Legierungsentwicklung von karbidreichen Werkzeugstählen aus Pulvermischungen für die laser- und pulverbettbasierte additive Fertigung

Die Vielfalt der verfügbaren Werkstoffe für die additive Fertigung vor allem im Bereich der Werkzeugwerkstoffe ist im Vergleich zur Werkstoffauswahl für konventionelle Fertigungsrouten sehr gering. Gleichzeitig ist eine Werkstoffentwicklung für die verfügbaren additiven Verfahren essenziell, da diese Werkstoffgruppe hinsichtlich ihrer Verarbeitbarkeit besonders anspruchsvoll ist. Eine Legierungsentwicklung wird üblicherweise durch iterative Sonderverdüsungen verschiedener Werkstoffzusammensetzungen durchgeführt, die sowohl kosten- als auch zeitintensiv sind. Die Nutzung von Pulvermischungen in der laser- und pulverbettbasierten additiven Fertigung ist eine kosteneffiziente Möglichkeit neue Legierungszusammensetzungen zu verarbeiten und ihre Eigenschaften mit ihrem Anforderungsprofil zu vergleichen.

Hinsichtlich der Wahl geeigneter Basispulver für die Pulvermischungen müssen einige Aspekte berücksichtigt werden. Dabei spielen neben der Morphologie, der Dichten und der Schmelzpunkte der Pulver auch die zum Einsatz kommenden Partikelgrößenverteilungen eine große Rolle. Inhomogenitäten auf verschiedenen Größenskalen wurden charakterisiert und auf diese Einflussfaktoren zurückgeführt. Durch verschiedene Ansätze können die Inhomogenitäten verringert werden und eine erfolgreiche Legierungsentwicklung an drei beispielhaft ausgewählten Werkzeugstählen demonstriert werden.

Die erste Legierungsentwicklung zeigt, dass durch das Senken des Erstarrungsintervalls einer Schmelze durch die Hinzugabe von Cr₃C₂ zu X40CrMoV5-1 eutektische M₇C₃ ausgeschieden werden, die die Heißrissneigung des neu entwickelten Werkstoffs entscheidend reduziert. Im zweiten Anwendungsbeispiel wird gezeigt, dass durch die Zugabe von hochschmelzendem TiC die Karbidgehalte und Karbidgrößen zielgerichtet im Werkstoff eingestellt werden können ohne die Verarbeitbarkeit zu reduzieren. Dazu werden Karbide verwendet, die in der Schmelze nur teilweise aufgeschmolzen werden und im Gefüge als Karbidpartikel eingebettet werden.

Der dritte Beispielwerkstoff ist ein korrosionsbeständiger karbidreicher Werkzeugstahl, der auf Basis eines konventionellen Warmarbeitsstahls mit Cr und Cr₃C₂ legiert ist und somit ein vollkommen anderes Eigenschaftsprofil aufweist.

Anhand dieser Arbeit wird das Potenzial und die Vielfältigkeit für die Nutzung von Pulvermischungen für die additive Fertigung herausgearbeitet und hervorgehoben.