Neue Diamantwerkzeugkonzepte für die trockene Bearbeitung natürlicher und synthetischer mineralischer Materialien

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2005 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5443672

• Final Report Year: 2007

Final Report Abstract

Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurden die Eigenschaften der Einsatzstoffe ermittelt. Aus den verschiedenen Einsatzstoffen wurden daraufhin Pulvermischungen unterschiedlicher Zusammensetzungen in einem Taumelmischer bei 20 U/min für 1h erzeugt. Für die ersten Untersuchungen wurden Kobalt- und Bronzepulver (GTV GmbH) verwendet, deren Korngröße zwischen 45-90 um lag. Da mit Hilfe metallographischer Untersuchungen, Porositätsmessungen und Gefügeuntersuchungen Unzulänglichkeiten in der Verdichtung der Grünkörper nachgewiesen wurden, sind anschließend feinere Kobalt- (< 40 (jm, Eurotungstene Powders) und Bronzepulver (< 40 um, Ecka Granulate Velden GmbH) verwendet worden. Zusätzlich zu den Pulvermischungen aus 100% grobem oder 100% feinem Kobalt- oder Bronzepulver wurde auch ein Mischungsverhältnis von 70% grobem und 30% feinem Pulver untersucht. Die bei einem Pressdruck von 550 MPa erzeugten Grünkörper wurden entweder drucklos in einem Vakuumofen gesintert oder teilweise in einem heißisostatischen Pressprozess nachverdichtet. Für die darauf folgende drucklose Sinterung der Grünkörper wurde mit unterschiedlichen Temperaturen experimentiert. Zum einen wurde mit einer Temperatur von 0,8 TSchmelze (1200°C für Kobalt- und 770°C für Bronzeproben) und zum anderen mit ~ 0,73 TSchmelze (1100°C für Kobalt- und 720°C für Bronzeproben) gesintert. Die höhere Sintertemperatur von 1200°C erwies sich für die Kobaltproben als am besten geeignet. Auch bei der Verwendung einer Matrix bestehend aus 100 % feinem Kobaltpulver wurden hiermit dichtere Gefügestrukturen erzeugt. Im Falle der Bronze sind die höheren Sintertemperaturen von 770°C ideal für die Probenmischungen aus 100% grobem oder gemischtem Matrixpulver. Die niedrigere Sintertemperatur von 720°C schien für das feine Bronzepulver besser geeignet, da sich sonst bei 770°C eine Schmelzflüssige Gefügestruktur einstellte. Nach der Sinterung erfolgte eine Bewertung durch Licht- und Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen, sowie durch Porositätsmessungen mittels digitaler Bildanalyse und Mikrohärtemessungen. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass mit höherem Anteil an feinem Matrixpulver dichtere Gefügestrukturen erreicht werden können. Bei einem Mischungsverhältnis von 70% groben und 30% feinem Matrixpulver füllten die feineren Körner den vorhandenen Porenraum zwischen den groben Körnen und die Porosität sank im Vergleich zu den Proben aus 100% groben Korn. Probenkörper die ausschließlich das feine Metallpulver (<40um) enthielten, wiesen Porositäten < 2% auf. Im weiteren Verlauf des Forschungsvorhabens wurden die Auswirkungen auf unterschiedliche Korngrößen des als Wärmedämmung eingesetzten Materials (Korund oder Glas) auf den Gesamtverbund analysiert. Die Matrixzusammensetzungen die 5 Vol.-% Diamantanteil besaßen wurden hierfür mit 5 Vol.-% Korund oder Glas in drei unterschiedlichen Korngrößen kombiniert. Es konnte gezeigt werden, dass bei kleinerer Korund- oder Glaskorngröße eine homogenere Verteilung innerhalb des Verbundes stattfand und die Porosität sank. In allen Formkörpern waren die Diamanten gut in die metallische Matrix eingebunden. Zur Positionierung der Thermoelemente innerhalb der gesinterten Probenkörper wurden ebenfalls Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wurde Polyoxymethylen als Platzhaltermaterial in den Verbund verpresst und in einem Ofen bei 230 - 250 °C unter Sauerstofftmosphäre pyrolysiert. Im letzten Schritt wurden die Formteile bei einer Temperatur von 770°C (Bronze) oder 1200°C (Kobalt) in einem Vakuumofen für 4 Stunden gesintert. Durch diese beschriebene Pyrolyse des Polyoxymethylen kann eine flexible Positionierung der Thermoelemente an den gewünschten Positionen innerhalb der Probe realisiert werden. Es zeigte sich, dass nach dem Entfernen des Platzhaltermaterials eine scharfe Abgrenzung des poyrolysierten Kunststoffes zur Matrix bestand. Hierbei konnten sowohl mit Pulvermischungen aus reinem Matrixmaterial (Kobalt, Bronze), als auch bei Pulvermischungen, die Diamant- und Korundzuschlag enthielten vergleichbare Resultate erzielt werden. Bei den durchgeführten Verschleißtest auf einem Taber Abraser Teststand, bei dem die Probenaufnahme an die bestehenden Probengeometrien angepasst werden musste, konnte gezeigt werden, das die Proben der Zusammensetzung CogfD* weniger schnell verschleißen als die vergleichbaren Proben bestehend aus feiner Kobaltmatrix CofD**. Vergleicht man die Proben mit zusätzlichem Korundanteil als „Hitzschutzschild" für die Diamanten war dieser Trend ebenfalls zu erkennen. Für die ersten FEM Simulationen musste ein neues Grundlagenmodel und eine Anpassung der mathematischen Grundlagen zur Berechnung des Wärmetransports durchgeführt werden. Das Modell wurde anhand unterschiedlicher Matrix-Diamant-Mischungen verifiziert. So konnte ein deutlich schnellerer Temperaturanstieg innerhalb der betrachteten Segmente bei Verwendung einer Bronzematrix im Vergleich zur Kobaltmatrix auch theoretisch bestätigt werden. Die Wärmeleitung in das Innere des Stabes wird in dem entwickelten Modell durch die Anwesenheit von Diamanten gefördert und der Stab erfährt eine stärkere Erwärmung im Vergleich zur Simulation ohne Diamanten. Zusätzlich fördern die Diamantkorngröße und der Gehalt an Diamant ein schnelleres Eindringen der Wärme in das Stabinnere.

Publications

• Innovative Verbundwerkstoffe als Problemloser für hochbeanspruchte Werkzeuge zur Gesteinsbearbeitung Verbundwerkstoffe, Hrsg.: H. P. Degischer, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2003, Seiten 679 - 684
  W. Tillmann, M. Klaassen
  
• Diamant-Verbundwerkstoffe zur trockenen Gesteinsbearbeitung Industriediamanten Rundschau", Nr. IV, 2004, S. 365 - 371, 5. IFW Steinkolloquium
  W. Tillmann, M. Klaassen
  
• Special Diamond Tools for Dry Drilling of Mineral Materials PM 2004 World Congress, Wien, Volume 3, 2004, Seiten 651-656
  W. Tillmann, M. Klaassen
  
• Special Diamond Tools for Dry Drilling of Mineral Materials. Powder Metallurgy World Congress, 17.-21.10.2004, Wien.
  Tillmann, W.und M. Klaassen:
  
• Manufacturing of dense Diamond-alumina-composites 16th International Plansee Seminar, Reutte (Österreich), Vol. 3, 2005, Seiten 95-104
  W. Tillmann, M. Klaassen
  
• Manufacturing of dense Diamond-alumina-composites. Conference Proceedings 16th Internat. Plansee Seminar, 30.05. - 03.06.2005, Reutte/Austria, S. 95 - 104, Vol. 3
  Tillmann, W., M. Klaassen
  
• Ein neues Werkstoffkonzept zur trockenen Bearbeitung mineralischer Materialien. Tagungsband zum „9. Werkstofftechnischen Kolloquium", 07. - 08. 09. 2006, Chemnitz, S. 173 - 176, Hrsg.: B. Wielage, Eigenverlag, Chemnitz ISBN-10 3-00-019101-1, ISBN-13 978-3-00-019101-5, ISSN 1439-1597.
  W. Tillmann, M. Klaassen, C. Kronholz
  
• Thermal Protection Shield Concept for Diamond Impregnated Tools Materials Science Forum Vols. 534-536 (2007) pp. 1145 - 1148, Trans Tech Publications Ltd., Uetikon/Zurich, ISBN 0-87849-419-7, ISBN.13 978-0- 87849-4194.
  W. Tillmann, M. Gathen, C. Kronholz