Brottmekanisk modell för belagda hårdmetallskär

Diarienummer: ID20-0078
Projektledare: Faleskog, Jonas
Start- och slutdatum: 201201-251201
Beviljat belopp: 2 500 000 kr
Förvaltande organisation: KTH - Royal Institute of Technology
Forskningsområde: Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

Projektets mål är utveckling av en modell för spricktillväxt i belagda hårdmetallskär, från ytskiktet och inåt, dvs genom skikten av genom skikten av texturerad aluminiumoxid och Ti(C,N) till hårdmetallen. Att från både en brottmekanisk och mikrostrukturell aspekt förstå ett belagt hårdmetallskärs begränsningar. Den nya kunskapen kommer att vara generisk och kunna tillämpas för utveckling av framtida produkter från Coromant. Denna unika möjlighet av tvärvetenskapligt samarbete inom såväl mellan akademi och Coromant innebär att både mekaniska spänningar, mikrostrukturella variationer och kunskap om gränsskikt kan utnyttjas för utveckling av ett nytt modelleringskoncept. Arbetet kommer att utföras i fyra steg: • Karakterisering av mekanismer för initiering och tillväxt av sprickor i tillgängliga belagda hårdmetallskär och i resultat från idealiserade test. • Utveckling av en brott- och materialmekaniskt baserad modell för sprickbildning i hårdmetallskärs ytskikt. • Genomförande av idealiserade modellexperiment för att validera modellen samt utvärdera brottsegheten i ytskikten. • Utveckling av ett beräkningsverktyg för sprickbildning i ett hårdmetallskär från tillverkning till tillämpning, genom att kombinera den utvecklade modellen för sprickbildning med existerande och tillgängliga analysverktyg för spänningar som uppkommer vid tillverkning, respektive tillämpning i maskinbearbetning.

Populärvetenskaplig beskrivning

I avverkande bearbetning fräsning, svarvning och borrning används ofta hårdmetallskär. Ett hårdmetallskär består av hårdmetall som är belagt med ett ca 10 mikrometer tunt ytskikt bestående av titankarbid och aluminiumoxid. Vid tillverkning av ett hårdmetallskär läggs ytskikten på vid en temperatur av ca 1000 grader Celsius. Då själva hårdmetallen och ytskiktet expanderar olika mycket vid temperaturändringar, byggs inre spänningar upp i ytskiktet vid svalning. Beroende på ytskiktets komposition och hårdmetallens egenskaper nära ytan, kan sprickor bildas i ytskiktet när hårdmetallskäret under tillverkningen svalnar till rumstemperatur. Sprickor kan även bildas när skäret används i en bearbetningsoperation. Hårdmetallskär med sprickor har i allmänhet en påtagligt lägre livslängd. För att få bättre förståelse i utvecklingsarbetet av ett hårdmetallskär och för att optimera dess användning vid industriella bearbetningsoperationer behövs tillförlitliga mekaniska modeller baserade på mikrostrukturell information som kan förutsäga när och var sprickor bildas. Sådana modeller lyser i nuläget med sin frånvaro. Målet med projektet är att utveckla sådana modeller och hur dessa beror av ytskiktets och hårdmetallens egenskaper, skärets geometri, temperaturer vid både tillverkning och tillämpning, samt de mekaniska laster skäret utsätts för vid bearbetning. Projektet utförs i samarbete mellan institutionerna för Hållfasthetslära och Materialvetenskap vid KTH och Coromant. Detta möjliggör att vunna forskningsrön direkt kan tillämpas i praktiska tillämpningar.