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Ausgewählte Ausgabe: 03-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Diamant auf Stahl gegen den Oberflächenverschleiß durch Aluminiumanhaftungen

Die Abscheidung polykristalliner Diamantschichten auf Stahlwerkzeugen ist seit vielen Jahren Forschungsgegenstand auf der ganzen Welt, aber noch nirgendwo in funktionierende Diamant-Stahlbauteile umgesetzt worden. Durch Fördermittelder Bayerischen Forschungsstiftung ist es am Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle (WTM), Universität Erlangen-Nürnberg, gelungen, eine erfolgreiche Beschichtungsroute für die haftfeste Diamantbeschichtung von Stahlwerkstoffen zu entwickeln. Der Übertrag dieser Ergebnisse in die Produktion bayerischer Unternehmen erfolgt nun im Rahmen eines Neue Werkstoffe Bayern Projekts „DiAlum – CVD Diamant gegen Aluminium verschleiß“ unter Förderung des Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft. In diesem Projekt werden weltweit erstmalig diamantbeschichtete Stahlwerkzeuge in der Produktion von den beteiligten Firmen getestet.


Die direkte Abscheidung polykristalliner CVD-Diamantschichten  (Chemical  Vapour Deposition) auf Stahl ist aufgrund des metastabilen Charakters des Eisenkarbids unter  den  für  die  Abscheidung  vorherrschenden Prozessparametern nicht durchführbar. In der direkten CVD-Diamantbeschichtung bei 800–900 °C in einer Wasserstoff (99 %) – Kohlenstoff (1 %) – Gasatmosphäre bildet sich an der Stahloberfläche metastabiles Eisenkarbid (Fe3C). Dieses zerfällt  bei  weiterer  Kohlenstoffabscheidung  aus  der  Gasphase  in  Analogie  zum „Metall  Dusting“  [Jentsch,  2000]  direkt wieder in Eisen und Graphit, was eine haftfeste Diamantbeschichtung auf Eisenwerkstoffen verhindert.

Neue Hochtemperaturzwischenschicht

Bild 1 Fast Ion Beam (FIB) – Schnitt des Stahls (X46Cr13) – Zwischenschicht (TiNB) – Diamant-Verbundes mit einer circa 6 µm dicken Diamantschicht. Die Ausschnittvergrößerung des Interfaces TiNB-Diamant im rechten Teil zeigt die gute Verzahnung der TiNB-Platten mit der CVD-Diamantschicht.

Bild 1
Fast Ion Beam (FIB) – Schnitt des Stahls (X46Cr13) – Zwischenschicht (TiNB) – Diamant-Verbundes mit einer circa 6 µm dicken Diamantschicht. Die Ausschnittvergrößerung des Interfaces TiNB-Diamant im rechten Teil zeigt die gute Verzahnung der TiNB-Platten mit der CVD-Diamantschicht.

Um  diese  Problematik  zu  umgehen, wurde an der Universität Erlangen-Nürnberg eine neuartige, im CVD-Prozess hergestellte  Hochtemperaturzwischenschicht  auf  TiNB-Basis  (bordotiertes  Titannitrid bei 1000 °C Beschichtungstemperatur)  entwickelt.  Die  speziell  mikrostrukturierte TiNB-Zwischenschicht dient als  Diffusionssperre  und  Haftvermittlerschicht zwischen dem Stahlsubstrat und der Diamantschicht. Dies ermöglicht eine  haftfeste  Abscheidung  von  Diamant (Bild 1) auf unterschiedlichen ferritisch-austenitisch umwandelnden Stählen bei Substrattemperaturen zwischen 800 und 900 °C (je nach Legierungszusammensetzung  des  Stahls).  Abhängig  vom  beschichteten  Stahltyp  kann  eine  in-situ-Härtung des Stahls während des Abkühlprozesses  erzielt  werden,  wenn  die  Diamantbeschichtung  die  jeweilige  Härtetemperatur  des  Stahls  (Austenitisierung) erreicht. 

Stahlinsert

Bild 2
Diamantbeschichtetes Stahlinsert (X46Cr13) eines Aluminiumdruckgusswerkzeuges (oben). Der untere Bereich zeigt die Auswirkung der Diamantbeschichtung auf die Oberflächenrauheit des Aluminiumdruckgussbauteils. Durch die Aluminiumerosion der Stahloberfläche wird im unbeschichteten Fall die Gussteiloberfläche rauer (links unten). Mit kristallinem Diamant bleibt die Aluminiumoberfläche auch bei hohen Schusszahlen glatt (rechts unten).

Da  für  viele  Warmarbeitsstähle die Härtetemperaturen deutlich über den Diamantbeschichtungstemperaturen  liegen, bedarf es noch weiter intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, um die  für  den  Einsatz  notwendigen  Stahlhärten respektive -festigkeiten zu erzielen. Die Diamantforscher haben in dem laufenden  Forschungs-  und  Entwicklungsvorhaben die Aufgabe, sowohl die Reproduzierbarkeit  der  Beschichtungsqualität als  auch  die  Hochskalierung  der  Beschichtungsprozesse den industriellen Erfordernissen anzupassen.

Tests

Der  Industriepartner  Schulte  & Schmidt GmbH & Co Leichtmetallgießerei KG (Nürnberg) testet diese inzwischen patentierten Diamantwerkzeuge im Aluminiumdruckguss  (Bild  2)  und  der  Industriepartner  Telsonic  GmbH  (Erlangen)  im  Ultraschallschweißen  von  Alumiumkabelkontaktierungen  (zum  Beispiel  Hochstromstecker  für  Automobilanwendungen).

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Autoren

PD Dr.-Ing. habil. Stefan Rosiwal

Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
Martensstraße 5
91058 Erlangen
stefan.rosiwal@fau.de
www.wtm.fau.de

Dipl.-Ing.  Thomas Helmreich

Lehrstuhl WTM, Erlangen
www.wtm.fau.de

Dipl.-Ing. Thomas Mengele

Schulte&Schmidt, Nürnberg

Dr.-Ing.  Heiko Balmes

Schulte&Schmidt, Nürnberg

Dipl.-Ing. Christian Hausmann

Schulte&Schmidt, Nürnberg

Dipl.-Ing.  Claus Regenberg

Telsonic GmbH, Erlangen

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