Towards computational materials design and upscaling of alternative binder cemented carbides

Tid: Fr 2020-02-21 kl 10.00

Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm (English)

Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap

Respondent: David Linder , Materialvetenskap

Opponent: Dr. Jonas Östby, Sandvik Coromant

Handledare: Professor Annika Borgenstam, Materialvetenskap, Metallografi; Professor John Ågren, Materialvetenskap

Abstract

Ökande krav på ekonomisk, social och miljömässig hållbarhet i samhället sätter press på utvecklingen av nya och förbättrade material för resurseffektivitet, ökad komponentlivslängd och substitution av toxiska ämnen. Inom hårdmetallindustrin, som producerar verktyg till exempelvis gruvbrytning och metallbearbetning vilket är centrala delar av många produktionskedjor, kan detta kräva total eller partiell substitution av kobolt. Koboltmineral utvinns huvudsakligen i konfliktregioner och koboltpulver har visats vara cancerogent vid inhalering. Koboltsubstitution kan därför ha betydande effekt på flera aspekter av samhället. Det är däremot långt ifrån trivialt att ersätta en så central komponent i hårdmetallproduktion. Närmare ett århundrande av material- och produktutveckling har gjort modern hårdmetall med kobolt som bindefas till ett av de mest framgångsrika materialen. Genom åren har ackumulerade investeringar genom hela leverantörskedjan gjort dessa material oumbärliga inom industriell produktion. I samband med visionen om koboltsubstituton är det därför kritsikt att generera nya metoder för accelererad materialutveckling och standardiserad materialkvalificering. Detta skulle medföra snabbare och mer tillförlitlig utveckling och introduktion av nya material med potential att ersätta kobolt genomgående i industrin. 

Den här avhandlingen fokuserar på fortsatt utvekling av ett beräkningsbaserat ramverk för materialdesign enligt konceptet ”Integrated Computational Materials Engineering” samt utvecklingen av metoder för kvalitetskontroll av hårdmetall med alternativa bindefaser. Den existerande beräkningsplattformen utvecklas vidare med en modell för brottseghet. Detta medför möjligheten att med hjälp av beräkningar göra avvägningar mellan hårdhet och seghet genom design av mikrostrukturen. Det utökade ramverket påvisas upprepa empiriskt väletablerade samband mellan mikrostruktur och mekansika egenskaper och kan därmed tillämpas för beräkningsbaserad materialdesign av hårdmetall för specifika tillämpningar. Utöver detta utvärderas tillämpbarheten av konventionella metoder för kvalitetskontroll, baserade på magnetiska egenskaper, för hårdmetall med alternativa bindefaser. En kombination av resultaten kring beräkningsbaserad materialdesign och stegen mot standardiserad kvalitetskontroll har potential att accelerera framtida utveckling av hårdmetall, både för koboltsubstitution och förbättrad materiallivslängd.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-266818