title: Laser-based Additive Manufacturing of Case-hardening Steels
title: Laserbasierte Additive Fertigung von Einsatzstählen
Creators: name: Bartels, Dominic
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Powder Bed Fusion
subject: Laser Metal Deposition
subject: Case-hardening Steel
subject: Additive Manufacturing
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften

description: The good weldability associated with the possibility to improve the surface hardness through carburisation make case-hardening steels appealing for the generation of high-strength products by means of laser-based additive manufacturing. Within this work, the processing of these steels and the resulting material properties were investigated for laser powder bed fusion (PBF-LB/M) and directed energy deposition (DED-LB/M). The case-hardening of additively manufactured specimens was analysed according to the conventional process chain. Additively manufactured specimens are characterized by an improved hardenability, which was assigned to fine-grain hardening effects. Furthermore, alternative process routes were investigated for substituting the case-hardening process by modifying the powder materials that are used for PBF-LB/M and DED-LB/M. The addition of carbon and tungsten carbide supports the generation of parts by PBF-LB/M with a surface hardness exceeding 620 HV and an improved wear resistance after hardening. Furthermore, the potentials of DED-LB/M were revealed, allowing for the direct generation of materials with a high surface hardness (&gt; 800 HV) without the need of a post-process heat treatment. The flexibility of DED-LB/M allows for a targeted tailoring of the surface hardness and potentially the wear resistance of a material. Based on these findings, an alternative process chain was derived for the additive manufacturing of case-hardening steels.
description: Einsatzstähle weisen aufgrund ihrer guten Schweißbarkeit sowie der Möglichkeit zur Härtesteigerung durch das nachgelagerte Einsatzhärten ein hohes Potenzial auf, um hochfeste Produkte mittels Additiver Fertigung zu erzeugen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Verarbeitung von Einsatzstählen mittels Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) und Laserpulverauftragschweißen (DED-LB/M) untersucht, sowie die resultierenden Materialeigenschaften charakterisiert. Analog zur konventionellen Prozesskette wurde das Einsatzhärten additiv gefertigter Probekörper analysiert und deren Übertragbarkeit bewertet. Dabei zeigt sich, dass additiv hergestellte Bauteile eine verbesserte Einsatzhärtbarkeit aufweisen, welche auf die Vorzüge der Feinkornhärtung zurückzuführen sind. Parallel dazu wurden Untersuchungen zur Substitution des Einsatzhärtens durch Modifikation der Pulvermaterialien vor der Additiven Fertigung durchgeführt. Die Zugabe von Kohlenstoff und Wolframkarbid beim PBF-LB/M erlaubt es, Produkte mit ausreichend hoher Härte (&gt; 620 HV) bei verbesserter Verschleißbeständigkeit nach dem Härten herzustellen. Um zusätzlich die Härteoperation zu ersetzen, wurden die Potenziale des DED-LB/M zur Erzeugung hochfester Beschichtungen (&gt; 800 HV) aufgezeigt. Der Einsatz des DED-LB/M erlaubt eine flexbile Einstellung der Bauteilhärte und potenziell der Verschleißbeständigkeit der Werkstückoberfläche. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde eine alternative Prozesskette für die Additive Fertigung von Einsatzstählen abgeleitet.