High strength without quenching: Tempering effects in additively manufactured Dievar tool steel

Abstract

Dievar hot-work tool steel was fabricated by laser powder bed fusion and tempered directly from the as-built condition over a temperature range of 400–1000 °C to assess microstructure–property relationships without prior quenching. Mechanical testing, microscopy, dilatometry, and JMatPro® thermodynamic calculations were used to map the phase transformations in the steel during processing. While conventionally processed tool steels typically require quenching followed by tempering, the rapid thermal gradients intrinsic to additive manufacturing (AM) can eliminate the need for quenching. The ultimate tensile strength of AM Dievar peaked at 2162 MPa with the highest elongation of 17% and corresponding hardness of 611 HV10 after tempering at 525 °C. Notably, the highest hardness of 633 HV10 occurred at a tempering temperature of 550 °C. A plateau in strength was observed for samples heat-treated between 525 and 610 °C, with strength values consistently exceeding 2100 MPa. However, tempering above 610 °C led to a marked deterioration in mechanical properties, driven by austenite reversion and intense carbide precipitation. These results demonstrate that direct tempering of additively manufactured Dievar can achieve strengths exceeding 2 GPa, with hardness higher than 600 HV10, thereby simplifying subsequent processing by eliminating the need for quenching while maintaining mechanical properties

Nástrojová ocel Dievar pro práci za tepla byla vyrobena technologií laser powder bed fusion a následně popouštěna přímo ze stavu po výrobě v teplotním rozmezí 400–1000 °C, aby bylo možné posoudit vztahy mezi mikrostrukturou a vlastnostmi bez předchozího kalení. K zmapování fázových přeměn v oceli během zpracování byly využity mechanické zkoušky, mikroskopie, dilatometrie a termodynamické výpočty v programu JMatPro®. Zatímco konvenčně zpracované nástrojové oceli obvykle vyžadují kalení následované popouštěním, rychlé teplotní gradienty, které jsou vlastní aditivní výrobě (AM), mohou potřebu kalení eliminovat. Aditivně vyrobená ocel Dievar dosáhla nejvyšší pevnosti v tahu 2162 MPa po popouštění při 525 °C, přičemž současně vykazovala nejvyšší tažnost 17 % a odpovídající tvrdost 611 HV10. Nejvyšší tvrdost, 633 HV10, byla zaznamenána při popouštěcí teplotě 550 °C. U vzorků tepelně zpracovaných v rozmezí 525 až 610 °C byla pozorována oblast plató pevnosti, přičemž hodnoty pevnosti setrvale přesahovaly 2100 MPa. Popouštění nad 610 °C však vedlo k výraznému zhoršení mechanických vlastností v důsledku zpětné tvorby austenitu a intenzivní precipitace karbidů. Tyto výsledky ukazují, že přímým popouštěním aditivně vyrobené oceli Dievar lze dosáhnout pevnosti přesahující 2 GPa a tvrdosti vyšší než 600 HV10, což zjednodušuje následné zpracování tím, že odpadá nutnost kalení při současném zachování mechanických vlastností.