Aufbau, Eigenschaften und Verhalten von CVD-Diamantbeschichtungen auf WC-Co-Hartmetall
Year: 2026
Type: book
Abstract: Künstliche CVD-Diamantbeschichtungen eignen sich aufgrund ihrer größten Härte aller bekannten Materialien, der höchsten Wärmeleitfähigkeit überhaupt und der guten chemischen Beständigkeit hervorragend als Verschleißschutzschichten für Hartmetallwerkzeuge in der Zerspanung nicht Fe-haltiger metallischer Werkstoffe und sind als solche auch schon seit den 1980er Jahren kommerziell verfügbar und aktuell breit auf dem Markt etabliert. Der Wachstumsmechanismus von CVD-Diamant lässt es dabei zu, die Korngröße, die Morphologie und den Anteil an sp2- und sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen in der Beschichtung zu variieren. Dies ermöglicht die anwendungsspezifische Schichtoptimierung. Ein höherer Diamantanteil steigert dabei die Härte und verbessert den Verschleißschutz. Ein höherer Anteil an sp²-hybridisierten Kohlenstoffatomen senkt die Steifigkeit, was aufgrund des geringeren Unterschieds zur Steifigkeit der meisten Hartmetallsubstrate die Spannungen in der Diamantschicht bei Belastung verringert und bei vorteilhafter Ausrichtung der Korngrenzen auch deren Bruchzähigkeit steigern kann. Zur Qualitätssicherung bei Anwendung der CVD-Diamantschichten ist es daher unabdingbar, deren Diamantanteil quantitativ zu bestimmen. Um dies auch in einer breiten Masse umsetzen zu können, ist es notwendig eine einfach zugängliche und weit verbreitete Analysemethode wie die Raman Spektroskopie dafür zu verwenden, bei der keine Probenpräparation notwendig ist und die bei Normalbedingungen mit angemessenem Zeitaufwand stattfinden kann. Um aus den Raman Spektren Informationen über den Diamantanteil zu gewinnen, wurden vier CVD-Diamantschichten mit unterschiedlicher Morphologie, von nano- zu mikrokristallin, auf Silizium abgeschieden und deren chemische und morphologische Zusammensetzung bestimmt. Dafür wurden Informationen aus ERDA-, REM- und Raman Analysen verwendet, um über ein vereinfachtes CVD-Diamantmodell die Zusammensetzung in Bezug auf den Anteil des Korngrenzenmaterials zum Diamantkornvolumen, Anteil an sp²- zu sp³-hybridisierten Kohlenstoff in der Gesamtschicht und im Korngrenzenmaterial, die Dichte der Gesamtschicht sowie des Korngrenzenmaterials als auch die Korngröße und somit Morphologie zu bestimmen. Diese Ergebnisse wurden verifiziert über XRD-. XRR-, FTIR-, XPS- und AES-Messungen. Daneben ist es für die Anwender von CVD-Diamantbeschichtungen als Verschleiß-schutzschichten von großem Interesse, die Versagenskriterien bei Belastung quantitativ bestimmen zu können. Einerseits kann so das volle Potential dieser Beschichtungen ausschöpfet werden und dadurch die wirtschaftlichen Vorteile im Vergleich zu Volldiamantwerkzeugen ausspielen zu können und andererseits um den Einfluss von Eigenschaften des Substrat-/Schichtsystems auf die Schichthaftung untersuchen zu können. Dafür sind in dieser Arbeit unterschiedliche Schichthaftungsmessmethoden entwickelt und an diamantbeschichteten Hartmetallproben durchgeführt worden. Dabei wurden drei unterschiedliche WC-Co-Hartmetallsubstrate verwendet DK120, CTS20D und EMT100, bei denen sowohl der Co-Binderanteil als auch die Korngröße variierte und diese mit mikro- und nanokristallinen CVD-Diamantschichten sowie einer sogenannten Gradientenschicht mit einer Morphologieänderung über die Schichtdicke hinweg beschichtet wurden. Über Druck- und Abscherversuche lassen sich Aussagen über die kritische Schubspannung in der Grenzfläche nahezu uniaxial treffen, wobei mit erstgenannter Methode die Spannungen quantitativ bestimmbar sind. Zur Auswertung der beim Versagen vorliegenden Spannungen wurde sowohl eine FEM-Simulation verwendet, als auch eine analytische Berechnung durchgeführt. Der Druckversuch hat dabei den Vorteil, dass keine Probenpräparation notwendig ist und für die Versuche keine aufwändige und spezielle Messtechnik benötigt wird, sondern nur eine Universalprüfmaschine notwendig ist, was eine Anwendung auch außerhalb von Forschungseinrichtungen erlaubt. Über Kantenbelastungsversuche kann das anwendungsnahe Versagensverhalten quasistatisch als auch dynamisch untersucht und die zum Versagen führende Hauptnormalspannung in der Diamantbeschichtung bestimmt werden. Bei quasistatischer Belastung sind die ermittelten Hauptnormalspannungen nahe den Literaturwerten für die Bruchspannung von CVD-Diamant der jeweiligen Morphologie. Aus den Ergebnissen der dynamischen Kantenbelastungsversuche kann angenommen werden, dass CVD-Diamantbeschichtungen auf Hartmetall einen Risswachstumsmechanismus auch unterhalb der für ein quasistatisches Versagen notwendigen Spannungen aufweisen. Die Ergebnisse zur Schichthaftung aus den neu entwickelten Methoden wurden zudem über eine bei CVD-Diamantschichten etablierte Messmethode, den Partikelstrahlversuch, validiert. Über REM- und EDX-Messungen wurde die Elementverteilung an der Hartmetalloberfläche in den verschiedenen Prozesszuständen ermittelt und ein Versagen bei den Schichthaftungs-messungen in der Grenzfläche zwischen CVD-Diamantschicht und Hartmetall nachgewiesen. Der Diamantanteil in den Beschichtungen auf den Hartmetallproben ist über die in dieser Arbeit entwickelten Methode aus der Auswertung des Raman Spektrums ermittelt und mit der Hauptnormalspannung bei Bruchlast verglichen worden. Dabei zeigt sich, dass mit zunehmendem Diamantanteil in der CVD-Beschichtung die kritische Hauptnormalspannung tendenziell linear ansteigt. Durch Vergleiche zwischen den Probeneigenschaften und der Schichthaftung konnte kein Einfluss des Hartmetallsubstrates bezüglich der Oberflächenrauheit, der Hartmetallkorngröße und des Anteils des Co-Binders auf die Schichthaftung nachgewiesen werden. Während in dieser Arbeit Proben aus EMT100 eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit für eine größtenteils schlechte Schichthaftung zeigten, so ist es bei Proben der Hartmetallsubstrate CTS20D und DK120 unabhängig von der Morphologie der Diamantschicht möglich, dass die Diamantbeschichtung gute als auch schlechte Schichthaftung aufweisen. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode zur Bestimmung des Diamantanteiles in CVD-Diamantschichten und die neu entwickelten Schichthaftungsmessmethoden dieser Beschichtungen auf Hartmetall stellen einen guten Ansatz dafür da, zukünftig anwendungsnah Qualitätssicherung an CVD-Diamantbeschichtungen zu betreiben und den Einfluss der Probeneigenschaften auf die Schichthaftung CVD-Diamantbeschichtungen auf Hartmetall tiefer zu erforschen.
Source: KITopen
Author: Grau, Jakob
Language: German
Subfield: Materials Chemistry
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7223016596