Herstellung neuer Hartmetalle mit Gradientenmikrostruktur durch Mikrowellensintern (2001)

Im Rahmen des TFB-Projektes konnte der Nachweis erbracht werden, dass sich für heutzutage als richtungsweisend bekannte Verfahrensprinzipien der Beschichtung von Hartmetallen und von Cermets durch Einsatz von Mikrowellen beim Sintern neue und im Hinblick auf integrierte Herstellungsverfahren äußerst interessante Potenziale ergeben. Beim Sintern in Reaktivatmosphäre werden durch Mikrowelleneinsatz die Transportprozesse, die zur Ausbildung von Zusammensetzungsgradienten führen, ausnahmslos verstärkt, so dass bereits bei sehr kurzen Prozesszeiten alle heute bekannten Schichtabfolgen auch bei Versätzen erhalten werden, die bisher keine geschlossenen Ti(C,N)-Hartstoffschichten an der Oberfläche ausbildeten. Gegenüber konventioneller Vakuumsintertechnologie ergibt sich hieraus eine sehr große Variabilität der Prozessführung, die auch bei weniger hochdotierten Versätzen zu einer sehr guten, gegenüber konventionell hergestellten Gradientenhartmetallen erhöhten Verschleißbeständigkeit führt. Allerdings müssen noch weitere Untersuchungen zum physikalisch-metallurgischen Hintergrund der beobachteten Unterschiede zwischen Vakuum- und Mikrowellensinterung durchgeführt werden, denn in einigen Fällen ist das Schichtwachstum derart beschleunigt, dass technologisch nicht sinnvolle Schichtdicken entstehen. Bei der CVD-Beschichtung im Anschluss an eine Mikrowellensinterung sind zunächst keine signifikanten Beschleunigungen der Transportprozesse bzw. Aktivierungen des CVD-Prozesses sichtbar geworden. Technologisch bedeutsam ist allerdings die Beobachtung, dass durch die Verwirklichung des „Warm-Wall-Reaktor“-Prinzips als unmittelbare Folge der Beheizung mittels Mikrowellen nur die Proben in der Charge, nicht jedoch die Reaktorwände beschichtet werden. Zudem ist eine Beschichtung bei Normaldruck möglich, ohne dass die Beschichtungstemperatur erhöht werden muss. Die mikrowellengesinterten Hartmetallproben zeigen keine Co-Anreicherung in der Außenhaut, so dass eine Beschichtung unmittelbar nach Abschluss des Sinterprozesses in der gleichen Ofenkammer erfolgt. Die erwarteten Vorteile des Mikrowellensinterns für die Herstellung von Gradientenhartmetallen ebenso wie für die Integration mehrerer Prozesschritte in einem Mikrowellen-Sinterbeschichtungsverfahren sind somit im Rahmen des TFB-Projektes nachgewiesen worden. Erste Funktionstests lassen ein hohes Potenzial dieser Technologie für die Herstellung von Gradientenhartmetallen mit wesentlich verbesserten Verschleißeigenschaften erkennen. Sowohl die direkte Randschichtbeeinflussung als auch die Kombination mit CVD und Reaktivsinterung sind unter Einsatz des Mikrowellensinterns einfach und in einem integrierten Prozess zu realisieren, wodurch eine industriell einsetzbare Technologie zur Herstellung von Hartmetall-Bauteilen mit einem ausgedehnten Gradienten der Hartstoffkonzentration und Hartstoffart entwickelt werden könnte. Fabrication of New Cemented Carbides with Graded Microstructure by Microwave Sintering State of the art technologies for producing coated cermets and cemented carbides are in-situ processes based on application of a reactive sintering atmosphere as well as ex-situ processes, e. g., thermal CVD. Within the frame of the project summarised in the present paper, application of microwave radiation as heating source within both processing routes has been shown to be a viable and powerful new technology to accelerate processing rates as well as to integrate different processing steps into one process of sinter-coating. Upon microwave sintering in reactive, e. g. nitrogen containing atmosphere, functionally graded materials are obtained from all Ti-containing materials, with extended compositional gradients and dense Ti(C,N)-coatings even in grades, which do not develop such coatings upon conventional vacuum sintering followed by reactive atmosphere heating. Microwave sintering offers therefore a much higher degree of variation in composition and gradient extension as compared to conventional processing routes. The acceleration of mass transport is impressive, yielding in some materials undesirably thick coatings at processing times of less than 1 h at temperature. Therefore further investigations are necessary in order to gain insight into the metallurgical processes occurring under the action of a microwave field. The thermal CVD-process is not accelerated by the presence of the microwave field in such a significant way as the reactive atmosphere sintering is. However, using microwave heating a new reactor principle is developed, the so called “warm wall” reactor, in which only the samples are coated due to selective microwave heating, not the reactor. The coating process is performed at ambient pressure of an inert gas, immediatly after the sintering step, using precursors well known from conventional CVD. Due to microwave sintering no Co is enriched at the surface of the tool bits. Microwave sintering was expected to significantly increase the variability of processes which yield functionally graded cemented carbides and cermets and at the same time to improve the quality of the products or enable the synthesis of new materials. Based on preliminary results of cutting performance as well as process reproducibility and due the development of graded structures in materials which do not develop such microstructures under conventional processing conditions, these expectations were more than fulfilled.