Diffusion von Kornwachstumsinhibitoren in Hartmetallen

Das Forschungsprojekt "Diffusion von Kornwachstumsinhibitoren in Hartmetallen" bezieht sich auf Materialien, die in Bauteilen für moderne Produktionsverfahren nicht mehr wegzudenken sind. Hartmetall - im Prinzip ein gesinterter Verbundwerkstoff aus dem Härteträger Wolframcarbid (WC) und dem duktilen Cobalt (Co) - wird beispielsweise in allen Bereichen des Maschinenbaus, der Fertigung von Elektronik, im Flugzeug- und Fahrzeugbau und allgemein im Transportwesen, in der Papierindustrie, in der Petrochemie und im Berg- und Straßenbau eingesetzt. Gerade durch die neuesten technischen Errungenschaften wie Smartphones, Tablet PCs, intelligenter Autoelektronik und allgemein durch die Miniaturisierung im Bereich elektronischer Bauteile sind Anwendungserfordernisse entstanden, sehr feinkörnige Hartmetalle zu erzeugen, welche dadurch hohe Biegefestigkeiten, hohe Härte und eine lange Standzeit aufweisen (z.B. für das Präzisionsbohren von Platinen mit Mikrobohrern). Zum Erhalt der Feinkörnigkeit dieser Hochleistungsmaterialien sind so genannte Kornwachstumsinhibitoren (KWI) in Verwendung. Dies sind Metalle, die in Form von Carbiden eingesetzt werden und das Wachstum der WC-Partikel beim Sintern vermindern. Die Wirkung dieser KWI ist zum Teil geklärt. Die wesentliche Rolle dürfte in der Modifizierung der Grenzflächenenergie zwischen W und Co liegen, die durch Anlagerung der KWI oder durch deren Lösung im Binder verändert wird. Aus diesem Grund ist die möglichst homogene Verteilung der KWI maßgeblich für die Feinkörnigkeit der Hartmetalle. Genau hier soll das Forschungsprojekt ansetzen und klären, wie sich bereits in den frühesten Sinterstadien (beim Aufheizen) diese Metalle verhalten und welche Auswirkung dieses Verhalten (Diffusion) auf das fertig gesinterte Hartmetall aufweist. Die Klärung dieser Sachverhalte beinhaltet die exakte Einstellung von mit KWI unterschiedlich dotierten Hartmetallen unterschiedlicher WC- und KWI-Korngröße und auch unterschiedlicher Kristallgitterqualität, eng kontrollierte thermische Beaufschlagung (gesteuerte Sinterung) und Analyse der KWI mit modernstem analytischen Instrumentarium wie WDS-EPMA (wellenlängen-dispersive Elektronenstrahl-Mikroanalyse), GDOES (optische Glimmentladungsspektroskopie) und FIB/FESEM (Ionenstrahlschneiden im Elektronenmikroskop und Analyse mittels energiedispersiven Systems). Neben den methodischen Untersuchungen wie solche Proben zu analysieren sind (erste Vorbereitungsexperimente und Analysen wurden bereits positiv absolviert), sind grundlegende Erkenntnisse und detaillierte quantitative Ergebnisse zum Diffusions- und Verteilungsverhalten von konventionellen sowie auch alternativen KWI zu erwarten. Damit lassen sich die Materialauswahl und verfahrenstechnische Abläufe genauer spezifizieren und verbesserte Hartmetalle erzielen. Eine weitere Folge davon ist eine verbesserte Rohstoff- und Energieeffizienz in der Herstellung sowie auch Verwendung der Hartmetalle.

In diesem Projekt wurde grundlegendes Wissen zur Fertigung von nano-Hartmetallen durch den optimierten Einsatz von Kornwachstumshemmern generiert. Hartmetalle sind Werkstoffe, die enorme Härte und Festigkeit aufweisen ohne dabei die Sprödigkeit und somit Bruchanfälligkeit vergleichbar harter Materialen wie z.B. Keramiken aufzuweisen. Erreicht wird dies, indem man den Hartstoff Wolframcarbid in Pulverform mit einem Metallpulver mischt und einer speziellen Wärmebehandlung, dem sogenannten Sintern, bei Temperaturen von ca. 1400C unterzieht. Dabei schmilzt das Metallpulver und füllt den Raum zwischen den Hartstoffpartikeln vollständig aus. Dadurch entsteht ein sogenannter Verbundwerkstoff, der die Härte des Wolframcarbids und die Bruchfestigkeit des Metalls vereint. Die Einsatzgebiete umspannen eine große Anzahl industrieller Anwendungen und reichen von Metall- über Holzbearbeitung und Verschleißschutzanwendungen bis zum Bergbau. Die Eigenschaften des Hartmetalls können dabei dem jeweiligen Einsatzzweck durch Variation bestimmter Ausgangsparameter, z.B. der Größe des Hartstoffpulvers, angepasst werden. Moderne Einsatzgebiete wie das Bohren von Löchern in elektronischen Leiterplatten mit Bohrern so dünn wie ein menschliches Haar erfordern zunehmend feinere Körner, entsprechend dem gegenwärtigen Trend zu nanoskaligen Materialien. Solch feine Pulver sind bereits kommerziell erhältlich. Bei der Herstellung beginnen allerdings die Teilchen bereits während des Sinterns ab 1000C zu wachsen, sodass keine nano-Hartmetalle zugänglich sind. Dieses Problem kann durch den Einsatz sogenannter Kornwachstumshemmer wie Chrom, Vanadium oder Molybdän gelöst werden. Deren Verwendung ist industrieller Standard bei nicht-nano-Hartmetallen, wobei aber nicht bekannt ist, wie diese insbesondere in der Frühphase des Sinterns wirken. Da diese Komponenten ebenfalls in Form von Pulvern zugesetzt werden, müssen sie sich erst im Material verteilen, um wirksam zu sein. In diesem Projekt konnte gezeigt werden, dass sich Chrom in frühen Sinterstadien um 1000C, wenn die metallische Komponente des Hartmetalls noch nicht aufgeschmolzen ist, deutlich schneller verteilt und somit früher wirkt als das bei 1400C als wirksamster Hemmer bekannte Vanadium. Weiters konnte eine Abschätzung gegeben werden, in welcher Korngröße die Kornwachstumshemmer zugegeben werden müssen, um eine ausreichend schnelle Verteilung zu erreichen. Dies wurde durch eine quantitative Untersuchung verschiedenster Einflussgrößen ermöglicht. Dazu zählt unter anderem, in Form welcher chemischen Verbindung die Kornwachstumshemmer zugesetzt werden, wie diese mit den anderen Komponenten des Hartmetalls interagieren und wie sie sich letztendlich auf die Eigenschaften des Hartmetalls auswirken.