Nieuw proces hecht diamant beter met hardmetaal gereedschap

De hechting van diamantcoatings op hardmetaal gereedschappen is een uitdagend proces. De juiste voorbehandeling is daarbij vitaal. Het Fraunhofer IWM heeft een nieuwe voorbehandelingsroutine ontwikkeld die de hechting tussen beide materialen versterkt door meerdere handelingen in één enkel proces te combineren. Op die manier kan rekening gehouden worden met alle factoren die de hechting van de coating beïnvloeden.

Vandaag de dag is hardmetaal het meest gebruikte materiaal voor industriële snijgereedschappen. Dit komt door de combinatie van wolfraamcarbide en kobalt. Terwijl het wolfraamcarbide het metaal hard maakt, houdt het kobalt de wolfraamcarbidekorrels bijeen in de structuur en zorgt voor de sterkte van het gereedschap. Het coaten van hardmetaal met diamant voor het verkrijgen van een nog hogere hardheid, is bedoeld om de slijtvastheid van het gereedschap verder te verhogen. Volgens dr. Manuel Mee, wetenschapper bij Tribological Coatings aan het Fraunhofer IWM, ligt de uitdaging bij het feit dat het kobalt in het hardmetaal een negatief effect heeft op de stabilisatie van de diamantstructuur tijdens het coatingproces. “In plaats van stabilisatie wordt er een ongewenste grafietachtige structuur van koolstof gevormd. Om te voorkomen dat kobalt reageert met diamant, wordt nu vaak het kobalt aan de oppervlakte van het hardmetalen gereedschap verwijderd door een nat-chemisch proces. Dit soort voorbehandeling veroorzaakt echter dat de perifere zone van het hardmetaal poreus wordt en de sterkte beïnvloedt. De onregelmatige spanningen die bij het verspanen optreden, in het bijzonder bij het werken met materialen zoals koolstofvezelversterkte kunststoffen, kunnen leiden tot het afbreken van de nu kwetsbare perifere zone. Als gevolg hiervan brokkelt de diamantlaag af.

Microgolfplasma elimineert werkstappen

“Met de nieuwe methode kunnen we nu de stabiliteit van het perifere gebied handhaven en zelfs iets verhogen”, voegt Mee toe. Aangezien hij elke stap van het proces implementeert met een microgolfplasma, hoeft de procesketen niet onderbroken te worden. Dit elimineert extra werkstappen en dus waardevolle tijd. Een andere belangrijke factor: versleten gereedschappen die door de nieuwe methode zijn geproduceerd, kunnen worden gerecycled door het verwijderen van de oude coating en het opnieuw toepassen van het proces. Dit vermindert het benodigde materiaal, wat bijzonder gunstig is voor het gebruikte wolfraam.

Meerdere processen gecombineerd

Naast de natte-chemische procedure die momenteel bijna uitsluitend gebruikt wordt om de hechting van diamant aan hardmetaal te waarborgen, zijn er ook andere methoden van oppervlaktebehandeling mogelijk. Dr. Mee heeft deze gebundeld in een geïntegreerd proces voor de functionalisatie van het gereedschapsmateriaal. “Door verschillende procesbenaderingen te combineren, heb ik de voordelen van elk van de factoren die de hechting beïnvloeden kunnen benutten. Ook ben ik in staat om individuele nadelen te compenseren”, legt Mee uit. Eerst wordt de koolstof verwijderd van het oppervlak van het hardmetaal bij een hoge temperatuur, wat resulteert in de vorming van wat ook wel de eta-fase wordt genoemd. Verrijking met koolstof leidt er dan toe dat een groot deel van het ongewenste kobalt in de perifere zone verdampt wordt. Tegelijkertijd worden de oppervlaktestructuur, hardheid en breukhardheid positief beïnvloed. Het proces kan zodanig worden geregeld dat de eerder aangebrachte eta-fase in de korrelgrenzen onder het oppervlak blijft. Deze kan vervolgens in de volgende behandelingsstap worden gebruikt om een conversie naar kobaltwolfraam te veroorzaken. Dit zorgt er voor dat het kobalt stabiliseert en zijn latere diffusie afremt. Deze processtap voorkomt echter niet het ontstaan van een zeer dunne kobaltfilm op het oppervlak. Mee heeft daarom een extra stap toegevoegd aan de procedure waarbij een op silicium gebaseerde tussenlaag is toegevoegd die het kobalt weghoudt van de diamantlaag.

DiaWerk

Voor de procedure, die wordt gefinancierd door het ‘DiaWerk’ project van de Stichting Baden-Württemberg Stiftung, is inmiddels een patentaanvraag ingediend. De complete procedure is in detail beschreven door Mee in zijn proefschrift over microgolf-plasma-geassisteerde procesontwikkeling voor de productie van hardmetalen met een diamant coating. Voor dit proefschrift heeft Dr. Manuel Mee de Mechanics of Materials Award 2017 gekregen.