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Interfacial reactions in diamond composite materials

Subject Area Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Glass, Ceramics and Derived Composites
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Term from 2011 to 2016
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 195322915
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

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.

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