Anorganische Materialien

Hartstoffe

Hartstoffe weisen eine große Härte und Verschleißfestigkeit auf. Diese Werkstoffe sind von großer technischer Bedeutung. Aufgrund der vielfältigen Eigenschaften und unterschiedlicher Anwendungsgebiete ist es schwierig, eine umfassende Definition für Hartstoffe zu finden. Folgende charakteristische Eigenschaften gelten für die meisten Hartstoffe:

Mechanische Eigenschaften, wie z. B. Zugfestigkeit, Dehnung oder Biegebruchfestigkeit hängen stark von der Art des Hartstoffes ab. Dies gilt ebenfalls für die elektrische Leitfähigkeit.

Die Eigenschaften der Hartstoffe hängen eng mit der elektronischen Struktur dieser Verbindungen zusammen. Je nachdem ob metallische oder kovalente Bindungen vorliegen, ergeben sich deutliche Unterschiede zwischen metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen.



Einteilung der Hartstoffe

Metallische Hartstoffe sind hochschmelzend mit metallischem Charakter und guter elektrischer Leitfähigkeit. Hierzu gehören Carbide, Nitride, Carbonitride, Boride und Silicide der Übergangsmetalle. Die Schmelzpunkte der metallischen Hartstoffe liegen teilweise deutlich über den Schmelzpunkten der Metalle aus denen sie hergestellt werden.

Bei den Carbiden, Nitriden und Boriden der Übergangsmetalle befinden sich die relativ kleinen Atome des Kohlenstoffs, Stickstoffs bzw. Bors auf Zwischengitterplätzen des Übergangsmetalls. Man spricht daher auch von Einlagerungsverbindungen. Die Metallgitter sind durch das "Auffüllen" mit den Nichtmetallatomen sehr dicht gepackt, zeigen aber immer noch tpyisch metallische Eigenschaften, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit. Zusätzlich treten noch stark gerichtete bindende Wechselwirkungen zwischen Metall- und Nichtmetallatomen auf. Diese bewirken die große Härte und die hohen Schmelzpunkte der metallischen Hartstoffe.


Nichtmetallische Hartstoffe sind elektrische Nichtleiter. Sie besitzen hohe Schmelzpunkte, große Härte, relativ geringe Dichte (Ausnahme hexagonales Bornitrid) und erhöhte Bruchzähigkeit. Nichtmetallische Hartstoffe sind vorwiegend Carbide, Nitride und Oxide von Hautpgruppenelementen und einige Modifikationen der reinen Elemente.

Die sehr hohe Härte der nichtmetallischen Hartstoffe ist auf starke kovalente Bindungen zwischen den Atomen zurückzuführen.


Cermets sind gesinterte Mischungen von Metallen mit mindestens einer keramischen Phase. Die Bezeichnung ist aus den beiden Worten Ceramic-Metals abgeleitet. Diese Mischwerkstoffe nehmen eine Zwischenstellung zwischen metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen ein.

Wärmeleitfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit sind bei Cermets besser als bei Keramik. Die Oxydationsbeständigkeit ist günstiger als bei Metallen. Die Festigkeit nimmt häufig bis zu einem Maximum bei 50-60% Metallgehalt zu. Die Bruchzähigkeit nimmt ebenfalls mit dem Metallgehalt zu.



Härte


Definition der Härte

Die Härte ist als Widerstand definiert, den ein Körper dem Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt. Die Härte ist eine technologisch wichtige Materialeigenschaft. Es handelt sich um eine messbare Größe, diese konnte jedoch bis heute nicht aus den Basiseinheiten abgeleitet werden und wird daher häufig nicht als physikalische Größe aufgefaßt. Härteprüfverfahren ermitteln deshalb eine dimensionslose Härteprüfzahl, die vom Prüfverfahren abhängig und entsprechend gekennzeichnet ist. Aufgrund des unterschiedlichen Einflusses der Geometrie des eindringenden Körpers und der entsprechenden Normung sind Härteskalen bis heute nationale Skalen. Es sind jedoch Bestrebungen im Gange, diese international zu vereinheitlichen.

Es gibt eine Vielzahl von Härteprüfverfahren. Man unterscheidet statische und dynamische Methoden. Statische Verfahren sind z. B.: Härte Rockwell, Härte Rockwell Superficial und Vickers-Härte.


Beispiele für Hartstoffe und Angabe der Vickers-Härte

Verbindung Formel Vickers-Härte [GPa]
Diamant C 75 - 100
kubisches Bornitrid BN 45
Borcarbid B4C 30 - 48
Titandiborid TiB2 30
Titancarbid TiC 28
Siliciumcarbid SiC 26 - 30
Titannitrid TiN 21
Korund Al2O3 16 - 30
Siliciumnitrid Si3N4 17
Quarz (zum Vergleich, kein Hartstoff!) SiO2 12



Herstellung

Auf Grund der besonderen Eigenschaften von Hartstoffen müssen diese häufig unter extremen Bedingungen synthetisiert werden. Hier einige Beispiele:

Verbindung Herstellungsbedingungen
Druck Temperatur Besonderheiten
Diamant 6 GPa > 1700 °C
kubisches Bornitrid 5-6 GPa > 1400 °C
kubisches Bornitrid 1.8 GPa > 700 °C in flüssigem Hydrazin
Siliciumnitrid (Spinell-Typ) 15 GPa > 1650 °C
Siliciumcarbid 2100 °C
Korund > 1000 °C



Anwendungsgebiete

Es gibt sehr viele verschiedene Anwendungsgebiete für Hartstoffe, beispielsweise:

Werkzeuge

Hochtemperatur-Anwendungen

Konstruktionskeramik



Neuere Entwicklungen


Übergitter und Schichtsysteme

Systeme die aus vielen Schichten zusammengesetzt sind zeigen im Vergleich zu Legierungen mit gleicher Zusammensetzung bessere mechanische Eigenschaften. Härte und Elastizität können bei solchen Vielschichtsystemen deutlich höher sein. Polykristalline Metall/Metallnitrid-Vielschichtsysteme (Metall = Titan, Hafnium, Wolfram) sind ungefähr doppelt so hart wie die der reinen Metallnitride. (K. Shih, D. Dove, Appl. Phys. Lett. 1992, 61, 654)
Ein klassisches Beispiel für solche Werkstoffe sind Mehrschichtstähle: Damaszener Stahl oder japanische Hocho-Klingen bestehen aus wechselnden Lagen von Eisen und Karbonstahl. Mehrschichtstähle sind jedoch keine Hartstoffe! Diese sind hier nur als bekanntes Beispiel zum Vergleich erwähnt.


Nanokristalline Materialien.

Komposite aus Nanokristallen in einer amorphen Matrix sollten extreme Härte und hohe Elastizität aufweisen. Allerdings darf es dabei zu keiner Reaktion oder Mischung der nanonkristallinen Komponente mit der Matrix kommen. (P. Calvert, Nature, 1992, 357, 365)

Durch Hochdrucksynthese bei 2300 bis 2500°C und 12-25 GPa wurde aus polykristallinem Graphit polykristalliner Diamant erzeugt. Letzterer besteht aus Teilchen von 10 bis 100 nm Größe und ist noch härter als Diamant. (Irifune et al., Nature, 2003, 421, 599)


Kompositmaterialien

Ternäre und quarternäre Kompositmaterialien, die aus drei bzw. vier Elementen zusammengesetzt sind, werden gegenwärtig intensiv untersucht. Typische Systeme enthalten z. B. B/C/N/Si oder Si/Al/O/N ("SIALON"-Werkstoffe). (M. Schwarz, A. Zerr, E. Kroke, G. Miehe, I.-W. Chen, M. Heck, B. Thybusch, B. T. Poe, R. Riedel, Angew. Chem., 2002, 114, 804)



Links

Literatur / Quellen


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Institut für Anorganische Chemie der Technischen Universität Bergakademie Freiberg
Letzte Aktualisierung: 8. November 2009
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