具有涂层的模具表面

本申请要求2019年12月20日提交的美国临时专利申请第62/951,450号的优先权的权益。

技术领域

本专利申请涉及用于生产车身组合件的系统和方法。

背景技术

车辆制造商努力提供越来越坚固、越来越轻且更便宜的车辆。例如，车辆制造商花费了巨大的努力来将非传统的材料例如铝板、先进高强度钢和超高强度钢用于车身部分。虽然这样的材料可能既相对坚固又轻，但它们的购买、成型和/或组装成本通常很高。

热成型通常包括在炉中加热坯件，然后在一对模具之间对经加热的坯件进行冲压以形成成形零部件，并且在模具之间对成形零部件进行淬火。通常将坯件在炉中加热以实现奥氏体显微组织，然后在模具中淬火以将奥氏体显微组织转变为马氏体显微组织。用于执行同时热成型和淬火过程的已知热成型模具通常采用以常规方式形成的冷却通道(用于使冷却剂循环通过热成型模具)。

本专利申请提供了对热成型/冲压系统和/或方法的改进。

发明内容

本专利申请的一个方面提供了成型系统。成型系统包括具有第一模具表面的第一模具和具有第二模具表面的第二模具。第一模具表面和第二模具表面配置成相配合以在其间形成模具腔，从而在模具腔中容纳工件。在第一模具表面和第二模具表面的相对部分上形成涂层。第一模具表面和第二模具表面的相对部分上的涂层相配合以处于模具腔中容纳的工件的相反侧上。涂层中的钒与钨的比率在0.31至0.45的范围内。涂层中的每一者包括预定的厚度。

本专利申请的另一个方面提供了用于形成模具的方法。所述方法包括：形成具有模具表面的模具；以及使用激光熔覆过程在模具的模具表面上施加涂层。涂层包括预定的厚度，并且涂层中的钒与钨的比率在0.31至0.45的范围内。

本专利申请的这些和其他方面，以及结构和零部件组合的相关元件的操作方法和功能及制造经济性在参照附图考虑以下描述和所附权利要求后将变得更加明显，所有这些形成本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各个图中的相应部分。在本专利申请的一个实施方案中，本文所示的结构部件是按比例绘制的。然而，应当清楚地理解，附图仅用于举例说明和描述的目的，并不旨在作为对本专利申请的限制的限定。还应理解，本文公开的一个实施方案的特征可以用于本文公开的其他实施方案。如说明书和权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式的“一个/种”和“该”包括复数指示物。

附图说明

图1是根据本专利申请的一个实施方案的成型系统的示意图；

图2示出了具有现有技术/未改性的/现有的S390材料层的硬度测量值、熔合线处的硬度测量值和热影响区处的硬度测量值的表；

图3示出了包含现有技术/未改性的/现有的S390材料的涂层的单程(singlepass)薄层结构的不同视图；

图4A示出了现有的/未改性的/现有技术的S390粉末/材料的两层结构，而图4B示出了根据本专利申请的一个实施方案的改进/改性的S390粉末/材料的两层结构；

图5示出了包含根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构的不同视图；

图6示出了具有根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料涂层的硬度测量值和熔合线处的硬度测量值的表；

图7示出了具有根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料的三种不同组成的表；

图8示出了具有根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料涂层的三种不同组成的硬度测量值、熔合线处的硬度测量值和热影响区处的硬度测量值的表；

图9示出了包含根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构的不同视图；

图10示出了包含根据本专利申请的另一个实施方案的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构的不同视图；

图11示出了包含根据本专利申请的又一个实施方案的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构的不同视图；

图12示出了根据本专利申请的一个实施方案的在其上具有改性/改进的S390材料涂层的成型系统的模具，其中所述涂层具有预定的厚度；

图13示出了根据本专利申请的一个实施方案的在其上具有改性/改进的S390材料涂层的成型系统的模具，其中所述涂层具有至少两层构造；

图14示出了根据本专利申请的一个实施方案的形成模具的方法；以及

图15示出了示例性激光熔覆过程。

具体实施方式

图1示出了用于生产车身组合件或车身构件的热成型系统10。参照图1，热成型系统10包括第一模具12、第二模具14以及与第一模具12和第二模具14可操作地关联的冷却系统38。

在示例性的实施方案中，第一模具12示出为下模具。在另一个实施方案中，第一模具12可以为上模具。第一模具12具有第一模具主体18和第一模具表面20。在一个实施方案中，第一模具主体18可以由导热材料例如工具钢，特别是由伊利诺伊州罗灵梅多斯的Bohler-Uddeholm Corporation销售的

在示例性的实施方案中，第二模具14示出为上模具。在另一个实施方案中，第二模具14可以为下模具。在一个实施方案中，第二模具14可以包括第二模具主体24、第二模具表面26和在其至少一部分中的复数个冷却通道28，所述第二模具主体24可以由工具钢例如

如本文中所使用的，术语“模具表面”是指模具的形成热成型部件的外表面的部分。此外，如本说明书中使用的术语“复杂的模具表面”意指模具表面具有三维轮廓形状。

热成型模具组12和14可以安装在冲压机34中并且可以联接至冷却系统38。在一个实施方案中，冲压机34可以配置成在模具动作方向上闭合第一模具12和第二模具14以使在第一模具12和第二模具14之间容纳的工件30变形，从而形成并任选地修整热成型构件36。在一个实施方案中，冲压机34可以配置成将模具12和14保持闭合关系预定量的时间以允许热成型构件36冷却至期望的温度。

冷却系统38可以包括冷却流体源。在一个实施方案中，冷却流体可以包括水、气体或其他流体介质。由冷却系统38提供的冷却流体可以连续地循环通过冷却通道22和28以分别冷却模具12和14。在一个实施方案中，冷却系统38可以包括储存器/冷却器和流体泵。可以理解，循环冷却流体冷却模具12和14，并且模具12和14对热成型构件36进行淬火并冷却。

在一个实施方案中，冷却通道22、28可以通过诸如枪钻的技术形成，所述技术产生延伸穿过相应模具主体的直通道。在一个实施方案中，冷却通道22、28通过将冷却通道枪钻穿过相应模具主体的一侧或两侧而形成。

在一个实施方案中，每个冷却通道22可以从模具表面20偏移第一预定距离并且该距离沿着冷却通道22的长度可以是一致的。类似地，每个冷却通道28可以从模具表面26偏移第二预定距离，所述第二预定距离可以与第一预定距离不同，并且该距离沿着冷却通道28的长度可以是一致的。在另一个实施方案中，第二预定距离可以与第一预定距离相同。

第一模具表面20和第二模具表面26配置成相配合以在其间形成模具腔39，从而在模具腔39中容纳工件30。在一个实施方案中，模具腔39配置成具有与工件在热成型操作/过程之后的最终形状相对应的形状。

在一个实施方案中，工件30可以为坯件，所述坯件可以由可热处理的钢例如硼钢形成。在另一个实施方案中，工件30可以由可硬化的钢(例如

在一个实施方案中，热成型构件36为车身构件或车身组合件。在一个实施方案中，通过图1的系统形成或生产的车身部件可以包括车辆的B支柱或B柱。当然，可以以类似的方式生产其他类型的构件，提供B柱的实例仅仅是为了举例说明的目的以及为了便于更好地理解本专利申请的实施方案。

参照图3，激光熔覆工艺通常用于在第一模具表面20和第二模具表面26中的每个模具表面上形成单程薄涂层。涂层包含现有技术/未改性的/现有的S390粉末。现有技术/未改性的/现有的S390粉末为高速钢。这由Bohler制造并以名称Bohler S390销售。关于现有技术/未改性的/现有的S390粉末的详细内容可以在

本专利申请的申请人发现，未改性的/现有的S390粉末/材料不允许通过激光熔覆过程沉积多于一个涂层(例如，多层涂层配置)。即，如果使用未改性的/现有的S390粉末/材料形成单层涂层/沉积物，则涂层/沉积物的结构没有问题。未改性的/现有的S390粉末/材料的多层熔覆包括双层熔覆至约2毫米的厚度。在将涂层的顶表面打磨之后，在具有未改性的/现有的S390粉末的涂层的第二层中可看见多个裂纹和孔。即，一旦使用未改性的/现有的S390粉末施加第二涂层和/或更厚(即，厚度大于1毫米)的涂层，所得结构提供了开裂和/或孔。这最终导致沉积物/涂层的脱层或剥落。

本专利申请提供了包括与S390粉末的机械特性类似的机械特性同时使开裂和孔最小化的改进/改性的S390粉末/材料。即，本专利申请的改进/改性的S390粉末配置成减少多层结构/配置中的开裂和孔。本专利申请的改进/改性的S390粉末还配置成通过扩展最大可能的熔覆厚度来优化单程过程。在一个实施方案中，熔覆层厚度配置成通过工艺速度和粉末进给速率来控制。以下详细地描述了本专利申请的改进/改性的S390粉末/材料。

参照图1和12，在一个实施方案中，本专利申请提供了成型系统10。成型系统10包括具有第一模具表面20的第一模具12和具有第二模具表面26的第二模具14。第一模具表面20和第二模具表面26配置成相配合以在其间形成模具腔39，从而在模具腔39中容纳工件30。在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上形成涂层50。第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上的涂层50相配合以处于模具腔39中容纳的工件30的相反侧上。

在一个实施方案中，涂层50中的钒与钨的比率在0.31至0.45的范围内。在一个实施方案中，涂层50中的每一者包括至少两层构造。在另一个实施方案中，涂层50中的每个涂层包括预定的厚度。在一个实施方案中，涂层50中的每个涂层的预定厚度为至少2毫米。在一个实施方案中，涂层50中的每个涂层的预定的厚度在0.75毫米至1.25毫米厚度的范围内。在一个实施方案中，涂层50包括预定的宽度。在一个实施方案中，涂层50中的每个涂层的预定的宽度在3毫米至5毫米的范围内。

例如，图12示出了其上具有改性/改进的S390材料涂层50的成型系统10的模具12、14，其中涂层50具有预定的厚度。图13示出了其上具有改性/改进的S390材料涂层50的成型系统10的模具12、14，其中涂层50具有至少两层构造。

在一个实施方案中，在两层涂层构造中，涂层的每个层包含相同的材料。在一个实施方案中，在两层涂层构造中，涂层的每个层是逐层沉积的，即一次一层。在一个实施方案中，在施加两层涂层构造的第二层之前，使两层涂层构造的沉积的第一层固化、干燥或冷却。在一个实施方案中，两层之间没有时间间隔。即，一旦完成一个层，就从与第一层相同的起点施加下一层。在一个实施方案中，在施加两层涂层构造的第二层之前没有冷却第一层。

在一个实施方案中，形成在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上的涂层50形成相对高耐磨性的模具区域、相对高表面硬度的模具区域、相对高韧性的模具区域和/或相对高抗压强度的模具区域。在一个实施方案中，形成在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上的涂层50为相应的模具提供高抗冲击性、高强度、高韧性和/或高耐磨性。在一个实施方案中，形成在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上的涂层50显著延长了模具的使用寿命。

通常，在热成型过程期间，模具表面与工件之间的机械摩擦导致模具磨损。在一个实施方案中，第一模具表面20和第二模具表面26的一些部分比第一模具表面20和第二模具表面26的其他部分易于发生更高的磨损。在一个实施方案中，涂层50仅形成在第一模具表面20和第二模具表面26的在热成型过程期间经受高磨损的那些部分上。在一个实施方案中，涂层50形成在第一模具表面20和第二模具表面26的在热成型过程期间经受高接触应力和压力的那些部分上。在一个实施方案中，涂层50形成在整个第一模具表面20和第二模具表面26上。

在一个实施方案中，涂层可以激光熔覆在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上。在另一个实施方案中，涂层可以激光烧结在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上。在又一个实施方案中，可以使用增材制造过程在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上形成或沉积涂层。

在一个实施方案中，涂层可以具有粉末材料构造。在一个实施方案中，涂层可以喷涂到模具主体上。在一个实施方案中，涂层可以呈包覆材料的形式。在一个实施方案中，涂层可以包括喷涂多层涂层。

在一个实施方案中，可以使用激光熔覆过程在模具主体上形成涂层。在一个实施方案中，激光熔覆过程通常用于在第一模具表面20和第二模具表面26中的每一者上形成单程薄涂层。该过程还包括将材料粘结在一起以形成涂层的期望几何形状。在一个实施方案中，涂层的期望几何形状是逐层形成(即，叠加建立)的。图15示出了示例性激光熔覆过程/工艺。图15示出了当工件在激光熔覆系统下沿熔覆方向移动时在其上具有熔覆覆盖物的工件。激光熔覆系统包括激光光学头、粉末注入头和激光束。图15还示出了熔池和粉末射流。

在一个实施方案中，可以使用激光烧结过程在模具主体上形成涂层。激光烧结过程是其中使用激光装置作为能量源来烧结粉末涂层的增材制造过程。该过程还包括将材料粘结在一起以形成涂层的期望几何形状。在一个实施方案中，涂层的期望几何形状是逐层形成(即，叠加建立)的。在一个实施方案中，激光烧结过程可以为选择性激光烧结或直接金属激光烧结。

在另一个实施方案中，可以使用激光金属沉积过程在模具主体上形成涂层。激光金属沉积过程通常使用激光装置作为能量源以在基底材料(例如金属基底)上形成熔池。将改进/改性的S390材料(例如，粉末)进给到熔池中并且所述材料被吸收到熔池中以形成熔结至基底材料的沉积物/涂层。与激光烧结过程一样，激光金属沉积过程是其中逐层形成(即，叠加地建立)涂层的期望几何形状的增材制造过程。

在另一些实施方案中，类似于激光金属沉积过程和激光烧结过程(以上描述的)的其他增材制造过程可以用于本专利申请。在一个实施方案中，增材制造过程通常可以指其中通过层上层添加本专利申请的改进/改性的S390材料而在相应的模具表面上形成涂层的过程。在一个实施方案中，增材制造过程配置成在涂层与其相应的模具主体之间提供均匀的分子热结合，例如，没有气穴或焊渣。在一个实施方案中，激光熔化过程可以用于在相应的模具表面上沉积或形成涂层。

在一个实施方案中，本专利申请的改进/改性的S390粉末/材料是通过粉末冶金方法生产的高速钢材料。在一个实施方案中，本专利申请的改进/改性的S390粉末/材料被称为粉末冶金材料。

在一个实施方案中，本专利申请的改进/改性的S390粉末由于其特性而在高温下保持其硬度。当在激光熔覆过程中使用粉末/材料以修复热冲压生产环境中严重磨损的Dievar成型钢时，该特性(即，在高温下保持其硬度)是理想的。

在另一个实施方案中，使用本专利申请的改进/改性的S390粉末/材料作为用于提高我们的热冲压成型钢的寿命周期的手段。这是通过在最终机加工之前经由激光熔覆将改性/改进的S390粉末/材料添加至高磨损区域中来完成的。该过程配置成增加冲压过程期间的耐磨性。

在一个实施方案中，本专利申请的改进/改性的S390粉末是S390粉末的衍生合金并且配置成使得能够在激光熔覆工艺中进行多层沉积。现有的S390粉末不能够进行多层沉积。本专利申请的改进的S390粉末具有多层沉积能力。

在一个实施方案中，本专利申请的改进/改性的S390粉末是S390粉末的衍生合金并且配置成使得能够形成厚度为至少2毫米的涂层。

在一个实施方案中，本专利申请的改进的S390粉末的配方对改进的S390粉末的成本没有显著影响。

S390粉末在模具表面上的沉积配置成允许修复热冲压成型钢。当前的磨损值需要2毫米至3毫米的具有最小开裂和孔的涂层材料沉积物。

在一个实施方案中，本专利申请的改进/改性的S390粉末包含现有的S390粉末的改性化学成分，以使热冲压设施能够对磨损的热冲压成型钢进行修复而不使熔覆材料脱层。

在一个实施方案中，本专利申请的改进/改性的S390粉末配置成抑制裂纹。图4A示出了现有的/未改性的S390粉末的两层结构，而图4B示出了本专利申请的改进/改性的S390粉末的两层结构。如图4A所示，在使用现有的/未改性的S390粉末施加第二层熔覆之后出现严重的裂纹。参照图4B，当使用本专利申请的改进的S390粉末时，在任何施加层中均未观察到可见的裂纹。因此，通过对S390粉末的化学成分进行改性实现了S390粉末的两层熔覆的裂纹抑制。

图5示出了包含改性/改进的S390材料的涂层的双层结构的不同视图。图5示出了使用改性/改进的S390材料的熔覆双层的截面。与用单纯的现有技术/未改性的S390粉末的熔覆相比，不存在显微组织的明显变化。例如，发现核显微组织仍然是带有细碳化物的马氏体和可能的沿枝晶状图案的残余奥氏体。

图6示出了具有根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料涂层/层的硬度测量值和熔合线处的硬度测量值的表。如从图6可以看出，当改性/改进的S390材料涂层/层的厚度增加至大于1毫米时(即，当改性/改进的S390材料涂覆/层的厚度为1毫米至2.5毫米时)，改性/改进的S390材料涂覆/层的硬度测量值保持为高或保持相同(与低于1毫米的厚度的硬度测量值相同)。

图7示出了具有根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料的三种不同组成的表。在一个实施方案中，通过修改合金组成中钒与钨的比率来实现成功的熔覆。在一个实施方案中，图7的表中列出的所有值均是百分比。

在一个实施方案中，改性/改进的S390材料的所有三种不同组成包括与现有技术/未改性的S390材料类似的机械特性。在一个实施方案中，改性/改进的S390材料的三种不同组成中的每一者对于多层沉积物构造具有与未改性的/现有技术的S390材料的单层沉积物相同的红硬性、相同的耐磨性、相同的韧性、相同的可磨性和相同的抗压强度。

在一个实施方案中，改性/改进的S390材料的三种不同组成中的每一者均产生/形成了没有裂纹的激光熔覆的多层材料涂层构造。在一个实施方案中，改性/改进的S390材料的三种不同组成中的每一者均产生/形成了厚度为至少2毫米且没有裂纹的激光熔覆涂层。在一个实施方案中，改性/改进的S390材料的三种不同组成中的每一者对粉末成本没有显著影响。

图8示出了具有根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料涂层的三种不同组成的硬度测量值、熔合线处的硬度测量值和热影响区处的硬度测量值的表。

图9示出了包含根据本专利申请的一个实施方案的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构的不同视图。即，图10示出了包含具有如图7所示的粉末混合物_E的组成的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构。发现核显微组织由带有以柱状和树枝状图案排列的残余奥氏体的马氏体组成。观察到较小的气孔并且气孔倾向于位于相邻熔覆通道的边缘处。此外，灰色相是可见的，其可能由碳化物组成。

图10示出了包含根据本专利申请的另一个实施方案的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构的不同视图。即，图10示出了包含具有如图7所示的粉末混合物_H的组成的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构。发现显微组织由马氏体和潜在的残余奥氏体组成。在该横截的平面上观察到大的气孔。孔倾向于位于相邻通道的边缘处。有时观察到灰色相并且灰色相可能由碳化物组成。

图11示出了包含根据本专利申请的又一个实施方案的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构的不同视图。即，图10示出了包含具有如图7所示的粉末混合物_K的组成的改性/改进的S390材料的涂层的双层结构。发现显微组织由马氏体和潜在的残余奥氏体组成，并且发现显微组织与混合物_E和混合物-H的显微组织类似。还观察到气孔并且气孔倾向于位于相邻熔覆通道的边缘处。灰色相是可见的，其可能由碳化物组成。

图14示出了根据本专利申请的一个实施方案的形成模具12、14的方法1400。所述方法1400包括在步骤1402形成具有模具表面20、26的模具12、14；以及在步骤1404使用激光熔覆过程在模具12、14的模具表面上施加涂层50。涂层50包括预定的厚度，并且涂层中的钒与钨的比率在0.31至0.45的范围内。在一个实施方案中，涂层50包括至少两层构造。在一个实施方案中，涂层50的预定的厚度为至少2毫米。在一个实施方案中，涂层50中的每个涂层的预定的厚度在0.75毫米至1.25毫米厚度的范围内。在一个实施方案中，涂层50包括预定的宽度。在一个实施方案中，涂层50中的每个涂层的预定的宽度在3毫米至5毫米的范围内。在一个实施方案中，涂层形成在模具表面的在热成型过程期间经受高磨损的部分上。

在一个实施方案中，模具12的模具表面20配置成与第二模具14的第二模具表面26配合以在其间形成模具腔39，从而在模具腔39中容纳工件30。在一个实施方案中，模具腔39配置成具有与工件30在热成型过程之后的最终形状相对应的形状。

在一个实施方案中，在本专利申请的成型系统中制造了汽车后导轨。在另一个实施方案中，在本专利申请的成型系统中制造了各种各样的其他汽车部件。

在一个实施方案中，本专利申请的成型系统可以用于形成具有定制回火特性(TTP)的产品。例如，这样的产品可以包括产品中的降低的硬度、降低的强度和/或高的延性/屈服/延伸率的区域。在一个实施方案中，本专利申请的系统可以用于形成车身支柱、车辆摇臂、车顶纵梁、车辆保险杠和车门防撞梁。在另一个实施方案中，本专利申请的系统可以用于形成客户需要的热冲压结构部件。在一个实施方案中，热成型构件或部件可以被称为热冲压构件或热成形构件。例如，热冲压允许形成复杂的零部件几何形状以及实现超高强度材料特性的最终产品。

尽管已经出于举例说明的目的详细描述了本专利申请，但应理解，这样的细节仅用于该目的，并且本专利申请不限于所公开的实施方案，而是，相反，本专利申请旨在涵盖在所附权利要求的精神和范围内的修改和等同布置。此外，应理解，本专利申请考虑到，在可能的范围内，任何实施方案的一个或更多个特征可以与任何其他实施方案的一个或更多个特征组合。