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In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine entscheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierungen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik erhabener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Beschichtungen notwendig werden.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und separierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandiborid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Pulsleistung und Pulsdauer zu steuern.
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine ent-scheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierun-gen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik er-habener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Be-schichtungen notwendig werden.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und sepa-rierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandibo-rid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Puls-leistung und Pulsdauer zu steuern.
Laser metal deposition (LMD) has been applied as a coating technology for many years. Today, the technologies capacity to produce 3D depositions leads to a new field of application as additive manufacturing method. In this paper, 3D laser metal deposition of titanium alloy Ti-6Al-4V is studied with special regard to the demands of additive manufacturing. Therefore, only the coaxial LMD powder nozzle is used to create the shielding gas atmosphere, which ensures high geometric flexibility. Furthermore, specimen with high aspect ratio and hundreds of layers are manufactured, which represent typical features in additive manufacturing. The presented study contains the following steps: First, cylindrical specimens are manufactured with a standard shell-core build-up strategy and mechanical properties as well as fracture mechanisms are determined. Based on the results, experiments are conducted to improve the build-up strategy and new tensile test specimens are built with the improved strategy. The improved strategy incorporates variable track overlap ratios to achieve a constant growth in the shell and core area. As blanks, lean cylinders comprising more than 240 layers and a height of more than 120mm are manufactured. The specimens are analyzed by X-ray inspection for material defects. Fractured surfaces are observed via scanning electron microscopy and the composition of the surfaces is determined using energy dispersive X-ray spectroscopy. The tensile test results prove mechanical properties close to ASTM F1108 specification for wrought material.
AISI D2 is one of the most applied cold-working tool steel for deep drawing operations, due to the materials good toughness and high wear resistance. However, since the lubricant-free deep drawing as well as the processing of high strength and ultra-high strength steel sheets remaining ongoing trends in the automotive industry, the tool surfaces need to be improved regarding their friction and wear behavior. For this purpose elevated micro textures can be applied. Since protruded micro features are predominantly affected by wear, a structuring process enabling the formation of suitable textures with high wear resistance is needed.
In this paper surface texturing at microscale was conducted by laser implantation. This technique allows the fabrication of highly wear resistant, separated and elevated features (implants) on steel surfaces via a discontinuous dispersing of ceramic particles by pulsed laser radiation. The aim of this study was to investigate the techniques potential for the creation of wear resistant elevated micro features on AISI D2 tool steel surfaces by the application of TiB2 particles. The laser parameters (pulse power and length) were varied and a comparative material analysis on AISI D2 laser remelted spots and TiB2 localized dispersed zones was examined. High-speed camera recordings allowed the description of the particle insertion mechanism from pre-coatings during laser processing. Mechanical properties were analyzed by (micro-) hardness measurements at top and cross sections. The microstructure was investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive Xray
spectroscopy (EDX) and X-ray diffraction (XRD). The implants geometrical properties (diameter, height, depth) were investigated by white light interferometry and optical microscopy. The experiments reveal that a pulsed laser remelting of AISI D2 leads to a significant hardness drop due to high retained austenite (γR) contents. Contrary, a localized dispersing of TiB2 particles leads to defect free dome- or ring-shaped elevated features with hardness values up to 1800 HV1. The high hardness values result from the dispersed TiB2 particles and an in-situ precipitation of new hard particle phases, which lead to a reduction of the γR content within the matrix.
The potential of lowered surface features as well as the application of wear resistant coatings have been known for many years to improve the tribological behavior of forming tools. More recent studies also discuss the capability of protruded microfeatures for adjusting the tribological behavior between contacting surfaces. The demand for a high wear resistance of such structures as well as their economical and reliable production, however, often limits the industrial application. The laser implantation process can overcome these limitations. In contrast to conventional cw-laser dispersing processes, where the formation of uniform metal matrix composite layers is intended, this surface engineering technique aims to improve the tribological behavior of contacting surfaces by a localized dispersing of pre-placed hard ceramic particles. This enables the formation of deterministic textures composed of separated wear resistant dome- or ring-shaped microstructures (implants).
Since TaC shows very promising material properties for improving the wear resistance of tools exposed to severe operating conditions, this paper analyzes its suitability for pulsed laser implantation on X38CrMoV5-3 tool steel for the first time. In the experiments, the influence of the particles and the laser parameters (pulse power, pulse duration and focal diameter) on the material properties of the localized dispersed zones was studied by optical microscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction. The composite´s (micro-) hardness was measured and calculated by using a rule of mixture. Additionally, the influence of the laser parameters and the TaC particles on the geometrical properties of the implants was studied by optical microscopy and white light interferometry.
The results showed that defect-free implants with hardness values of ~900 HV1 can be obtained at the focal spot, since a localized dispersing of the TaC particles is possible using a pulsed millisecond laser. However, in dependence of the laser intensity, also a partial dissolution of the initial particles occurs. This leads to the precipitation of new dendritic TaC nanoparticles and to varying contents of retained austenite in the matrix. Both effects have a strong influence on the implant hardness and must be considert by the rule of mixture. Regarding the geometrical response it was pointed out that protruded microfeatures with heights up to 10 µm can be created. In comparison to laser remelted zones, the implanted zones showed significantly altered weld pool profiles due to the influence of the particles on the melt convection. A transition of the implant shape from predominantly dome-shaped to predominantly ring-shaped was observed for intensities >1.7∙106 W/cm2 due to the onset of the keyhole effect.
The laser implantation technique bases on a localized dispersing of ceramic particles in metallic surface layers for changing their micro geometry as well as their material properties. Using TiB2 and NbC hard particles, tailored microtextures consisting of elevated dome-, ring-, or line-shaped Features can be manufactured. Especially TiB2 implants feature high hardness values up to 1800 HV1 and ceramic particle contents up to 55 %, indicating superior wear resistant properties.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Implants) auf Stahloberflächen durch ein diskontinuierliches Dispergieren von keramischen Partikeln mittels gepulster Laserstrahlung. Durch die flexible Anordnung separierter Implants zu komplexen Mustern erlaubt das Verfahren eine gezielte Oberflächenstrukturierung zur Beeinflussung des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Insbesondere erwies sich Titandiborid (TiB2) als Implantationsmaterial für geeig-net, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden konnte, ohne dass Materialdefekte wie Risse oder Poren auftraten.
Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluss implantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu ermitteln. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an TiB2 implan-tierten Zonen sowie an punktuell umschmelzstrukturierten Zonen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund erhöhter Restaustenitgehalte (γR) führt. Im Gegensatz dazu führt das Laserimplantieren von TiB2-Partikeln zu einer deutlichen Härtesteigerung in den kuppel- oder ringförmigen Implants. Härtewerte von bis zu 1800 HV1 resultieren aus dispergierten TiB2-Primärpartikeln sowie in-situ ausgeschiedenen Se-kundärphasen, durch die der Restaustenitanteil zudem deutlich reduziert wird.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Im-plants) auf Stahloberflächen, durch ein diskontinuierliches dispergieren von keramischen Partikeln mittels gepulster Laserstrahlung. Durch die flexible Anordnung separierter Implants zu komplexen Mustern erlaubt das Verfahren eine gezielte Oberflächenstrukturierung zur Beeinflussung des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Insbesondere erwies sich Titandiborid (TiB2) als Implantationsmaterial für geeignet, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden kann, ohne dass Materialdefekte, wie Risse oder Poren auftreten. Zudem weisen die Implants auf Kaltarbeitsstahlwerkzeugen Härtewerte von bis zu 1800 HV1 auf. Hierdurch lassen laserimplantierte Oberflächen eine deutlich höhere Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu umschmelzstrukturierten Wirkflächen erwarten. Daher eignet sich das Verfahren insbesondere zur Strukturierung hochbelasteter Wirkflächen, wie sie an Umform- oder Schneidwerkzeugen zu finden sind.
Ziel der Untersuchungen ist es, den Einfluss laserimplantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu erkennen und geeignete Parameterbereiche zur Oberflächenstrukturierung zu identifizieren. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an punktuell wiederaufgeschmolzenen Zonen sowie an TiB2 implantierten Zonen durchgeführt. High-Speed-Kameraaufnahmen ermöglichten die Beschreibung der Partikeleinbringung aus Vorbeschichtungen. Des Weiteren wurden an Schliffen (Mikro-) Härtemessungen durchgeführt, um die die Materialeigenschaften zu charakterisieren und den Einfluss der eingebrachten Hartstoffpartikel feststellen zu können. Die Materialmikrostruktur wurde abschließend an lichtmikroskopischen- sowie elektronenmikroskopischen Aufnahmen erfasst. Mithilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) sowie der Röntgendiffraktometrie (XRD) wurden die implantierten Bereiche hinsichtlich gebildeter Phasen analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund hoher Restaustenitgehalte (γR) führt. Im Gegensatz dazu führt das Laserimplantieren von TiB2-Partikeln zu einer deutlichen Härtesteigerung in den kuppel- oder ringförmigen Implants. Härtewerte von bis zu 1800 HV1 resultieren aus dispergierten TiB2-Primärpartikeln sowie in-situ ausgeschiedenen Sekundärphasen, durch die der Restaustenitanteil deutlich reduziert wird.
The aim of this study is to increase the tribological performance of hot stamping tools by using a laser implantation process. This technique allows the fabrication of separated, elevated and dome-shaped microfeatures on the tool surface in consequence of a localized dispersing of ceramic particles via pulsed laser radiation. Hence, the topography and material properties of the tool are modified, which influences the tribological interactions at the blank-die interface. However, an appropriate selection of ceramic particles is an essential prerequisite, in order to obtain tailored and highly wear resistant surface features. In this regard, different titanium-based hard particles (TiB2 and TiN) were laser-implanted on hot working tool specimens and subsequently tested by means of a modified pin-on-disk test regarding to their wear and friction behavior.
Within the scope of this work, a new surface engineering technology named laser implantation has been investigated, in order to improve the tribological performance of hot stamping tools. This technique is based on manufacturing highly wear-resistant, separated, and elevated microfeatures by embedding hard ceramic particles into the tool surface via pulsed laser radiation.
Hence, the topography and material properties of the tool are modified, which influences the thermal and tribological interactions at the blank-die interface. To verify these assumptions and to clarify the cause–effect relations, different titanium-based particles (TiB2, TiC, TiN) were laser-implanted and subsequently analyzed regarding to their geometrical shape and mechanical properties. Afterwards, quenching tests as well as tribological experiments were carried out by using titanium-diboride as the most promising implantation material for reducing the tribological load due to high hardness value of the generated implants. Compared to conventional tooling systems, the modified tool surfaces revealed a significantly higher wear resistance as well as reduced friction forces while offering the possibility to adjust the thermal interactions at the blank-die interface. Based on these results, a tailored tool surface modification can be pursued in future research work, in order to enhance the effectiveness of the hot stamping technology.