Deposition welding of hot forging dies using nanoparticle reinforced weld metal

In the application field of forging, the form-giving tool components are subject to process-related severe environmental conditions, such as high mechanical loads acting simultaneously with high tribological and thermal charges. Due to high machine hour rates as well as increasing environmental requirements in terms of energy consumption, wear protection methods and suitable repair measures for forging tools become more and more important. Laser deposition welding represents an established process for the repair of complex shaped surfaces. A new approach is the addition of nano-sized ceramic particles to improve the mechanical properties. The main idea is to reduce the grain size of the cladded layers by adding nano-sized nuclei. A fine grained microstructure will improve strength as well as ductility and fatigue resistance. Furthermore small hard particles can improve the wear resistance without affecting the friction of the surface. After the cladding process the surface has to be finished usually by turning, milling and grinding operations. Within the presented paper the potential of nanoparticle-reinforced deposition welding with regard to increasing the wear resistance of forging dies will be examined. First, the process of nanoparticle-reinforced deposition welding will be presented. Afterwards it will be shown that yttrium oxide, titanium carbide and tungsten carbide nanoparticles in an AISI H10 matrix material will influence the friction coefficient between forging tool and material as well as the wear properties

Estudio experimental y numérico del desgaste en un acero AISI L6 con recubrimiento difusivo de boro

164 páginas. Doctorado en Ciencias e Ingeniería de Materiales.En el presente proyecto doctoral se estudian las propiedades tribológicas de desgaste y fricción por las técnicas de micro-abrasión y deslizamiento en movimiento reciprocante de 10 condiciones experimentales, 9 con recubrimiento de boro y 1 sin recubrimiento en acero grado herramienta AISI L6, la técnica de caja en polvo es utilizada para el proceso de boro y se manejan 3 temperaturas (900, 950 y 1,000 °C) y tiempos de incubación (0.5, 2 y 3 h); la caracterización de las superficies y espesor del recubrimiento se ejecuta a través de microscopio óptico y electrónico de barrido logrando espesores de totales de 27.13 ± 4.87 a 179.97 ± 11.68 μm, presentando una morfología acerrada para las fases de FeB y Fe2B; con durómetro a escala Rockwell se establece la adherencia del recubrimiento y con durómetro Vickers se analiza la tenacidad a la fractura de las asperezas, se logra una adherencia entre HFI a HF3 según norma VDI 3198; para determinar las propiedades de Módulo de Young y nanodureza en el recubrimiento de boro se utiliza nanodurómetro, obtienen valores entre 272 ± 27 a 325 ± 19 GPa para el Módulo de Young y de 16.52 ± 24.48 a 19.83 ± 2.18 GPa para la dureza; en el caso de la determinación de las fases se efectúan ensayos de Difracción de Rayos X (DRX) para las 10 condiciones experimentales y se detectan boruros de FeB, Fe2B, NiB, Ni2B y CrB ; para la química elemental se realizan estudios por EDS (MEB) en cada fase de los recubrimientos y sustrato, el análisis superficial se evalúa utilizando un rugosímetro y topografías por perfilometría óptica, detectando que la superficie no tiene un creci-miento planar uniforme y obteniendo valores máximos de Sa = 1.079 ± 0.094, Sq = 1.404 ± 0.114 y Sz = 8.665 ± 0.251 μm para la condición a 1,000 °C con 3 h de incubación; el análisis del Contacto Hertziano se efectúa a través de Análisis de Elemento Finito (AEF) con software computacional (Abaqus) calculando valores para una carga de 7 N entre 1,231 a 1,308 MPa y de 1,398 a 1,493 MPa para una carga a 10 N en el sistema tribológico estático del ensayo reciprocante. Los datos de micro desgaste ayudaron a determinar la propuesta de los mapas de desgaste por fases para su predicción en la pérdida de material bajo la carga y espesor del recubrimiento; se realizan estudios detallados para el sustrato con 3 condiciones diferentes de mezcla abrasiva (slurry) y una condición para los recubrimientos de boro, con la finalidad de poder determinar los cambios en la huella de desgaste, y como esta afecta al desgaste micro abrasivo; también, se proponen nuevas caracterizaciones en los cráteres de desgaste y espesores del recubrimiento del boro, proponiendo 5 zonas y tipos de desgaste, que junto al análisis de diámetro de cráter y profundidad de desgaste, se puede establecer un modelo matemático que tiene la propiedad de coadyuvar al análisis del desgaste por fases o zonas de espesores caracterizados y generados por el desgaste micro abrasivo, estableciendo que la fase FeB es la que presenta una mayor resistencia al desgaste. En las condiciones de deslizamiento en movimiento por ensayo reciprocante, en seco y contra cuerpo de WC se estudia el comportamiento del coeficiente de fricción a cargas normales de 7 y 10 N, detectando valores entre 0.47 a 0.55 μ para el recubrimiento de boro, se detalla la información del desgaste generando en la rugosidad y los cambios químicos como: óxidos y tribocapas, que afectan la dinámica del proceso por movimiento reciprocante. Por último, se estudia a detalle los mecanismos de desgaste que se presentan por la técnica de ball cratering así como su evolución en la formación y eliminación de la banda media del sustrato y los recubrimiento, requiriendo 4 deslizamientos con un contra cuerpo de acero AISI 52100.Investigación realizada con el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (México). CONACYT