Wechselwirkung zwischen Gefüge und elektrochemischem Verhalten von carbidkeramischen Werkstoffen unter ECM-Bedingungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes fanden grundlegende Untersuchungen zur elektrochemischen Bearbeitung von carbidkeramischen Werkstoffen (WCCo, SiC) bei hohen anodischen Stromdichten statt. WC und Co verhalten sich elektrochemisch konträr, d.h. WC kann in basischen Elektrolyten bearbeitet werden, während Cobalt passiviert. WC passiviert in neutralen und sauren Lösungen, während Cobalt bearbeitet werden kann. Eine elektrochemische Bearbeitung in typischen ECM-Elektrolyten wie Natriumnitrat oder Natriumchlorid ist daher nicht möglich und führt zur Schädigung des Werkstoffs. Dies stand bisher einer industriellen Verwendung der Methode zur Bearbeitung von WCCo entgegen. Für Hartmetalle auf Basis von WC und Co wurde nun ein Elektrolyt entwickelt, der die homogene Auflösung von Hart- und Binderphase ermöglicht. Ein Additiv zur Komplexierung von Cobalt ermöglicht die transpassive Auflösung von Cobalt auch bei hohen pH-Werten, bei denen eine elektrochemische Auflösung von WC stattfindet. Der Zusammenhang von Gefüge, Struktur und elektrochemischem Verhalten unter ECM-Bedingungen wurde untersucht und Modelle zum Auflösungsmechanismus wurden aufgestellt. Es konnte festgestellt werden, dass sich Cobalt transpassiv und Wolframcarbid aktiv auflöst. Die Korngröße der Wolframcarbidkörner hat keinen Einfluss auf das elektrochemische Verhalten. Die Rauheit der bearbeiteten Fläche ist jedoch durch die Korngröße der Karbide geprägt. Weiterhin ist eine homogene Auflösungsgeschwindigkeit von Binder- und Hartphase erforderlich, um eine Schädigung durch das Herauslösen einer Phase zu verhindern. Additive zur Steigerung der Oberflächengüte wurden untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Erhöhung der Viskosität des Elektrolyten zur Steigerung der Oberflächengüte führt. Dies ist durch die Stabilisierung einer viskosen Produktschicht möglich, die sich beim ECM unter hohen anodischen Stromdichten ausbildet. Bei Stromdichten >30A/cm² wird WCCo mit einer Stromeffzienz von ca. 70-80% aufgelöst. Die elektrochemische Bearbeitung von leitfähigen SiC-basierten Keramiken ist in alkalischen Elektrolyten bei hohen Spannungen möglich. Untersuchungen zum Auflösungsmechanismus haben gezeigt, dass sich auf SiC zunächst ein Hochfeldoxid bildet. Erst bei hohen Spannungen >100V wird das Oxid durch Bildung eines Plasmas durchbrochen und SiC kann bearbeitet werden. Bei der Bearbeitung von SiC wurde ein erhöhter Einfluss der Temperatur festgestellt, der auf die Halbleitereigenschaften von SiC zurückzuführen ist. Bei Erhöhung der Temperatur kommt es zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Materials. Dadurch ist der anodische Durchbruch bereits bei geringeren Potentialen möglich und der Energieverbrauch sinkt. Die Stromeffizienz für die Bearbeitung von SiC beträgt ca 25% bei Stromdichten >10A/cm². Bei diesen Stromdichten ist nach der Bearbeitung keine Oxidschicht mehr auf der Oberfläche mittels EDX nachweisbar. Durch die Untersuchungen zum ECM von Hartmetallen und SiC-basierten Keramiken im Rahmen dieses Projektes wurde die Grundlage für die technische Entwicklung einer alternativen Bearbeitung dieser Materialien gelegt. Die Arbeiten zum ECM von Hartmetallwerkstoffen, die wir auf internationalen Konferenzen vorgestellt haben, haben bereits zu ersten Gesprächen mit Unternehmen geführt, die sich überlegen, ECM als Alternative zum EDM (Elektroerosive Bearbeitung) in der Fertigung einzusetzen. Eine industrielle Umsetzung bedarf allerdings noch weitere Untersuchungen insbesondere zur Oberflächengüte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Electrochemical machining of a solid-state sintered ceramic – A parameter study. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 68 19–23
Schneider, M.; Safonow, E.; Junker, N.; Schubert, N.; Michaelis, A.
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Int. J. of Refractory Metals and Hard Materials 47, 2014, pp. 54-60
N. Schubert, M. Schneider, A. Michaelis
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Materials and Corrosion 66, Issue 6, 2014, pp. 549-553
M. Schneider, N. Schubert, S. Höhn, A. Michaelis
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“Temperature measurement under near-ECM conditions”, Proceedings 10th International Conference on Electrochemical Machining Technology INSECT, 13.- 14.11.2014, Saarbrücken, Germany, pp. 127-134
M. Schneider, N. Schubert, A. Michaelis
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“The effect of sovents on the surface quality during ECM of WC”, Proceedings 10th International Conference on Electrochemical Machining Technology INSECT, 13.-14.11.2014, Saarbrücken, Germany, pp. 57-62
N. Schubert, L. Simunkova, M. Schneider, A. Michaelis
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“ECM of SiC-based ceramic”, Proceedings 11th International Conference on Electrochemical Machining Technology INSECT, 12.-13.11.2015, Aachen, Germany
M. Schneider, E. Safonov, N. Schubert, A. Michaelis
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Materials and Corrosion, 2016
M. Schneider, N. Schubert, A. Michaelis
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“ECM of a SiC-based ceramic – Passivation and Dissolution”, Proceedings 12th International Conference on Electrochemical Machining Technology INSECT, 13.-14.11.2016, Brussels, Belgium, pp. 93-100
M. Schneider, N. Junker, E. Schrötke, A. Michaelis
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“The dissolution mechanism of tungsten carbide under ECM conditions”, Proceedings 12th International Conference on Electrochemical Machining Technology INSECT, 13.-14.11.2016, Brussels, Belgium, pp. 107-112
M. Schneider, N. Schubert, A. Michaelis
