Sintring av inhomogena strukturer för förbättra prestanda
- Diarienummer
- RMA15-0062
- Start- och slutdatum
- 160501-220630
- Beviljat belopp
- 30 680 910 kr
- Förvaltande organisation
- KTH - Royal Institute of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Huvudmålet är att utveckla ny sintringsteknik för tillverkning av pulvermetallurgiska material, i synnerhet hårdmetall, för att uppnå bättre prestanda, t.ex. inom skärande bearbetning och bergborrning. Det nya begreppet icke-homogena strukturer över alla tillämpliga längdskalor med lokalt optimerade egenskaper för givna driftsförhållanden i en viss tillämpning utforskas. Funktionella gradienter i hårdmetall åstadkommes genom att ändra pulver och komponenter före sintring och finjustera de lokala egenskaperna under sintringen. Aktiv och inaktiv sintring och en kombination av pulversyntes och 3D-printing är nyckelprocesser. En sk integrated computational materials engineering (ICME) metod används för att nå målen. Det experimentella arbetet med syntes, processer och struktur stöds med modellering som sträcker sig från atomnivå till kontinuum mean-field theory som fas-fält och skarpa-gränssnittsmetoder. Förutsägelsen av inhomogena strukturer kommer att kopplas till modellering av mekaniska egenskaper i graderade strukturer. Möjligheten att generera icke-homogena strukturer med nya egenskaper kommer i hög grad att bidra till ökad produktionseffektivitet inom tillverkningsindustrin och effektiv användning av råvaror. Ett annat viktigt resultat tillämpligt även för andra typer av pulvermetallurgiska material är ny generisk kunskap om hur man kan uppnå bättre prestanda genom lokalt optimerade egenskaper.
Populärvetenskaplig beskrivning
Inom pulvermetallurgin tillverkas komponenter genom att pulver formas till en kropp, en sk grönkropp, som sen värms upp så att pulverpartiklarna svetsas ihop tills önskad hållfasthet fås. Denna uppvärmning kallas sintring. Skärverktyg och bergborrar i hårdmetall är viktiga exempel på pulvermetallurgiskt tillverkade komponenter. I mikroskop ser man att en färdig hårdmetall består av små och mycket hårda partiklar inbäddade i en liten mängd metall. Den pulvermetallurgiska framställningsmetoden kan ge mycket jämnare egenskaper än konventionell tillverkning vilket ofta ses som en fördel. Metoden erbjuder dock stora variationsmöjligheter som hittills bara utnyttjats i begränsad utsträckning. Exempelvis är det faktiskt sällan bäst att ha jämna egenskaper i en komponent utan oftast bättre att låta dem variera på ett kontrollerat sätt efter hur påkänningarna varierar. Målet är nu att utveckla ny sintringsteknik för tillverkning av pulvermetallurgiska material för att uppnå bättre prestanda, t.ex. inom skärande bearbetning och bergborrning. Egenskaperna varieras på ett kontrollerat sätt genom att införa inhomogeniteter. Då dessa styrs kan man åstadkomma förbättrade egenskaper för givna driftsförhållanden i en viss tillämpning. Inhomogeniteterna åstadkommes genom att ändra pulver och komponenter före sintring och finjustera de lokala egenskaperna under sintringen. Vid aktiv sintring värms inte bara grönkroppen upp utan det sker även en kemisk växelverkan med den gas som finns i sintringsugnen. Vid inaktiv sintring sker uppvärmningen i vakuum eller i en inert miljö. Genom att kombinera aktiv och inaktiv sintring med tillverkning av pulvret, val av råvaror och grönkropps formning med till exempel 3D-printing eller dubbelpressning av flera pulver så kan man styra inhomogeniteterna från nano- till komponentnivå. Experimenten som omfattar framställningsprocesser och mikroskopering vägleds av matematisk modellering som sträcker sig från atom- till komponentnivå. Förutsägelsen av inhomogena strukturer kommer att kopplas till modellering av styrka och seghet i de inhomogena strukturer. Möjligheten att generera icke-homogena strukturer med nya egenskaper kommer i hög grad att bidra till ökad produktionseffektivitet inom tillverkningsindustrin och effektiv användning av råvaror. Ett annat viktigt resultat tillämpligt även för andra typer av pulvermetallurgiska material är ny allmängiltig kunskap om hur man kan uppnå bättre prestanda genom lokalt optimerade egenskaper.