01/08/2017
Door Ad Spijkers
Tot nu toe was de hechting van de diamantcoating op hardmetalen gereedschappen problematisch. Het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de hechting van CVD-diamant op hardmetaal te verbeteren.
Hardmetaal is het meest gebruikte materiaal voor industriële snijgereedschappen. Hardmetaal heeft zijn hardheid aan wolframcarbide te danken, maar de taaiheid wordt aan kobalt, dat de wolframcarbidekorrels in een matrix vasthoudt. Een diamantcoating moet op basis van zijn bijzondere hardheid de weerstand tegen slijtage nog verder verbeteren.
Maar juist hier ligt de uitdaging, want het kobalt in het hardmetaal zorgt er tijdens het coatingproces voor dat de diamantstructuur niet kan worden gestabiliseerd. In plaats daarvan wordt grafietachtig koolstof gevormd.
Om te verhinderd dat kobalt reageert met het diamant, wordt de kobaltfase aan het oppervlak met een natchemische methode verwijderd. Maar hierdoor wordt de randzone van het hardmetaal poreus en minder taai. Ongelijkmatige belasting tijdens het verspanen van inhomogene materialen (bijvoorbeeld met koolstofvezel versterkte kunststoffen) zorgt voor verstoring van de gevoelige randzone. Het gevolg is dat de diamantcoating loslaat.
Kortere procestijd
Met de nieuwe methode kan de de stabiliteit van de randzone in stand worden gehouden en zelfs enigszins verbeterd. Omdat alle processtappen in een microgolfplasma plaatsvinden, mag de procesketen niet worden onderbroken.
Een ander belangrijk aspect is dat het op deze manier geproduceerde gereedschap na slijtage kan worden gerecycleerd doordat de coating kan worden verwijderd en de productieroutine opnieuw toegepast. De materiaalbehoefte neemt af, wat vooral voor wolfram een voordeel is. Deze grondstof wordt voornamelijk in China gewonnen en is op de wereldmarkt niet altijd beschikbaar.
Meer methoden in één proces
Om de hechting van diamant op hardmetaal te garanderen, zijn ook andere benaderingen voor de oppervlaktebehandeling mogelijk. De onderzoekers hebben die in een uniek continuproces gecombineerd.
Eerst wordt bij hoge temperaturen koolstof aan het oppervlak van het hardmetaal onttrokken, waardoor de zogenaamde eta-fase ontstaat. Een herverrijking met koolstof leidt er toe dat het ongewenste kobalt in de randzone van het materiaal grotendeels verdampt. Tegelijkertijd wordt het oppervlak positief beïnvloed wat betreft structuur, hardheid en scheurvastheid.
Het proces kan zodanig worden gestuurd dat de eerder opgewekte eta-fase binnen de korrelgrenzen onder het oppervlak behouden blijft om in de aansluitende behandelingsstap een omzetting tot cobaltwolframaat te realiseren. Dit blijkt een geschikte manier te zijn om het kobalt ter plekke te stabiliseren en een latere diffussie af te remmen.
Dit verhindert echter de benatting van het oppervlak met een dunne kobaltfilm niet. De onderzoekers voegden daarom nog een processtap toe aan de methode, waarbij een op silicium gebaseerde tussenlaag wordt aangebracht die het kobalt definitief scheidt van de diamantcoating.