High strength aluminum alloys have for a long time been a popular material utilized in the automotive and aerospace sector due to coveted mechanical properties in terms of weight, strength, fatigue, and corrosion. However, tribological mechanisms such as tribo-film formation and material transfer during the metal cutting manufacturing process of aluminum impose significant reduction of machining and tool-life performance. Additionally, environmental aspects associated with metal cutting manufacturing has got more interest and pushed cutting tool development in new directions to meet increased customer demands. One possible way of achieving this, is the implementation and utilization of diamond based cutting tools which has been shown to perform well in machining of high strength aluminum. However, in depth knowledge regarding the tribological properties of diamond based cutting tools is currently lacking. Thus, the aim of this master thesis has been to investigate the refined tribological characteristics and properties of WC-Co cemented carbide cutting tools coated with synthetically grown CVD diamond. Tribological testing methods, such as frictional scratch/sliding, pin-turning, contact-zone temperature measuring, and longitudinal turning have been conducted to acquire extensive amount of research material in the form of test samples and data information. Furthermore, pin-turning tests were performed using a newly developed Tribojan pin-turning equipment and the performance of this was evaluated as a subgoal task. Specimen sample analysis have primarily been performed through LOM and SEM/EDS microscopy techniques. The results acquired from testing, microscopy analysis and data set evaluation have showed promising results in terms of frictional characteristic and material transfer properties regarding CVD diamond coated surfaces. The average CoF of CVD diamond sliding against an Alumec 89 aluminum alloy surface were somewhat lower as compared with similar sliding of a conventional uncoated WC-Co cemented carbide material. Furthermore, the frictional behavior and characteristic of CVD diamond appears to be more consistent and regular over longer sliding distances. The contact interaction between the CVD diamond coated surface and Alumec 89 appears to have a more abrasive nature due to the rough surface structure and material properties of the coating. The corresponding tribo-pair contact interaction with WC-Co cemented carbide shows more adhesive tendencies. Additionally, the contact-zone temperature development during pin-turning is shown to be somewhat lower during CVD diamond/Alumec 89 surface interactions. Regarding material transfer properties, CVD diamond are shown to perform well when interacting with high-strength aluminum. The amount of material adherence is significantly reduced on CVD diamond coated surfaces. During longitudinal turning using CVD diamond coated cutting tools, no significant wear was observed. On the other hand, evidence of both adhesive and abrasive wear was observed during turning using conventional uncoated WC-Co cemented carbide tools. Finally, tribological mechanisms acting during Tribojan pin-turning tests was shown to be relatively comparable with an actual machining operation, which indicate that the testing method perform well as compliment to standard frictional sliding and machining testing. / Höghållfasta aluminiumlegeringar har länge varit ett populärt material inom bil- och flygindustrin på grund av deras eftertraktade mekaniska egenskaper när det gäller vikt, styrka, utmattning och korrosion. Däremot medför tribologiska fenomen, så som tribofilmbildning och materialöverföring under metallskärande tillverkningsprocesser för aluminium, en betydande minskning av prestanda hos utrustning och skärverktygens livslängd. Dessutom har miljöaspekterna i samband med metallskärande tillverkning fått ökat intresse och därmed drivit utvecklingen av skärverktyg i nya riktningar för att uppfylla kundernas ökade krav. Ett möjligt sätt att uppnå detta är att införa och använda diamantbelagda skärverktyg, vilka har visat sig fungera bra vid bearbetning av höghållfast aluminium. Dock saknas det för närvarande djupgående kunskaper om de tribologiska egenskaperna hos dessa diamantbaserade skärverktyg. Syftet med detta examensarbete har därför varit att undersöka de förfinade tribologiska egenskaperna hos WC-Co skärverktyg av hårdmetall belagda med syntetiskt odlad CVD-diamant. Tribologiska testmetoder, så som friktionsskrapning/glidning, pinnsvarvning, temperaturmätning i kontaktzonen samt longitudinell svarvning, har genomförts för att samla in analysmaterial i form av prover och datainformation. Dessutom utfördes pinnsvarvningstesterna med hjälp av en nyutvecklad så kallad Tribojan-utrustning, vars prestanda har utvärderats som ett delmål i projektet. Analyser av provexemplar har huvudsakligen utförts med hjälp av mikroskopitekniker så som LOM och SEM/EDS. Resultaten från provning, mikroskopianalys och utvärdering av data har visat lovande resultat när det gäller friktions och materialöverföringsegenskaper för CVD-diamantbelagda ytor. Den genomsnittliga CoF för CVD-diamant som glider mot en yta av aluminiumlegeringen Alumec 89 var något lägre jämfört med motsvarande glidning av konventionellt WC-Co hårdmetallmaterial. Dessutom verkar friktionsbeteendet hos CVD-diamant vara mer konsekvent och regelbunden över längre glidsträckor. Kontaktinteraktionen mellan ytor av CVD-diamant och Alumec 89 verkar också ha en mer abrasiv karaktär på grund av diamantbeläggningens grova ytstruktur och materialegenskaper. Motsvarande kontaktinteraktion mellan Alumec 89 och obelagd WC-Co hårdmetall visar däremot mer adhesiva tendenser. Dessutom tenderar temperaturutvecklingen i kontaktzonen under pinnsvarvning vara något lägre vid ytinteraktioner mellan CVD-diamant och Alumec 89. När det gäller materialöverföringsegenskaperna visar sig CVD-diamant fungera bra vid interaktion med höghållfast aluminium. Materialets vidhäftning minskar betydligt på diamantbelagda ytor. Vid kontinuerlig longitudinell svarvning med diamantbelagda skärverktyg observerades inget betydande slitage. Å andra sidan hittades tecken på både adhesivt och abrasivt slitage under svarvning med konventionella obelagda WC-Co hårdmetallverktyg. Slutligen visade det sig att de tribologiska mekanismerna som verkade under Tribojan-pinnsvarvning vara relativt jämförbara med faktisk bearbetning, vilket tyder på att testmetoden fungerar bra som komplement till friktions och svarvtester.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kau-91140 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Hultman, Christian |
| Publisher | Karlstads universitet, Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap (from 2013) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0074 seconds