Werkstoffe B. Denkena,
Werkstoffe B. Denkena, A. Krödel, L. Köhler Charakterisierung thermischer und mechanischer Eigenschaften von bronzegebundenen CBN-Schleifscheiben Für die effiziente Zerspanung moderner Werkstoffe ist die Verwendung hochharter Schneidstoffe wie Diamant oder kubisches Bornitrid (cBN) unabdingbar. Neben der Bearbeitung von Hartmetallen oder technischen Keramiken eignet sich cBN hervorragend zum Schleifen von verschleißfesten Stählen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es sich im Gegensatz zu den üblicherweise eingesetzten Diamantkörnern inert gegenüber dem im Stahl enthaltenden Eisen verhält. Weiterhin zeichnen sich sowohl die Diamant- als auch die cBN-Körner durch eine hohe Härte und Wärmeleitfähigkeit aus. Dies ist entscheidend, da für viele Schleifprozesse die Temperatur, welche während des Schleifprozesses erzeugt wird, den produktivitätslimitierenden Faktor darstellt. Hohe Prozesstemperaturen beim Schleifen können das Bauteil durch Schleifbrand schädigen oder dessen Eigenschaften verändern. Typische Beispiele für thermische Schädigungen sind Änderungen der Gefügestruktur oder die Erzeugung von Zugeigenspannungen im Werkstück. Durch die Nutzung von cBN-Körnern in einer sintermetallischen Bindung können folglich Schleifwerkzeuge hergestellt werden, die nur einen geringen Wärmeeintrag in das Werkstück verursachen. Aufgrund der hohen mechanischen Stabilität der Metallbindung zeichnen sich diese Werkzeuge durch hohe Kornhaltekräfte und eine hohe Verschleißfestigkeit aus. Die Eigenschaften dieses Verbundes aus Schleifkorn und Bindung werden jedoch stark durch die jeweiligen Eigenschaften der Verbundpartner und den Herstellungsprozess beeinflusst (Bild 1) [1] . Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Dr.-Ing. Alexander Krödel Bereichsleiter „Fertigungsverfahren“ am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Lennart Köhler M. Sc. Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich „Schleiftechnologie“ am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Beispielsweise konnte durch Untersuchungen der Bruchfestigkeit an einem aus sintermetallischer Bronzebindung und Diamantkorn bestehendem Schleifbelag ein Zusammenhang zwischen der mechanischen Belastbarkeit der Diamantschleifscheiben und deren Einsatzverhalten sowie der resultierenden Werkstückqualität festgestellt werden [2] . Es konnte außerdem gezeigt werden, dass durch die Verwendung von cBN-Körnern die Temperaturen im Werkstück im Vergleich zum Einsatz konventioneller Korundschleifscheiben um bis zu 50 % reduziert werden können. Grund hierfür ist die hohe Wärmeleitfähigkeit des cBN im Vergleich zu Korund. Die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs bestimmt die Wärmemenge, die während des Schleifprozesses über das Werkzeug abgeführt wird. Je größer dieser Anteil der Wärme ist, desto geringer ist der Wärmeeintrag ins Werkstück und desto niedriger sind die Werkstücktemperaturen, wodurch das Risiko einer thermischen Schädigung deutlich reduziert wird. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von cBN und Bronze ist auch für den Verbund beider Stoffe eine hohe Wärmeleitung zu erwarten. Eine quantitative Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit dieses Schleifbelags hat bisher jedoch nicht stattgefunden. Ebenfalls ungeklärt ist, welchen Einfluss die Zusammensetzung des Verbundes auf die Wärmeleitfähigkeit und die mechanische Belastbarkeit dieser Schleifscheiben hat. Um Grundlagen für eine evidenzbasierte Auslegung der Zusammensetzung von sintermetallischen cBN-Schleifscheiben zu schaffen, werden am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) derzeit die mechanischen und thermischen Eigenschaften der genannten Schleifbeläge erforscht. 18 dihw 13 · 2 2021
Werkstoffe Bild 1 Einfluss des Herstellungsprozesses und der Eigenschaften der Verbundpartner auf die Eigenschaften des Schleifwerkzeugs. Herstellung von Probekörpern Die Untersuchung der Schleifbelagseigenschaften erfolgt anhand von Probekörpern, welche unter identischen Bedingungen wie die zugehörigen Schleifwerkzeuge hergestellt werden. Die Vergleichbarkeit zwischen Probekörpern und Schleifwerkzeugen wurde am IFW bereits für bronzegebundene Schleifscheiben mit Diamantkörnern nachgewiesen und ist wissenschaftlich mittlerweile etabliert [2] . Durch den Einsatz solcher Probekörper können mit geringem zeitlichen und finanziellen Aufwand repräsentative Proben für die verschiedenen Prüfverfahren gewonnen werden. Die geometrische Abweichung von typischen Schleifwerkzeugen ermöglicht außerdem die Herstellung spezieller Probengeometrien, wie sie für einige Charakterisierungsmethoden notwendig sind. Beispielsweise werden für die Untersuchung der Temperaturleitfähigkeit zylinderförmige Pro- ben mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Höhe von 3 mm benötigt. In den vorliegenden Untersuchungen besteht der Schleifbelag aus einer vorlegierten Bronze mit 20 % Zinn und cBN-Schleifkorn des Typs FBN-300 der Fa. Van Moppes mit einer mittleren Korngröße von 76 µm. Die Kornkonzentration in der Bronze wird zudem in fünf Stufen variiert: C65, C80, C100, C120 und C135. Für die Untersuchung der Bruchfestigkeit wurden für jede Zusammensetzung sieben Probekörper mit
