Remanufacture of Hot Forging Dies By LMD-p Using a Cobalt Based Hard-Facing Alloy

Abstract

Additive Manufacturing (AM) technologies are providing exciting opportunities for repair and remanufacture of industrial components. Laser Metal Deposition with powder (LMD-p) is an ideal candidate process for selective remanufacture of high value tools and dies exhibiting wear, particularly on complex geometries found in hot forging applications. When used in combination with a multi-axis CNC machining centre and a suitable metal powder metallurgy, LMD-p can produce hybrid (additive/subtractive) remanufacturing operations which exceed the original wear characteristics of production die sets. DigiTool, a consortium funded project by Innovate UK, consisting of the Advanced Forming Research Centre (AFRC) and five industrial partners, developed a remanufacturing process for complex closed die tooling geometry. After careful consideration of commercially available metal powders in the range 40 to 120 µm for use with LMD‑p, MetcoClad 21, a cobalt based hard-facing alloy, was selected as the metal powder repair medium due to its superior sliding wear resistance, galling, and machinability. Experimental trials determined the optimum LMD-p process parameters and worn H13 tool steel hot forging dies were successfully remanufactured along the complex flash land areas and pocket features in the cavity. The selective die repairs were subsequently verified in a production environment at the customer site, resulting in die life increase of 108% whilst maintaining all dimensional and customer quality standards. The die life increase has allowed the customer to reduce the piece-part cost and win the business back from a competitor.

Zusammenfassung

Additive Manufacturing (AM) Technologien bieten aufregende Möglichkeiten für die Reparatur und Wiederaufarbeitung (Remanufacture) von Industriekomponenten. Die Lasermetallabscheidung mit Pulver (LMD-p) ist ein idealer Kandidat für die selektive Wiederaufbereitung von verschleißenden hochwertigen Werkzeugen und Matrizen, insbesondere für komplexe Geometrien bei Heißschmiedeanwendungen. In einer Hybridkombination (additive/Zerspanung) mit einem mehrachsigen CNC-Bearbeitungszentrum und einer geeigneten Metallpulvermetallurgie, wie z. B. LMD‑p, können Wiederaufarbeitungsvorgänge erzeugt werden, die die ursprünglichen Verschleißmerkmale von Produktionswerkzeugsätzen übertreffen. DigiTool war ein vom Konsortium finanziertes Projekt von Innovate UK, bestehend aus dem AdvancedForming Research Centre (AFRC) und fünf Industriepartnern. In diesem Projekt wurde ein Wiederaufarbeitungsverfahren für komplexe Geometrien von geschlossenen Stempeln entwickelt. Nach sorgfältiger Prüfung von im Handel erhältlichen Metallpulvern im Bereich von 40 bis 120 μm zur Verwendung mit LMD-p wurde MetcoClad 21, eine hartbeschichtete Legierung auf Kobaltbasis ausgewählt, da das Material eine überlegende Gleitverschleißbeständigkeit, Abriebfestigkeit und Bearbeitbarkeit aufweist. Durch experimentelle Versuche wurden die optimalen LMD-p-Prozessparameter ermittelt und abgenutzte Heißschmiedestempel (H13-Werkzeugstahl/1.2344) wurden erfolgreich entlang des komplexen Abquetschrandes und den Aussparungen im Hohlraum wiederaufbereitet. Die selektiven Werkzeugreparaturen wurden anschließend in einer Produktionsumgebung beim Kunden überprüft, was zu einer Verlängerung der Werkzeuglebensdauer um 108 % führte, wobei alle Maß- und Kundenqualitätsstandards eingehalten wurden. Die Erhöhung der Lebensdauer der Matrize hat es dem Kunden ermöglicht, die Stückkosten zu senken und das Geschäft von einem Konkurrenten zurückzugewinnen.