Quaternäre Carbonitride

Carbonitride sind eine äusserst interessante Klasse von Materialien weil sie ein unübliche Kombination von herausragenden Eigenschaften besitzen. Daher wurden sie nicht nur theoretisch ausgiebig untersucht sondern sind auch Gegenstand von zahlreichen technischen Anwendungen. Die moderne Bearbeitung von Stahl und Legierungen wäre ohne Carbonitride nicht denkbar - sie sind in Form von Pulverpartikeln und als Schitwerkstoff in Hartmetallen und Cermets in Verwendung. Zunächst wurden nur binäre Carbide und Nitride von Wolfram, Titan, Tantal und Niob in Hart-metallen und in Schichten eingesetzt, erst später kamen ternäre Carbonitride als Schicht-werkstoff hinzu. Die einzigen quaternären Carbonitride, welche heute verwendet werden, sind Pulverpartikel aufgebaut aus den Systemen Ti-W-C-N und Ti- Mo-C-N. Es ist aber ein klarer Trend in der Industrie abzulesen, bald auch für Schichten quaternäre Carbonitride einsetzen zu wollen, da man wegen der vollständigen Mischbarkeit sehr vieler Carbide und Nitride zu einem sehr breiten Spektrum an möglichen Verbindungen gelangt, in dem eine weitere Materialoptimierung möglich erscheint. Der Kenntnisstand über die Eigenschaften von quaternären Carbonitriden kann als sehr gering bezeichnet werden. Das Ziel des vorliegenden Projekts ist es daher, diesen Kenntnisstand deutlich zu erhöhen, indem zunächst die Existenzgebiete der Phasen untersucht und Mischungslücken aufgefunden werden. In der Folge sollen Proben mit definierter Geometrie hergestellt und auf wichtige Festkörper-eigen-schaften (elastische Eigenschaften, Härte, thermische Ausdehnung, Wärme-leitfähigkeit) in Zusammenarbeit mit in- und ausländischen Forschungspartnern untersucht werden. Die erwarteten Ergebisse sind ein besseres Verständnis der Phasenbeziehungen in den quaternären Mischcarbidsystemen der 4. und 5. Gruppe der Übergangsmetalle sowie deren Festkörper-eigen-schaften, welche nicht aus den Eigenschaften der Randsysteme abgeleitet werden können. Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist eine wichtige Voraussetzung für die gezielte Herstellung von Werkstoffen.

Carbide, Nitride und Carbonitride gehören zu einer Klasse von Hartstoffen, die für technische Anwendungen sehr interessant sind. Sie werden sowohl als Pulver in sogenannten Cermets eingesetzt, einem Verbundwerkstoff aus Hartstoff- und Binderphase, als auch in Hartstoffschichten, die als Verschleißschutz von Schneidwerkstoffen dienen. Zur Entwicklung neuer Hartstoffe gibt es die Möglichkeit, ein binäres oder ternäres Carbonitrid mit einem weiteren Metallcarbid, -nitrid oder -carbonitrid zu mischen. Die neue Verbindung beinhaltet dann zwei Metalle, Kohlenstoff und Stickstoff. Zu diesem Zweck wurden die Carbid-, Nitrid- und Carbonitridpulver gemischt, in einer Planetenkugelmühle gemahlen und anschließend heißgepresst, um ein nahezu dichtes Material für die Untersuchung der Materialeigenschaften zu erhalten. Aus diesen heißgepressten Körpern wurden mittels Diamantwerkzeugen Scheibchen und Stäbchen hergestellt und anschließend geschliffen und poliert. Diese so präparierten Proben wurden zahlreichen Messungen unterzogen, wie der Messung der Härte, Untersuchung der elastischen Eigenschaften und der Wärmeleitfähigkeit. Weiters wurde Röntgendiffraktometrie und Metallographie zur Identifizierung der auftretenden Phasen durchgeführt. Um die elastischen Eigenschaften zu bestimmen, wurde an geläppten, planparallelen Scheiben die Transversal- und Longitudinalgeschwindigkeit gemessen. Damit konnten der Elastitizitätsmodul, der Schermodul sowie der Kompressionsmodul zusammen mit der Poisson-Zahl bestimmt werden. Die hier erhaltene Datensammlung ist für die Mehrzahl der Carbonitride einzigartig - in der Literatur sind hierzu nahezu keine Daten vorhanden. Die Eigenschaften der binären und ternären Carbonitride, die die Randzonen des quaternären Systems repräsentieren, wurden zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit nochmals untersucht und stimmen mit den im Rahmen eines vorangegangen FWF-Projekts ermittelten Daten vollkommen überein. Am interessanten erscheint die Beobachtung eines Härtemaximums im (Ti,Ta)(C,N)-System. Die höchsten Werte für die Wärmeleitfähigkeit wurden im (Ti,Nb)(C,N)-System gefunden. Diese Daten sind äußerst wichtig für die Entwicklung von Verbundwerkstoffen und Schichten, ein nächster Schritt könnte die Herstellung anwendungsnaher Bauteile auf Basis dieser Materialien sein. Ein weitere interessante Erkenntnis war die metallographische und röntgendiffraktometrische Beobachtung von Phasenentmischungen in einigen Systemen. Proben mit diesem Entmischungsverhalten bildeten extrem feine Ausscheidungen, die in Form von Ultrafeinpulvern in Nano-Hartmetallen und -Cermets verwendet werden könnten.