Increase of the service life by a new laser-generated surface out of hard particle-reinforced composite material
Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
Final Report Abstract
Dressierwalzen werden zur Einstellung der finalen Blechdicke und Oberflächenstruktur von Kaltwalzerzeugnissen verwendet. Bei Blechen, die für die Umformung (z. B. im Karosseriebau) hergestellt werden, kommen texturierte Dressierwalzen mit einer Hoch-Tief-Struktur zum Einsatz, um die Umformbarkeit und die Lackhaftung des Blechs zu verbessern. In diesem Projekt wurden neue Texturen für Dressierwalzen entwickelt und charakterisiert. Außerdem wurde untersucht, inwieweit die Textur der Walze auf das Blech übertragen wird. Durch Laserdispergieren konnten Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC, engl. Metal-Matrix Composite )-Schichten mit sphärischen Wolframschmelzkarbid (sWSC)-partikeln mit sehr hoher Härte auf Dressierwalzen gefertigt werden. Die MMC-Schichten zeigten eine sehr gute Anbindung der sWSC-Partikel. Laserdispergieren war bisher eine langsame und damit wenig produktive Technologie, was für viele potenzielle Anwendungen ein entscheidender Nachteil war. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde ein Hochgeschwindigkeitsprozess zum Laserdispergieren (HSLMI, engl. High-Speed Laser Melt Injection) entwickelt, mit dem die Erzeugung hochverschleißfester MMC-Schichten auf Werkzeugen mit hoher Produktivität und ohne zusätzlichen Matrix-bildenden Pulverwerkstoff möglich wurde. Erstmals wurden hohe Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 100 m/min beim Dispergieren von sWSC-Partikeln in den Stahl 1.2362 erreicht. Im Projekt wurde der Einfluss der Prozessgeschwindigkeit auf das Mikrogefüge und die Verschleißfestigkeit der MMC-Schicht untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Rissanfälligkeit als auch die sWSC- Auflösung durch eine Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit deutlich reduziert werden kann und dass die sWSC-Verstärkung zu einer signifikanten Verbesserung der Verschleißfestigkeit gegenüber dem unverstärkten Stahlsubstrat führt. Zur Erzeugung einer ausgeprägteren Hoch-Tief-Struktur wurde nach dem Laserdispergieren und dem Schleifen der Walzen eine zusätzliche Nachbearbeitung der Walzenoberfläche durch entweder Laserablation oder elektrolytisches Ätzen durchgeführt. Eine Analyse der Topografien zeigte, dass unterschiedliche Freilegungstiefen zwischen sWSC-Partikeln und Matrix eingestellt werden können. Die durch Laserablation erzeugten Texturen wiesen eine Topografie mit zwei Plateaus auf, während durch elektrolytisches Ätzen eine Textur mit sphärischen Partikeln erzeugt werden konnte. In Walzversuchen wurde festgestellt, dass alle Texturen von der Walze aufs Blech übertragen werden konnten. Das Transferverhältnis der durch Laserablation erzeugten Hoch-Tief-Strukturen lag dabei zwischen 45 und 60 %, sodass etwa die Hälfte der Freilegungstiefe der Walzen auf das Blech übertragen wird. Damit konnte gezeigt werden, dass das Projektziel, den Prozess des Laserdispergierens aus dem Grundlagenprojekt auf den Anwendungsfall der Dressierwalzen zu übertragen, erreicht wurde. Zudem liefert der neu entwickelte Hochgeschwindigkeitsprozess erstmals Potential für eine wirtschaftliche Umsetzung des Laserdispergierens für das Dressierwalzen, aber auch für diverse andere Anwendungsmöglichkeiten. Eine Umsetzung des entwickelten Prozesses bei den Anwendungspartnern ist geplant.
Publications
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High-speed laser melt injection for reinforcing steel and copper tools 23. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde - Abstract Booklet, 2022
Warneke, Philipp; Bohlen, Annika & Seefeld, Thomas
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High-speed laser melt injection for wear protection of skin-pass rolls LAF 2022: Proceedings of the 12th Laser Applications Forum, 2022
Warneke, Philipp; Hildinger, Philipp; Bohlen, Annika & Seefeld, Thomas
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Influence of the process speed in laser melt injection for reinforcing skin-pass rolls. Journal of Laser Applications, 35(1).
Warneke, Philipp; Bohlen, Annika & Seefeld, Thomas
