Slijtvaste AM-onderdelen dankzij hardchromeren

K3D en Chromin Maastricht willen AM-werkstukken slijtvaster maken.

Voegt chroomdiffusie als oppervlaktebehandeling waarde toe aan een 3D geprint metalen onderdeel? Dat is de vraag die K3D en Chromin Maastricht zichzelf gesteld hebben. De eerste resultaten zijn veelbelovend. De corrosiewerendheid en slijtvastheid van 3D geprinte onderdelen kunnen verbeterd worden.

Warmtebehandelingen zijn niet ongewoon voor metalen componenten die met additive manufacturing zijn geproduceerd. Vaak worden de onderdelen spanningsarm gegloeid om de spanningen uit het product te halen. Precipitatieharding wordt gebruikt om de eigenschappen bij 3D printen met bepaalde metaalpoeders te verbeteren. K3D en Chromin Maastricht willen een stap verder gaan, namelijk precipitatieharden combineren met hardinchromeren. “Een van de beperkingen van 3D metaalprinten is momenteel de beschikbaarheid van materialen”, zegt Luuk Wissink, CEO van K3D. “We krijgen uit de markt veel vragen waarbij corrosie en slijtvastheid een rol spelen.” Een voorbeeld hiervan uit de eigen fabriek van Kaak is een slijtdeel van een hydraulisch gereedschap waarmee M10 bouten automatisch met een vast koppel worden aangedraaid. Na een half jaar ontstaat op de hoeken van de M10 bit slijtage en is vervanging noodzakelijk. Luuk Wissink: “Het is een kostbaar onderdeel als we dat moeten bestellen bij de leverancier en het heeft tevens een levertijd van 6 weken. Daarom willen we het zelf printen. En we willen de standtijd verhogen met de chroombehandeling.” De toegevoegde waarde van additive manufacturing zit dan vooral in het kunnen leveren binnen enkele dagen, geen voorraad en een langere levensduur van het gereedschapsonderdeel.

K3D past de moer toe in een gereedschap voor de assemblage van de broodbaklijnen. De M10 bit vervangen is kostbaar.

Hardinchromeren

Met HIP-en en andere thermische bewerkingen voor additive manufacturing verbeteren weliswaar de producteigenschappen, maar niet zaken als slijtvastheid. Chromin Maastricht heeft daarom de met M300 poeder geprinte onderdelen behandeld met een diffusietechniek, hardinchromeren. “We diffunderen het chroom in het materiaal zodat de chroomcarbides ontstaan, waardoor het product keramisch hard wordt”, zegt Jeroen Heijneman, sales manager bij het Maastrichtse warmtebehandelingsbedrijf. Het chroom gaat tijdens de thermische behandeling een verbinding aan met de koolstofatomen in het M300 gereedschapstaal. De laagdiepte waarin de chroomcarbides zich vormen, meet afhankelijk van het proces tussen de 5 en 50 µm. Hierin verschilt de diffusiebehandeling wezenlijk van het hardverchromen. Bij dit laatste wordt een oppervlaktelaag door middel van een galvanisch proces aangebracht; bij de diffusietechniek zoals Chromin Maastricht die als een van de weinige in de Benelux toepast, ontstaat de hardheid in het oppervlak van het materiaal. Het chroom gaat een verbinding aan met de aanwezige koolstof uit het basismateriaal, waardoor de slijtvaste laag niet kan afbreken of afspringen tijdens het gebruik van de onderdelen. Hardinchromeren kan tevens worden gecombineerd met precipitatieharden. Testen door Chromin Maastricht in het eigen laboratorium wijzen uit dat het chroomgehalte in de geprinte onderdelen met 35 procent toeneemt. Dat leidt tot betere slijtageeigenschappen en corrosieweerstand. De oxidatiebestendigheid verbetert sterk tot 850 graden C. Jeroen Heijneman: “We vergroten de toepasbaarheid van de onderdelen door de hardheid, corrosiebestendigheid, loopeigenschappen en de temperatuurbestendigheid te verbeteren.” Het voedselveilig harden van RVS kan ook door middel van het hardinchromeren plaatsvinden conform de EU-richtlijn EG1935-2004.

Nog beter dan precipitatieharden

Van links naar rechts Jimmy Gies en Luuk Wissink van K3D en Jeroen Heijneman van Chromin Maastricht.

Met deze processtap worden de mechanische eigenschappen van het M300 poeder verder verbeterd dan wanneer alleen precipitatieharden wordt toegepast. De nabehandeling heeft amper invloed op de maatnauwkeurigheid van de onderdelen. Deze minimale verandering is bij Chromin bekend omdat die ook bij conventioneel vervaardigde onderdelen optreedt. Ook zijn er geen effecten zichtbaar in het basismateriaal, M300 in dit geval. Jimmy Gies, AM-engineer bij K3D: “Voor het inchromeren trommelen we de onderdelen om het oppervlak gladder te maken. Strikt noodzakelijk is dit niet, maar hoe gladder het oppervlak, des te beter het proces verloopt. Anders kan er lokaal een harde plek ontstaan en wordt het onderdeel bros.” Chromin Maastricht kan met deze technologie ook inwendig in de onderdelen de eigenschappen verbeteren. Daar ontstaat dezelfde slijtvaste laag. De enige voorwaarde is dat er geen volledig afgesloten holtes zijn.

Veel potentieel

Jimmy Gies ziet veel potentieel in deze aanvullende technologie voor de AM-werkstukken. Het slijtvast maken is interessant omdat men voor hoogwaardige machine-onderdelen standaard poeders kan nemen. “Stel dat we slijtdelen zo kunnen verbeteren, dan zou gereedschapstaal een optie kunnen zijn als vervanging van 316L. Dat heeft direct invloed op de kostprijs van het geprinte onderdeel.” K3D en Chromin Maastricht gaan dit concept samen verder uitwerken. In eerste instantie met onderdelen voor K3D. Als het proces eenmaal staat, dan willen ze de samenwerking uitbouwen en de post process technologie voor AM-werkstukken breder in de markt gaan toepassen.