Non-homogeneous structures in cemented carbides

Abstract

Hårdmetall är ett kompositmaterial som traditionellt sett består av hårda keramiska partiklar av volframkarbid och en metallisk bindefas av kobolt. Detta är en kombination som ger materialet unika egenskaper av hårdhet och seghet som lämpar sig till verktyg för till exempel bergborrning eller skärande bearbetning. Olika kombinationer av volframkarbidens storlek och mängd bindefas ger olika materialegenskaper som kan skräddarsys.  

Man har i många tillämpningar funnit det gynnsamt att ha en variation i mikrostrukturen mellan yta och bulk. Idag finns det ett antal tillverkningsprocesser genom vilka en varierande mikrostruktur kan tillverkas så kallade funktionella gradienter. Dessa kan skapas i olika längdskalor. 

I detta arbete har funktionellagradienter, bestående av makrogradienter i mm-skala, producerats genom att modifiera grönkroppen före sintring. Här innebär detta att en korntillväxthämmare titankarbid lokalt har tillsatts på ytan av en grönkropp av hårdmetall. Den lokala tillsatsen har applicerats främst på pressade grönkroppar men titankarbidtillsatsen har också gjorts till sintrade prov för att studera effekten av porositet på gradientbildningen. 

De sintrade proverna har tillverkats genom en standardmetallurgisk process och noggrant studerats med hjälp av karakteriseringstekniker, så som mikroskopi och mikroanalys.  

Inom ramen för denna avhandling undersöks olika parametrar, såsom val av volframkarbidens råmaterial, sintringstemperatur och initial porositet i volframkarbid-kobolt systemet för att utforska hur dessa påverkar den slutliga strukturen i det sintrade materialet. Vidare undersökts möjligheten att utöka funktionellgradientsintring till att inkludera andra bindefaser så som nickel och järn.   

Lokal tillsats av titankarbid utforskar ett alternativt sätt att tillsätta en korntillväxthämmare. Detta möjliggör hållbar användning av råmaterialet genom att tillsätta det där det verkligen behövs. Vid sintringen diffunderar titan och kol in i hårdmetallen och påverkar strukturen och sammansättningen, och ett icke-homogent material skapas. Vid skapandet av dessa funktionella gradienter finns en koppling mellan titandiffusionen från det applicerade titankarbidlagret och tillväxten av volframkarbidkornen i bulkmaterialet. Denna koppling blir särskilt tydlig under förhållanden som främjar korntillväxten för volframkarbidkornen, såsom förhöjda sintringstemperaturer eller användning av små initiala partikelstorlekar för volframkarbiden. Även bindefasens kemi påverkar volframkarbidkornens tillväxt. 

De utvecklade samansättning- och strukturgradienterna återspeglas i de mekaniska egenskaperna. På detta sätt fås en högre hårdhet vid ytan där titankarbidtillsatsen gjorts jämfört med bulkmaterialet. En liknande hårdhetsgradient observeras i prover med nickel- och koboltbindefas, medan det prov med järnbindefas uppvisar en mindre gradient.  

Diffusionsmodellering har också använts för att förstå och förutsäga gradientbildningen vid varierande temperatur och bindefasskemi. Modellen återspeglar trenderna i titangradientbildningen, men kunskap om systemet, till exempel vilken råvara för volframkarbiden som använts och/eller mängden titankarbidtillsats, behövs för att förstå och kunna använda modellresultaten.  

Resultaten och kunskapen från denna avhandling bidrar till ökad förståelse av dessa system och kan på så sätt användas för vidareutvecklingen av hållbara verktygsmaterial för industriell implementering. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363551