Grenzflächenreaktionen in Diamantverbundwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann; Professor Dr. Metin Tolan
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 195322915

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im industriellen Bereich der Bearbeitung von Beton und Naturstein ist die Leistungsfähigkeit und die Verschleißbeständigkeit von diamantimprägnierten Metallmatrix-Verbundwerkzeugen ein wichtiger Produktivitätsfaktor. Da sich bereits bei der Auswahl der eingesetzten Werkstoffe, aber auch im darauf anschließenden Sinterprozess, die Stellschrauben in Richtung höherer Standzeiten einstellen lassen, sollten in dem abgeschlossenen Grundlagenprojekt die wesentlichen atomaren, mikroskopischen und chemischen Auswirkungen, die sich auf die Diamant-Metallgrenzfläche während des Sinterprozesses auswirken, identifiziert werden. Diese entstandene chemische Interfacezone wurde mittels Röntgenbeugung an der Synchrotronstrahlungsquelle DELTA analysiert. Die ermittelten chemischen und katalytischen Auswirkungen wurden abschließend zur Verschleißbeständigkeit, welche in Modellversuchen ermittelt wurde, in Relation gebracht. Wesentliche Erkenntnisse zu Beginn des Forschungsprojektes waren die Analyse und Identifizierung der wesentlichen Grenzflächenreaktionen (Graphitisierung, Karbidbildung, keine Auswirkungen) unterschiedlicher einkomponentiger Metallmatrixsysteme. Diese reichten von starken bis mittleren Auflösungserscheinungen durch Graphitisierung bei Eisen, Nickel und Kobalt, bis hin zur Ausbildung einer karbidischen Reaktionszone, welche sich positiv auf die Diamanthaltekräfte auswirkt. Elemente wie Kupfer oder Bronze zeigten ein vollständig inertes Verhalten gegenüber Diamantkohlenstoff. Röntgendiffraktometrische Phasenanalysen konnten auch zum ersten Mal an einzelnen ca. 300-400 µm großen Diamantkörnern mittels Mikrofokus-Synchrotronstrahlung an der Diamond Light Source in Didcot, Oxfordshire, UK durchgeführt werden. Im nächsten Schritt wurde ermittelt, wie sich Metallmatrix-Kombinationen aus 2 bis 3 Elementen auf die eingebetteten Diamanten auswirkten. Hierbei konnte festgestellt werden, dass durch die Zugabe von geringen Mengen (max. 15 m-%) eines karbidbildenden Metalls (Cr, Ti), der graphitbildende Effekt der meisten katalytisch wirksamen Metalle (Fe, Ni, Co) annähernd vollständig gehemmt werden konnte. Eine weitere Besonderheit des Projektes war die Durchführung von in-situ Röntgendiffraktion (Phasenanalyse) während des Aufheizens von metallisch beschichteten (PVD-Prozess) monokristallinen- und CVD-Diamanten. Die Durchführung erfolgte in einer speziellen Graphitaufheizzelle und lieferte detaillierte Daten über die Temperaturbereiche in denen die Grenzflächenreaktionen (Graphit- oder Karbidbildung) auftraten. Dabei konnten unter Anderem Bildungstemperaturen von TiC zwischen 600°C und 625°C, sowie von Cr7C3 zwischen 750°C und 800°C festgestellt werden. Abschließend wurden die Zusammenhänge zwischen einer chemischen Anbindung der Diamanten aufgrund der Karbidbildung an der Grenzfläche und den Diamanthaltekräften, sowie die Verschleißbeständigkeit analysiert. Dabei konnte ebenfalls eindeutig festgestellt werden, dass bei Taber-Abraser Schleifanalysen, aber auch bei qualitativen Tests der Diamanteinbettung, höhere Verschleißbeständigkeiten bzw. stärkere Diamanthaltekräfte vorliegen, wenn der eisenhaltigen Metallmatrixkomponente ca. 15% Chrom zugemischt wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An in-situ diffraction study on cobalt feedstock material. Conference Proceedings “1st International Conference on Stone and Concrete Machining (ICSCM)”, 22. – 23. 11. 2011, Hannover, Verlag PZH Produktionstechnisches Zentrum GmbH, Garbsen, ISBN 978-3-943104-22-6, p. 145 – 150
  W. Tillmann, M. Ferreira, M. Tolan, A. Steffen, M. Paulus, C. J. Sahle and C. Kronholz
  
• Diamond-metal interface characterization of sintered diamond grinding tools using microfocus X-ray diffraction. DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia, Nr. 71, 12/2012, G&M Associated Sas, Milano/Italy, ISSN 1824-5765, p.47 – 53
  W. Tillmann, M. Ferreira, M. Tolan, A. Steffen, S. Bieder, J. Möller and K. Rüster
  
• Structure Analysis of the Interfacial Region between Diamonds and Metal Matrices. Conference Proceedings “EURO PM 2012”, 16. – 19. 09. 2012, Basel/CH
  A. Steffen, M. Paulus, M. Tolan, M. Ferreira, W. Tillmann
  
• Carbon reactivity of binder metals in diamond-metal composites – Characterization by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. “Diamond & Related Materials”, Vol.38, 2013, Elsevier, p. 118–123
  W. Tillmann, M. Ferreira, A. Steffen, K. Rüster, J. Möller, S. Bieder, M. Paulus and M. Tolan
  
• Influence of hot pressing and vacuum sintering parameters on interfacial reactions in diamondmetal composites. Conference Proceedings “EURO PM 2013”, Vol 1, Diamond Tools,15. – 18. 09. 2013, Göteborg, p.83 – 88
  W. Tillmann, M. Tolan, M. Ferreira, S. Thutewohl and A. Steffen
  
• Graphitization effects on diamonds sintered in two component metal matrix systems. DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia, Nr. 76, 03/2014 G&M Associated Sas, Milano/Italy, ISSN 1824-5765, p. 41 – 46
  W. Tillmann, M. Ferreira, M. Tolan and A. Steffen
  
• In-situ investigations of interface reactions in metal coated polycrystalline and monocrystalline synthetic diamonds by XRD-phase analysis. DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia, Nr. 80, 03/2015 G&M Associated Sas, Milano/Italy, ISSN 1824-5765, p. 27 – 32
  W. Tillmann, M. Tolan, M. Ferreira, S. Schneider and M. Paulus
  
• Influence of chromium as carbide forming doping element on the diamond retention in diamond tools. Conference Proceedings “3rd ICSCM International Conference on Stone and Concrete Machining”, ISBN 987-3-943063-20-2, 02. – 03. 11. 2015, Ruhr-Universität Bochum, p. 23 – 32
  W. Tillmann, N. F. Lopes-Dias, M. Zimpel, M. Ferreira, M. Tolan and M. Paulus
  
• X‐ray diffraction (XRD)‐studies on the temperature dependent interface reactions on hafnium, zirconium, and nickel coated monocrystalline diamonds used in grinding segments for stone and concrete machining: Röntgendiffraktometrische (XRD)‐Untersuchungen von temperaturabhängigen Grenzflächenreaktionen von Hafnium‐, Zirkonium‐ und Nickel‐beschichteten monokristallinen Diamanten für die Verwendung in Schleifsegmenten für die Stein‐ und Betonverarbeitung. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 47 (2016) 1193-1201
  W. Tillmann, M. Tolan, M. Pinho Ferreira, M. Paulus, M. Becke, D. Stangier