Neutron scattering studies of hard metals

• Since their discovery about 100 years ago, tools made of hard metals have been the enablers of development in various areas: from drilling subway lines for more sustainable cities to the machining of complex next-generation airplane engine parts for reduced CO2 emissions. An increase in properties of hard metals thus leads to efficient operations with shorter lead-time, less environmental footprint, and reduced cost. To tailor the as-sintered hard metal structure with desired properties and develop reliable modelling tools, it is critical to have statistically representative experimental data acquired in conditions mimicking the real processes for hard metals. However, to date, nano- and microstructural investigations of hard metals and related systems have been mainly focused on the lab-scale techniques, limiting the bulk-scale in-situ investigations. This thesis focuses on neutron scattering techniques and demonstrates how the utilization of small angle neutron scattering (SANS) techniques and neutron diffraction (ND) in a complementary manner with lab-scale techniques and computational tools can enhance the mechanistic understanding during processing of hard metals and related systems. Some of the presented information within the thesis is unique to neutron scattering experiments.SANS experiments are used for the quantification of nano- and microstructural features including Co-rich binder pocket size, WC grain size, and size and volume fraction of (V,W)Cx interfacial layers. The quantitative data enables us to draw conclusions regarding the mechanism of grain coarsening inhibition in V-doped hard metals at different V additions. The findings indicate that the grain coarsening inhibition in V-doped hard metals originates from reduced WC/Co interface mobility and total driving force for coarsening. The complex nature of structural evolution at sintering temperatures is further investigated by in-situ SANS up to 1500 oC. Our results show that the size and volume fraction of interfacial layers strongly depend on the presence of bulk (V,W)Cx precipitates and V activity in the binder phase.In-situ ND experiments during aging of (Ti,Zr)C-based systems provide time-resolved insights into the kinetics and structural evolution during phase separation at 1600 oC for 10 h. The results reveal that the decomposition of (Ti,Zr)C into TiC- and ZrC-rich phases can be significantly retarded by minor HfC or NbC additions. During decomposition, in line with the nucleation and growth process, no change is observed in the lattice parameter of ZrC-rich phase. In contrast, the lattice parameter of TiC-rich phase reduces with decomposition, resulting from TiC enrichment, i.e. it reaches equilibrium composition in the course of time. Furthermore, a novel multi-principal element carbide system (Ti,Zr,Hf,W)C with exceptional hardness is designed. Although the system has a miscibility gap, only minor decomposition is observed after 100 h aging at 1350 oC, where the formation of (Ti,W)C- and (Zr,Hf)C-rich decomposition products and WC precipitates occur. Such hindered decomposition enables the carbide system to preserve its high hardness.In summary, by using neutron scattering techniques, this thesis contributes to a better understanding of nano- and microstructural evolution in hard metals and related systems during their processing at elevated temperatures. The thesis and appended papers also guide readers regarding the planning, e.g. sample preparation and sample environment selection, and data analysis of neutron scattering experiments. The thesis can thus serve as a starting point for the more widespread utilization of neutron scattering techniques by the hard metal industry.

• Sedan upptäckten av hårdmetall för cirka 100 år sedan har verktyg gjorda av hårdmetall varit avgörande för tillämpningar inom olika områden såsom borrning av tunnelbanelinjer för mer hållbara städer och bearbetning av nästa generations flygplansmotorer för minskade CO2-utsläpp. Förbättrade egenskaper hos hårdmetallen leder således till ökad effektivitet i olika verktygsoperationer med kortare ledtid, mindre miljöpåverkan och minskade kostnader för till exempel tillverkning. För att skräddarsy den sintrade hårdmetallstrukturen och skapa önskade egenskaper är det viktigt att ha statistiskt representativ experimentell data som uppmätts under förhållanden som efterliknar de verkliga processerna inom industrin. Hittills har dock nano- och mikrostrukturundersökningar av hårdmetaller och relaterade system huvudsakligen varit begränsade till laboratorietekniker, vilket begränsat in-situ-undersökningar av materialens bulk. Den här avhandlingen använder neutronspridningstekniker på olika relevanta hårdmetallsystem och visar på hur lågvinkelspridning (SANS) och neutrondiffraktion (ND) kan komplettera konventionella laboratorietekniker och beräkningsverktyg för att förbättra förståelsen av meknismer som styr materialets utveckling under olika processer. En del av datat som presenteras i avhandlingen kan endast uppnås med hjälp av neutronspridningsexperiment. SANS-experiment används för kvantifiering av nano- och mikrostrukturella egenskaper inklusive mätning av den Co-rika bindefasens storlek, kornstorlek hos WC och storleken och volymsfraktionen av (V,W)Cx-gränsskikt. Den kvantitativa datan gör det möjligt för oss att dra slutsatser angående mekanismen för inhibering av kornförgrovning i V-dopade hårdmetaller vid olika V-tillsatser. Resultaten tyder på att kornförgrovningsinhiberingen i V-dopade hårdmetaller härrör från minskad rörlighet av WC/Co-gränskikt och minskad total drivkraft för förgrovning. Den komplexa karaktären av den strukturell utveckling vid sintringstemperaturer undersöks ytterligare genom in-situ SANS upp till 1500 °C. Resultaten visar att storleken och volymsfraktionen hos gränsskikten starkt beror på närvaron av bulk (V,W)Cx-utskiljningar och V-aktivitet i bindefasen. In-situ ND-experiment under åldring av (Ti,Zr)C-baserade system ger tidsupplösta insikter i kinetiken och den strukturella utvecklingen under fasseparation vid 1600 °C under 10 timmar. Resultaten visar att sönderfallet av (Ti,Zr)C till TiC-och ZrC-rika faser kan fördröjas avsevärt genom små mängder av HfC eller NbC-tillsatser. Under sönderdelning observerades ingen förändring i gitterparametern för ZrC-rik fas. Däremot minskar gitterparametern i TiC-rik fas under sönderfallet, vilket är ett resultat av TiC-anrikning och liknar spinodalt sönderfall. Dessutom har en ny karbid i systemet (Ti,Zr,Hf,W)C designats och den har exceptionell hårdhet. Även om systemet har en blandningslucka så sker endast smärre sönderfall efter 100 timmars åldring vid 1350 °C genom bildning av (Ti,W)C-och (Zr,Hf)C-rika produkter och WC-utskiljningar. En sådan långsam sönderfallskinetik gör att karbiden bibehåller sin höga hårdhet.Sammanfattningsvis, genom att använda neutronspridningstekniker bidrar denna avhandling till en bättre förståelse av nano- och mikrostrukturutveckling i hårdmetaller och relaterade system under olika industriellt relevanta processer vid hög temperatur. Avhandlingen och bifogade artiklar vägleder även läsarna angående förberedelser, t.ex. prov och provmiljö, och dataanalys efter neutronspridningsexperiment. Avhandlingen kan därmed vara en utgångspunkt och stimulera vidare användning av neutronspridningstekniker inom hårdmetallindustrin. 

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Metallurgi och metalliska material (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Metallurgy and Metallic Materials (hsv//eng)

Nyckelord

Hard metals

cemented carbides

small angle neutron scattering

neutron diffraction

in-situ characterization

grain coarsening

phase separation

Teknisk materialvetenskap

Materials Science and Engineering

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)