M3 Partikelförmige Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC, Hartmetalle)

Thema

Dieser partikelförmige Metallmatrix-Verbundwerkstoff, dessen Prototyp kobaltgebundenes Wolframcarbid ist, besteht aus einer partikelförmigen Keramikverstärkung, die in eine duktile Metallmatrix eingebettet ist. Beide werden durch Flüssigphasensintern verdichtet. Da dieser Verbundwerkstoff durch Flüssigphasensintern verdichtet wird, verwendet dieses Modell zur Beschreibung dieses Prozesses denselben Flüssigphasenverdichtungsmechanismus, der bereits von einem anderen Modell dieser Gruppe für denselben Zweck eingesetzt wird: In diesem Verbundwerkstoff schmilzt das Metallbindemittel selbst bei der Sintertemperatur und fungiert als flüssige Phase. Es benetzt die Keramikverstärkungspartikel und ermöglicht so die Verdichtung des Verbundwerkstoffs, analog zur Verdichtung einer Keramik mit einem geschmolzenen Flussmittel zwischen ihren Partikeln.

Nach der Verdichtung dieses Verbundwerkstoffs bestimmt die mittlere freie Weglänge des Bindemittels – der durchschnittliche Abstand zwischen benachbarten Keramikpartikeln durch das metallische Bindemittel – gemäß der Lee-Gurland-Beziehung die Härte des Verbundwerkstoffs. Eine kürzere mittlere freie Weglänge des Bindemittels, bedingt durch enger beieinander liegende Keramikpartikel und weniger metallisches Bindemittel zwischen ihnen, führt zu einer höheren Härte des Verbundwerkstoffs, da die harte Keramikverstärkung das Verhalten des Verbundwerkstoffs stärker beeinflusst. Umgekehrt führt eine längere mittlere freie Weglänge des Bindemittels zu einer geringeren Härte, da das weichere, duktile metallische Bindemittel in diesem Verhalten dominanter ist.

Dieselbe mittlere freie Weglänge des Bindemittels bestimmt auch die Zähigkeit des Verbundwerkstoffs, jedoch gemäß einer empirischen Beziehung, die umgekehrt zu derjenigen verläuft, die seine Härte bestimmt: Eine kürzere mittlere freie Weglänge des Bindemittels führt zu einer geringeren Zähigkeit des Verbundwerkstoffs, da weniger duktiles metallisches Bindemittel zur Energieabsorption beim Bruch zur Verfügung steht. Eine größere mittlere freie Weglänge des Bindemittels führt zu einer höheren Zähigkeit, da mehr duktiles metallisches Bindemittel für die gleiche Energieabsorption zur Verfügung steht. Die Tatsache, dass derselbe Parameter Härte und Zähigkeit in entgegengesetzte Richtungen bestimmt, bedeutet, dass die Anpassung einer der beiden Größen durch das Verhältnis von Keramikverstärkung zu metallischem Bindemittel immer auf Kosten der anderen geht.

Dieses Modell, das auf dem Flüssigphasensinterverfahren basiert, nutzt daher den bereits in zwei anderen Modellen beschriebenen Verdichtungsmechanismus vollständig wieder – eines für denselben Verbundwerkstoff und ein weiteres für den entsprechenden Metallverbundwerkstoff. Laut Lee-Gurland bestimmt die mittlere freie Weglänge des Bindemittels sowohl die Härte als auch die Zähigkeit des Verbundwerkstoffs. Das bedeutet, dass die Anpassung einer dieser beiden Eigenschaften in diesem Verbundwerkstoff stets auf Kosten der anderen geht.

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