Environmental, Resource and Health Assessments of Hard Materials and Material Substitution: The Cases of Cemented Carbide and Polycrystalline Diamond
Doctoral thesis, 2019

The conventional hard material used in manufacturing industry, cemented carbide (WC-Co), mainly consists of the geochemically scarce elements tungsten and cobalt. This use of scarce resources could potentially be avoided by a material substitution to the more abundant and largely carbon-based material polycrystalline diamond (PCD). The aims of this thesis are to (i) assess environmental, resource and health impacts of WC-Co, (ii) assess environmental and resource impacts of PCD and (iii) assess the environmental and resource potential of substituting WC-Co with PCD. For fulfilling these aims, life cycle assessment (LCA) and material flow analysis (MFA) are applied.

Papers I-III show that WC-Co has notable environmental, resource and health impacts. LCA results for non-Chinese WC-Co production show that most environmental impacts are dominated by a limited number of inputs and outputs (e.g. kerosene, sulfidic tailings and electricity) (Paper I). MFA results for flows of tungsten in the specific product of passenger car tire studs made from WC-Co show that the recycling of tungsten in this product is non-existing (0%) and thus considerably lower than the global average (10- 25%) (Paper II). Net health impact results for tire studs in a studded Scandinavian passenger car show that the purpose of tire studs – to prevent injuries – is not justified since the negative health impacts, mainly due to emissions of road particles during use, outweigh the positive health impacts from accident reduction (Paper III).

Paper IV provides LCA results for PCD production and compares WC-Co and PCD tools regarding environmental and resource impacts in the specific applications of wood working and titanium machining. The results show that PCD is preferable in wood working but not in titanium machining. In Paper V, a framework for defining functional units in comparative LCAs of materials is presented. The framework outlines three functional unit types: the reference flow, material property and product performance types. The selected functional unit greatly affects the result when comparing WC-Co to PCD. The main methodological contributions of this thesis are the inclusion of negative health impacts associated with conflict minerals in Paper III and the framework for comparative LCAs of materials in Paper V.

disability-adjusted life years

polycrystalline diamond

cemented carbide

Life cycle assessment

machining tools

material flow analysis

KB-salen, Kemigården 4
Opponent: Prof. Jeroen Guinée, Institute of Environmental Sciences (CML), Leiden University, the Netherlands

Author

Anna Furberg

Chalmers, Technology Management and Economics, Environmental Systems Analysis

Environmental life cycle assessment of cemented carbide (WC-Co) production

Journal of Cleaner Production,; Vol. 209(2019)p. 1126-1138

Journal article

Dissipation of tungsten and environmental release of nanoparticles from tire studs: A Swedish case study

Journal of Cleaner Production,; Vol. 207(2019)p. 920-928

Journal article

Live and Let Die? Life Cycle Human Health Impacts from the Use of Tire Studs

International Journal of Environmental Research and Public Health,; Vol. 15(2018)

Journal article

Furberg, Anna; Fransson, Kristin; Zackrisson, Mats; Larsson, Mikael; Arvidsson, Rickard. 2019. Environmental and resource aspects of substituting cemented carbide with polycrystalline diamond: The case of machining tools. Submitted to Carbon

Furberg, Anna; Arvidsson, Rickard; Molander, Sverker. 2019. A framework for defining functional units in comparative life cycle assessments of materials. Submitted to International Journal of Life Cycle Assessment

Hårdmetall har haft en betydande roll i att möjliggöra den ekonomiska tillväxt som skett globalt under det senaste århundradet. Detta hårda och slitstarka material är avgörande för tillverkningsindustrin. Samtidigt så finns det en oro kring den framtida tillgängligheten av detta material eftersom det till största delen består av de knappa metallerna volfram och kobolt. Denna avhandling lyfter frågan om det finns alternativa hårda material som kan användas istället och som presterar bättre utifrån ett miljö-, resurs- och hälsoperspektiv?

En möjlig lösning skulle kunna vara att byta ut dessa knappa material mot mer vanligt förekommande kolbaserade material. Polykristallin diamant, som till stor del består av kol, är ett extremt hårt material och har föreslagits som ett alternativ till hårdmetall i verktyg. Samtidigt kräver produktionen av polykristallin diamant stora mängder av energi eftersom de höga tryck och temperaturer som råder vid bildandet av naturlig diamant återskapas vid produktionen. För att undvika att gå från ett problem till ett annat, nämligen från ett resurs- till ett miljöproblem, krävs ett systemperspektiv. Därför utgår denna avhandling från de miljösystemanalytiska metoderna livscykelanalys och materialflödesanalys för att jämföra hårdmetall och polykristallin diamant.

Denna avhandling visar att polykristallin diamant kan vara bättre än hårdmetall både ur ett miljö- och resursperspektiv men att detta beror på verktygens relativa prestanda. Resultaten pekar också på vikten av ett livscykelperspektiv när man vill utreda om det är fördelaktigt att byta ut ett material mot ett annat. Avhandlingen bidrar även med kunskap kring vad som är viktigt att tänka på vid sådana jämförelser. Exempelvis presenteras ett ramverk med vägledning om hur funktionen hos olika material kan beskrivas i jämförande livscykelanalyser av material.

Mistra Environmental Nanosafety Phase II

The Swedish Foundation for Strategic Environmental Research (Mistra), 2019-04-01 -- 2023-03-31.

Mistra Environmental Nanosafety

The Swedish Foundation for Strategic Environmental Research (Mistra), 2014-01-01 -- 2018-01-01.

Driving Forces

Sustainable development

Subject Categories

Environmental Engineering

Environmental Sciences

ISBN

978-91-7905-236-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4703

Publisher

Chalmers University of Technology

KB-salen, Kemigården 4

Opponent: Prof. Jeroen Guinée, Institute of Environmental Sciences (CML), Leiden University, the Netherlands

More information

Latest update

12/27/2019