Neutron scattering studies of hard metals

Abstract

Sedan upptäckten av hårdmetall för cirka 100 år sedan har verktyg gjorda av hårdmetall varit avgörande för tillämpningar inom olika områden såsom borrning av tunnelbanelinjer för mer hållbara städer och bearbetning av nästa generations flygplansmotorer för minskade CO₂-utsläpp. Förbättrade egenskaper hos hårdmetallen leder således till ökad effektivitet i olika verktygsoperationer med kortare ledtid, mindre miljöpåverkan och minskade kostnader för till exempel tillverkning. För att skräddarsy den sintrade hårdmetallstrukturen och skapa önskade egenskaper är det viktigt att ha statistiskt representativ experimentell data som uppmätts under förhållanden som efterliknar de verkliga processerna inom industrin. Hittills har dock nano- och mikrostrukturundersökningar av hårdmetaller och relaterade system huvudsakligen varit begränsade till laboratorietekniker, vilket begränsat in-situ-undersökningar av materialens bulk. 

Den här avhandlingen använder neutronspridningstekniker på olika relevanta hårdmetallsystem och visar på hur lågvinkelspridning (SANS) och neutrondiffraktion (ND) kan komplettera konventionella laboratorietekniker och beräkningsverktyg för att förbättra förståelsen av meknismer som styr materialets utveckling under olika processer. En del av datat som presenteras i avhandlingen kan endast uppnås med hjälp av neutronspridningsexperiment. 

SANS-experiment används för kvantifiering av nano- och mikrostrukturella egenskaper inklusive mätning av den Co-rika bindefasens storlek, kornstorlek hos WC och storleken och volymsfraktionen av (V,W)C_x-gränsskikt. Den kvantitativa datan gör det möjligt för oss att dra slutsatser angående mekanismen för inhibering av kornförgrovning i V-dopade hårdmetaller vid olika V-tillsatser. Resultaten tyder på att kornförgrovningsinhiberingen i V-dopade hårdmetaller härrör från minskad rörlighet av WC/Co-gränskikt och minskad total drivkraft för förgrovning. Den komplexa karaktären av den strukturell utveckling vid sintringstemperaturer undersöks ytterligare genom in-situ SANS upp till 1500 °C. Resultaten visar att storleken och volymsfraktionen hos gränsskikten starkt beror på närvaron av bulk (V,W)C_x-utskiljningar och V-aktivitet i bindefasen. 

In-situ ND-experiment under åldring av (Ti,Zr)C-baserade system ger tidsupplösta insikter i kinetiken och den strukturella utvecklingen under fasseparation vid 1600 °C under 10 timmar. Resultaten visar att sönderfallet av (Ti,Zr)C till TiC-och ZrC-rika faser kan fördröjas avsevärt genom små mängder av HfC eller NbC-tillsatser. Under sönderdelning observerades ingen förändring i gitterparametern för ZrC-rik fas. Däremot minskar gitterparametern i TiC-rik fas under sönderfallet, vilket är ett resultat av TiC-anrikning och liknar spinodalt sönderfall. Dessutom har en ny karbid i systemet (Ti,Zr,Hf,W)C designats och den har exceptionell hårdhet. Även om systemet har en blandningslucka så sker endast smärre sönderfall efter 100 timmars åldring vid 1350 °C genom bildning av (Ti,W)C-och (Zr,Hf)C-rika produkter och WC-utskiljningar. En sådan långsam sönderfallskinetik gör att karbiden bibehåller sin höga hårdhet.

Sammanfattningsvis, genom att använda neutronspridningstekniker bidrar denna avhandling till en bättre förståelse av nano- och mikrostrukturutveckling i hårdmetaller och relaterade system under olika industriellt relevanta processer vid hög temperatur. Avhandlingen och bifogade artiklar vägleder även läsarna angående förberedelser, t.ex. prov och provmiljö, och dataanalys efter neutronspridningsexperiment. Avhandlingen kan därmed vara en utgångspunkt och stimulera vidare användning av neutronspridningstekniker inom hårdmetallindustrin. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-306786