<p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p> / <p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p>

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The nickel-based superalloys have a high mechanical strength which remains at elevated temperature, high creep and fatigue resistances and excellent oxidation resistance. This makes these alloys highly recommended for use in high temperature working environments such as mechanical components for the aerospace industry. However, these characteristics are major problems when machining them, as it promotes high heat generation in the flow zone, resulting in the development of high wear rates on the cutting tools. In order to reduce the problems caused by the high temperatures generated, the application of a cutting fluid, when possible, is essential to reduce friction at the chip-tool-workpiece interfaces and lower the temperatures in the cutting zone. Seeking to further increase in the efficiency of cutting fluids during machining of nickel alloys, this work presents a study of the influence of solid lubricants, graphite and molybdenum disulphide (MoS2) mixed to a vegetal based cutting fluid, applied by conventional method (flooding) and minimal quantity of fluid - MQF in turning of Inconel 718 with carbide and ceramic (mixed, whisker and SiAlON) tools. When turning with cemented carbide tools the addition of graphite to the cutting fluid provided the best results, while with ceramic tools MoS2 presented the best performance. The life of the carbide tool had an average increase above 200% in conventional flooding application of cutting fluid when compared to MQF, regardless the addition of solid lubricant. The addition of solid lubricants promoted an increase in the life of whisker and SiAlON tools. The flank wear was dominant for cemented carbide tools and SiAlON ceramics, while for whisker and mixed ceramics the notch wear was predominant. Attrition and diffusion wear mechanism were observed in all evaluated conditions. The addition of solid lubricant to the cutting fluid provided significant improvements in the surface roughness values for most of the evaluated conditions. However, there were no significant changes in the machining forces and cutting temperature. The residual stress was tensile and compression, depending on the fluid application method. Overall, the addition of solid lubricant showed no significant differences. / As superligas à base de níquel apresentam alta resistência mecânica que se mantém em elevadas temperaturas, altas resistência à fluência e à fadiga e excelente resistência a oxidação. Isso torna estas ligas altamente recomendadas para utilização em ambientes que trabalham a altas temperaturas, como por exemplo na fabricação de componentes mecânicos para a indústria aeroespacial. Entretanto, esta característica representa um grande problema quando elas são usinadas, pois promove elevada geração de calor na zona de fluxo, implicando no desenvolvimento de altas taxas de desgaste da ferramenta de corte. A fim de reduzir os problemas causados pelas altas temperaturas geradas, a aplicação de um fluido de corte, quando possível, é essencial, proporcionando redução do atrito na interface cavaco-ferramenta-peça e menores temperaturas na zona de corte. Na busca de aumentar ainda mais a eficiência dos fluidos de corte na complexa usinagem das ligas de níquel, este trabalho apresenta um estudo da influência dos lubrificantes sólidos grafite e bissulfeto de molibdênio (MoS2) misturado a um fluido de corte de base vegetal, aplicados pelo método convencional (jorro) e mínima quantidade de fluído MQF, no torneamento do Inconel 718, com ferramentas de metal duro e cerâmicas (mista, whisker e SiAlON). No torneamento com ferramentas de metal duro a adição de grafite ao fluido de corte proporcionou os melhores resultados, enquanto que no torneamento com ferramentas cerâmicas, foi o MoS2 que apresentou melhor desempenho. A vida da ferramenta de metal duro teve um incremento acima de 200% na usinagem convencional (jorro) quando comparado com a usinagem por MQF, sem considerar a adição do lubrificante sólido. A adição de lubrificantes sólidos promoveu um incremento na vida das ferramentas whisker e SiAlON. O desgaste de flanco foi predominante para as ferramentas de metal duro e cerâmica SiAlON, enquanto que nas cerâmicas whisker e mista o desgaste de entalhe foi predominante. Os mecanismo de desgaste de attrition e difusão foram observados em todas as condições avaliadas. A adição de lubrificante sólido ao fluido de corte proporcionou melhorias significativas nos valores da rugosidade para a maioria das condições avaliadas. No entanto, não se observou mudanças significativas nas forças e temperatura de usinagem. As tensões residuais foram de tração e compressão, dependendo do método de aplicação do fluido. No geral, a adição do lubrificante sólido não apresentou diferenças significativas. / Doutor em Engenharia Mecânica

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.

During the pressing of powder mixtures to make cemented carbide tools, the degree to which the powder spreads to fill the die and to which it compacts is uncertain. This leads to inconsistent dimensions and densities in the finished product. This performance changes with the composition of the powder, including the amount of pressing agent in the mixture, the particle size distribution and particle shape. One way to quantify the degree to which powder will spread to fill the mold evenly is using the property called 'flowability'. There are several techniques by which flowability can be measured, and each technique does not always give results that are consistent with other techniques. It is, therefore, important to know what technique(s) predict(s) the final behavior of the powder in this application before it is used in quality assurance or to design a process. Additionally, powder size distribution and shape metrics are measured using dynamic image analysis to investigate if there is any relationship between key values of these properties and compaction behavior. In this study, static Angle of repose, Tap Density, Hall flow time and Powder rheometry were benchmarked against each other and against the dimensions of presses and liquid phase sintered tool inserts to understand which technique had the strongest dependence on the compactability, which was defined as the ratio of the tallest dimension in the insert to the smallest. After the study, the results showed that a more extensive particle size distribution improves the compaction properties and that the powders with a higher resistance to a rotating blade tend to have better compaction properties. On the other hand, a clear pattern for the results of all measurement methods and the correlation between the compaction behavior of the carbide tools could not be discerned. In conclusion, the study showed that it is possible to determine a relationship between the results of measurement methods and the compaction behavior of powders. By using simple tests to predict the compactability properties, both money and time can be saved on the research of new, improved powder. Furthermore, the implementation of this study can lead to even better pressing and compactibility properties in the future for cemented carbide tools. / Vid pressning av pulverblandningar för tillverkning av hårdmetallverktyg är det osäkert i vilken grad pulvret sprider sig för att fylla matrisen och i vilken grad det komprimeras. Detta leder till inkonsekventa dimensioner och densitet i den färdiga produkten. Denna prestanda förändras med pulvrets sammansättning, inklusive mängden bindemedel som finns i blandningen, partikelstorleksfördelningen och partikelformen. Ett sätt att kvantifiera i vilken grad pulvret sprids för att fylla formen jämnt är att använda den egenskap som kallas "flytbarhet". Det finns flera tekniker för att mäta flytbarhet, och varje teknik ger inte alltid resultat som överensstämmer med andra tekniker. Det är därför viktigt att veta vilken eller vilka tekniker som förutsäger pulvrets slutliga beteende i denna tillämpning innan den används i kvalitetssäkring eller för att utforma en process. Vidare mäts pulvrets partikelstorleksfördelning och form med dynamisk bildanalys för att undersöka om det finns något samband mellan nyckelvärden för dessa egenskaper och komprimeringsbeteendet. I den här studien jämfördes statisk rasvinkel, tappdensitet, hallflödestid och pulverreometri samt med dimensionerna på pressar och sintrade verktygsinsatser i vätskefas för att förstå vilken teknik som hade det starkaste beroendet på kompatibiliteten, vilket definieras som förhållandet mellan den högsta dimensionen i insatsen och den minsta. Efter studien visade resultaten att en mer omfattande partikelstorleksfördelning förbättrar komprimeringsegenskaperna och att pulver med högre motståndskraft mot ett roterande blad tenderar att ha bättre komprimeringsegenskaper. Vidare kunde inte ett tydligt mönster för resultaten för alla mätmetoder och sambandet på komprimeringbeteendet för hårmetallverktygen urskiljas. Sammanfattningsvis visade studien på att det går att använda sig av mätmetoder för att kunna urskilja ett samband mellan resultaten på mätmetoderna och pulvers kompaktibillitetsegenskaper. Genom att använda sig av enkla mätningar för att kunna förutsäga kompaktibilitetsegenskaper samt komprimeringsbeteende kan både pengar respektive tid sparas. Vidare kan genomförandet av denna studie i framtiden leda till ännu bättre pressnings- samt kompaktibilitetsegenskaper för hårdmetallverktyg.

Cemented carbide tools are subjected to high loads and temperatures during use. Long before any significant wear can occur on the tool, the material will experience plastic deformation. The purpose of this master thesis was to investigate how Kernel Average Misorientation (KAM) can be utilised to analyse plastic deformation within the microstructure or grains of cemented carbides. Six different cemented carbides were investigated. The materials were plastically deformed by utilizing cutting tests with a feed rate staircase method to induce the plastic deformation. Each material was characterised by using Scanning Electron Microscopy (SEM) either equipped with a secondary electron detector or an Electron Backscatter Diffraction detector (EBSD). This made it possible to investigate the WC grain size, Co infiltration, step formation, cavities and pores, KAM and the average grain size. It was concluded that KAM showed to be a valuable tool to visualise the plastic deformation in the materials. There were some limitations to KAM regarding materials with similar amounts of plastic deformation. Additionally, the data from KAM could be used to create graphs to more easily display the misorientation. However, KAM cannot showcase the mechanisms that lead to plastic deformation. Other characterisation methods are needed as a compliment to completely understand what is happening in the material on a microstructural level.

This diploma thesis is involved in possible development of different types of milling molds coated with modern plows. The first part is devoted to an analysis of contemporary trends in forms production technology. The analysis includes the different types of machines and tools for making various kinds of molds and dies. Another part deals with design of dies for sheet metal shears. The thesis continues by design of the production procedure after heat treatment and finishing die by miling. For milling of die are designed miling tools, the NC program and the possible development of manufacturing the die using a new machining center and the possibility of production optimization. The penultimate point of the thesis is technical and economical evaluation of the direction of development and comparison of positives and negatoves of each method. At the final evaluation is all summed up.

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.

Application of clean and ultraclean steels have shown to provide favourable mechanical properties for bearings and transmission components, specifically regarding fatigue performance, compared to conventional steel grades. Clean steels are characterized by containing a very low level of non-metallic inclusions. While this characteristic is beneficial for the fatigue strength, inclusions in steels have shown to be favorable for the machinability and therefore challenges during machining of clean steels can arise. In this thesis the machinability and tool wear mechanisms of ultraclean steel have been evaluated during longitudinal turning. The aim of the study was to determine how steel cleanness and inclusions impact different machinability aspects. This was achieved by performing a comparative study of three steel grades with different level of cleanness and inclusions characteristics. Four machining experiments were executed investigating the chip breakability, cutting force, tool life and cutting tool coating degradation. The machined inserts were then analysed using light optical microscopy, secondary electron microscopy and electron probe microanalysis. The result revealed that the ultraclean steel grade has the overall worst machinability with the lowest chip breakability, highest cutting forces, and lowest tool life for the investigated steels. Additionally, it was found that the inserts that machined the ultraclean steel and the calcium treated steel was exposed to severe crater wear. However, the coating degradation causing the crater wear differs between the two grades. For the ultraclean steel the wear rate of the entire chemical vapor deposition coating is high. In contrast, for the calcium treated steel only the top alumina layer degrades rapidly and the underlying titanium carbonitride layer have a low wear rate. / Användning av rena och ultrarena stål har visat sig ge gynnsamma mekaniska egenskaper för kullager och transmissionskomponenter, speciellt gällande utmattningsprestanda, jämfört med konventionella stålsorter. Rena stål kännetecknas av att de innehåller en mycket låg nivå av icke-metalliska inneslutningar. Denna egenskap är fördelaktig för utmattningshållfastheten, men däremot har inneslutningar i stål visat sig vara gynnsamma för bearbetbarheten och därför kan utmaningar uppstå vid bearbetning av rena stål. I detta arbete har bearbetbarheten och verktygsslitagemekanismerna för ultrarent stål utvärderats under längsgående svarvning. Syftet med studien var att fastställa hur stålets renhet och inneslutningar påverkar olika bearbetningsaspekter. Detta uppnåddes genom att utföra en jämförande studie av tre stålsorter med olika renhetsgrad samt inneslutningar. Fyra bearbetningsexperiment utfördes för att undersöka spånbrytbarheten, skärkraften, verktygets livslängd och nerbrytningen av skärverktygets beläggning. De bearbetade skären analyserades sedan med användning av ljusoptisk mikroskopi, svepelektronmikroskopi och elektronprobmikroanalys. Resultatet visade att den ultrarena stålsorten har den totalt sett sämsta bearbetbarheten med lägst spånbrytbarhet, högsta skärkrafter och lägsta verktygslivslängd av de undersökta stålen. Dessutom upptäcktes att skären som bearbetade det ultrarena stålet och det kalciumbehandlade stålet utsattes för kraftigt kraterslitage. Nedbrytningen av verktygs beläggningen som orsakar kraternötningen skiljer sig dock mellan de två stålkvaliteterna. För det ultrarena stålet är slitagehastigheten för hela beläggningen hög. För det kalciumbehandlade stålet bryts däremot endast det övre aluminiumoxidskiktet ned snabbt och det underliggande titankarbonitridskiktet har en låg nötningshastighet.