Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von diamantverstärkten Metallen
Final Report Abstract
Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten konnten folgende Ergebnisse erarbeitet werden: Mittels Gasdruckinfiltration lassen sich mit Hilfe spanend gefertigter Graphitformen endkonturnah Zugproben aus diamantverstärkten Metallen herstellen. Bei Verwendung bimodaler Pulvermischungen können dabei Diamantgehalte von weit über 50 % eingestellt werden. Die Diamanten sind in den Verbundwerkstoffen gleichmäßig verteilt. Eine metallographische Präparation von Diamantverbunden ist aufgrund der Werkstoffhärte außerordentlich schwierig, zeit- und kostenintensiv. Die Zugversuche zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften vor allem durch die Wahl des Matrixmaterials dominiert werden. Dabei erreichen Verbunde mit Cu2,5B- Matrix äußerst geringe Werte, die schon bei geringsten Belastungen Schädigungen im Verbund erwarten lassen. Bei den Al2Cu- und Ag11Si-Verbunden werden dagegen bessere Steifigkeiten und Festigkeiten ermittelt, die eine gute Diamant- Matrix-Bindung erwarten lassen. Ein Größeneinfluss auf den Elastizitätsmodul war nicht festzustellen. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass tendenziell steigende Diamantpartikelgrößen die Bruchdehnung erhöhen, die Festigkeit jedoch senken, während bei sinkender Diamantpartikelgröße die Duktilität abnimmt. Gründe hierfür sind wahrscheinlich zum einen verkürzte Versetzungswege innerhalb der immer kleiner werdenden Matrixbereiche und zum anderen eine erhöhte Versetzungsdichte durch plastische Vorgänge bedingt durch die Differenz der thermischen Ausdehnung von Diamanten und Metallmatrix beim Abkühlen. Daher zeigen auch die Verbunde mit höheren Diamantanteilen einen Abfall der Festigkeit mit steigendem Diamantanteil. Der Elastizitätsmodul nimmt dagegen erwartungsgemäß mit steigendem Diamantgehalt zu und erreicht Werte, die gut mit theoretischen Modellen für Partikelverbunde übereinstimmen. Gezeigt werden konnte auch, dass eine Haltezeit vor der Infiltration der Pulverschüttungen zumindest im Fall der untersuchten Verbunde mit Aluminiummatrix Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit und Bruchdehnung beeinflusst. Dabei steigen diese Kennwerte mit zunehmender Haltezeit an. Eine zyklische thermische Belastung der Diamantverbundwerkstoffe führt zur Abnahme des Elastizitätsmoduls und der Zugfestigkeit um 25 bzw. 30 % (nach 1000 Zyklen), während die Bruchdehnung um 375 % ansteigt. Diese Kennwertänderungen lassen innere Schädigungen vermuten. Die Ergebnisse der Chevron-Notch-Tests stützen die Vermutung, dass das mechanische Verhalten der Verbundwerkstoffe einerseits durch die mangelnde Duktilität bei kleinen Diamantpartikelgrößen und andererseits durch die geringere Festigkeit bei höheren Diamantpartikelgrößen bestimmt wird. Dies führt bei mit steigender Partikelgröße zunehmendem Plastizitätsfaktor zu einem Maximum der Zähigkeit bei einer mittleren Diamantpartikelgröße von ca. 40 µm (Siebgröße 325/400). Die in den obengenannten mechanischen Prüfungen ermittelten Eigenschaften spiegelten sich auch in den fraktographischen Untersuchungen wieder. Es konnte gezeigt werden, dass die Cu2,5B-Verbunde eine geringe Anbindung zu den Diamanten besitzen, während die Anbindung bei Ag11Si- und Aluminiumverbunden sehr gut ist. Bei letzteren beruht die Diamantanbindung auf der Bildung von Aluminiumkarbid, wobei die Grenzflächenqualität mit zunehmender Haltezeit vor der Infiltration steigt. Mit zunehmender Grenzflächenfestigkeit steigt die Zahl der beobachteten Diamantpartikelbrüche in der Bruchfläche. Diese treten vor allem bei Ag11Si-Verbunden und Aluminiumverbunden, die nach langer Haltezeit infiltriert wurden, auf. Dieses Phänomen korreliert mit den hohen Festigkeiten dieser Verbunde. Fraktographische Untersuchungen von Proben die vor dem Zugversuch thermisch wechselbelastet wurden, brachten keine weiteren Erkenntnisse hinsichtlich der thermischen Schädigung, da diese durch die Schädigung durch mechanische Beanspruchung überlagert wird und somit keine eindeutige Zuordnung getroffen werden konnte. Tendenziell ist jedoch eine nachhaltige Grenzflächenschädigung durch die thermische Wechselbelastung wahrscheinlich. Im Rahmen dieses Projektes wurden die mechanischen Eigenschaften von Diamantverbunden erstmals eingehend untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Diamantverbundwerkstoffe für den Fall, dass die Grenzfläche zwischen den Verbundpartnern gut ausgebildet ist, hervorragende Steifigkeiten erreichen, die weit über den Werten technisch heute eingesetzter Partikelverbunde liegen. Dies liegt nicht alleine an den mechanischen Eigenschaften des Diamants sondern vor allem auch an den hier realisierten hohen Volumengehalten. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass eine gezielte Prozessführung bei der Probenherstellung weitere Möglichkeiten zur Werkstoffoptimierung bietet. Diese Aussage bezieht sich zum einen auf die direkt hinsichtlich dieses Aspektes untersuchten Aluminiummatrixverbunde (Haltezeiteinfluss) als auch auf die Cu2,5B-Verbunde, bei denen zur mechanischen Optimierung noch weitere Verbesserungen der Diamant-Matrix-Bindung erreicht werden müssen.
Publications
- Mechanical Behaviour of Diamond Reinforced Metals, Materials Science and Engineering A
Weidenmann, K.; Tavangar, R.; Weber, L.
- Rigidity of Diamond Reinforced Metals featuring high Particle Contents, Comp. Science Tech.
Weidenmann, K.; Tavangar, R.; Weber, L.
