Investigation of cermet grades for saw blades

Abstract

Cermets are an advantageous material for cutting operations due to their beneficial properties such as high hardness, excellent wear resistance and thermal stability. In recent years, the demand for efficient and durable cutting tools like saw teeth has grown significantly in various industries. This has prompted researchers and engineers to explore the possibilities of tailoring the properties of cermet materials to increase tool life and productivity.In this work, thirteen commercially available cermet saw teeth were analyzed in regard totheir elemental and phase composition, mechanical properties and microstructure. The for-mulations of grades with desirable behavior e.g. a high fracture toughness were selected as basis for two sample series synthesizing cermets by classical powder metallurgy on a laboratory scale. In both series, the influence of different starting material grain sizes and pre-alloyed powders was studied. Furthermore, sintering was conducted in a vacuum and a SinterHIP furnace in Ar or N2 with various partial pressures. Lastly, carbon was added to study the attributes of cermets and the prevention of eta phase. The mechanical properties of the samples were determined with a Vickers indenter and cermets were investigated by Light Optical Microscopy (LOM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffraction (XRD) and C, N and O analysis. Additionally, the binder phase dissolution state was characterized with XRD and magnetic saturation measurements.Not only could the mechanical properties and microstructure of the target grades be matched, but also a wide range of hardness and fracture toughness was achieved by variation of the raw materials and the sintering conditions. As these adjustments in performance could be linked to changes in the microstructure and the binder solution state, this thesis can provide the basis for the design of cermet saw teeth prototypes with specific and optimized qualities.

Aufgrund zahlreicher vorteilhafter Eigenschaften wie einer hohen Härte, ausgezeichneten Verschleißeigenschaften und thermischer Stabilität sind Cermets ein geeignetes Material für Schneidwerkzeuge. In den letzten Jahren hat sich der Bedarf an effizienten Schneidmaterialien signifikant erhöht. Dies hat dazu geführt, dass die gezielte Entwicklung von Cermetsorten mit spezifischen Eigenschaften in den wissenschaftlichen Fokus gerückt wurde, um die Lebensdauer und Produktivität von Werkzeugen wie Sägezähnen zu erhöhen. In dieser Arbeit wurden dreizehn handelsübliche Cermetsägezähne hinsichtlich ihrer elementaren und Phasenzusammensetzung, mechanischer Eigenschaften und Mikrostruktur untersucht. Zwei dieser Sorten wurden aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere einer hohen Risszähigkeit, ausgewählt und deren elementare Zusammensetzung als Basis für zwei Versuchsreihen herangezogen. Für beide Probenserien wurde der Einfluss von Ausgangspulvern mit verschiedenen Korngrößen und Legierungszuständen evaluiert. Die Sinterung erfolgte in einem Vakuumofen und einer SinterHIP Anlage in einer Ar oder N2 Atmosphäre mit unterschiedlichen Partialdrücken. Des Weiteren wurden die Auswirkung des Kohlenstoffgehalts auf die Cermeteigenschaften und Ausbildung von eta-Phase analysiert, indem ausgewählten Pulvermischungen elementarer Kohlenstoff zugesetzt wurde. Die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Proben wurden mit der Vickers-Methode bestimmt und die Cermets anschließend mittels Lichtmikroskopie (LOM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Röntgenbeugung (XRD) und C-, N- und O-Analysen charakterisiert. Sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Mikrostruktur der Referenzsorten konnten im Labormaßstab reproduziert werden. Außerdem wurden durch die Variation der Ausgangspulver und Sinterbedingungen Härte und Risszähigkeit über einen großen Bereich modifiziert. Durch die Aufklärung der Einflussfaktoren und des Zusammenspiels aus Mikrostruktur, Binderzustand und mechanischer Eigenschaften kann diese Arbeit als Ausgangspunkt für die gezielte Fertigung von Cermetsorten mit spezifischen Anforderungen dienen.