Development of cermet grades for sawblade cutting

Abstract

This work deals with the research and development of a Ti(C,N)-based cermet grade and its subsequent implementation into an industrial process of sawblade production, in the range of handheld semi-professional tools for steel and stainless-steel cutting applications. The aim was to reach a similar performance of cermet products available on the market. The project was essentially subdivided into two parts. During the first period, the work started from the laboratory research with the focus on the material properties, in order to find the appropriate and optimal combination of all the involved compounds and processing parameters (i.e. composition, milling parameters, sintering profile and atmosphere, etc.) and some favourable parameters for all the laboratory preparation process (mixing, sintering, HIPing). The so-obtained materials were tested following a general sequence of analyses that includes magnetic properties (HC, MS), hardness and toughness (HV10, KIC), light-optical (LOM), and Scanning Electron Microscopy (SEM) investigations. In some cases, additional investigations like X-Ray Diffraction (XRD), wavelength-dispersive electron-probe microanalysis (WDS-EPMA), evolving gas mass spectrometry (MS-EGA), Carrier Gas Hot Extraction (CGHE), and Differential Thermal Analysis (DTA) were carried out to check and to understand in depth the particular behaviour of various cermet formulations. A set of such optimised cermet prototypes was prepared in the laboratory and brazed to saw blades in the cooperating company. First application tests of this laboratory prototype batch (about 560 teeth) proved quite successful for further development of a cermet grade, even if compared to existing and well-established commercial cermet grades. Hence, the focus moved to the industrialisation and optimisation of the whole cermet mass-production process in the second part of this work. In between, partial scale-up tests were carried out as small series productions both for comparing the final properties and testing some general machines production settings. At this stage, cutting tests were carried out by the cooperating company to check the real cutting performance level of the internally produced cermet compared to the commercially available grades. Cutting test results during the whole project showed systematic improvements, starting with almost 50% tool life as compared to the target grade, while, at the end, the grade developed internally outperformed the commercial and well-established cermet target grades.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erforschung, Entwicklung und Optimierung einer neuen Cermetsorte auf Ti(C,N)-Basis und die darauf folgende industrielle Implementierung in eine Produktion für Sägeblätter zum Sägen für verschiedene Stähle, inklusive Edelstahl, mit semi-professionellen Kappsägen. Ziel war es, eine ähnliche Leistung wie die auf dem Markt erhältlichen Cermet-Produkte zu erreichen. Im Wesentlichen war die Arbeit in zwei Teile gegliedert – die erste Phase bestand aus einer labormäßigen Materialentwicklung mit dem Fokus auf die Optimierung der möglichst direkt im Labor zu messenden, grundlegenden Materialeigenschaften. Die so erhaltenen Materialen wurden umfangreich hinsichtlich magnetischer Eigenschaften (HC, MS), Härte und Bruchzähigkeit (HV10, KIC), sowie der Gefüge (licht- bzw. elektronenoptische Untersuchung, LOM bzw. REM) charakterisiert. In einigen Fällen wurden Röntgenbeugung (XRD), Wellenlängen-Dispersive Elektronenstrahl-Mikroanalyse (WDS-ESMA), Massenspektrometrische Entgasungsanalyse (MS-EGA), Trägergas-Heißextraktion (CGHE) und Differential-Thermo-Analyse (DTA) durchgeführt, um ein weiter vertieftes Verständnis der beim Sintern auftretenden Prozesse zu erhalten. Aus diesen Untersuchungen konnte eine optimale Kombination der Einsatzstoffe (Mischungen aus Carbid-, Carbonitrid- und Metallpulvern), der Mahlung sowie der Sinterparameter (Sinterprofile für das Vakuumsintern und SinterHIPen) gewonnen werden. Anschließend wurde ein Satz von ca. 560 Zähnen der so optimierten Cermet-Prototypen industriell gepresst, im Labor gesintert und im kooperierenden Unternehmen auf Sägeblätter in einem industriellen Prozess gelötet. Erste Anwendungstests dieser Laborprototypen erwiesen sich als vielversprechend für den Einsatz und die Weiterentwicklung dieser Cermetsorte, zumal sie einen Vergleich zu etablierten kommerziellen Cermets standhielten. Daher lag der Schwerpunkt im zweiten Teil dieser Arbeit auf der Industrialisierung und Optimierung des Produktionsprozesses. Dazwischen wurden Scale-up Tests als Kleinserienproduktion durchgeführt, um die Eigenschaften von Cermets aus verschiedenen Kleinserien zu vergleichen und um Einstellungen für die spätere Massenproduktion zu erhalten. Von der kooperierenden Firma wurden Schneidtests parallel durchgeführt, um das Schneidleistungsniveau der neu entwickelten Cermets im Vergleich zu den im Handel erhältlichen Sorten stets zu überprüfen. Die Testergebnisse während des gesamten Projekts zeigten sukzessive Verbesserungen, beginnend mit einer Standzeit von etwa 50% im Vergleich zu industriell etablierten Cermet-Sorten, bis dass am Ende die in der vorliegenden Arbeit neu entwickelte Sorte diese Cermet-Zielsorten sogar übertraf.