Superharte keramische Komposite: Einfluss der Grenzflächen auf die Eigenschaften von unter Normaldruck gesinterten Kompositen

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Anne-Kathrin Wolfrum
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429418801

Kostengünstige, verschleißfeste Werkstoffe sind für eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedensten Bereichen der Industrie und Gesellschaft von großer Bedeutung. Extrem verschleißfeste Werkstoffe basieren auf Diamant und kubischem Bornitrid (cBN). Diese müssen aber über Hochdruck- und Hochtemperaturprozesse hergestellt werden und sind daher hinsichtlich ihrer Größe, Geometrie und Kosten beschränkt. Diese extremen Bedingungen sind notwendig, da Diamant und cBN bei Normaldruck metastabil sind und während der Sinterung in ihre hexagonalen Phasen hBN und Graphit umwandeln. Literatur und eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass der Verschleiß der Komposite selbst bei geringen Volumenprozenten der Hartstoffe vom Diamant bzw. cBN bestimmt wird, wenn diese Körner fest eingebunden werden. Durch die feste Einbindung der Hartstoffe könnte also eine neue extrem verschleißfeste Werkstoffklasse geschaffen werden. Das gelingt bisher reproduzierbar nur bei SiC-gebundenen Diamantwerkstoffen, die durch reaktive Infiltration hergestellt werden. Für andere Matrixwerkstoffe und für cBN haltige Komposite ist das bisher trotz der Nutzung schneller Sinterverfahren wie Spark Plasma Sinterung (SPS) nicht reproduzierbar gelungen. Ein wesentlicher, bisher nicht systematisch untersuchter Ansatz um dieses Problem zu lösen, ist die Nutzung von beschichteten Diamant und cBN-Partikeln. Im Ergebnis der Promotion der Antragstellerin konnten Anforderungen an solche Schichten herausgearbeitet werden. Basierend auf diesen Vorarbeiten soll im Projekt systematisch die Wechselwirkung beschichteter Diamant und cBN-Partikel mit der Matrix während Sinterung und die sich ausbildende Struktur und Eigenschaften der Grenzflächen zu keramischen Matrizes (Al2O3; Si3N4) untersucht werden. Dazu stehen einerseits neu entwickelte dichte TiN-, TiC- und SiC- Schichten und Technologien für die Sinterung (SPS) zur Verfügung, andererseits wurde in Vorarbeiten Methoden der Artefakt freien Präparation und Analyse solcher Werkstoffe (FESEM; EBSD; XRD miro-Raman; TEM) erarbeitet und Methoden zur Untersuchung Quantifizierung der Grenzflächeneigenschaften, der Eigenspannungen, der mechanischen und Verschleißeigenschaften erprobt. Im Ergebnis soll geklärt werden, ob man durch solche Beschichtungen die Umwandlung der metastabilen Phasen unterdrücken kann. Die Wechselwirkung von unbeschichteten und beschichteten Partikeln mit den Matrizes und die daraus resultierenden Strukturen und Eigenschaften der Grenzflächen sollen aufgeklärt und die Folgen für das Verschleißverhalten verstanden werden. Die Ergebnisse sind einerseits wichtig für das Verständnis der Stabilisierung metastabiler Phasen, andererseits bilden sie eine Basis für zukünftige Entwicklungen kostengünstiger superharter verschleißfester Werkstoffe.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen