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The control of friction and wear is a major concern in many industrial applications. A promising method for a tailored surface modification is the so-called laser implantation technique. This method combines surface texturing and material optimization in one processing step by a localized dispersing of hard ceramic particles using pulsed laser radiation. Wear resistant, protruding micrometric features (implants) with defined geometry can be created in deterministic pattern where needed on highly stressed surfaces, i.e. on forming or cutting tools. However, in order to maintain the implants over the tool’s lifetime, a suitable selection of hard ceramic particles is a prerequisite. They must provide a defect-free Metal Matrix Composite with a high share of homogeneously distributed particles and especially a high implant hardness.
In this study TiN, TiC and TiB2 hard particles were compared as implant materials for the first time. By a systematic variation of the pulse power and pulse duration, their dispersing behavior and influence on the material properties of AISI D2 tool steel was investigated. Although all powder materials had grain sizes smaller than 10 µm, it was possible to disperse them by pulsed laser radiation and to obtain defect-free protruding implants. The highest share of dispersed particles (~64 %) was observed for TiB2. By scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, it was also shown that a significant share of the pre-placed particles was dissolved by the laser beam and precipitated as nanometer sized particles within the matrix during solidification. These in-situ formed particles have a decisive influence on the material properties. While the TiN and TiC implants have shown maximum hardness values of 750 HV1 and 850 HV1, the TiB2 implants have shown the highest hardness values with more than 1600 HV1. By X-ray diffraction, it was possible to ascribe the lower hardness values of TiC and TiN implants to high amounts of retained austenite in the metal matrix. By implanting TiB2, the formation of retained austenite was successfully suppressed due to the in-situ formation of TiC particles, which was proven by electron backscatter diffraction. In conclusion, all the implant materials are basically suitable for laser implantation on AISI D2 tool steel. However, TiB2 has shown the most promising results.
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.