Der Trick mit dem Kohlenstoff

Hartmetall ist heute der gebräuchlichste Werkstoff für industrielle Schneidwerkzeuge. Dies ist der Kombination aus Wolframkarbid und Cobalt zu verdanken: Während der Werkstoff seine Härte dem Wolframkarbid verdankt, so ist eine für viele Anwendungen hinreichende Zähigkeit erst durch das Cobalt, das die Wolframkarbid-Körner im Werkstoffgefüge zu­sam­menhält, gewährleistet. Eine Diamantbeschichtung soll aufgrund ihrer besonderen Härte den Verschleißwiderstand des Werkzeugs noch einmal deutlich steigern. „Doch genau hier liegt die Herausforderung, denn das Cobalt im Hartmetall sorgt während des Beschichtungsprozesses dafür, dass die Diamantstruktur nicht stabilisiert werden kann. Stattdessen wird graphitartiger Kohlenstoff gebildet“, erklärt Dr. Manuel Mee, Wis­sen­schaftler der Gruppe „Tribologische Schichtsysteme“ des Fraunhofer IWM. Um zu verhindern, dass Cobalt mit dem entstehenden oder bereits synthetisierten Diamant inter­agiert, wird die Cobaltphase an der Oberfläche des Hartmetallwerkzeugs gegenwärtig mit einem nasschemischen Verfahren ent­fernt. Eine derartige Vor­behandlung bewirkt allerdings, dass die Rand­zone des Hart­metalls porös wird und ihre Zähigkeit einbüßt. Insbesondere die un­gleich­mäßige Be­las­tung beim Schneiden inhomogener Werk­stoffe – zum Beispiel kohle­faser­ver­stärkte Kunst­stoffe – fördert die Zer­rüt­tung der nun anfäl­lige­ren Rand­zone. Die Folge ist: Die Diamant­schicht platzt ab.

„Mit dem neuen Verfahren können wir jetzt die Stabilität der Randzone aufrecht­erhalten und sogar leicht steigern“, erläutert Mee. Weil er sämtliche Verfahrens­schritte mit einem Mikrowellen­plasma umsetzt, muss die Prozess­kette nicht unterbrochen werden. Dies spart zusätzliche Arbeitsschritte und damit wertvolle Zeit. Ein weiterer wichtiger Aspekt: Das in dieser Weise her­ge­stellte Werk­zeug lässt sich nach seinem Verschleiß rezyklieren, indem die Be­schich­tung entfernt und die Ver­fahrens­routine erneut angewandt wird. Der Material­bedarf sinkt, was vor allem mit Blick auf das im Ver­fahren genutzte Wolfram vorteil­haft ist, da dieser Roh­stoff haupt­sächlich in China gewonnen wird und auf dem Welt­markt nicht verläss­lich zu beschaffen ist.

Um die Haftung von Diamant auf Hartmetall zu gewähr­leisten, sind alternativ zum bislang nahezu aus­schließlich angewandten nass­chemischen Ver­fahren weitere Ansätze zur Oberflächen­behandlung möglich, die Dr. Mee in einem einzigen durch­gängigen Prozess zur Werkstoff­funk­tiona­lisierung gebündelt hat: „Durch die Kom­bi­na­tion unter­schied­licher Verfahrens­ansätze habe ich mir die jeweiligen Vorteile der Ansätze auf die Ein­fluss­faktoren der Haftung zunutze machen und gleichzeitig deren Nach­teile kompen­sieren können“, erklärt der Physiker. Zunächst wird der Ober­fläche des Hart­metalls bei hohen Tempe­ra­turen Kohlen­stoff entzogen, wodurch es zur Bildung der soge­nan­nten eta-Phase kommt. Eine erneute Anreicherung mit Kohlens­toff führt dazu, dass das unerwünschte Cobalt in der Rand­zone des Werk­stoffs größten­teils verdampft. Gleichzeitig lässt sich die Ober­fläche hinsichtlich Struktur, Härte und Riss­zähigkeit positiv be­ein­flussen. Der Prozess kann dabei so gesteuert werden, dass die zuvor erzeugte eta-Phase weiterhin in den Korn­grenzen unterhalb der Ober­fläche verbleibt, um im an­schlie­ßenden Behandlungs­schritt eine Um­wand­lung zu Cobalt­wolfra­mat zu bewirken. Dieses hat sich als geeignet erwiesen, um das Cobalt an Ort und Stelle zu stabi­lisieren und seine nach­trägliche Dif­fusion zu hemmen. Dennoch lässt sich eine Benetzung der Oberf­läche mit einem hauch­dünnen Cobaltfilm nicht verhindern. Mee ergänzte darum das Ver­fahren um einen weiteren Prozess­schritt, bei dem eine silizium­basierte Zwischen­schicht aufgebracht wird, die das Cobalt end­gültig von der Diamant­schicht fern­hält.

Das Verfahren, das im Rahmen des Projekts „DiaWerk“ von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH gefördert wird, ist inzwischen zum Patent angemeldet und von Mee in seiner Dissertation „Mikrowellen­plasma­gestützte Prozess­entwicklung zur Herstellung von Funktions­gradienten­hartmetallen für die CVD-­Diamant­beschichtung“ ausführlich dargelegt. Für diese Dissertation erhielt Dr. Manuel Mee den mit 3000 Euro dotierten Werkstoff­mechanik­preis 2017 des Automobil­zulieferers KSPG AG. Die Aus­zeichnung verleiht das Preis­komitee des Kuratoriums des Fraunhofer IWM jährlich als Nach­wuchs­preis für her­vor­ragende wissen­schaft­liche Leis­tungen auf dem Gebiet der Werkstoff­mechanik.

IWM / LK