Werkstoffe Dies
Werkstoffe Dies ermöglicht es, den Einfluss des Schleifkornanteils unabhängig von der Porenkonzentration zu betrachten. Die Ergebnisse sind in Bild 2 in Abhängigkeit von der Kornkonzentration dargestellt. Die Bruchspannung korreliert dabei linear mit der Kornkonzentration. Der Grund für dieses Verhalten lässt sich durch die Betrachtung der Bruchflächen sichtbar machen. Im Belag mit der hohen Kornkonzentra- Bild 2 Bruchspannungen und REM-Aufnahmen verschiedener Kornkonzentrationen. einem Durchmesser von 22 mm und einer Höhe von 5 mm im Sinterverfahren hergestellt. Dies erfolgte bei einem konstanten Druck von 35 MPa und einer Sintertemperatur von 620 °C an einer Drucksinterpresse DSP510 der Fa. Dr. Fritsch. Untersuchung der kritischen Bruchspannung Für die Bewertung der mechanischen Stabilität werden zunächst die exakten geometrischen Abmessungen sowie die Masse und Dichte der gesinterten Probekörper bestimmt. Anschließend werden die Proben im Drei-Punkt-Biegeversuch bis zum Bruch belastet. Dies ermöglicht eine Abschätzung des Zusammenhalts von Schleifkorn und Bindung, welcher einen unmittelbaren Einfluss auf das Verschleißverhalten der Schleifscheibe hat [2] . Die Kraftaufnahme erfolgt dabei mit einem Dynamometer der Fa. Kistler. Anhand der maximalen Kraft F Z , die zum Bruch der Probe aufgebracht werden muss, kann in Anlehnung an die Biegebalkentheorie die kritische Bruchspannung durch folgende Formel berechnet werden [3] : Hier steht l für den Abstand zwischen den Lagern, d für den Durchmesser und h für die Höhe der Probe (Bild 2). Die auf diese Weise berechnete Bruchspannung wird anschließend um die Restporosität θ bereinigt, welche aufgrund nicht idealer Verdichtung während des Sintervorgangs vorhanden ist und sich anhand des Quotienten aus experimenteller und theoretischer Dichte berechnen lässt [3] . tion C135 (Bild 2c) sind die Körner von deutlich weniger Bindungsmaterial umgeben als bei der niedrigen Kornkonzentration C65 (Bild 2b). An einigen Stellen ist gar keine Bindung zwischen den Körnern erkennbar, sodass ein Korn direkt an ein anderes grenzt. An diesen Stellen ist der Zusammenhalt des Verbundes auf ein Minimum reduziert. Je höher der Kornanteil im Schleifbelag, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten solcher lokalen Schwachstellen, was sich negativ auf die makroskopische Bruchspannung des Verbundes auswirkt. Dieses Verhalten ist bereits für Schleifscheiben mit Diamantkorn der gleichen Korngröße beschrieben worden (gestrichelte blaue Linie in Bild 2) [4] . Der Vergleich zeigt, dass die bereinigte Bruchspannung des Systems aus cBN und Bronze im Mittel ca. 50 N höher als der Literaturwert für Diamant und Bronze liegt. Außerdem ist die Abnahme der Bruchspannung mit dem Anstieg der Kornkonzentration für die Mischung aus Bronze und cBN-Korn geringer als für Bronze und Diamant. Die Extrapolation der hier gezeigten Daten ergibt eine Perkolationsgrenze von circa 80 % für 20 dihw 13 · 2 2021
Werkstoffe den Verbund aus cBN und Bronze und liegt somit 14 % höher als die von Diamant und Bronze [4] . Die Perkolationsgrenze bezeichnet die theoretische Kornkonzentration, bei der die Bruchspannung Null beträgt und der Schleifbelag somit ohne Außeneinwirkung zerfällt. Daraus lässt sich schließen, dass dieses cBN- Korn besser in der Bindung gehalten werden kann als das in Literatur verwendete Diamantkorn. Die Unterschiede in der Konzentrationsabhängigkeit lassen sich nicht anhand des Bindungsmechanismus erklären. Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) von den Bruchflächen der untersuchten Proben (Bild 2b, c) zeigen keine Benetzung der cBN-Körner mit Bindungsresten. Daher ist davon auszugehen, dass wie bei vielen metallischen Schleifwerkzeugen üblich, keine chemische Bindung zwischen Korn und Bindung besteht, sondern die Körner rein mechanisch in der Bindung gehalten werden. Der Vergleich mit der Literatur zeigt jedoch zwei wesentliche Unterschiede: Zum einen wurden die Probekörper mit cBN bei höheren Temperaturen gesintert und für diese Bronzebindung ist bekannt, dass sich die kritische Bruchspannung proportional zur Sintertemperatur verhält [1] . Dies erklärt die Differenz in der Bruchspannung der reinen Bronze. Zum anderen hat das hier untersuchte cBN-Korn eine unregelmäßige, tetraedrische Form (Bild 2), während das in der Referenzquelle verwendete Diamantkorn eher kugelförmig ist [4] . Bei gleichem Durchmesser ist die Oberfläche eines Tetraeders um den Faktor 4 kleiner als die einer Kugel. Dementsprechend kleiner ist auch die Kontaktfläche zwischen Korn und Bindung, welche bei mechanischer Anbindung des Korns die wesentliche Schwachstelle des Verbundes darstellt. Dies stellt eine mögliche Erklärung für die Unterschiede in der Steigung der beiden Geraden dar. Thermische Eigenschaften Metallisch gebundene Schleifwerkzeuge mit hochharten Schleifkörnern zeichnen sich nicht nur durch ihre gute mechanische Stabilität aus. Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Wärmeleitfähigkeit von Korn und Bindung, welche die Wärmeabfuhr aus der Kontaktzone beim Schleifen verbessert. Die Wärmeleitfähigkeit λ eines Stoffes ist das Produkt aus der Dichte ρ, der spezifischen Wärmekapazität c p und der Temperaturleitfähigkeit a: Die Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität des Verbundes erfolgt durch die Messung der spezifischen Wärmekapazitäten der beiden Grundbestandteile Bronzebindung und cBN-Korn mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC). Diese werden anschließend entsprechend des bekannten Massenverhältnisses miteinander verrechnet und so die spezifische Wärmekapazität des Verbundes bestimmt. Die ebenfalls notwendige Temperaturleitfähigkeit des Schleifbelages wurde anhand des Laser-Flash-Verfahrens bestimmt. Der temperaturabhängige Verlauf der spezifischen Wärmekapazität für die einzelnen Komponenten ist in Bild 3 links dargestellt. Auf der rechten Seite von Bild 3 ist die gemessene Temperaturleitfähigkeit des Verbundes aus Schleifkorn und Bindung abgebildet. Im untersuchten Temperaturbereich zeigt sich für das cBN-Korn ein deutlicher Anstieg in der Wärmekapazität von 0,54 auf 1,37 J/(g*K), während die Wärmekapazität der Bronze näherungsweise konstant im Bereich von 0,33 J/(g*K) bleibt. Die Schleifkörner sind also in der Lage, bei 300 °C ca. 215 % mehr Wärme aufzunehmen als bei Raumtemperatur (25 °C). In Bild 3 rechts ist zu sehen, dass die Temperaturleitfähig- Bild 3 Wärmekapazität der Einzelkomponenten und Temperaturleitfähigkeit des Verbundes in Abhängigkeit von der Temperatur. dihw 13 · 2 2021 21
