Nötning och nedbrytning av Co-, Fe-, och Ni-baserade hårdmetaller mot sandsten och granit

This diploma work is performed at Sandvik Mining and Rock Technology, Rock Tools division, a world-leading mining equipment manufacturer. The aim is to study the wear of cemented carbide rock drill inserts worn against granite and sandstone countersurfaces, with focus on the impact of binder phase composition and flushing agent chemistry. A brief introduction to rock drilling, cemented carbides and the wear and degradation mechanisms of cemented carbides in rock drilling is given. Wear is induced in a lab test by sliding cemented carbide inserts against granite and sandstone countersurfaces while flushing with deionized water or synthetic mine water. The wear is quantified by measuring material weight loss, and worn inserts are studied by SEM. All wear marks feature crushed, fragmented and heavily deformed WC grains and cavities left after individually removed WC grains. Rock adhere strongly on inserts worn against both granite and sandstone, and adhered material from both rock types sometimes endure the mechanical contact between insert and rock without significant spalling. Inserts tested with deionized water against sandstone wear 2.2 - 5.1 times more relative to against granite, and the only distinct difference observed is the distribution of adhered rock. The use of synthetic mine water relative to deionized water impacts the wear of all inserts, though corrosion products are only found on some of them. Further, the tribological contact greatly impacts the corrosive attack. The relative wear difference using different water chemistries is larger for inserts with a smaller relative amount of binder. In most cases, increased wear is measured for inserts tested with synthetic mine water. For reasons yet unknown, this trend is reversed for inserts with a high relative amount of binder tested against sandstone, where a decrease in wear is measured instead.Detta examensarbete har utförts åt Sandvik Mining and Rock Technology, Rock Tools avdelningen, som är en världsledande utrustningstillverkare inom gruvindustrin. I arbetet undersöks nötningen av så kallade bergborrstift av hårdmetall. Berg är generellt ett mycket hårt och sprött material, och borrning i berg går därför i huvudsak ut på att krossa och spola bort krossad sten. Längst fram på bergborrar sitter borrkronor som till största del är gjorda i stål. Då stål är för mjukt för att effektivt kunna avverka berg monterar man in stift av hårdmetall längst fram på borrkronan. Hårdmetall är ett kompositmaterial av mycket hårda men spröda wolframkarbidkorn (WC) som hålls ihop av en, jämfört med WC, mjuk och formbar metall som kallas bindefas. Resultatet är ett mycket hårt men fortfarande relativt segt material som dessutom klarar de mycket höga temperaturer som uppstår vid bergborrning. Traditionellt används kobolt som bindefas, men nu tros det finnas hälsorisker med kobolt och dessutom sker en stor del av världens koboltutvinning under oetiska förhållanden i konfliktländer i Afrika. Detta i kombination med att koboltpriserna ökat dramatiskt de senaste åren leder till att man nu söker efter alternativa bindefaser. Bland annat undersöker man olika legeringar av nickel och järn. I detta arbete jämförs nötningen av stift med nickel-, järn- och olika koboltbindefaser. I ett labtest fås nötning genom att stiften trycks mot en roterande stencylinder av antingen granit eller sandsten. I verkliga förhållanden används ofta så kallat gruvvatten som sipprar in i gruvan som spolvatten för att ta bort stenkrosset och kyla borrkronan. För att se hur kemin i spolvattnet påverkar nötningen spolas kontaktytan mellan stift och stencylinder med antingen avjoniserat vatten eller syntetiskt gruvvatten under testerna. Stiftens materialförlust under provningen beräknas genom att mäta deras vikt innan och efter. För att se om skillnader i nötningshastighet mellan olika stifttyper eller testvillkor avspeglas i olika utseenden på slitytorna undersöks stiften med hjälp av ett svepelektronmikroskop (SEM). Från SEM-bilderna ser man att alla stift från alla testvillkor har krossade och fragmenterade WC-korn på ytan och att stora delar av slitytorna täckts av påkletat berg. Bergpåsmetningarna är ibland mycket tunna (< 1 μm) och delvis inblandade i bindefasen, och ibland betydligt tjockare (flertal μm). De tjockare påsmetningarna är bundna så pass hårt till ytan att de kan upprätthålla delar av kontakten mellan stiftet och berget under testningen utan att lossna. Huruvida detta skyddar hårdmetallen från att nötas eller om det påkletade berget reagerar med, och därmed ökar den kemiska nedbrytningen av stiftet är inte utrett. Berget skyddar dock den underliggande hårdmetallen mot den korrosion som uppstår i kontakt med spolvattnet. Resultaten visar att stiften nöts betydligt mer mot sandsten än mot granit. Förutom att bergpåsmetningarna har en annan fördelning över ytan så syns inga tydliga skillnader mellan stiften testade mot de båda bergarterna. De flesta stiften nöts mer när de testas med gruvvatten än med avjoniserat vatten. Detta gäller alla stift utom de som har hög relativ mängd bindefas och som testats mot sandsten. Dessa stift nöts tvärt om mindre när de testas med gruvvatten än med avjoniserat vatten. Hittills har ingen anledning till denna konsekventa avvikelse hittats