Improved wear resistance austenitic steel produced by selective laser melting

In this work, a high-strength tool steel was obtained via selective laser melting. Different amounts of 304CS powder was added to 316L stainless steel in order to increase hardness and wear resistance of the final product. The samples were produced with a SLM prototype machine built at the Politecnico di Milano, the parameters of the machine were optimized in order to produce nearly full-dense samples using up to 20% of 304CS powder, which was found to be the threshold value beyond which defects and pores appear in a considerable amount. Laser power and scan speed were the parameters changed in order to achieve maximum density. The material underwent a subsequent heat treatment to modify the microstructure and the mechanical properties of the samples. A solution treatment followed by water quenching was performed at the temperatures of 1100°C, 1150°C and 1200°C for 1h; a subsequent aging at 650°C was also performed. The samples showed austenitic grains growing epitaxially through various laser tracks; carbides and borides are present along the boundaries. The amount of these particles increases with the percentage of 304CS powder in the blend. After the solution treatment, the microstructure progressed with temperature to an island-shape austenitic cells with spheroidized carbides and borides on the edge. Hardness analysis was performed, the increasing amount of 304CS increases almost linearly the hardness of the material. The heat treated samples showed lower values of hardness with respect to the as built ones. Wear analysis showed to be directly correlated to hardness. Higher hardness values lead to better wear properties.

Il presente lavoro è finalizzato all'ottenimento di un acciaio da utensili ad alta resistenza prodotto tramite selective laser melting. Differenti quantità di polvere di 304CS sono state aggiunte ad acciaio inossidabile di tipo 316L per aumentare la durezza e la resistenza all'usura del prodotto finale. I campioni sono stati prodotti con un macchinario SLM prototipale costruito presso il Politecnico di Milano, i parametri della macchina sono stati ottimizzati per poter ottenere campioni completamente densi usando fino al 20% di polvere di 304CS, riscontrando tale quantità come soglia limite oltre la quale difetti e pori appaiono in misura considerevole. La potenza del laser e la velocità di scansione sono stati i parametri variati per ottenere la massima densità. Il materiale ha subito un successivo trattamento termico per modificare la microstruttura e le proprietà meccaniche dei campioni. È stata effettuata una solubilizzazione seguita da tempra in acqua alle temperature di 1100°C, 1150°C e 1200°C per 1h; in aggiunta è stato effettuato un successivo invecchiamento a 650°C. I campioni mostrano grani austenitici che crescono epitassialmente attraverso varie tracce del laser; carburi e boruri sono presenti lungo i bordi. La quantità di queste particelle aumenta con l'aumentare di 304CS nella miscela di polveri. Dopo la solubilizzazione, la microstruttura si evolve con la temperatura verso delle isole di austenite con carburi e boruri sferoidizzati ai bordi. È stata condotta un'analisi di durezza, l'aumento di 304CS aumenta quasi linearmente la durezza del materiale. I campioni trattati termicamente mostrano valori di durezza inferiori rispetto a quelli non trattati. L'analisi dell'usura mostra di essere direttamente correlata alla durezza, valori più alti di durezza sono correlati a una migliore resistenza all'usura.