Abstract
Für die Herstellung von Funktionsflächen keramischer Werkstoffe, ist das Schleifen mit Diamantwerkzeugen eines der wichtigsten Bearbeitungsverfahren. Aus den besonderen Eigenschaften der Hochleistungskeramiken, wie hoher Härte, hohem abrasiven und korrosiven Widerstand sowie der geringen Dichte, leitet sich ihr
beträchtliches Substitutionspotential gegenüber Metallen ab. Durch ihre hohe Härte aber gleichzeitig geringe Zähigkeit reagieren keramische Werkstoffe bei der Bearbeitung spröde und sind empfindlich gegenüber Oberflächenschädigungen in Verbindung mit Zugspannungen.
Im Rahmen dieser Arbeit werden bestehende Ergebnisse zum Schleifen keramischer Werkstoffe und Literaturmodelle zur Schädigung beim Einzelschneideneingriff behandelt. Der zweite Abschnitt dieser Arbeit befaßt sich mit Untersuchungen des Materialverhaltens bei Schleif- und Analogieversuchen sowie mit den eingebrachten
Randzonenschädigungen. Diese Versuche werden an drei unter-schiedlichen Aluminiumoxidkeramiken durchgeführt. Dabei werden die Einflüsse verschiedener Prozeßparameter und Kühlschmierstoffsysteme auf die Ausbildung der Oberfläche sowie auf die Randzonenschädigung untersucht.
Die Oberflächenausbildung läßt sich eindeutig auf die mechanischen und thermischen Beanspruchungen des Werkstoffs durch den Schleifprozeß zurückführen. Dabei zeigt sich, daß durch die Verwendung von Mineralöl als Kühlschmierstoff bessere Oberflächen im Vergleich zum Schleifen mit Emulsion erzielt werden können. Die höheren Schleifkräfte bei der Bearbeitung mit Mineralöl
wirken sich jedoch negativ auf die Randzonenschädigung aus. Eine duktil generierte und schädigungsfreie Oberfläche wird in dieser Arbeit nicht erreicht. Die Randzonen weisen vorwiegend sprödbrüchiges Verhalten auf, wobei die Schleifbearbeitung zu
trans- sowie zu interkristalliner Rißinduzierung im Werkstoff führt.
[...]
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Keramische Werkstoffe
2.1.1 Eigenschaften von Hochleistungskeramiken
2.1.2 Bruchmechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe
2.2 Technologie des Schleifens
2.2.1 Schleifscheiben zur Bearbeitung von Hochleistungskeramik
2.2.2 Verwendete Kühlschmierstoffe zur Bearbeitung von Hochleistungskeramik
2.3 Modelle zur Beschreibung des Schleifprozesses, zur Spanbildung und Oberflächenentstehung
2.4 Modelle zur Randzonenschädigung
3. Zielsetzung
4. Experimentelles Vorgehen
4.1 Herstellung, Präparation und Charakterisierung der Versuchswerkstoffe
4.1.1 Härtemessung
4.1.2 Bestimmung der Rißzähigkeit
4.2 Durchführung der Ritztests
4.3 Schleifversuchsdurchführung
4.4 Meßtechniken
5. Darstellung der Ergebnisse
5.1 Ergebnisse der Werkstoffuntersuchung
5.1.1 Ergebnisse der Härtemessungen
5.2 Darstellung der Ritztestergebnisse
5.3 Ergebnisse der Nanoindentertests
5.4 Ergebnisdarstellung der Schleifversuche
6. Diskussion der Ergebnisse
6.1 Experimentell ermittelte Härtewerte
6.2 Ritztests
6.3 Schleifversuche
7. Zusammenfassung und Ausblick
8. Literatur
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Arbeit untersucht das spröde Materialverhalten keramischer Werkstoffe beim Schleifprozess und analysiert die daraus resultierenden Randzonenschädigungen, um Ansätze für eine schädigungsarme und wirtschaftlichere Bearbeitung zu identifizieren.
- Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramiken.
- Einfluss von Schleifparametern und Kühlschmiermitteln auf die Oberflächengüte.
- Experimentelle Untersuchung von Schädigungsmechanismen mittels Ritztests.
- Evaluierung bestehender Modelle zur Randzonenschädigung bei der Keramikbearbeitung.
- Analyse der Oberflächenmorphologie nach unterschiedlichen Bearbeitungsschritten.
Auszug aus dem Buch
Bruchmechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe
Das Bruchverhalten keramischer Werkstoffe unterscheidet sich grundsätzlich von dem der Metalle. Während in Metallen Versetzungsbewegungen den Widerstand gegen das Einsetzen des Werkstoffversagens bestimmen, können diese Mechanismen den Bruchwiderstand in Keramiken nicht beeinflussen. Vielmehr treten vorher Bruchvorgänge ein, wobei die Rißspitze mit dem Gefüge in Wechselwirkung tritt [8].
Mögliche Auslöser bzw. Keimzellen für einen katastrophalen Bruch können Versetzungen, Poren, Einschlüsse, Korngrenzen, Kerbstellen, Kratzer an der Oberfläche und Risse sein. In Keramik wurden Risse mit atomar scharfen Rißspitzen beobachtet [9, 10], die erst weiter wachsen wenn die Atombindungen bis zum Punkt des Reißens gedehnt werden. Eine Steigerung des Bruchwiderstandes von polykristalliner Keramik gegenüber Einkristallen kann durch gezielte Konditionierung des Gefüges erreicht werden, wenn dadurch die auftretenden Spannungen an der Rißspitze abgebaut werden können. Jedoch reicht in vielen technischen Anwendungen ein hoher Bruchwiderstand nicht aus, der Werkstoff muß zusätzlich über eine hohe Festigkeit verfügen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung beschreibt die industrielle Relevanz von keramischen Werkstoffen, deren sprödes Bruchverhalten bei der Bearbeitung und die daraus resultierende Notwendigkeit für optimierte Schleifverfahren.
2. Stand der Wissenschaft und Technik: Hier werden theoretische Grundlagen zu keramischen Werkstoffen, bruchmechanischen Zusammenhängen sowie verschiedene Modelle zur Beschreibung von Schleifprozessen und Randzonenschädigungen detailliert dargelegt.
3. Zielsetzung: Dieses Kapitel erläutert die Zielsetzung der Arbeit, die darin besteht, durch experimentelle Untersuchungen und Modellanalysen zu einem tieferen Verständnis der Schädigungsmechanismen bei der Keramikbearbeitung zu gelangen.
4. Experimentelles Vorgehen: Dieses Kapitel beschreibt das methodische Vorgehen bei der Herstellung und Charakterisierung der Proben sowie die Durchführung von Ritz- und Schleifversuchen unter variablen Prozessbedingungen.
5. Darstellung der Ergebnisse: Dieser Abschnitt dokumentiert die erzielten experimentellen Daten aus Gefügeanalysen, Härtemessungen, Ritztests und Schleifversuchen, inklusive der Auswertung von Oberflächenbeschaffenheiten.
6. Diskussion der Ergebnisse: Hier werden die experimentell gewonnenen Erkenntnisse ausgewertet, bewertet und kritisch mit den existierenden Modellen aus der wissenschaftlichen Literatur in Beziehung gesetzt.
7. Zusammenfassung und Ausblick: Dieses abschließende Kapitel fasst die wesentlichen Ergebnisse zusammen und gibt Empfehlungen für zukünftige Forschungsarbeiten und technologische Optimierungen.
Schlüsselwörter
Keramikbearbeitung, Schleifen, Randzonenschädigung, Aluminiumoxid, Bruchmechanik, Ritzversuche, Härtemessung, Oberflächengüte, Kühlschmierstoffe, Zerspanung, Rissbildung, Materialverhalten, Diamantschleifscheiben, Prozessparameter, Gefügeanalyse.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Untersuchung von Schädigungen an ultrapräzise geschliffenen keramischen Werkstoffen, um die Mechanismen der Materialtrennung und der resultierenden Randzonendefekte besser zu verstehen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit deckt die Materialkunde von Hochleistungskeramiken, die technologischen Grundlagen des Schleifens sowie bruchmechanische Analysen ab.
Was ist das primäre Ziel der Forschung?
Das primäre Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen den Bearbeitungsparametern und der entstehenden Randzonenschädigung bei Aluminiumoxidkeramiken zu identifizieren, um wirtschaftlichere und präzisere Bearbeitungsverfahren zu ermöglichen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Die Arbeit kombiniert eine umfangreiche Literaturrecherche mit experimentellen Arbeiten, darunter Härtemessungen, Ritztests zur Simulation von Einzelschneideneingriffen, Schleifversuche unter Variation der Prozessgrößen sowie mikroskopische Analysen (REM/AFM).
Was behandelt der Hauptteil?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Aufarbeitung des Stands der Technik, die Beschreibung des experimentellen Aufbaus sowie die detaillierte Darstellung und Diskussion der erzielten Ergebnisse zu Gefüge, Härte und Schädigungsbildern.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Keramikschleifen, Randzonenschädigung, Bruchmechanik, Aluminiumoxid und Prozessoptimierung charakterisieren.
Welche Rolle spielt die Wahl des Kühlschmiermittels?
Es wird untersucht, wie Mineralöl im Vergleich zu Emulsionen das Materialverhalten beeinflusst; dabei zeigt sich, dass Mineralöl zwar zu besseren Oberflächen führt, aber auch höhere Tangential- und Normalkräfte erzeugen kann.
Wie beeinflusst die Korngröße das Ergebnis?
Die Untersuchung zeigt, dass die Korngröße einen signifikanten Einfluss auf die Härte und die Schädigungstiefe hat, wobei feinkörnigere Keramiken im Allgemeinen höhere Härtewerte aufweisen.
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- Daniel Grimme (Author), 2000, Schädigungsuntersuchungen an ultrapräzise geschliffenen keramischen Werkstoffen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/339
