Funktionsgradientenhartmetalle

Mehr als 70% der als Schneidwerkzeuge verwendeten Hartmetall-Wendeschneidplättchen werden zur Erhöhung ihrer Lebensdauer oberflächenbeschichtet, wobei die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) die am häufigsten angewandte Methode darstellt. Diese Schichten bestehen aus einer Reihe von Hart-stoffphasen (z.B. TiN, TiC, TiCN, Al2 O3 ), welche eine höhere Verschleißfestigkeit gegenüber den un-beschichteten Wendeschneidplättchen aufweisen. Auch ist die Reaktionsbeständigkeit gegenüber dem Werkstoff und der Luft erhöht. Bei der Beschichtung von Wendeschneidplättchen, die in einem separaten Prozeß durchgeführt werden muß, fallen Herstellungskosten an, die ca. 25% der Produktionskosten des gesamten Wendeschneid-plättchens ausmachen. Eine Alternative zu Beschichtungsprozessen ist die Erzeugung von Schichten durch Diffusion. Dies kann durch Modifikation des Sinterprozesses in Verbindung mit einer gezielten Änderung der Gasphasenzusammensetzung geschehen, wodurch ein sogenannter Funktionsgradienten-Werkstoff resultiert. Dieser Prozeß (z.B. Zusatz von Stickstoff an einem speziellen Punkt im Temperatur-Zeit Sinterzyclus) kann während des Sintercyclus der Carbid- oder Carbonitridhartmetalle - in situ - durchgeführt werden. Das Auftreten einer modifizierten Oberflächenstruktur wird kontrolliert durch Diffusion der verschiedenen Bestandteile, wobei die Thermodynamik des Hartstoff-Systems maßgeblich ist. Die Änderung des Sinterprozesses kann die Zykluszeit erhöhen und den Prozeß als ganzes verkomplizieren (auch in Verbindung mit einer Erhöhung der Produktionskosten), aber ein viel teurerer separater zweiter Produktionsschritt, wie es der Beschichtungsprozeß darstellt, kann vermieden werden. Ein anderer wesentlicher Vorteil der In situ-Oberflächenmodifikation ist die Möglichkeit der Erzeugung eines erheblich flacheren Gradienten woraus eine kontinuierlichere Veränderung der Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu den Eigenschaften im Werkstoffinneren resultiert. Aufgrund dieser stetigen Veränderung der Eigenschaften kann die Kompatibilität des Substratmaterials (Hartmetall) mit dem Material der Diffusionsschicht erhöht werden, so daß Funktionsgradienten-Hartmetalle sogar herkömmliche beschichtete Hartmetalle übertreffen können. Mit Hilfe diffusionskontrollierter In situ-Oberflächenmodifikation ist es aber auch möglich, Gradienten ähnlich denen von beschichteten Hartmetallen zu erhalten. Im vorliegenden Forschungsprojekt sollen Sinter-Experimente sowohl mit den in der Industrie gebräuchlichen Legierungszusammensetzungen als auch mit Modellegierungen durchgeführt werden. Diese Experimente sollen sowohl bei niederen Drücken (Vakuum) als auch bei höheren Drücken (Sinter-Hippen) durchgeführt werden. Zusätzlich soll die Möglichkeit der Anwendung von Mikrowellen im Oberflächenmodifikations-Prozeß untersucht werden. Die Mikrowellen werden dabei einerseits zum Aufheizen der Proben, was eine Beschleunigung der Sinterung der Werkstücke zur Folge hat und andererseits zur Aktivierung der reaktiven Spezies in der Gas-phase verwendet. Ziel dieser Untersuchungen ist es, Einsicht in das Diffusionsverhalten der verschiedenen Spezies als Funktion der Prozeßparameter zu erhalten. Damit soll der Kenntnisstand über Phänomene, die zur Ausbildung der Hartstoff-Diffusionsschichten an der Oberfläche von Multikomponenten-Hartmetallen beitragen, entscheidend erweitert werden, denn die zugrundeliegenden metallurgischen Prozesse wurden laut Literatur noch wenig untersucht und erklärt. Die Einstellung eines Diffusionskontrollierten-Funktions-gradienten ist einer der vielversprechendsten Bereiche in der Wissenschaft und Technologie moderner Sinter-Carbid und Carbonitrid- Hartmetalle.