Academic literature on the topic 'Hårdmetall'

Examensarbetet har genomförts på Sandvik Mining i Västberga, under våren 2012. Produktionsenheten tillverkar hårdmetall som används för bland annat krossning och borrning av berg. Tillverkningen har två processteg; pressning av hårdmetallpulver och därefter sintras den pressade kroppen. Sintringen saknar ett uppföljningssystem för återkoppling av driftdata. Därmed saknas kunskap om hur stor kapacitet som finns. Syftet är att kartlägga sintringsugnarnas kapacitet med hänsyn till driftsäkerhet, tillgänglig tid samt även den tillgängliga ugnsvolymen. Värdeflödet ska visuellt förbättras i produktionen för att på så vis öka förståelsen för både operatörer och tjänstemän. Efter en omfattande kartläggning, av bland annat fyllnadsgrad, driftsäkerhet och utnyttjandegrad, ska förbättringsåtgärder avseende ökning av ugnarnas kapacitet lokaliseras och utredas. Målet är att öka kapaciteten i ugnarna med 10 %. En övergripande bild av flödet togs fram med hjälp av en förenklad värdeflödesanalys. Interna databaser genomsöktes för att finna historiska driftdata. Information har inhämtats från 2007-2011 där åren 2008, 2010 och 2011 bedömts vara pålitliga för utvärdering av kapacitet och utnyttjandegrad. Informationssökning har även gjorts i produktionen när information i databaser saknades eller behövde kompletteras. Antal tillgängliga dagar fastställdes till 340 per år och tillsammans med antal körningar varje år beräknades ugnarnas utnyttjandegrad till 32 % av den tillgängliga tiden för den lägsta och 82 % för den högsta. Låg tillgänglighet beror i många fall på bristande underhåll som lett till obrukbara ugnar. Ugnarnas totala kapacitet beräknades, utifrån aritmetiska medelvärden av statistiska data, till 18 ton per vecka. Kapacitetens övre och undre gräns beräknades med standardavvikelsens spridning hos den samlade mängden data, till 27 respektive 10 ton per vecka. Genomförd kartläggning har lett till kunskap om möjliga förbättringar i den visuella överblicken och möjliga effektiviseringar som ökar kapaciteten mot eftersträvade + 10 %. De visuella förbättringarna består av en förfinad sortering i ställagen och bättre överblickbarhet över ugnarnas driftstatus genom förbättring av en översiktstavla. Förbättring kan även nås genom ändring av stapelhöjd i presscellerna för att matcha ugnarnas höjd. För att öka kapaciteten i ugnarna bör planeringen av orderstorlekar styras utifrån tillgänglig ugnskapacitet istället för som i dagsläget utifrån ledig presskapacitet. Om orderstorlekarna ändras i processen för de produkter som genomgår extra värmebehandling ökar kapaciteten genom att närmare 100 ugnskörningar frigörs årligen. Utvärdering av cirka 1 000 artiklar vad avser införande av nya kutshöjder har gjorts. Införande av 25 mm-kuts ökar kapaciteten genom att 10 ugnskörningar frigörs årligen. Jämförelse mellan kapacitet på spårade tallrikar och kutstallrikar har gjorts på produkter som står inför kommande geometriförändringar. Omflyttning av dessa 165 produkter från kutstallrikar till spårade tallrikar, medför en kapacitetsökning med 18 frigjorda ugnskörningar årligen. Runda tallrikar har cirka 30 % lägre kapacitet än kvadratiska med fast sarg. Ersättning av runda tallrikar med kvadratiska tallrikar med fast sarg kommer att öka ugnarnas kapacitet. Hur stor ökningen blir är inte möjligt att kvantifiera, ty information om hur många ordrar som körs på runda tallrikar saknas. Totalt bedöms de tre kvantifierbara förbättringarna resultera i 128 frigjorda körningar och en driftkostnadsbesparing på cirka 1,4 MSEK årligen.
The thesis has been carried out at Sandvik Mining in Västberga, during the spring of 2012. The production unit manufactures sintered carbide inserts, used for crushing and drilling of rocks. They are made through two process-stages; pressing of hard metal powder and sintering of the pressed body. The sintering process lacks a monitoring system for feedback of operational data. Therefore knowledge about available capacity is missing. The aim is to map the sintering ovens capacity, regarding reliability, availability and the sintering ovens available volume. The value stream shall be visually improved to increase the understanding for both operators and officials. After a wide survey regarding, among others, fill-rate, reliability and utilization rate, improvements regarding increase of the ovens capacity shall be localized and analyzed. The target is to increase the ovens capacity by 10 %. An overlook of the value stream was created by using a simplified version of the value-stream-mapping-tool. Internal databases were searched to find historical runtime-data. Information has been gathered from 2007-2011 and the years 2008, 2010 and 2011 have been judged as reliable for further analysis of capacity and utilization-rate. Search for information has been conducted in the production when information was missing in databases or needed to be complemented. The number of available days annually was set to 340 and together with the number of runs each year the utilization rate was calculated, 32 % for the lowest and 82 % for the highest. Low availability depends in many cases on lack of maintenance which has led to unworkable ovens. The ovens total capacity was calculated, using an arithmetic average, to 18 tons a week. Upper and lower limit of the capacity was calculated with the distribution of standard deviation to 27 respectively 10 tons per week. The conducted mapping has led to knowledge about improvements for the visual overlook and also possible improvements that increase the capacity towards the desired + 10 %. The visual improvements consist in a refined sorting of the pressed bodies and a better view of the ovens status by improving a status-board. Another improvement is to match the stack height in the press-cells with the ovens height. To increase the ovens capacity, the planning of order sizes should be made for the ovens capacity and not as made today by available pressing capacity. If the order sizes for the extra heat-treatment-process will be changed, the capacity will increase by almost 100 extra runs every year. Analysis of 1 000 articles regarding implementation of a new plate-distance has been made. The new plate-distance will increase the capacity by 10 extra runs annually. Comparison between the capacity on slotted plates and distance-plates has been made on products that stand for upcoming geometry changes. Relocation of these 165 products from slotted plates to distance-plates, results in increased capacity by 18 extra runs annually. Circled plates have almost 30 % lower capacity than square plates with fixed frame. Replacement of circled plates with square plates with fixed frame will increase capacity, but the size of the gain is not known because information about the number of orders manufactured on circled plates is not known. Totally the three quantifiable improvements is estimated to result in 128 extra runs and an operation cost benefit of 1,4 MSEK annually.

In this study, the ageing effects on powder used for cemented carbide insert production are examined. Ageing is throughout this study, defined as the time dependent change of the magnetic properties: coercive field strength and saturation magnetization. Testing is done using eight different powder compositions stored in both air and in an argon cabinet for 10 weeks, where sampling is done at specific intervals. Samples are stored in vacuum sealed bags for a combined sintering at the last phase of the test. Magnetic properties are assumed to be dependent on the amount of oxides needed to be reduced by taking carbon from the material itself during the vacuum stage of the sintering. To achieve interpretive results, this study also tested available sintering furnaces (DMK and DEK) by sintering trays with patterns of test pieces. This shows that DEK furnaces are much better for the ageing tests performed in this study, since less variation of the magnetic properties are measured because of the symmetrical heat gradient over each tray. Ageing tests strongly suggest that the cause of ageing comes from water absorbed by the PEG in the powder composition. Changing the molecular weight of the PEG seems to have an effect on the powder's ageing sensitivity. Measurements performed in this study show less ageing for Cr-rich DA-powders than for cubic carbide rich DQ-powders.

In this master thesis, performed at Sandvik Coromant Västberga (Stockholm), a comprehensive study has been made to investigate the wear on textured alumina (Inveio™) coated cutting tools when turning low-alloy steels. Specifically, wear studies have been made on tools’ rake faces when turning two separate batches of SS2541, after an initial turning time of 4 min. A particular focus has been given to elucidate what particular role the inclusions might have for the wear of the alumina coating onthe tools. Evaluation of tool wear has been made by employing several different analytical techniques, such as LOM, SEM, Wyko, Auger-spectrometry (AES), EPMA and XRD. The results shows that the arisen wear marks on both tested tool types may be divided into three separate and highly distinguishable wear zones, denoted here in thiswork as “wear bands”. Largest amount of wear tended to occur initially at the topmost part of the 3rd wear band. This was true for both tested tool types. This area demonstrated a characteristic 'lamellar' wear pattern, composed of narrow andstructured ridges. All the tools tested demonstrated the adhesion of workpiece materials of various composition that formed into smeared layers in these formed ridges. Depth-profiling Auger-spectrometry revealed that a significant amount of calcium was present in the machined alumina coating layers. This suggests that a reaction between the calcium-containing inclusions found in the steel and the aluminacoating layer had occurred during the performed turning tests.These results arecontradictory to the general belief that alumina is chemical inert during machiningand has previously, to the authors knowledge, not yet been published. Based on the results from this thesis and from a literature review concerning thebehavior of α-alumina during deformation, a new theoretical wear model has been developed. In this model, it is emphasised that the sliding of hard inclusions from the steel may activate pyramidal slip systems in the textured alumina coating. This causes a nano-crystallisation and/or amorphisation in the topmost part of the coating, which facilitates the further wear of these coated tools.
I detta examensarbete, som har utförts vid Sandvik Coromant i Västberga (Stockholm), har en omfattande studie gjorts i syfte att undersöka slitaget på texturerad aluminiumoxid-belagda skärverktyg (Inveio™) vid svarvningen av låglegerade stålsorter. Förslitningsstudier har framförallt gjorts på verktygens spånsidor vid svarvningen av två separata batcher av stålsorten SS2541 efter en inledande ingreppstid på 4 min. Ett särskilt fokus har även ägnats åt att belysa vilken roll stålets inneslutningar kan ha för slitaget av aluminiumoxidbeläggningen. Utvärderingen av verktygsslitaget har gjorts med hjälp av flera olika analytiska tekniker, däribland LOM, SEM, Wyko, Auger-spektrometri (AES), EPMA samt XRD. Resultaten från detta examensarbete visar på att det uppkomna slitaget på de verktyg som har testats kan uppdelas till tre separata och mycket distinkta ”slitagezoner”. Dessa zoner har för detta arbete benämnts som ”nötningsband”. Störst förslitning framträdde initialt i den översta delen av det 3:e nötningsbandet på de testade skärverktygen. Detta område uppvisade ett karaktäristiskt ”lamell”-liknande utseende, bestående av smala och strukturerade åsar och skåror. Vidare uppvisade samtliga undersökta verktyg på förekomsten av påsmetat arbetsmaterial av varierande sammansättning i dessa bildade åsar. När de slitna verktygen undersöktes med djuprofilerande Auger-spektrometri påvisades det att en signifikant mängd kalcium fanns inuti aluminiumoxidbeläggningen. Detta tyder på att en reaktion mellan de kalciuminnehållande inneslutningarna (som finns inuti stålet) och aluminiumoxidbeläggningen har reagerat med varandra under bearbetningsförloppet. Dessa resultat är motsägande till den allmänna uppfattningen om att aluminiumoxid är kemiskt inert vid bearbetningen av stål. Därutöver har dessa resultat även, till författarens kännedom, aldrig tidigare publicerats. Baserat på de resultat som har erhållits från detta examensarbete, och från en omfattande litteraturstudie gällande deformationen av α-aluminiumoxid, har en ny teoretisk förslitningsmodell utarbetats. I denna modell betonas det särskilt att glidningen av hårda inneslutningar från stålet kan aktivera s.k. pyramidala glidsystem i den texturerade aluminiumoxidbeläggningen. Detta orsaker en nano-kristallisering och/eller amorfisering av den översta delen av aluminiumoxidbeläggningen.  Denna omvandling tros kunna underlätta den fortsatta förslitningen av dessa belagda skärverktyg.

I detta projekt har vi fördjupat oss i en glidlagerkonstruktion som befinner sig i en skruvpress. Skruvpressen kompakterar en okänd massa som är sekretessbelagd. Robustus har ett förslag på överdimensionering av det nuvarande glidlagret. Målet med projektet var att analysera och optimera några glidlager i förhållande till det befintliga glidlagret samt att ta hänsyn till materialval och den miljö som lagret kommer att befinner sig i. Det som analyserna och optimeringen visade var att det befintliga glidlagret hade den bästa geometrin bland alla lösningar men inte det optimala materialet. Projektet befinner sig i ett tidigt stadium och det behövs en del geometriska förändringar. Det viktigaste av allt är att problemet har identifierats med hjälp av det havererade glidlagret och med en excelmodell.
We have in this project become engrossed in a plain bearing design that is located in a screw press. The screw press compact an unknown mass that is confidential. Robustus have a suggestion to over dimensioning the present plain bearing. The aim of this project was to analyze and to do an optimization on some plain bearings and compare them to the present bearing and to take the choice of material and the environment where the bearing is located into account. The analysis and the optimizations showed that the current plain bearing had the best geometry but not the optimal material selection. The project is in an early state and it needs some geometrical changes. The most important of everything is that the problem has been identified with the help of the wrecked plain bearing and with an excel model.

Cemented carbides (WC-Co) are powder metallurgical products produced by liquid phase sintering. WC-Co is widely used for making a large variety of cutting tools, such as drills and inserts turning applications, due to its great mechanical properties, where the hardness of the WC grains is combined with the toughness of the of the Co binder. WC grain size and grain size distribution are the two most important factors to control the mechanical properties of the products.

This study examined the grain growth dependence of different milling and sintering times. The resulting grain size and grain size distribution were measured using image analysis on scanning electron microscopy images (SEM) and by using electron backscatter diffraction (EBSD). In addition, the correlation between hardness and coercivity, the most common indirect measures of grain size, and different methods of calculating average grain radius were investigated. An attempt was also made to study the contribution of defects to grain growth. This work also includes an overview of various grain growth equations and a numerical implementation of these.

Experimental results show that for shorter sintering times, powders milled for short times (15 min and 1 h) have larger average grain radii. There is a crossover after 6 to 8 h of sintering, where the powders milled for a long time (40 h and 200 h), have larger average radii. The measured hardness values correlate well with the average grain radius calculated from the grain surface area and the coercivity correlates with the established equations. EBSD measurements detected boundaries that could not be detected by image analysis, and that were not Sigma 2 boundaries. It is likely that these boundaries are either low energy boundaries or boundaries between grains that are very closely oriented. Comparing heat-treated powder with the untreated resulted in a lower average grain size after sintering for the heat-treated powder. None of the growth equations investigated in this work could fully describe the experimental grain growth.

Through increased understanding of the grain growth, the growth can be controlled and the end product can have the desired tool properties. The occurrence of abnormal grains in cutting tool applications can cause breakage, which is especially important to avoid in applications such as PCB drills. A correlation between hardness and grain size provides further means for cheap and fast indirect measures of the grain size in production.

Hårdmetall är ett pulvermetallurgiskt material som tillverkas genom smältfassintring och som kännetecknas av hårdhet, styvhet och god slitstyrka. Volframkarbidens (WC) kornstorlek och kornstorleksfördelning är två viktiga faktorer för att kontrollera de mekaniska egenskaperna i hårdmetall.

I den här studien har korntillväxtens beroende på malning och sintring undersökts. WC-Co maldes och sintrades fyra olika tider och kornstorleksfördelningen mättes med bildanalys på svepelektronmikroskopbilder samt med ``electron backscatter diffraction'' (EBSD). I arbetet har även korrelationen mellan hårdhet, koercivitet och olika sätt att beräkna medelkornstorleken undersökts. Ett försök har också genomförts för att studera hur defekterna i det malda pulvret påverkar korntillväxten. I arbetet har även ett flertal olika tillväxtekvationer modellerats numeriskt och för och nackdelar med de olika tillväxtekvationerna har vägts mot varandra.

En lång maltid (40 h och 200 h) visade sig ge liten kornstorlek för sintring kortare än 6 h, men för sintringar längre än 8 h gav istället kort malning (15 min och 1 h) den mindre kornstorleken. Det visade sig att uppmätt hårdhet korrelerar bäst med den medelkornstorleksradie som räknats fram från kornytan. I EBSD mätningarna kunde man observera ett flertal korngränser, utöver Sigma 2 korngränser, som inte hade detekterats med bildanalys. Värmebehandlingen av det malda pulvret minskade korntillväxten under efterföljande sintring. Ingen av de undersökta tillväxtekvationerna kunde beskriva de experimentella resultaten fullt ut.

Genom ökad förståelse för korntillväxt kan man kontrollera tillväxten och slutprodukten kan få önskade egenskaper. Förekomsten av abnorm korntillväxt i skärverktyg i hårdmetall är en av de vanligaste kritiska defekterna och det är speciellt viktigt är undvika korntillväxt i tillverkning av små verktyg, som till exempel kretskortsborrar. Hårdhet och koercivitet är de vanligaste indirekta mätmetoderna för att mäta kornstorlek i produktion. En bra korrelation mellan kornstorlek och indirekta mätmetoder ger utökade verktyg för snabba och billiga mätningar.

Replacement of cobalt in cemented carbides has gained in attention recently because threats of regulations due to health issues (cancerogenic effect), increased demand from the electric vehicle industry and the questionable extraction from countries like Democratic Republic of Congo. In this report the use of Ni-based binder as an alternative binder for cemented carbides has been explored. The design is based on producing a Ni-based superalloy binder which contains dispersed Ni3Al Gamma Prime (γ’) -phase precipitates in the binder matrix. The investigation focuses on the design of cemented carbide compositions and processes that ensures the formation of γ’- precipitates, the control of their morphology and distribution as well as the effect of heat treatment. To do this a Ni-Al master alloy has been designed that enables the formation of γ’-precipitates in WC-Ni-Al-X systems, produced by conventional powder metallurgy process including standard free sintering. Furthermore, the addition of usual elements in the cemented carbide industry (such as Ti, Cr, Ta, Nb) and their effect on the stability of γ’-precipitates has been investigated. A method to reveal the precipitates including ion-polishing and electro-etching has been developed. Basic mechanical properties such as hardness and toughness have been investigated, revealing particular crack propagation in Ni-based binder reinforced with γ’-precipitates. It was found that the common variables in cemented carbide manufacturing influence all aspects regarding the stability of γ’-phase. By varying the powder type, binder composition and content, the carbon balance, the WC grain size and the heating/cooling steps; the formation of γ’-precipitates (size, morphology, distribution, etc.) can be controlled to tailor the properties of the cemented carbide.
Att hitta en ersättning av kobolt i hårdmetall har nyligen uppmärksammats bl.a. eftersom regleringar hotar användning av ämnet pga. dess cancerogenitet, en ökande efterfrågan från elfordonsindustrin samt den moraliskt tvivelaktiga utvinningen som sker i länder som Demokratiska Republiken Kongo. I denna rapport har användningen av ett nickel-baserat bindemedel som ett alternativt bindemedel för hårdmetaller undersökts. Designen är baserad på att producera en nickel-baserad superlegering som bindemedel som innehåller dispergerad Ni3Al Gamma Prim (γ’) – fas utfälld i bindemedlet. Utredningen fokuserar på designen av hårdmetallskompositioner och processer som försäkrar formationen av γ’-utfällningar, kontroller av dess morfologi, distributionen samt hur värmebehandlingar påverkar. För att kunna göra detta har en Ni-Al masterlegering skapats som möjliggör γ’-utfällningar i ett WC-Ni-Al-X system, producerat med konventionell pulvermetallurgiprocess inkluderat standard fri sintring. Dessutom har tillsatsen av vanliga ämnen i hårdmetallindustrin (such as TI, Cr, Ta, Nb) samt deras effekt på stabiliteten hos γ’-utfällningarna undersökts. En metod för att upptäcka utfällningarna, som inkluderar jonpolering och elektroetsning har utvecklats. Grundläggande mekaniska egenskaper som hårdhet och seghet har undersökts, vilket har avslöjat en speciell sprickutbredning i den nickelbaserade bindaren förstärkt med γ’-utfällningar. Det visade sig att de vanliga variablerna förenade med tillverkning av hårdmetall påverkar samtliga aspekter gällande stabiliteten hos γ’-utfällningar. Genom att variera pulvertyp, bindemedelkomposition och innehåll, kolbalansen, WC-kornstorlek och uppvärmning samt kylningssteg så påverkas bildningen av γ’-utfällningar (storlek, morfologi, distribution, etc..) som kan kontrolleras för att skräddarsy egenskaperna för hårdmetallen.

The aim with this study was to investigate the effects a change of manufacturing process would have on the mechanical properties of drill bits made of a WC/Co composite used for stone cutting. The method used today is sintering, where the material is heated in a conventional sintering oven. The other method was microwave sintering, where the material is heated by radiation in the microwave region. Also an investigation of the manufacturing cost were made.

The main difference between the two heating methods is that the conventional way is a rather slow process and the microwave method is very fast. The material is also heated homogeniously in the method with mirowaves, aposed to the case with the conventional sintering where the material is heated from the outside in.

This makes the material harder and more wear resistent. Another positive effect is that the pysical properties of the drill bits is easier to controll, because of the very small grain growth due to the short process time.The cost of manufacturing these drill bits by microwave sintering does not exceed the cost of the conventionall sintering.

Magnetic measurements are useful tools for quality control of cemented carbides. Previous work at Sandvik Mining and Rock Technology has shown that the coercivity increases with increased cooling rate during sintering for a specific grade.  This study aims to investigate why the coercivity changes with the cooling rate and if this is true for other cemented carbide grades as well. Three different cemented carbide grades were sintered with different cooling rates and evaluated with coercivity, Cobalt-magnetic saturation and hardness measurements, and with microscopy and Electron Backscatter Diffraction analysis. It was found that the coercivity increased with increasing cooling rates for the previously studied grade, but not for the two other grades. It was expected that the increased coercivity would indicate a decrease in WC grain size, but the results showed that the WC grain size of the fastest and slowest cooling rate were the same. However, a change in size of the Co areas between the WC grains was found. The fast cooled sample showed smaller Co areas than the slow cooled sample. These Co/WC grain boundaries increase the coercivity. An increased fraction of hcp-Co/fcc-Co was also found for the fast cooled material which also increases the coercivity. No relationship between the hardness and the coercivity or the cooling rate was found.   The contiguity for the different grades was also calculated.  No significant difference in contiguity between the different cooling rates of each material was found but the contiguity values between the different materials differed.  This is probably mainly dependent on the different binder contents of the materials.
Magnetiska egenskaper är en viktig del av kvalitetskontrollen av hårdmetaller.  Tidigare forskning hos Sandvik Mining and Rock Technology har visat att koerciviteten hos en hårdmetallsort ökar med ökad kylhastighet vid sintring.  Målet med den här studien är att undersöka varför koerciviteten ökar med kylhastigheten och om detta även gäller andra hårdmetallsorter.  Tre olika hårdmetallsorter sintrades med olika kylhastigheter undersöktes med mätningar av koercivitet, magnetisk mättnat i koboltfasen och hårdhet,  samt med mikroskopi och Electron Backscatter Diffraction analys. Det  visade  sig  att  koerciviteten  ökade  med  ökad  kylhastighet  för  hårdmetallsorten  som  studerats tidigare, men inte för de andra två sorterna.  En ökad koercivitet förväntas visa på en minskad WC-kornstorlek, men resultaten visar att det långsamt kylda och snabbkylda provet hade samma WC-kornstorlek.  Däremot upptäcktes en ändring av storleken på Co-områdena mellan WC-kornen.  Det snabbkylda provet visade en mindre storlek av Co-områdena jämfört med det långsamt kylda provet. Fler Co/WC-korngränser i det snabbkylda provet leder till en ökad koercivitet.  Fraktionen av hcp-Co/fcc-Co-korngränser ökade också för det snabbkylda provet vilket också ökar koerciviteten. Inget samband mellan hårdheten och koerciviteten eller kylhastigheten upptäcktes.  Beräkning av kontiguiteten för de olika sorterna genomfördes också. Ingen signifikant skillnad i koercivitet mellan de olika kylhastigheterna för the olika sorterna hittades,  men kontiguiteten mellan de olika sorterna varierade. Det beror mest troligt på att dom olika sorterna har olika mängd matrismaterial.