ICME tools for the design of cemented carbides

Abstract

Hårdmetaller har ofta generaliserats till ett kompositmaterial av hårda wolframkarbidpartiklar(WC) inbäddade i en mjukare och segare koboltbaserad matris. Denna generalisering har, i taktmed att alternativa bindemedel och ytterligare karbider (γ-karbider) introducerats, blivit alltmermissvisande. Sådana förändringar har drivits av behovet av alltmer krävande industriellaslitageapplikationer, samt av att minimera hårdmetallers miljöpåverkan. Utvecklingen av nyasorter som uppfyller båda dessa mål har traditionellt skett genom en trial-and-error-metod, däromfattande experimentellt arbete måste utföras för att nå ett tillfredsställande resultat. Detta ledertill långa och dyra processer för att gå från koncept till applikation. En effektivare metod för attdesigna hållbara hårdmetaller som har erforderliga egenskaper är genom att använda så kallad”Integrated Computational Materials Engineering” (ICME). I denna metod utvecklas modeller ochdatabaser för att beskriva förhållandet mellan process-struktur-egenskaper-prestanda (P-S-P-P) imaterialet. Dessa modeller ger viktig information om de mekanismer som styr ett materialsbeteende vid varje steg i P-S-P-P-kedjan, vilket i sin tur kan användas för att designa nya materialmer effektivt.I denna avhandling utvecklas och valideras två modeller som bidrar till ett ICME-baseratramverk för design av hårdmetaller. Den första modellen beskriver förhållandet mellan materialetsstruktur och hårdhet (egenskaper) som funktion av dess temperatur. Denna varmhårdhets-modellanvänder strukturell information om hårdfasens kornstorlek och polydispersitet, samt volymsandelbindemedes för att prediktera hårdmetallens hårdhet från rumstemperatur upp till 1000°C.Dessutom beskriver modellen de olika mjukningsmekanismerna som bidrar till minskad hårdhetvid förhöjd temperatur vid användning. Det inre mjuknandet av hårdfaserna beskrivs i detta arbeteav en Peierls-Nabarro-baserad modell. Dessutom presenteras en metod som beskriver denmikrostrukturella omstruktureringen vid höga temperaturer.Den andra modellen som presenteras utforskar förhållandet mellan materialets framställningoch dess struktur. Den kallas för en Dynamic C-window-modell, och beskriver utskiljning avskadliga faser i hårdmetaller i syfte att modifiera begränsningar i sammansättning relaterat tillframställnings-processen, allmänt kallat C-fönster. Till skillnad från traditionella metoder, somenbart förlitar sig på termodynamiska jämviktsberäkningar, beaktar denna modell även viktigaprocessparametrar såsom kylhastigheten och den ursprungliga WC-kornstorleken vilket påverkarbredden på C-fönstret. Utöver att definiera ett C-fönster som tar hänsyn till kinetik ger modellenockså insikter i vilka mekanismer som styr mikrostrukturutvecklingen under kylning. Denmodellerar även partikelstorleksfördelningen av skadliga faser som funktion av deframställningsparametrar som tagits i beaktande. Från modelleringsresultaten och denexperimentella valideringen dras slutsatsen att C-fönstret effektivt kan breddas genom att användahögre kylhastigheter vid framställning av hårdmetaller eller/och genom att öka WC-kornstorlekennär applikationen så tillåter. Konsekvenser av detta för den potentiella framställningen avhårdmetaller med alternativa bindemedel beskrivs också.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346479