Cemented carbides are composite materials traditionally consisting of hard ceramic tungsten carbide (WC) particles, commonly referred to as WC grainsand metallic cobalt (Co) matrix. This is a combination that gives the material aunique set of properties, combining high hardness and toughness that are suitable for demanding applications such as rock drilling or metal cutting. Depending on application the material properties can be tailored by differentcombinations of WC grain size, metallic binder content and additional hard phases.

In many applications it has been found beneficial to have a variation in microstructure between surface and bulk. Today there are a number of production technologies by which a non-homogenous structure, also called functional gradients, can be produced. These gradients can be generated onvarious length scales. 

In this work, functional gradients, comprising macro gradients on the mm scale, have been produced by modifying the green body before sintering. Here, this means that a grain growth inhibitor, titanium carbide (TiC), has been locally added on the surface of a WC-Binder sample, here WC-Binder means WC-Co, WC-Ni or a WC-Fe composite. These samples are primarily pressed green bodies, but TiC has also been added on sintered materials to study the effect ofporosity on gradient formation in a second sintering. By locally adding TiC an alternative way of introducing a grain growth inhibitor is explored. This approach allows for sustainable use of raw materials, by introducing the TiCwhere it is needed. Upon sintering, Ti and C diffuses into the WC-Binder bulk affecting the structure and composition, and a non-homogenous material is created. 

The sintered samples have been manufactured through standard metallurgical procedures and extensively studied using microscopy and microanalysis. Within the scope of this thesis, different parameters, such as; WC raw material, sintering temperature and porosity are investigated in the WC-Co system to learn how they influence the final structure in the sintered composite material. The possibility to extend functional gradient sintering, producing macro gradients, to include alternative binders, Nickel (Ni) and Iron (Fe) is also investigated. 

In these gradient materials, a relation exists between the diffusion of Ti and C from the applied TiC layer and the growth of WC grains in the bulk material. This relation becomes particularly evident under conditions that promote WC grain growth, such as elevated sintering temperatures or the use of small initial WC powder sizes. Also binder chemistry affects the WC grain growth. The developed compositional and structural gradients can be related to the mechanical properties, and a higher hardness is achieved at the surface of the TiC addition compared to the bulk material. A comparable hardness gradient is observed in samples with Ni and Co binders, while those with Fe binders display a less pronounced gradient. 

To complement the experimental work, diffusion modelling has also been applied to better understand and predict the gradient formation for varying sintering temperatures and binder chemistries. The model accurately reflects the trends in Ti gradient formation but careful consideration of the system, for example WC raw material and amount of TiC addition is needed to understand and make use of the model results. 

The results from this thesis can contribute to the understanding and further development of sustainable tool materials for industrial implementation.

Hårdmetall är ett kompositmaterial som traditionellt sett består av hårda keramiska partiklar av volframkarbid och en metallisk bindefas av kobolt. Detta är en kombination som ger materialet unika egenskaper av hårdhet och seghet som lämpar sig till verktyg för till exempel bergborrning eller skärande bearbetning. Olika kombinationer av volframkarbidens storlek och mängd bindefas ger olika materialegenskaper som kan skräddarsys.  

Man har i många tillämpningar funnit det gynnsamt att ha en variation i mikrostrukturen mellan yta och bulk. Idag finns det ett antal tillverkningsprocesser genom vilka en varierande mikrostruktur kan tillverkas så kallade funktionella gradienter. Dessa kan skapas i olika längdskalor. 

I detta arbete har funktionellagradienter, bestående av makrogradienter i mm-skala, producerats genom att modifiera grönkroppen före sintring. Här innebär detta att en korntillväxthämmare titankarbid lokalt har tillsatts på ytan av en grönkropp av hårdmetall. Den lokala tillsatsen har applicerats främst på pressade grönkroppar men titankarbidtillsatsen har också gjorts till sintrade prov för att studera effekten av porositet på gradientbildningen. 

De sintrade proverna har tillverkats genom en standardmetallurgisk process och noggrant studerats med hjälp av karakteriseringstekniker, så som mikroskopi och mikroanalys.  

Inom ramen för denna avhandling undersöks olika parametrar, såsom val av volframkarbidens råmaterial, sintringstemperatur och initial porositet i volframkarbid-kobolt systemet för att utforska hur dessa påverkar den slutliga strukturen i det sintrade materialet. Vidare undersökts möjligheten att utöka funktionellgradientsintring till att inkludera andra bindefaser så som nickel och järn.   

Lokal tillsats av titankarbid utforskar ett alternativt sätt att tillsätta en korntillväxthämmare. Detta möjliggör hållbar användning av råmaterialet genom att tillsätta det där det verkligen behövs. Vid sintringen diffunderar titan och kol in i hårdmetallen och påverkar strukturen och sammansättningen, och ett icke-homogent material skapas. Vid skapandet av dessa funktionella gradienter finns en koppling mellan titandiffusionen från det applicerade titankarbidlagret och tillväxten av volframkarbidkornen i bulkmaterialet. Denna koppling blir särskilt tydlig under förhållanden som främjar korntillväxten för volframkarbidkornen, såsom förhöjda sintringstemperaturer eller användning av små initiala partikelstorlekar för volframkarbiden. Även bindefasens kemi påverkar volframkarbidkornens tillväxt. 

De utvecklade samansättning- och strukturgradienterna återspeglas i de mekaniska egenskaperna. På detta sätt fås en högre hårdhet vid ytan där titankarbidtillsatsen gjorts jämfört med bulkmaterialet. En liknande hårdhetsgradient observeras i prover med nickel- och koboltbindefas, medan det prov med järnbindefas uppvisar en mindre gradient.  

Diffusionsmodellering har också använts för att förstå och förutsäga gradientbildningen vid varierande temperatur och bindefasskemi. Modellen återspeglar trenderna i titangradientbildningen, men kunskap om systemet, till exempel vilken råvara för volframkarbiden som använts och/eller mängden titankarbidtillsats, behövs för att förstå och kunna använda modellresultaten.  

Resultaten och kunskapen från denna avhandling bidrar till ökad förståelse av dessa system och kan på så sätt användas för vidareutvecklingen av hållbara verktygsmaterial för industriell implementering.