Superharte keramische Komposite: Einfluss der Grenzflächen auf die Eigenschaften von unter Normaldruck gesinterten Kompositen

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Anne-Kathrin Wolfrum
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429418801

Hochleistungsfähige verschleißfeste Werkstoffe sind für viele Bereiche der modernen Technologie unverzichtbar, von Fertigungswerkzeugen bis hin zu industriellen Bauteilen. Zwei der härtesten bekannten Materialien, Diamant und kubisches Bornitrid (cBN), bieten in dieser Hinsicht ein außergewöhnliches Potenzial. Ihre Anwendung wird jedoch durch spezielle Anforderungen an die Herstellung begrenzt: Beim Sintern unter Normaldruck sind beide metastabil und wandeln in die weniger harte hexagonale Phasen um. Die herkömmliche Hochdrucksynthese verhindert dies, ist jedoch teuer und schränkt die möglichen Formen und Größen der Produkte ein. Vorangegangene Forschungen haben sich mit diesen Herausforderungen befasst und gezeigt, dass Partikelbeschichtungen unverzichtbar sind: Es wurde festgestellt, dass unbeschichtetes cBN und Diamant während des Sinterns unter Normaldruck, insbesondere in Gegenwart einer transienten flüssige Phase, zu hBN und Grafit umwandeln. Dies führte zu porösen, mechanisch schwachen Grenzflächen. Partikelbeschichtungen erwiesen sich daher als wichtige Voraussetzung für die Herstellung verschleißfester Verbundwerkstoffe. Diese Beschichtungen können vor unerwünschten Phasenumwandlungen schützen und eine starke chemische sowie mechanische Bindung mit der Keramikmatrix ausbilden. In früheren Arbeiten wurden TiN und SiC als potenzielle Beschichtungen identifiziert. TiN zeigte unter den untersuchten Bedingungen eine begrenzte Stabilität, während SiC sowohl auf cBN als auch auf Diamant in Al₂O₃- und Si₃N₄-Matrizen chemisch und strukturell stabil blieb. Daher zielt das vorgeschlagene Projekt darauf ab, einen Rahmen für die Mikrostruktur-Eigenschaften von beschichteten cBN/Diamant-verstärkten Al₂O₃- und Si₃N₄-Verbundwerkstoffen zu schaffen. Es sollen dichte Materialien mit hoher Zähigkeit und Verschleißfestigkeit und einem Partikelgehalt von mindestens 20 Vol.-% erzielt werden. Fokus des Projektes ist die Fragestellung, ob sich der begrenzte Schutz von TiN durch ein optimiertes Beschichtungsdesign verbessern lässt, ob die Ergebnisse auch für 2 µm große Partikel gelten, die für rissfreie Al₂O₃-Sinterverbundwerkstoffe benötigt werden und wie sich Flüssigphasen und Korngrenzphasen so anpassen lassen, dass sich die Verdichtung und die Rissbeständigkeit verbessern. Weiterhin soll untersucht werden, ob die feste Einbindung von SiC-beschichteten Partikeln zu einer höheren Verschleißfestigkeit über alle Partikelgrößen und -fraktionen hinweg gilt und ob reaktive Sinteradditive die Beschichtungen stabilisieren. Daher kommen im Projekt neu entwickelte dichte TiN-, TiC(1−x)Nx- und SiC-Beschichtungen in Verbindung mit Spark Plasma Sintering (SPS) zum Einsatz. Neben mechanischen und tribologischen Tests erfolgen artefaktfreie Präparationen und mikrostrukturelle Charakterisierungen (FESEM, EBSD, XRD, Mikro-Raman, TEM), um Grenzflächeneigenschaften, Restspannungen und das Verschleißverhalten zu quantifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen