprechen.

Bei Produktionsverfahren werden die Stempel aus Spezialstählen oder anderen eisenhaltigen Materiallegierungen hergestellt, die verglichen mit den unter Verwendung dieser Stempel produzierten Gegenständen sehr hart und strapazierfähig sind. Derartige Stempel können verwendet werden, um tausende von einzelnen Stücken zu fertigen. Diese in Produktionsverfahren verwendeten Stempel sind typischerweise aus einer Reihe von Gründen aufwendig herzustellen, wozu die Schwierigkeit bei der Bearbeitung harter Materialien und das Erfordernis zählen, umfassende Oberflächenbehandlungen durchzuführen.

Es gibt einen ökonomischen Anreiz in der Fertigungsindustrie, teure Werkzeuge und Stempelmaterialien aus Eisenlegierungen durch weniger teure Nichteisen-Materialien zu ersetzen. Diese Nichteisen-Materialien können Metalle auf Zinkoder Aluminiumbasis oder sogar nicht metallische Materialien, wie z.B. Plastik oder Epoxid sein. Das Problem ist jedoch, daß alle diese Nichteisen-Materialien verglichen mit eisenhaltigen Materialien eine reduzierte Verschleißdauer aufweisen. Die Verwendung von Nichteisen-Materialien wurde daher auf die Prototypenfertigung oder begrenzte Produktionsläufe beschränkt, wo es nicht erforderlich ist, daß der Stempel tausende von Stücken fertigen kann. Damit die Nichteisen- Stempelmaterialien in der Produktion anwendbar sind, müssen Techniken entwickelt werden, um ihre Verschleißdauer zu verlängern.

Es gibt daher einen andauernden Bedarf an verbesserten Nichteisen-Stempelmaterialien, die preiswert sind und akzeptable Verschleißdauereigenschaften aufweisen.

Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und liefert darüber hinaus entsprechende Vorteile, weil das eingangs erwähnte Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Beschichten des Substrates mit einer Beschichtung aus einem organischen Material, das mit Silizium modifiziert wurde; und

- Implantieren der Beschichtung mit Atomen eines inerten Gases in hinreichender Zahl und mit hinreichender Energie, um das mit Silizium modifizierte organische Material wenigstens teilweise in eine Beschichtung zu transformieren, die Siliziumcarbid enthält.

Darüber hinaus wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das eingangs erwähnte Werkzeug zur Materialbearbeitung durch die oben erwähnten Schritte zu erhalten ist.

Die vorliegende Erfindung schafft verbesserte Nichteisen-Stempelmaterialien und Stempel zur Verwendung bei Metallbearbeitungsvorgängen. Die Stempelmaterialien und Stempel gemäß der Erfindung sind weniger Verschleiß ausgesetzt als bisherige Nichteisen-Stempelmaterialien und Stempel und haben daher längere Lebensdauern in dem Sinne, daß mehr Stücke produziert werden können, bevor die Stempel ersetzt werden müssen.

In übereinstimmung mit der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges für die Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem das Werkstück eine vorbestimmte Form aufweist, die Schritte: Bereitstellen eines Substrates mit der vorbestimmten Form eines Werkzeuges zur Materialbearbeitung; Beschichten des Substrates mit einer Beschichtung aus einem organischen Material, das mit Silizium modifiziert wurde; und Implantieren der Beschichtung mit Atomen eines inerten Gases in hinreichender Zahl und mit hinreichender Energie, um das mit Silizium modifizierte organische Material wenigstens teilweise in eine Beschichtung zu transformieren, die Siliziumcarbid enthält.

Bei diesem Verfahren wird das Substrat durch eine übliche Technik wie z.B. durch spanabhebende Formgebung in die gewünschte Stempelform und auf die gewünschten Abmaße gebracht. Das Substrat ist vorzugsweise ein bekannter Typ eines Nichteisen-Stempelmaterials, wie z.B. ein ausgegossenes Epoxid oder eine Metallegierung auf Zinkbasis. Die Oberflächen des Stempels, die am meisten dem Verschleiß ausgesetzt sind, werden mit einem mit Silizium modifizierten organischen Material, wie z.B. einem organischen Silan, beschichtet, das außerdem Wasserstoff und Kohlenstoff enthält. Diese Beschichtung ist vorzugsweise dünn, mit einer Dicke in der Größenordnung von 200 Nanometern (oder anders ausgedrückt 2000 Angström). Weil die Beschichtung so dünn ist, kann das ursprüngliche Substrat auf im wesentlichen dieselben Abmaße wie bei üblichen Vorgehen gefertigt werden, wo keine Beschichtung verwendet wird, was für die Stempelhersteller ein wichtiger Vorteil ist. Nachdem die Beschichtung angebracht wurde, wird sie mit Atomen eines inerten Gases, die vorzugsweise als Ionen bereitgestellt werden, von hinreichender Energie und mit einer hinreichenden Gesamtdosis implantiert (bombadiert), um das organische Material zu verändern und Wasserstoff zu entfernen. Die Verwendung von Ionenplantation zum Transformieren der aufgebrachten Beschichtung in eine Beschichtung mit anderen Eigenschaften, als sie die ursprüngliche Beschichtung aufwies, ist als Ionenstrahlmischen, durch Ionenstrahl verstärkte Ablagerung (IBED) oder durch Ionenstrahl unterstützte Ablagerung (IBAD) bekannt. Beispiele von akzeptierbaren Ionenimplantationstechniken zur Transformierung der Beschichtung sind die direkte Implantation oder die Plasmaquellen- Ionenimplantation, wie sie in dem US-Patent 4,764,394 beschrieben sind. Diese Implantationsbehandlung transformiert die Beschichtung in eine Siliziumcarbid enthaltende Schicht, in der üblicherweise etwas Wasserstoff verbleibt. Die Siliziumcarbid enthaltende Schicht verbessert den Verschleißwiderstand des Stempels, wodurch seine Lebensdauer während des Einsatzes verlängert wird.

Der erfindungsgemäße Ansatz hat den wichtigen Vorteil, daß die Oberflächen des Stempels nach der endgültigen Bearbeitung und ohne daß die Temperatur des bearbeiteten Stempels merklich erhöht werden muß, behandelt werden, um eine verbesserte Funktion zu erhalten. Andere Oberflächenbehandlungen zur Verbesserung der Stempelfunktion erfordern typischerweise, daß der Stempel auf wenigstens einige hundert Grad während des Verfahrens der Oberflächenbehandlung aufgeheizt und dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Derartige Temperaturveränderungen während der Oberflächenbehandlung können dazu führen, daß sich der Stempel wegen der Spannungen in dem Stempel und wegen ungleichmäßigem Aufheizen und Abkühlen aus der gewünschten Form deformiert. Wenn das Stempelmaterial selbst eine organische Komponente enthält, wie es bei einem ausgegossenen Polymer, wie z.B. einem Epoxid der Fall ist, können Oberflächenbehandlungen einfach nicht möglich sein, weil die organische Komponente die für die Oberflächenbehandlung erforderliche Temperatur nicht ertragen kann. Ein anderer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes besteht darin, daß nur geringe oder nicht signifikante Abmaßveränderungen bei dem implantierten Gegenstand hervorgerufen werden.

Folglich schafft die vorliegende Erfindung einen Vorteil bei der Technik von metallbearbeitenden Stempeln. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, die im Wege eines Beispieles die Prinzipien der Erfindung darstellt.

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Patrizen/Matrizen-Satzes von Stempeln zur Metallbearbeitung während einer Formoperation;

Fig. 2 ist eine stark vergrößerte Seitenansicht eines Teiles einer Stempelwulst mit einer Beschichtung aus einem mit Silizium modifizierten organischen Material;

Fig. 3 ist eine Seitenansicht ähnlich Fig. 2, nachdem die Ionenplantationsbehandlung vollendet wurde; und

Fig. 4 ist eine stark vergrößerte Seitenansicht einer Stempelwulst nach Stickstoffimplantation.

Im Wege einer Hintergrundinformation zeigt Fig. 1 einen Stempelsatz 20 mit einer Patrize 22 und einer Matrize 24 in einem Zwischenschritt bei der Fertigung eines Werkstückes 26 aus dünnem Blech. Die Matrize 24 hat eine Stempeloberfläche 28 in der vorbestimmten, gewünschten Endform des Werkstückes 26. Die Patrize 22 hat eine entsprechend vorbestimmte Form, um das Werkstück 26 in die Matrize 24 zu drücken, bis das Werkstück 26 die gewünschte Endform erreicht, wie sie durch die Stempel definiert ist.

An allen Flächen der Stempel 22 und 24, die das Werkstück 26 kontaktieren, tritt Reibungsverschleiß auf. Auf diese Flächen wird typischerweise Schmiermittel gegeben, um die Reibung und damit den Verschleiß zu reduzieren, Verschleiß tritt dennoch auf. Nach einer Anzahl von Formoperationen mit einer Abfolge von Werkstücken können die durch Verschleiß induzierten Änderungen in den Abmaßen des Werkzeuges so groß werden, daß das gefertigte Stück nicht länger innerhalb der erforderlichen Toleranzen liegt. Die Stempel werden dann aufpoliert oder abgezogen, wobei beide Verfahren aufwendig sind.

Wie sich aus der Fig. 1 ergibt und wie es die Erfahrung mit Gesenkformen zeigt, liegt die größte Wahrscheinlichkeit von durch Verschleiß induzierter Beschädigung typischerweise bei einer Stempelwulst 30, an der das Werkstück in die Matrize 24 eintritt. Die Kombination von Biege- und Reibungskräften erzeugt an der Stempelwulst 30 den schwerwiegensten Schaden. Die vorliegende Erfindung wird daher am vorteilhaftesten im Zusammenhang mit dem Schutz der Stempeiwulst 30 verwendet, obwohl sie auf andere Bereiche der Stempel 22 und 24 anwendbar ist.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen die gekrümmte Stempelwulst 30 in stark vergrößerter Form als einen bevorzugten Bereich des Stempelsatzes 20, auf den die vorliegende Erfindung angewandt werden kann. Als Ausgangsschritt des vorliegenden Ansatzes werden die Stempelwulst 30 und die übrigen Bereiche der Stempel 22 und 24 bereitgestellt in ihrer endgültigen vorausgewählten Form und Größe für den Formbetrieb. Die Möglichkeit, die Stempel am Beginn des Verfahrens in ihre endgültige Form zu bringen, ist aus zwei Gründen wichtig. Als erstes wird es dadurch ermöglicht, daß die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit etablierten Stempelstrukturen verwendet wird. Zweitens sind keine aufwendigen Bearbeitungsoperationen nach der Behandlung erforderlich. Im Gegenteil, einer der Gründe, warum andere Stempelbehandlungen so aufwendig sind, liegt darin, daß sie eine anfängliche Sorgfalt erfordern, um einen Stempel für eine Oberflächenbehandlung zu erzeugen, und dann eine abschließende Präzisionsbearbeitung des Stempels erfordem, nachdem die Behandlung abgeschlossen ist. Die Form und Größe des Stempels muß oft speziell für den Behandlungsprozeß ausgewählt werden, woraufhin dann der behandelte Stempel nach der Oberflächenbehandlung durch maschinelle Bearbeitung in die endgültige gewünschte Form gebracht wird. Der vorliegende Ansatz erfordert keine derartige Endbearbeitung, wobei eine derartige Endbearbeitung der Stempeloberflächen so gar nicht erlaubt ist, weil das die dünne bearbeitete Schicht zerreißen würde.

Die Wulst 30 beinhaltet ein Substrat 32, das aus dem Stempelmaterial gefertigt ist. Das Substrat kann ein Metall, wie z.B. eine Kupfer und Aluminium enthaltende Legierung auf Zinkbasis oder ein Nichtmetall, wie z.B. ein ausgegossenes Epoxidpolymer sein. Das Substrat 32 ist mit einer Schicht 34 eines mit Silizium modifizierten organischen Materials beschichtet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die Beschichtung 34 wird vorzugsweise dadurch aufgebracht, daß das Substrat 32 in eine Lösung des mit Silizium modifizierten organischen Materials, das in einem geeigneten Lösungsmittel, wie z.B. Toluol gelöst ist, eingetaucht wird, was zu einer Dicke der Beschichtung von ungefähr 100 bis ungefähr 250 Nanometern, bevorzugterweise von ungefähr 200 Nanometern führt. Nach der Ionenimplantationsbehandlung sorgt eine Beschichtung dieser Dicke für eine verbesserte Stempellebensdauer. Diese Beschichtung ist so dünn, daß es nicht erforderlich ist, für sie bei der Bearbeitung der Stempel zu ihrer endgültigen, vorbestimmten Form vor der Beschichtung eine Maßabweichung vorzusehen. Das bedeutet, wenn die Beschichtung viel dicker wäre, in der Größenordnung von einem Tausendstel von 25,4 mm (1 Inch), könnte es nötig sein, für die Beschichtungsdicke eine Maßabweichung vorzusehen, wenn die Stempel bearbeitet würden, so daß sie nicht in ihre vorausgewählten Endformen und -größen gebracht werden könnten. Übliche Bearbeitungstechniken sind nicht genau genug für Abmaße im Bereich von einigen hundert Nanometern, so daß die Stempel in ihre endgültige vorausgewählte Form und Größe gebracht werden können, ohne daß die Tatsache berücksichtigt werden muß, daß sie danach noch beschichtet werden.

Das Beschichtungsmaterial ist ein mit Silizium modifiziertes organisches Material, sowie ein organisches Silan. (Unter einigen sehr strikten Definitionen kann ein "organisches" Material nur Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff enthalten. Bei einer weniger restriktiven Verwendung, wie sie hier angenommen ist, enthält das "organische" Material diese Elemente und andere, wobei es insbesondere durch die Addition von Silizium modifiziert wird, das an das Basismolekül gebunden ist.) Ein bevorzugtes, mit Silizium modifiziertes organisches Material ist Poly(dimethyl-silan-comethylphenyl-Silan), das Kohlenstoff, Silizium und Wasserstoff in einem Atomverhältnis C:Si:H von 9:2:14 enthält. In einer bevorzugten Anwendung wird dieses Beschichtungsmaterial in einem Lösungsmittel wie z.B. Toluol gelöst, woraufhin die Lösung gefiltert wird. Das Stempelmaterial, wie z.B. die Wulst 30, wird in die gefilterte Lösung eingetaucht und getrocknet.

Die beschichtete Wulst wird mit energetischen Atomen eines inerten Gases, vorzugsweise in der Form von Ionen (das sind Atome, die ionisiert wurden) mit hinreichender Energie und Gesamtdosis implantiert, um die Beschichtung in eine überwiegend Siliziumcarbid enthaltende Schicht 36 zu transformieren, die in Fig. 3 gezeigt ist. Das bevorzugte inerte Gas ist Neon, als Atom oder als Ion Ne&spplus;, obwohl andere inerte Gase wie z.B. Argon auch verwendet werden können. Das inerte Gas kann unter Verwendung einer Ionenimplantationsvorrichtung von beliebiger Betriebsart und von beliebigem Typ als Ion bereitgestellt werden. Die Ionenimplantation kann z.B. direkte Implantation. oder Plasmaquellen-Ionenimplantation sein, wie sie in dem US-Patent 4,764,394 beschrieben ist. Jede akzeptable Energie kann verwendet werden, wobei Energien im Bereich von 50-300 tausend Elektronenvolt (kev) bevorzugt sind. Eine gegenwärtig bevorzugte Energie ist 270 kev. Die gesamte Dosis kann variieren, liegt aber typischerweise im Bereich von 10¹&sup4;-10¹&sup7; Ionen pro Quadratzentimeter. Eine gegenwärtig am meisten bevorzugte Dosis beträgt ungefähr 4 x 10¹&sup4; Ionen pro Quadratzentimeter für eine 200 Nanometer dicke Beschichtung 34.

Der Mechanismus der Oberflächenverbesserung ist nicht mit Sicherheit bekannt, wobei die Erfinder nicht auf die folgende mögliche Erklärung beschränkt sein wollen. Es wird gegenwärtig angenommen, daß die Ionenimplantation das organische Material in ein Atomverhältnis Silizium-zu-Kohlenstoff von 1:1 transformiert und den Gehalt an Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und anderen Elementen reduziert, die in der Ausgangsbeschichtung 34 vorhanden sein können. Solche Transformationen sind bekannt und werden z.B. in der Veröffentlichung von T. Venkatesan, "High Energy Ion Beam Modification of Polymer Films", Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res., Band B7/8, Seiten 461-467 (1985) beschrieben. Es war jedoch bisher nicht bekannt, diese Technik im Zusammenhang mit der Vorbereitung von Gesenkformen zu verwenden.

Nachdem der Stempel oder der Teil des Stempels wie beschrieben mit Ionen implantiert wurde, wird der Stempel zu dem Stempelsatz 20 zusammengebaut. Ein Werkstück wird dann unter Verwendung des zuvor beschriebenen Ansatzes durch Gesenkformen hergestellt. Nach der Implantation wird keine Bearbeitung der Verschleißoberfläche der Stempelwulst durchgeführt, wobei eine derartige Bearbeitung auch nicht durchgeführt werden könnte, weil die Möglichkeit besteht, daß die dünne, behandelte Schicht entfernt wird. Dennoch behält die Stempelwulst die erforderlichen Abmaße von der Bearbeitung vor der Implantation, so daß sie für die Formoperationen wirksam ist.

Eines der nützlichen Nichteisen-Stempelmaterialien ist eine auf Zink basierende Legierung, die Kupfer und/oder Aluminium enthält. Eine bevorzugte Zusammensetzung in Gewichtprozent umfaßt 0-10 Prozent Aluminium, 0-20 Prozent Kupfer, den Rest als Zink, wobei wenigstens Aluminium oder Kupfer vorhanden ist. Dieses Stempelmaterial kann durch den soeben beschriebenen Ansatz oder durch einen Ansatz behandelt werden, wo keine Beschichtung verwendet wird und die implantierten Ionen Stickstoff anstatt eines inerten Gasions ist.

Fig. 4 zeigt eine Stempelwulst 30, die aus einer auf Zink basierenden Legierung geformt ist. Unter dem zweiten Ansatz werden Stickstoffatome in Form von Ionen in die Oberfläche des Stempelteiles implantiert, um eine implantierte Region 38 zu bilden. Diese implantierte Region 38 ist keine getrennte Schicht, die auf der Oberfläche angebracht wird, sie ist stattdessen ein behandelter Bereich des Teiles, der zuvor in seine vorbestimmte Form gebracht wurde. Die bevorzugte Energie der Ionen während der Implantation reicht von ungefähr 50 bis ungefähr 150 keV, wobei 135 kev gegenwärtig am meisten bevorzugt ist. Die bevorzugte Gesamtdosis reicht von ungefähr 1016 bis ungefähr 1018 Ionen pro Quadratzentimeter, wobei eine Dosis von ungefähr 1018 Ionen pro Quadratzentimeter gegenwärtig am meisten bevorzugt ist. Der Stempelteil wird dann bei einer Metallbearbeitung verwendet, wie sie in Fig. 1 angedeutet ist. Es wird keine Bearbeitung der Verschleißoberfläche der Stempelwulst nach der Implantation durchgeführt, wobei eine derartige Bearbeitung auch nicht durchgeführt werden könnte, weil die Möglichkeit besteht, daß die dünne behandelte Schicht entfernt wird. Dennoch behält die Stempelwulst ihre erforderlichen Abmaße von der Bearbeitung vor der Implantation bei, so daß sie für die Formoperationen wirksam ist.

Der Mechanismus der Verbesserung der Stempeloberfläche bei der mit Stickstoff implantierten, auf Zink basierenden Legierung ist nicht mit Sicherheit bekannt. Es kann eine chemische Reaktion zur Bildung eines Nitrides, eine Umformung der Oberflächenschichten durch die implantierten Ionen oder eine Kombination von beiden sein. Eine gewisse chemische Reaktion ist wahrscheinlich, da die Vorteile des Verfahrens spezifisch für den Einsatz von Stickstoffionenimplantation sind.

Die folgenden Beispiele sind dazu gedacht, Aspekte der Erfindung zu illustrieren und sollten in keiner Weise als Beschränkung der Erfindung angesehen werden.

Beispiel 1

Ein Epoxidblock wurde zu einer Stempelwulst mit vorbestimmter Form und Größe bearbeitet, wie sie für die Formung eines Werkstückes in ein Teil erforderlich ist, und wurde weder auf Übergröße noch auf Untergröße gebracht, um einer aus einer Oberflächenbehandlung resultierenden Beschichtung Rechnung zu tragen.

Eine Beschichtungsmischung wurde vorbereitet, indem fünf Gewicht steile von Poly (dimethyl-silan-co-methyl-phenyl-Silan) und 400 Volumenteile Toluol gemischt wurden. Die Mischung wurde über Nacht gerührt und dann durch eine Reihe von Filtern von 25 Mikrometern herunter auf 0,1 Mikrometer Porengröße gefiltert. Die Sternpelwulst wurde durch Tauchbeschichtung mit einem einzigen Eintauchen in die Lösung beschichtet, bei Raumtemperatur getrocknet, und dann bei ungefähr 50ºC im Vakuum getrocknet. Die Dicke der getrockneten Schicht wurde durch Nano-Spec-Messungen auf ungefähr 200 Nanometer geschätzt. Die beschichtete Stempelwulst wurde mit Neonionen bei einer Energie von 270 keV und einer Gesamtdosis von ungefähr 4 x 1014 Ionen pro Quadratzentimeter ionenplantiert. Die Beschichtung blieb an dem Substrat haften.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Gesamtdosis an Neonionen ungefähr 1016 pro Quadratzentimeter betrug. Die Beschichtung bleibt an dem Substrat haften.

Beispiel 3

Die behandelte Stempelwulst aus Beispiel 1 wurde einem standardisierten, harten Zugtest unterzogen, bei dem ein Stück Metallblech quer über die Oberfläche gezogen wird. Der Zugtest wurde sechsmal wiederholt, bevor es eine Andeutung für den Einsatz von Verschleiß an der Oberfläche der behandelten Filterwulst gab. Zum Vergleich wurde eine identische aber unbehandelte Stempeiwulst in demselben Test getestet. Er zeigte nach nur einem Zugvorgang signifikanten Verschleiß.

Die Zugtests für die behandelten und unbehandelten Sternpelwulste wurden bis zu insgesamt neun Zügen fortgesetzt, woraufhin dann die Oberflächen inspiziert wurden. Die behandelte Stempelwulst hatte eine viel glattere Oberfläche nach der Vollendung von neun Zügen als die unbehandelte Stempelwulst.

Beispiel 4

Das Verfahren aus Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch das Substrat der Stempelwulst ersetzt wurde durch einen Block, der aus einem auf Zink basierenden, metallischen Material geformt wurde, das in Gewichtprozent eine Zusammensetzung von 0-10 Prozent Aluminium, 0-20 Prozent Kupfer, der Rest Zink, jedoch mit wenigstens Aluminium oder Kupfer aufwies. Die gesamte Dosis von Neonionen betrug ungefähr 10¹&sup5; pro Quadratzentimeter. Die Beschichtung blieb an dem Block haften.

Beispiel 5

Das Verfahren aus Beispiel 4 wurde an zwei anderen Mustern wiederholt, wobei die gesamte Dosis an Neonionen in dem einen Fall 10¹&sup6; pro Quadratzentimeter und in dem anderen Fall 10¹¹ pro Quadratzentimeter war.

Beispiel 6

Die Blockmuster der Beispiele 4 und 5 mit Neondosen von 10¹&sup5;, 10¹&sup6; und 10¹&sup7; Ionen pro Quadratzentimeter wurden auf Verschleißwiderstand getestet, indem ein verstärkter Falex- Block-auf-Ring-Verschleißtest und ein Testdruck von 275,88 x 10&sup5; Pa (4000 pound per square inch) verwendet wurde. Ein unbehandeltes Muster wurde als Vergleichsbasis verwendet. Das Muster mit einer Dosis von 10¹&sup5; Ionen pro Quadratzentimeter zeigte eine Verringerung in der Verschleißrate von dem 1,4- fachen, wobei das Muster mit einer Dosis von 10¹&sup6; eine Verringerung in der Verschleißrate vom 1,2-fachen verglichen mit dem auf identische Weise getesteten, unbehandelten Muster aufwies. Das Muster mit einer Dosis von 10¹&sup7; Ionen pro Quadratzentimeter wies dieselbe Verschleißrate wie das unbehandelte Muster auf.

Beispiel 7

Aus einer auf Zink basierenden Legierung mit einer Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 0-10 Prozent Aluminium, 0-20 Prozent Kupfer, der Rest Zink, aber mit wenigstens Aluminium oder Kupfer, wurde ein Block vorbereitet. Atomische Stickstoffionen wurden bei Umgebungstemperatur mit einer Energie von 135 keV und einer Dosis von 10¹&sup8; Ionen pro Quadratzentimeter in den Block implantiert. Ein identischer Block wurde unbehandelt belassen.

Beispiel 8

Die Blöcke aus Beispiel 7 wurden in der unter Beispiel 6 diskutierten Vorrichtung für den Block-auf-Ring- Verschleißtest getestet. Der unbehandelte Block wurde mit einer Belastung von 275,88 Fa (4000 pounds per square inch) getestet. Der bei demselben Druck getestete, behandelte Block zeigte eine völlig unerwartete Reduzierung in der Verschleißrate vom 74-fachen, verglichen mit dem unbehandelten Block. Derselbe behandelte Block wurde dann bei einer Belastung von 827,6 x 10&sup5; Pa (12000 pounds per square inch) getestet und zeigte selbst bei der dreifachen Belastung eine Reduzierung in der Verschleißrate um das 1,5-fache, verglichen mit dem unbehandelten Block.

Der Ansatz der Erfindung liefert einen Ansatz, um mit minimalen Kosten die Effizienz einer Stempelausrüstung bezüglich des Verschleißes zu verbessern. Obwohl bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung zum Zwecke der Illustration im Detail beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche erfolgen.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges für die Bearbeitung eines Werkstückes (26), wobei das Werkzeug (22, 24, 30) eine vorbestimmte Form aufweist, bei dem ein Substrat (22) bereitgestellt wird, das die vorbestimmte Form eines Werkzeuges (22, 24, 30) zur Materialbearbeitung aufweist, mit den Schritten:

- Beschichten des Substrates (32) mit einer Beschichtung (34) aus einem organischen Material, das mit Silizium modifiziert wurde; und

- Implantieren der Beschichtung (34) mit Atomen eines inerten Gases in hinreichender Zahl und mit hinreichender Energie, um das mit Silizium modifizierte organische Material wenigstens teilweise in eine Beschichtung (36) zu transformieren, die Siliziumcarbid enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (34) eine Dicke von ungefähr 100 bis ungefähr 250 Nanometern aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (32) ein organisches Material umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Material Epoxid enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (32) eine metallische Nichteisen-Legierung umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine auf Zink basierende Legierung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in Gewichtprozent ungefähr 0 - 10 % Aluminium sowie ungefähr 0 - 20 % Kupfer enthält, wobei der Rest aus Zink besteht, jedoch wenigstens Aluminium oder Kupfer enthalten ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Silizium modifizierte organische Material ein organisches Silan ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Silan POLY(dimethyl-silan-co-methylphenyl- Silan) umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Atome des inerten Gases während des Schrittes des Implantierens mit einer Dosis ionisiert werden, die ungefähr 1014 Ionen pro Quadratzentimeter entspricht, und daß die Energie der Ionen bei dem Schritt des Implantierens im Bereich von ungefähr 50 - 300 tausend Elektrodenvolt liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Atome des inerten Gases Neonionen sind.

12. Beschichtetes Werkzeug zur Materialbearbeitung, das eine verlängerte Funktionslebensdauer aufweist, mit einem Substrat (32), das die vorbestimmte Form eines Werkzeuges (22, 24, 30) zur Materialbearbeitung aufweist, und mit einer Beschichtung (34) auf der Oberfläche des Substrates (32),

wobei das Werkzeug (22, 24, 30) durch die folgenden Schritte erhalten werden kann:

- Beschichtendessubstrates (32) mit einerbeschichtung (34) aus einem mit Silizium modifizierten organischen Material; und

- Implantieren der Beschichtung (34) mit Atomen eines inerten Gases in einer hinreichenden Zahl und mit einer hinreichenden Energie, um das mit Silizium modifizierte organische Material wenigstens teilweise in eine Beschichtung (36) zu transformieren, die Siliziumcarbid enthält.







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