Laser deposition of non-conventional temper-resistant tool steels

Abstract

Heutzutage werden Bimetall-Sägeblätter für die Metallzerspanung industriell hergestellt, indem man auf ein Trägerband aus Vergütungsstahl einen verschleißbeständigen HSS-Draht durch Elektronen- oder Laserstrahl aufschweißt. Durch diese Verbindungsmethode beschränkt sich die thermisch beinflußte Zone auf die Schweißnaht.<br />In der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit der Herstellung von Prototypen von Bimetallsägeblättern durch Laserauftragschweißen experimentell untersucht. Beim Laserauftragschweißen wird der aufzubringende Werkstoff als loses Pulver auf die zu beschichtende Stelle des Substrates aufgebracht, die mit dem Laser zuvor aufgeschmolzen wurde. Das gesamte aufgetragene Material wird somit einer Laserbehandlung unterzogen, und eine rasche Erstarrung wird erreicht. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Laserbehandlung von C-freien Werkzeugstählen. Verglichen mit konventionellen Schnellarbeitsstählen konnte beobachtet werden, dass die C-freien Qualitäten für die Auftragung mittels Laser besser geeignet sind, weil sie nach rascher Erstarrung geringe Härte und keine Segregation zeigen.<br />C-freie Legierungen, die durch Ausscheidung von intermetallischen Phasen gehärtet werden, haben in den letzten Jahren wieder an Interesse gewonnen, weil sie überlegene Anlassbeständigkeit besitzen. Durch diese Eigenschaft haben solche Werkstoffe hohes Potential als Schneidstoffe.<br />Durch eine neu entwickelte Methodik des "Vorsinterns und Laserumschmelzens" konnten rasch viele kohlenstofffreie Legierungen des Systems Fe-Co-Mo-W untersucht werden. Der optimale Legierungbereich dieses Systems wurde durch Charakterisierung von binären und ternären Phasendiagrammen bestimmt. Eine Vielzahl von Wärmebehandlungsexperimenten und die Adaptierung der Johnson-Mehl-Avrami-Beziehung erlaubte es, den Zuwachs an Härte während der Ausscheidungshärtung in kohlenstofffreien Systemen experimentell und numerisch zu beschreiben. Damit konnten Temperatur-Zeit-Härte-Diagramme dargestellt werden, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Werten erzielt werden konnte.<br />Schließlich wurden zwei Zusammensetzungen des Systems Fe-Co-Mo-W ausgewählt. Gasverdüste Pulver dieser Zusammensetzungen wurden verwendet, um Prototypen von Bimetallbändern herzustellen. An den so erhaltenen Bimetallbändern wurden Schneidzähne herausgearbeitet und Schneidtests im Labormaßstab durchgeführt, die auf einer adaptierten Fräsmaschine durchgeführt wurden. Die Zunahme des Freiflächenverschleißes der Bimetallzähne wurde stufenweise mit Hilfe der REM aufgenommen. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die Leistungsfähigkeit der "Laser"-Bimetallsägen-Prototypen mit der von kommerziellen AISI-M42 Bimetallsägen vergleichbar ist, die im allgemeinen als das Standardmaterial in der Sägeindustrie gelten, wodurch die Potentiale des Laserauftragschweißens und der kohlenstofffreien Legierungen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten demonstriert werden konnten.

Today, bimetal bandsaws for metal cutting are industrially produced by joining a high-speed steel flat-wire to a fatigue-resistant steel strip through electron-beam or laser-beam welding. By these methods, only the weld-seam is affected by the acting beam.<br />In the present work the metallurgical feasibility of the production of bimetal saw prototypes through laser cladding was experimentally investigated. Laser cladding is a deposition technique where a second material is injected as a metal powder into a laser-produced melt pool.<br />The whole clad-material is subjected to the laser treatment and a rapidly solidified state is achieved.<br />The main part of this work is related to the laser treatment of carbon-free tool steels. It was observed that carbon-free grades are better suited for laser deposition as compared to the conventional high-speed steels, since after the rapid solidification they show a low hardness and no segregation. In the last years, carbon-free alloys which are hardened through intermetallic precipitation have found renewed interest due to their outstanding overageing resistance. This feature makes them a group of materials with potential for cutting tool applications.<br />A new methodology of "pre-sintering and laser melting" was developed to test quickly many carbon-free compositions of the Fe-Co-Mo-W system. The "alloying window" in this system was defined by inspecting binary and ternary phase diagrams. Through a large quantity of heat treatment experiments and by adapting the Johnson-Mehl-Avrami formalism with a novel hypothesis, it was possible to describe, numerically and experimentally, the increase in hardness during the precipitation hardening in carbon-free systems. Thus, the construction of Temperature-Time-Hardness diagrams was possible, and an excellent fitting with experimental data was observed.<br />Two compositions of the Fe-Co-Mo-W system were finally selected. Powders of these compositions were gas-atomised and used to produce bimetal strip prototypes. From these bimetal strips, laboratory bimetal bandsaw prototypes were obtained. Laboratory cutting tests were performed using an adapted-milling machine. The increase in flank wear of bimetal teeth was stepwise measured in the SEM. Thus, it was possible to compare the performance of "laser"' bimetal saws with commercial bimetals of AISI M42 (known as an all-round cutting material in the saw industry), which showed the potential of laser cladding and of the carbon-free alloys of the Fe-Co-Mo-W system when cutting at high speeds.