Alternative Herstellung von Submikron-Hartmetallen

Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe aus einer harten, verschleißfesten Verbindung Wolframcarbid (WC) und einem duktilen Binder, Cobalt (Co). Diese Werkstoffe werden für viele hoch beanspruchte Bauteile eingesetzt, wie etwa Mikrobohrer für Platinen elektronischer Geräte und Schneidplatten für die zerspanende Formgebung. Dabei werden immer feinere Gefüge erzeugt, weil die Bauteile aufgrund des allgemeinen Trends der Miniaturisierung zunehmend kleiner werden. Zudem sind Hartmetalle zunehmend auch für Mikromaschinen interessant. Um solche feinen Gefüge einzustellen, müssen nicht nur immer feinere Pulver eingesetzt, sondern auch Substanzen zugesetzt werden, die das Wachstum der Hartstoffpartikel beim Flüssigphasensintern verhindern. Dazu werden Dotierungscarbide wie VC, Cr3 C2 und TaC als Kornwachstumshemmer dem Pulveransatz WC+Co zugefügt oder aber WC-Pulver verwendet, welche bereits bei der Herstellung mit Vorstoffen dieser Carbide vordotiert werden. Ein ganz wesentlicher Prozessschritt ist dabei die möglichst homogene Verteilung dieser Dotierungen. Die prinzipielle Grenze der Homogenitätseinstellung scheint heutzutage zumindest durch die kommerziell verfügbaren Pulver und Prozesse bereits erreicht. Durch die immer größer werdenden Anforderungen an Produktivität und Gleichmäßigkeit der Chargen sowie die fortschreitende Miniaturisierung ist aber die erreichte Homogenität der Kornwachstumshemmer nicht ausreichend, es tritt inhomogenes Kornwachstum auf, welches zu vorzeitigem Bruch oder Standzeitende der Bauteile führt. Daher fehlt es nicht an Anstrengungen, alternative Pulver durch neue Mischungskonzepte herzustellen. Die zentrale Idee des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Anwendung eines neuen Konzeptes der Beifügung des Kornwachstumshemmers, indem dieser nicht als separates Carbid neben Wolframcarbid - ungeachtet ob vordotiert oder nicht - in einem physikalischen Gemenge vorliegt, sondern in einer Phase gemeinsam mit Wolfram legiert, also homogen gelöst ist. Da aber WC keinerlei Kornwachstumshemmer löst, muss der Weg über Subcarbidphasen W-Co-C beschritten werden, welche alle derzeit eingesetzten Kornwachstumshemmer sogar gleichzeitig lösen; eine Entdeckung aus eigenen Forschungsarbeiten. Durch reaktives Sintern, bei dem die legierte W-Co-C-Phasen mit Kohlenstoff umgesetzt werden, befindet sich der Kornwachstumshemmer in der bestmöglichen Position, nämlich unmittelbar an der Stelle des sich bildenden WC, dessen Kornwachstum er verhindert oder verzögert. Im Forschungsvorhaben sollen zunächst die Löslichkeiten der Kornwachstumshemmer in den W-Co-C- Subcarbidphasen exakt bestimmt und anschließend die Herstellungsmöglichkeiten der entsprechenden Legierungspulver untersucht werden. Damit sollen Sinterversuche durchgeführt, die hergestellten Sub-Mikron- Hartmetalle mikroskopisch untersucht, die Korngrößenverteilung und die mechanischen Eigenschaften gemessen werden. Durch eine Reihe von parallelen thermochemischen Untersuchungen sollen die beim Sintern auftretenden Phänomene im Detail charakterisiert werden. Alle experimentellen Techniken sind dabei so nahe an den derzeit etablierten Herstellungsprozessen, dass im Erfolgsfall eine direkte Umsetzung in eine Produktion möglich erschient. Durch die Zusammenarbeit mit vielen namhaften Pulver- und Hartmetallherstellern in Österreich, Europa und USA sind nicht nur zahlreiche Charakterisierungsschritte, die sehr teure Geräte erfordern, im Forschungsvorhaben praktisch kostenlos zugänglich sondern auch eine Umlegung der im Projekt erarbeiteten Grundlagenerkenntnisse in eine spätere Industriekooperation möglich.

Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe aus einer harten, verschleißfesten Verbindung Wolframcarbid (WC) und einem duktilen Binder, Cobalt (Co). Diese Werkstoffe werden für viele hoch beanspruchte Bauteile eingesetzt, wie etwa Mikrobohrer für Platinen elektronischer Geräte und Schneidplatten für die zerspanende Formgebung. Dabei werden immer feinere Gefüge erzeugt, weil die Bauteile aufgrund des allgemeinen Trends der Miniaturisierung zunehmend kleiner werden. Zudem sind Hartmetalle zunehmend auch für Mikromaschinen interessant. Um solche feinen Gefüge einzustellen, müssen nicht nur immer feinere Pulver eingesetzt, sondern auch Substanzen zugesetzt werden, die das Wachstum der Hartstoffpartikel beim Flüssigphasensintern verhindern. Dazu werden Dotierungscarbide wie VC, Cr3 C2 und TaC als Kornwachstumshemmer dem Pulveransatz WC+Co zugefügt oder aber WC-Pulver verwendet, welche bereits bei der Herstellung mit Vorstoffen dieser Carbide vordotiert werden. Ein ganz wesentlicher Prozessschritt ist dabei die möglichst homogene Verteilung dieser Dotierungen. Die prinzipielle Grenze der Homogenitätseinstellung scheint heutzutage zumindest durch die kommerziell verfügbaren Pulver und Prozesse bereits erreicht. Durch die immer größer werdenden Anforderungen an Produktivität und Gleichmäßigkeit der Chargen sowie die fortschreitende Miniaturisierung ist aber die erreichte Homogenität der Kornwachstumshemmer nicht ausreichend, es tritt inhomogenes Kornwachstum auf, welches zu vorzeitigem Bruch oder Standzeitende der Bauteile führt. Daher fehlt es nicht an Anstrengungen, alternative Pulver durch neue Mischungskonzepte herzustellen. Die zentrale Idee des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Anwendung eines neuen Konzeptes der Beifügung des Kornwachstumshemmers, indem dieser nicht als separates Carbid neben Wolframcarbid - ungeachtet ob vordotiert oder nicht - in einem physikalischen Gemenge vorliegt, sondern in einer Phase gemeinsam mit Wolfram legiert, also homogen gelöst ist. Da aber WC keinerlei Kornwachstumshemmer löst, muss der Weg über Subcarbidphasen W-Co-C beschritten werden, welche alle derzeit eingesetzten Kornwachstumshemmer sogar gleichzeitig lösen; eine Entdeckung aus eigenen Forschungsarbeiten. Durch reaktives Sintern, bei dem die legierte W-Co-C-Phasen mit Kohlenstoff umgesetzt werden, befindet sich der Kornwachstumshemmer in der bestmöglichen Position, nämlich unmittelbar an der Stelle des sich bildenden WC, dessen Kornwachstum er verhindert oder verzögert. Im Forschungsvorhaben sollen zunächst die Löslichkeiten der Kornwachstumshemmer in den W-Co-C- Subcarbidphasen exakt bestimmt und anschließend die Herstellungsmöglichkeiten der entsprechenden Legierungspulver untersucht werden. Damit sollen Sinterversuche durchgeführt, die hergestellten Sub-Mikron- Hartmetalle mikroskopisch untersucht, die Korngrößenverteilung und die mechanischen Eigenschaften gemessen werden. Durch eine Reihe von parallelen thermochemischen Untersuchungen sollen die beim Sintern auftretenden Phänomene im Detail charakterisiert werden. Alle experimentellen Techniken sind dabei so nahe an den derzeit etablierten Herstellungsprozessen, dass im Erfolgsfall eine direkte Umsetzung in eine Produktion möglich erschient. Durch die Zusammenarbeit mit vielen namhaften Pulver- und Hartmetallherstellern in Österreich, Europa und USA sind nicht nur zahlreiche Charakterisierungsschritte, die sehr teure Geräte erfordern, im Forschungsvorhaben praktisch kostenlos zugänglich sondern auch eine Umlegung der im Projekt erarbeiteten Grundlagenerkenntnisse in eine spätere Industriekooperation möglich.