Mechanismen des spröde-duktil Übergangs und des Materialabtrags beim Diamantschneiden von Siliziumkarbid

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Hartmaier
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392230176

Diamantschneiden von harten und spröden Keramiken bietet Vorteile gegenüber anderen Methoden wie z. B. dem Schleifen. Gleichzeitig stellt es eine technologische Herausforderung dar, da ein genaues Verständnis der Mechanismen des Materialabtrags erforderlich ist, um einen stabilen Prozess und eine hochwertige Oberflächenqualität zu gewährleisten. Während sich die meisten Keramiken bei makroskopischen Versuchen vollständig spröde verhalten, zeigt die mikromechanische Prüfung häufig eine gewisse Duktilität des Materials. Während des Diamantschneidens kann ein derartiger spröde-duktil Übergang (engl. brittle-ductile transition, BDT) in Abhängigkeit von den Prozessparametern beobachtet werden. Aus der Literatur ist bekannt, dass der Betrieb des Diamantschneideprozesses im duktilen Zustand vorteilhaft ist und zu einer extrem niedrigen Oberflächenrauigkeit des bearbeiteten Teils führt.In dem vorgeschlagenen Forschungsprojekt wird der Diamantschneideprozess von Siliziumkarbid-(SiC)-Keramiken auf allen relevanten Längenskalen mit einer kombinierten skalenüberbrückenden Material- und Prozessmodellierung sowie mit in-situ und ex-situ Experimenten untersucht. SiC wird als Material gewählt, weil seine Anwendungen in optischen Geräten eine extrem hohe Oberflächenqualität erfordern. Dennoch bedeutet die hohe Härte und Sprödigkeit dieser Keramik eine enorme Herausforderung für den Bearbeitungsprozess, der nur sicher durchgeführt werden kann, wenn ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen des Materialabtrags besteht. Folglich ist das erste Ziel dieses Forschungsprojekts, den BDT in SiC unter den Bedingungen der Präzisionsbearbeitung mit Diamantschneidewerkzeugen zu untersuchen. Im Zuge dessen wird auch ein mechanistisches Verständnis des Materialabtrags sowohl im spröden als auch im duktilen Zustand erarbeitet - mit einem Schwerpunkt auf dem duktilen Bereich. Als zweites Ziel sollen diese Erkenntnisse und die entwickelten skalenüberbrückenden Modelle für Prozessinnovationen genutzt werden, mit dem Ziel bei der Präzisionsbearbeitung von SiC eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 10 nm zu erreichen. Ein wichtiges Thema ist dabei die Steuerung des Präzisionsbearbeitungsprozesses, so dass nur ein duktiler Materialabtrag stattfindet, da dadurch bessere Oberflächenqualitäten entstehen. Daher ist der grundlegende Teil des Projekts eine notwendige Voraussetzung für diese Art von Prozessinnovation. Während es das Ziel dieses Projektes ist, eher materialspezifische Phänomene für das SiC-Keramiksystem zu beschreiben, wird erwartet, dass das erreichte mechanistische Verständnis des BDT und des Materialabtragsprozesses auch auf die Präzisionsbearbeitung anderer keramischer Systeme übertragen werden kann. Darüber hinaus gehen wir davon aus, einen sehr fundamentalen Einblick in die physikalischen Phänomene zu gewinnen, die die teilweise hohen Verformungen und das plastische Fließen hervorrufen, die für viele Keramiken bei Nanoindentierung beobachtet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Hamad ul Hassan; Privatdozentin Dr. Rebecca Janisch; Dr.-Ing. Janine Pfetzing-Micklich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Junjie Zhang