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Gefüge und Festigkeit eines laserbasiert additiv hergestellten Hartmetalls = Microstructure and strength of a laser-based additively manufactured hard metal
2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-15
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04702
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/985630/files/985630.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bruchwahrscheinlichkeit (frei) ; Hartmetall (frei) ; Nachbehandlung (frei) ; PBF-LB (frei) ; WC-Co (frei) ; Wärmeleitfähigkeit (frei) ; additive Fertigung (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Wolframkarbid-Cobalt Hartmetalle mit einem niedrigen Cobaltgehalt sind essentiell für die Herstellung von Zerspanwerkzeugen. Die Entwicklung der laserbasierten additiven Fertigung (Powder Bed Fusion Laser Beam, PBF-LB) dieser Hartmetallsorten reicht nicht über Machbarkeitsstudien hinaus. Die Rissbildung und die ungeklärte Entstehung unerwünschter Cobalt-Wolfram-Mischkarbide verhindern den Einsatz als Werkzeug-werkstoff. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung des PBF-LB Prozesses mit anschließender Nachbehandlung für Hartmetalle mit 12 Gew.-% Cobalt. Entlang der Prozesskette, beginnend mit der Pulvermodifikation, konnten signifikante Einflüsse identifiziert werden. Die Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes mittels Rußes zeigte, dass die Bildung unerwünschter Cobalt-Wolfram-Mischkarbide reduziert werden kann. Die entwickelte Vorheizstrategie beinhaltete eine dauerhafte Substratplattentemperatur von 700 °C und das Aufheizen der neu aufgetragenen Schicht mit einem Nah-infrarot Strahler mit 0,4 W/mm² für vier Sekunden. Es wurde eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Bauplatte mit 950 ± 34 °C vor der Laserbelichtung gewährleistet. Mit dieser Vorwärmung konnte eine ausreichende Verdichtung für die anschließende Nachbehandlung verbunden mit einem moderaten Kornwachstum der Karbidphase im PBF-LB-Prozess erreicht werden. Die druckunterstützte Nachbehandlung der additiv gefertigten Hartmetalle führte zu einer signifikanten Verdichtung. Durch das heißisostatische Pressen (HIP) konnte die Porosität im Probeninneren, jedoch nicht die Risse aus dem PBF-LB Prozess, verschlossen werden. Alternativ dazu genutztes Flüssigphasensintern in Vakuum mit einem Nachverdichtungsschritt in Argon (Sinter-HIP) schließt die Risse und kleinere Defekte. Die Nachbehandlung führte zudem dazu, dass das Hartmetall die geforderten Eigenschaften erhält. Insbesondere durch die Sinter-HIP Nachbehandlung wird der Cobaltmischkristall stark beeinflusst. Wolfram und Kohlenstoff werden ausgeschieden und die Zusammensetzung der Binderphase wird homogenisiert. Die Härte und das Elastizitätsmodul der Binderphase sinken, wodurch der Cobaltbinder seine wichtige Eigenschaft der Duktilität im Hartmetall wiedererhält. Die identifizierten Einflüsse entlang der PBF-LB Prozesskette für die Verarbeitung von WC Co Hartmetallen und die erprobten Verbesserungsmaßnahmen bedeuten einen signifikanten Schritt für die weitere Entwicklung der laserbasierten additiven Fertigung von Hartmetall.Tungsten carbide-cobalt cemented carbides with a low cobalt content are essential for the manufacturing of cutting tools. The development of laser-based additive manufacturing (Powder Bed Fusion Laser Beam, PBF-LB) of these carbide grades does not go beyond feasibility studies. Cracking and the unexplained formation of undesirable cobalt-tungsten carbides prevent their use as tool materials. The aim of this work is the development of the PBF-LB process with subsequent post-treatment for carbides with 12 wt.-% cobalt. Significant influencing factors could be identified along the process chain, starting with powder modification. Increasing the carbon content by means of carbon black showed that the formation of undesirable cobalt-tungsten carbides can be reduced. The developed preheating strategy included a constant substrate plate temperature of 700 °C and heating the newly deposited layer with a near-infrared emitter at 0.4 W/mm² for four seconds. A uniform temperature distribution over the entire build plate of 950 ± 34 °C prior to laser exposure was ensured. With this preheating, sufficient densification for the subsequent post-treatment combined with moderate grain growth of the carbide phase in the PBF-LB process could be achieved. Pressure-assisted post-treatment of the additively manufactured cemented carbides resulted in significant densification. Hot isostatic pressing (HIP) was able to seal the porosity inside the sample, but not the cracks from the PBF-LB process. Alternatively, liquid phase sintering in vacuum with a post-compression step in argon (sinter HIP) closed the cracks and minor defects. The post-treatment also resulted in the cemented carbide obtaining the required mechanical properties. In particular, the sinter-HIP post-treatment strongly affects the cobalt binder. Tungsten and carbon are precipitated and the composition of the binder phase is homogenized. The hardness and the elastic modulus of the binder phase decrease, whereby the cobalt binder regains its important property of ductility in the cemented carbide. The identified influences along the PBF-LB process chain for the processing of WC-Co cemented carbides and the tested improvement measures represent a significant step for the further development of laser-based additive manufacturing of cemented carbides.
OpenAccess: 
PDF
(zusätzliche Dateien)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT030746868
Interne Identnummern
RWTH-2024-04702
Datensatz-ID: 985630
Beteiligte Länder
Germany
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