Superharte Diamantlegierung kann hervorragende Schneidwerkzeuge ergeben

Bond-Filmtitel können täuschen – Diamanten sind nicht für die Ewigkeit, wenn es um anspruchsvolle Aufgaben wie das Schneiden von Stahl geht. Jetzt haben Forscher Diamant mit kubischem Bornitrid, einem harten, von Menschenhand hergestellten Material, kombiniert, um eine Legierung herzustellen, die kommerzielle Schneidwerkzeuge übertrifft. Wenn das Material in praktischem Maßstab hergestellt werden kann, könnte es in der Bau-, Automobil- oder Luft- und Raumfahrtindustrie nützlich sein.

Oben: Proben von Diamant-kubischen Bornitrid-Legierungsmaterialien. Unten: Polierte Spanflächen der Fräser... [+] aus der Legierung. (Quelle: DW He/SCU)

Die Arbeit eines Teams unter der Leitung von Duanwei He vom Institut für Atom- und Molekularphysik der Sichuan-Universität in Chengdu, China, erscheint in der Zeitschrift Applied Physics Letters.

Nehmen wir an, Sie arbeiten an einem Bauprojekt, bei dem Sie Stahl bearbeiten und anschließend Granit schneiden müssen. Werkzeuge zum Schneiden, Schleifen und Polieren haben zwei wesentliche Anforderungen: Sie müssen härter sein als das Material, das sie schneiden, und sie dürfen sich nicht durch die beim Schneidvorgang entstehende Hitze verschlechtern. Diamant ist so hart wie er nur sein kann, aber er ist nicht chemisch unempfindlich. Seine Oberfläche kann bei den Temperaturen oxidieren, die für die Bearbeitung eisenhaltiger Legierungen wie Stahl erforderlich sind. Kubisches Bornitrid verfügt über eine hervorragende Stabilität und ist daher unter anderem das ideale Schleifmittel für viele Stahlsorten. Dennoch ist es nicht so hart wie Diamant und kann daher nicht immer die beste Leistung von Diamant erzielen.

Es erscheint logisch, Diamant irgendwie mit kubischem Bornitrid zu mischen, um das Beste aus beiden Welten zu erhalten – ein universelles Schneidmaterial. Das ist eine große Aufgabe. Es stellte sich heraus, dass eine große Herausforderung darin bestand, genügend Material zu beschaffen, um die Stabilität und Schneidleistung zu testen.

Er und Kollegen haben das Größenproblem gelöst. Ihre neuen Legierungen erreichen einen Durchmesser von 3 Millimetern. Das ist etwa ein Achtel Zoll, groß genug, um zu Schneidwerkzeugen verarbeitet zu werden. Um die Legierungen herzustellen, setzten die Forscher 1:1-Mischungen aus pulverisiertem Diamant und kubischem Bornitrid einer Reihe von gleichzeitig hohen Drücken (etwa dem 100.000- bis 200.000-fachen Erdluftdruck auf Meereshöhe) und hohen Temperaturen (von 1300 bis 2600 Grad Kelvin) aus , etwa ein Drittel so heiß wie die Sonnenoberfläche).

Die besten He-Legierungen übertrafen bei Hochgeschwindigkeits-Schneidetests an gehärtetem Stahl und Granit kommerzielle Werkzeuge, die entweder polykristallinen Diamant oder polykristallines kubisches Bornitrid enthielten. Die Legierungen führten im Vergleich zu den beiden anderen Materialien auch zu einer längeren Werkzeugstandzeit. Wichtig ist, dass die Legierungen die erwartete Eigenschaftsmischung aufweisen – fast so hart wie Diamant und fast so träge wie kubisches Bornitrid.

Zwei Fragen werden im Mittelpunkt der künftigen Arbeit stehen. Erstens: Welche chemischen Erkenntnisse können aus dieser Legierung gewonnen werden, um noch bessere Materialien zu entwickeln? Die Messungen des Teams deuten darauf hin, dass sich möglicherweise Bindungen zwischen Bor und Kohlenstoff sowie zwischen Kohlenstoff und Stickstoff gebildet haben, höchstwahrscheinlich an den Grenzflächen zwischen den Körnern der beiden Materialien. Die Menge und Art der Anleihen ist unklar.

Zweitens: Lässt sich diese Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese konsistent und kostengünstig skalieren? Es braucht Energie, um diese Legierung zu erhitzen und zu pressen. Das Team arbeitet an der Synthese zentimetergroßer statt millimetergroßer Legierungen. Die Zeit wird zeigen, ob diese bei der Bank genauso konkurrenzfähig sind wie in der Maschinenwerkstatt.