Materialforskare detaljstyr atomer i hårdmetall
Borrkronor inom gruvindustrin och skärverktyg för metallbearbetning inom tillverkningsindustrin är ofta av hårdmetall – ett material nästan lika hårt som diamant. Forskare har länge försökt styra tillverkningsprocessen av materialet för att mer i detalj kunna kontrollera hårdhet och andra viktiga egenskaper för att göra det mer hållbart. Genom att kombinera teori och experiment har forskare på Chalmers nu tagit ett avgörande steg för att kunna detaljstyra materialets prestanda, ner på atomär nivå.
– Storlek på borr kan variera, från en diameter på 10 meter för stora tunnelborr ned till tre hundradels millimeter, tunnare än ett mänskligt hårstrå, för tillämpningar inom elektronikindustrin. Det ställer stora krav på tillverkningsprocessen för att åstadkomma precisa egenskaper. Resultaten av Sven Johanssons och Jonathan Weidows forskning är högintressant för industrin och det de har lyckats med är unikt, säger Göran Wahnström, professor i fysik.
Hårdmetall är en blandning av en hård karbidfas, volframkarbid (WC) och en mer seg metallfas, kobolt (Co). Det framställs genom sintring där finkornigt pulver av WC och Co hettas upp så att kobolt smälter och materialet dras samman av kapillärkrafter. Resultatet blir ett fast material som består av ett hårt skelett av volframkarbidkorn som omges av den mer sega koboltrika bindefasen.
Storleken på volframkarbidkornen är viktig för hårdmetallens hårdhet. Ju mindre korn desto hårdare material. Den stora utmaningen är att kunna kontrollera tillväxten av kornen under sintringsprocessen. Genom att kombinera experimentella och teoretiska metoder förstår nu forskarna hur man kan detaljstyra materialets struktur ner på atomär nivå under tillverkningsprocessen. Arbetet har bedrivits som ett tvillingdoktorandprojekt med stöd från Vetenskapsrådet och industrin (Sandvik och Seco Tools) och i samarbete med en forskargrupp i Grenoble.
– Arbetet har fokuserats på att karakterisera och förstå gränsytorna i materialet, dels mellan volframkarbidkornen, så kallade korngränser, dels mellan volframkarbidkorn och bindefas, det man kallar fasgränser. Den teoretiska delen har utnyttjat den kvantmekaniska täthetsfunktionalteorin för att beskriva och förstå hur elektronerna i materialet binder samman materialet, säger Göran Wahnström.
Genom att dopa materialet (tillsätta ett annat ämne i liten mängd) vet man att tillväxten av kornen dramatiskt kan begränsas. En liten tillsats av vanadin kan begränsa tillväxten av kornen till en tiondel, från en kornstorlek på en tusendels mm ned till en tiotusendels mm. Men varför visste man inte.
I de dopade materialen har forskargruppen i Grenoble med hjälp av högupplösande elektronmikroskopi funnit att ett extremt tunt skikt, endast två atomlager tjockt, av en kubisk struktur kan bildas på volframkarbidkornen. Vid Chalmers har sedan Jonathan Weidow med hjälp av atomsondstomografi, en för Sverige unik teknik, analyserat gränsytorna atom för atom.
– Dessa filmer kan påverka tillväxten men frågan är om de finns under själva sintringsprocessen då WC kornen växer till och då den experimentella mikroskopitekniken inte kan användas. Den teoretiska förutsägelsen är att dessa filmer också kan existera vid de höga sintringstemperaturerna. Stora korn med filmens sammansättning är då termodynamiskt instabila men den tunna filmen stabiliseras av starka bindningar i gränsen mellan filmen och bindefasen, säger Göran Wahnström.
Sven Johanssons avhandling har titeln “A computational study of interface structures and energetics in cemented carbides and steels”.
Jonathan Weidows avhandling har titeln “Effect of metal and cubic carbide additions on interface chemistry, phase composition and grain growth in WC-Co based cemented carbides”
Kontaktinformation
Kontakt:
Sven Johansson, Avdelningen för material- och ytteori
sven.johansson@chalmers.se. Tel. 031-772 3669 begin_of_the_skype_highlighting 031-772 3669 end_of_the_skype_highlighting
Jonathan Weidow, Avdelningen för mikroskopi och mikroanalys
jonathan.weidow@chalmers.se. Tel. 031-772 3137
Handledare:
Göran Wahnström, 031-772 3634
Hans-Olof Andrén, 031-772 3309
