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 unterschiedlichen 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.

V

Hiermit versichere ich, daß ich die vorliegende Arbeit selbständig verfaßt habe. Ich habe keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt.

Bremen, den 17.02.2000

VI

I  Inhaltsverzeichnis  

1.  Einleitung.  1

2.  Stand des Wissenschaft und Technik.  3

2.1  Keramische Werkstoffe.  3

2.1.1  Eigenschaften von Hochleistungskeramiken.  4

2.1.2  Bruchmechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe.  6

2.2  Technologie des Schleifens.  10

2.2.1  Schleifscheiben zur Bearbeitung von Hochleistungskeramik  17

2.2.2  Verwendete Kühlschmierstoffe zur Bearbeitung von  

Hochleistungskeramik.   20

2.3  Modelle zur Beschreibung des Schleifprozesses, zur Spanbildung  

und  Oberflächenentstehung.  23

2.4  Modelle zur Randzonenschädigung  32

3.  Zielsetzung.  42

4.  Experimentelles Vorgehen.  44

4.1  Herstellung, Präparation und Charakterisierung der  

Versuchswerkstoffe   45

4.1.1  Härtemessung.  48

4.1.2  Bestimmung der Rißzähigkeit.  49

4.2  Durchführung der Ritztests.  52

4.3  Schleifversuchsdurchführung.  53

4.4  Meßtechniken.  56

5.  Darstellung der Ergebnisse.  58

5.1  Ergebnisse der Werkstoffuntersuchung.  58

5.1.1  Ergebnisse der Härtemessungen  60

VII

5.2  Darstellung der Ritztestergebnisse.  62

5.3  Ergebnisse der Nanoindentertests.  74

5.4  Ergebnisdarstellung der Schleifversuche.  77

6.  Diskussion der Ergebnisse.  88

6.1  Experimentell ermittelte Härtewerte.  88

6.2  Ritztests.  90

6.3  Schleifversuche.  99

7.  Zusammenfassung und Ausblick.  110

8.  Literatur.  112

Anhang 118   

VIII

II Formelzeichen

J Arbeit A

µm ² Einzelkornspanungsquerschnitt A c mm ² Kontaktfläche A kon

Kt Kornkonzentration der Schleifscheibe C

GPa Elastizitätsmodul E

N Kraft F

N Schnittkraft F c

N Normalkraft F n

N/mm bezogene Normalkraft F‘ n

N Tangentialkraft F t

N/mm bezogene Tangentialkraft F‘ t

-Schleifverhältnis G

J/s Energiefreisetzungsrate G I

MPa m ^-1/2 Rißwiderstand G IC

MPa Härte H

MPa Spannungsintensitätsfaktor K 1,

MPa Spannungsintensitätsfaktor K D,

MPa Spannungsintensitätsfaktor K T, MPa m ^-1/2 Rißzähigkeit K C

MPa m ^-1/2 kritischer Spannungsintensitätsfaktor K 1C

µm effektiver Schneidenabstand L k kg kmol ^-1 molare Masse M

-Avogadro’sche Zahl N A

kinematische Schneidenzahl N skin

1/mm ² aktive Schneidenzahl N sact

IX

N Prüflast P

W Schleifleistung P c

W/mm bezogene Schleifleistung P‘ c

mm ³ /s Zeitspanvolumen Q w

mm ³ /mm s bezogenes Zeitspanvolumen Q‘ w

mm ³ /mm s Materialabtragsrate Q wa

J Bruchenergie R

µm arithmetischer Mittenrauhwert R a cm ³ Molrefraktion R m

µm gemittelte Rauhtiefe R z mm ² Rißfläche S

°K Temperatur T ∆T max °K maximal ertragbarer Temperaturgradient

MPa m ^1/2 spezifische Korngrenzenbruchzähigkeit T 0

J elastische Energie U

mm ³ plastisch deformiertes Volumen durch Ritzen V D mm ³ abgetrenntes Volumen durch Ritzen W

GPa Fließgrenzspannung Y

mm Rißlänge ( Griffith-Rißlänge) a

µm Indentereindruckdiagonale 2a

mm Eingrifftiefe a e

mm Eingriffsbreite a p

µm Rißlänge c

µm Anfangsrisslänge c 0

mm kritische Eindringtiefe d c

X

µm mittlerer Korndurchmesser d mk

µm kritische Partikelgröße d pc

mm Schleifscheibendurchmesser d s

J/mm ³ spezifische Schleifenergie e c

µm äquivalente Spanungsdicke h eq

h c µm mittlere Spanungsdicke

µm maximale Spanungsdicke h max

mm Korngröße l

mm Kontaktlänge l g

mm kinematische Kontaktlänge l k

-Brechungsindex n

-Faktorfür die Korngeometrie r

mm Äquivalentradius r eq

mm Schleifscheibenradius r s ∆r s mm Radialverschleiß

m/min Vorschubgeschwindigkeit v ft

m/s Schnittgeschwindigkeit v c

10 ^-6 /°K α Wärmeausdehnungskoeffizient

W/(m ² °K) Wärmeübergangskoeffizient α KS

β Grad Winkel

β Normierungskoeffizient - J/mm ² γ spezifische Bruchflächenenergie (Gl. 2)

ε mm Dehnung

λ W/(m K) Wärmeleitfähigkeit

ν - Poisson-Zahl (Querkontraktionszahl)

XI

ξ µm Tiefenschädigung

π -Pi ( = 3,1415)

g/cm ³ ρ Dichte

σ MPa Spannung

σ T MPa durch Ritzen induzierte Zugspannung

σ D MPa Zugspannung an Korngrenzen

σ I MPa thermische Expansionsanisotropie

τ R MPa Reibschubspannung

ϕ Grad Eingriffswinkel

Grad Winkel zwischen Indenterkanten 2Ψ

Ψ -Rißgeometriefaktor

III Abkürzungen

AFM Rasterkraftmikroskop

Al 2 O 3 Aluminiumoxid

AlOOH Aluminiumhydroxyd

HPSN heiß gepreßtes Siliziumnitrid

KSS Kühlschmierstoff

LEBM linear elastische Bruchmechanik

PKD polykristalliner Diamant

REM Rasterelektronen-Mikroskop

TEM Transemissionselektronen-Mikroskop

ZrO 2 Zirkonoxid

1 1. Einleitung

1 Einleitung

Die stetige Verbesserung der Ausgangspulver und Herstellungsverfahren keramischer Werkstoffe führte zur weiteren Verbreitung dieses Werkstoffs in der industriellen Praxis. So werden heute Komponenten, wie Ventile, Turbinenschaufeln, Einspritzdüsen, Pumpenlager, Lese- bzw. Schreibköpfe in Computern, künstliche Hüftgelenke, Tiegel, und Schneidwerkzeuge aus Keramik mit großem Erfolg eingesetzt. Diese Applikationen profitieren von den besonderen Eigenschaften der Keramik, wie hoher Härte, hohem abrasiven und korrosiven Widerstand, geringer Dichte sowie der Hochtemperaturbeständigkeit.

Durch die werkstoffherstellungsbedingten Maß- und Formabweichungen ist eine Nachbearbeitung jedoch unumgänglich. Dabei stellt das Schleifen mit Diamantwerkzeugen das flexibelste und am häufigsten angewandte Bearbeitungsverfahren dar.

Aufgrund der hohen Härte aber geringen Zähigkeit reagieren keramische Werkstoffe empfindlich auf Oberflächenschädigungen in Verbindung mit Zugspannungen. Im Vergleich zu Metallen, die wegen ihrer großen Versetzungsflexibilität bei Raumtemperatur und ihrer hohen Anzahl an Gleitebenen in der Lage sind, kritische Spannungen durch plastisches Verhalten abzubauen, reagieren keramische Werkstoffe spröde.

Um dem Werkstoff Keramik einen weiten Einsatzbereich zu erschließen ist eine schädigungsarme und wirtschaftlichere Bearbeitung erforderlich, solang keramische Bauteile nicht auf Endmaß und mit den geforderten Oberflächengüten zu sintern sind.

Zur Auslegung und Verbesserung der Schleifbearbeitung müssen Erkenntnisse darüber vorliegen, welche Mechanismen der Materialtrennung stattfinden und wie durch den Schleifprozeß induzierte Oberflächendefekte vermieden werden. Hierzu finden sich verschiedene Ansätze in der Literatur, die sich vorwiegend mit den Stellgrößen und ihrem Einfluß auf das Arbeitsergebnis beim Keramikschleifen befassen. Es werden zu diesem Thema zahlreiche Analogieversuche unter definierten Bedingungen durchgeführt und zur Modellbildung genutzt. Weitere Studien zielen auf die Erforschung der Einflüsse von verwendeten

2 1. Einleitung

Werkstoff/Kühlschmiersystemen, der Schleifscheibenbindungen und der verwendeten Korngröße auf das Arbeitsergebnis ab.

Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden bestehende Untersuchungen zum Schleifen keramischer Werkstoffe und zu durchgeführten Analogieversuchen ausführlich betrachtet. Der zweite Teil dieser Arbeit befaßt sich mit experimentellen Schleif- und Ritzversuchen sowie der Charakterisierung der durch die Bearbeitung induzierten Randzonenschädigung.

3 2. Stand der Wissenschaft und Technik

2 Stand der Wissenschaft und Technik

Dieses Kapitel gibt Auskunft über die allgemeine Definition, Vor- bzw. Nachteile und die bruchmechanische Behandlung keramischer Werkstoffe, sowie über die Technologie des Schleifens sprödharter Werkstoffe. In diesem Zusammenhang soll ein Überblick der bestehenden Modelle des Werkstoffverhaltens beim Schleifen, die Entstehung der Oberfläche und Modellbetrachtungen zur Randzonenschädigung gegeben werden.

2.1 Keramische Werkstoffe

Eine Definition bzw. Abgrenzung der Keramiken über gemeinsame Eigenschaften ist aufgrund der Vielfältigkeit und häufigen Gegensätzlichkeit der Eigenschaftsprofile nicht möglich.

4 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Die Deutsche Keramische Gesellschaft bietet eine technologieorientierte Definition, die auf Henniken [2] zurück zu führen ist: „Keramik ist ein Zweig der chemischen Technologie oder der Hüttenkunde, der sich mit der Herstellung keramischer Werkstoffe und Weiterverarbeitung bis zum keramischen Erzeugnis befaßt. Keramische Werkstoffe sind anorganisch, nicht metallisch, in Wasser schwer löslich und zu wenigstens 30% kristallin. In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch eine Temperaturbehandlung meist über 800 °C. Gelegentlich geschieht die Formgebung auch bei erhöhter Temperatur oder gar über den Schmelzfluß mit anschließender Kristallisation.“ Im angloamerikanischen Sprachgebrauch wird der Begriff „ceramics“ deutlich weiter gefaßt, er ist mit der nichtmetallischen anorganischen Werkstoffgruppe gleichzusetzen [3].

Seit 1985 wird die Einteilung der Keramik durch die Gruppe der Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix ergänzt und die silicatkeramischen Werkstoffe mit relativ hohem Glasphasenanteil, die oxidkeramischen Werkstoffe, die glasphasenarm oder -frei sind, und die Nichtoxidkeramiken unterschieden [4].

Vor dem Hintergrund der Vielfalt an Begriffen wie Hochleistungskeramik, Sonderkeramik, Feinkeramik, Hochtechnologie-Keramik oder, wie im

Angloamerikanischen, Advanced Ceramics, High Tech Ceramics, Engineering Ceramics sowie in Japan Fine Ceramics, soll diese Gruppe der Keramiken hier mit dem Begriff Hochleistungskeramik charakterisiert werden. Heute werden diese Hochleistungskeramiken zudem in Funktions- oder Strukturkeramiken unterteilt [5, 6, 7].

2.1.1 Eigenschaften von Hochleistungskeramiken

Ihre besonderen Eigenschaften erhalten die Keramiken durch ihre definierte Zusammensetzung. Durch die Kombination einiger Elemente ist es gelungen, eine Vielzahl von Stoffsystemen zu synthetisieren, die in Materialkombinationen mit gezielt einstellbaren Eigenschaften vorliegen. Somit ist es möglich, durch gezieltes Kombinieren verschiedener Keramikpulverkomponenten und Additive, das Bauteil an ein mögliches Einsatzgebiet anzupassen. Die Werkstoffeigenschaften werden jedoch nicht nur entscheidend durch die Zusammensetzung, den Chemismus der Verbindung, sondern auch durch die Herstellung und das sich ausbildende Gefüge

5 2. Stand der Wissenschaft und Technik

bestimmt. Dabei ist die Gefügebildung stark von der Partikelgröße der verwendeten Ausgangspulver, der Sintertemperatur und -dauer abhängig. In Tabelle 2-1 sind die in der Regel abzuleitenden Basiseigenschaften von Keramiken aufgeführt.

Tabelle 2-1: Basiseigenschaften keramischer Werkstoffe

Das für Keramiken typische, spröde Materialverhalten wird durch die atomaren Bindungsverhältnisse geprägt. Die komplexe Gitterstruktur sowie die

vorherrschenden kovalenten, oder ionischen Bindungsverhältnisse beziehungsweise deren Kombination, verhindern durch ihre hohe Stabilität das zur plastischen Deformation notwendige, „leichte“ Wandern von Versetzungen durch den Werkstoff und blockieren die Gleitebenen. Die mangelnde Fähigkeit der Keramik sich unter Zugspannungen plastisch zu verformen und somit die Spannungskonzentration abzubauen, führt zu einer hohen Kerbempfindlichkeit. Das Festigkeitsverhalten wird in Keramiken von der herstellungsbedingten Defektverteilung im Volumen und von vorhandenen Fehlern und Rissen an der Oberfläche, die durch eine Nachbearbeitung entstehen, bestimmt.

6 2. Stand der Wissenschaft und Technik

2.1.2 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.

Bereits 1913 fand Inglis über Spannungsbetrachtungen und 1920 Griffith, in Anlehnung an Inglis, über Energiebetrachtungen heraus, daß die maximal ertragbare Spannung umgekehrt proportional der Wurzel aus der Größe der im Material befindlichen Fehler ist [11, 12]. Im Zuge der rasanten Weiterentwicklung keramischer Werkstoffe in den letzten drei Jahrzehnten, wurde die Fehlergröße im Material durch verbesserte Herstellungsverfahren und Ausgangspulver stark verringert und somit eine Steigerung der Festigkeit erreicht. Damit rückten die durch eine meist unverzichtbare Nachbearbeitung entstehenden Oberflächenfehler bzw.

Randzonenschädigungen in den Vordergrund. Diese Fehler sind es, die bei der heutigen Hochleistungskeramik (Konstruktionskeramik) die Festigkeit bestimmen.

Basis für die Beschreibung des Festigkeits- und Rißausbreitungsverhaltens linearelastischer Werkstoffe bildet das Konzept des Spannungsintensitätsfaktors KI, der den Spannungszustand eines belasteten Risses eindeutig charakterisiert und ein Maß für die Spannungsüberhöhung an der Rißspitze bei Modus-I-Belastung ist (siehe Abbildung 2-2).

7 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Abbildung 2-2: Schematische Darstellung der Rißausbreitungsmoden

Die allgemeine Grundgleichung der linear elastischen Bruchmechanik (LEBM) gibt den Zusammenhang zwischen Rißlänge, aufgebrachter Spannung und dem Spannungsintensitätsfaktor wie folgt an:

K σ

Ι

Wobei σ die aufgebrachte Spannung, a die Rißlänge und Y eine dimensionslose

Korrekturfunktion, abhängig von Riß und Bauteilgeometrie w, ist.

Eine Rißverlängerung setzt ein, sobald die Spannungen an der Rißspitze einen kritischen Wert erreichen. Dieser K I - Wert ist ein ausgezeichneter kritischer Wert, der durch das Material festgelegt wird. Der kritische Spannungsintensitätsfaktor, K IC , kennzeichnet bei Modus-I-Belastung und ebenem Dehnungszustand den Zeitpunkt, bei dem instabile Rißausbreitung stattfindet und ist für keramische Werkstoffe eine wichtige Materialkenngröße. Der K IC - Wert wird häufig als

Bruchwiderstand Bruchzähigkeit oder Rißzähigkeit

bezeichnet. Zum besseren Verständnis sollen an dieser Stelle die im Zusammenhang mit keramischen Werkstoffen und K IC -Werten häufig genannten Begriffe Zähigkeit und Sprödheit näher definiert werden.

8 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Als ideal sprödes Werkstoffverhalten gilt ein ausschließlich elastisches Verhalten bis zum Versagen, d. h. daß keine irreversible plastische Verformung vor dem Bruch eintritt [14]. Dies formuliert auch die LEBM, die ein linear elastisches Verhalten

gemäß dem Hook´schen Gesetz (σ = ε ⋅ E) bis zum Versagen fordert. Eine andere

treffende Charakterisierung spröden Verhaltens wird durch die Aussage getroffen, daß die Fließspannung größer als die Bruchspannung sei. Die Aussagen, die Zähigkeit betreffend, gehen, im Gegensatz zu den Definitionen der Sprödigkeit, stark auseinander. Üblicherweise wird die Zähigkeit mit duktilem Verhalten gleichgesetzt, was bedeutet, daß die Fließspannung kleiner der Bruchspannung ist und somit eine irreversible plastische Verformung die Folge sein muß. Eine treffendere Beschreibung für das Verhalten keramischer Werkstoffe bietet die allgemeinere Definition der Zähigkeit als Widerstand gegen Bruch unabhängig davon, welcher Mechanismus zum Bruch führt [15].

Eine alternative Beschreibungsmethode des Rißausbreitungsverhaltens zum Spannungskonzept, bieten Energiebetrachtung nach Griffith.

Als Rißwiderstand G IC wird die Energie bezeichnet, die aufgebracht werden muß, um den Riß um eine Flächeneinheit zu vergrößern [16]. Die spezifische Bruchflächenenergie γ ist die notwendige Energie, um eine Bruchfläche zu erzeugen.

Da bei Rißfortschritt zwei Oberflächen entstehen folgt,

γ = . G l . 2 2 G

ΙC

Die zur Rißfortpflanzung notwendig Energie stammt aus zwei Quellen, der Arbeit A der äußeren wirkenden Kräfte und der im Bauteil gespeicherten elastischen Energie U. Die Energiefreisetzungsrate G I ist die Energie, welche bei einer Rißverlängerung um eine Flächeneinheit freigesetzt wird. Diese kann wie folgt beschrieben werden

G

Ι

wobei S die Rißfläche ist.

Die Energiefreisetzungsrate ist mit K I wie folgt verknüpft:

² K

Ι

9 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Zur Ermittlung von Materialkennwerten, wie z. B. der wichtigen Größe K IC , stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Die am häufigsten angewandten Versuchstechniken sind der Drei- und der Vierpunktbiegeversuch. Diese werden ebenfalls zur Charakterisierung von Bauteilschädigungen hinsichtlich der Bruchfestigkeit herangezogen. Dabei geht man davon aus, daß die Bruchfestigkeit mit steigender Bauteilschädigung abnimmt.

Weitere Möglichkeiten zur Ermittlung des Bruchwiderstandswertes, bieten Eindringversuche mit pyramidischen oder sphärischen Körpern, wie z. B. der Indenter-Test mit einem Vickersdiamant [16, 41, 42, 43, 44] oder neben anderen das neuere, modifizierte Verfahren bei dem im Anschluß an den Härteeindruck ein Biegeversuch durchgeführt wird [16].

In verschiedenen Untersuchungen der letzten Jahre wird nachgewiesen, daß der Rißwiderstand bei einigen keramischen Werkstoffen während der Rißausbreitung nicht konstant bleibt, sondern abhängig von der Rißverlängerung ist. Dabei steigt der Rißwiderstand des Werkstoffs mit zunehmender Länge des Risses, bis zu seinem Maximum, dem instabile Rißausbreitung folgt. Tritt dieses Verhalten auf, ist eine eindeutige Bestimmung des K IC - Wertes nicht mehr gegeben. Der Werkstoff kann dann nur durch den Gesamtverlauf der Rißwiderstandskurve eindeutig charakterisiert werden [8]. Als mögliche Ursachen für einen solchen R-Kurveneffekt können Rißspitzenablenkungen, Rißverzweigungen, Ausbildung einer Mikrorißzone vor der eigentlichen Rißspitze, Phasenumwandlungen der Kristalle, mechanische Verhakungen und Verklemmungen sowie rißüberbrückende Strukturen genannt werden [8, 17, 18, 19, 20].

In Abbildung 2-3 sind möglich Erklärungen eines R-Kurvenverhaltens abgebildet.

Abbildung 2-3: Mögliche Ursachen des R-Kurveneffekts [16, 71, 72]

10 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Durch Auftreten eines steigenden Rißwiderstands besteht die Gefahr, daß kleine Risse im Bauteil gefährlichere Auswirkungen haben, als nach den an langen, makroskopischen Rissen gemessenen K IC - Werten zu vermuten wäre.

Ein weiteres Problem vieler keramischer Werkstoffe ist das langsame, unterkritische Rißwachstum. So geht meist dem instabil erfolgenden Bruch ein unterkritisches Rißwachstum voraus. Dabei verlängert sich ein Riß der Anfangsgröße a i langsam bis zu der von der Belastung abhängigen kritischen Größe a c , bei der spontanes Versagen des Werkstücks auftritt (instabile Rißausbreitung).

2.2 Technologie des Schleifens

Der am häufigsten angewandte Bearbeitungsprozeß keramischer Werkstoffe ist das Schleifen. Je nach Form und Lage der zu bearbeitenden Oberfläche wird zwischen Plan-, Innen- oder Außenrundbearbeitung unterschieden. Die Richtung der Wirkbewegung gibt die Unterscheidung zwischen Quer- und Längsschleifen an. Im Verlauf der Weiterentwicklung des Schleifprozesses, mit dem Ziel der wirtschaftlichen Fertigung, entstanden Sonderverfahren, wie z. B. ultraschallunterstütztes Schleifen, Schleifen mit Läppkinematik, Quer-Seitenschleifen mit rotierender Werkstückbewegung oder das Schnellhub - Schleifen [21].

Aufgrund der mechanischen Eigenschaften keramischer Werkstoffe wie ihre hohe Härte und abrasive Wirkung, werden fast ausschließlich Diamantkörner als abtragendes Medium, in metallisch-, Kunstharz- oder keramisch gebunden Schleifscheiben, eingesetzt. Jedes Korn auf der Schleifscheibe bildet eine oder mehrere Schneidkanten mit unterschiedlichen Schneidkantenradien. Wegen der regellosen Verteilung und der unterschiedlichen Form der Körner auf dem Schleifscheibenbelag, können der Spanungs- und Schneidenwinkel sowie die Schneidenraumtiefe nur statistisch bestimmt werden [22, 23, 24]. Auch die Bestimmbarkeit der am Prozeß beteiligten Schneiden und somit die exakte Ermittlung der Einzelkornspanungsdicken ist auf Grund der Kinematik des Schleifprozesses nur abzuschätzen. Ein weiterer Grund für die unzureichende Bestimmbarkeit der aktiven Schneiden ist, daß sich die Schleifscheibentopographie während des Prozesses durch Abrasion, Kornausbruch oder Kornsplitterung ändert, und somit die bestimmenden Parameter, wie z. B. der Spanungswinkel γ und der Schneidenwinkel ε variieren.

11 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Die Materialabtragsrate Q wa , bzw. das Zeitspanvolumen für das Plan-Umfang-Schleifen wird bestimmt durch die Zustellung a e , die Vorschubgeschwindigkeit v ft und der Eingriffsbreite a p der Schleifscheibe und ist gegeben durch

⋅ = . G l . 5 a v a Q

p ft e wa

Die Materialabtragsrate stellt eine Flächeneinheit dar, die in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit, der Eingriffstiefe und -breite der Schleifscheibe abgetrennt wird. Diese muß identisch mit dem Volumen Q wi sein, das pro Zeiteinheit durch die Schnittbewegung und den Eingriff der einzelnen Schneiden abgespant wird. Denkt man sich das abgespante Volumen als kontinuierliches Band um den Schleifscheibenumfang (siehe Abbildung 2-4), so ist die Dicke des abgetrennten Materials abhängig von der Schnittgeschwindigkeit v c , der Vorschubgeschwindigkeit v ft und der Eingriffstiefe a e . Die Dicke der Schicht wird als die äquivalente Spanungsdicke h eq bezeichnet und ist definiert als

Abbildung 2-4: Materialabtragsrate und äquivalente Spanungsdicke [23]

Aus dieser Gleichung ist zu erkennen, daß die Werkstückvorschubgeschwindigkeit v ^ft und die Schnittgeschwindigkeit den Prozeß unterschiedlich beeinflussen. Die äquivalente Spanungsdicke steigt mit zunehmendem Vorschub, sinkt jedoch bei

12 2. Stand der Wissenschaft und Technik

erhöhter Schnittgeschwindigkeit. Es ist hier jedoch zu beachten, daß h eq die sich ändernde Schleifscheibentopographie während des Prozesses nicht berücksichtigt [23].

M. C. Shaw [25] entwickelte ein Modell, in dem er die Anzahl der aktiven Schneidkanten der Schleifscheibenoberfläche mit in die Beschreibung des Schleifprozesses einbezieht. Er trifft in seinem Modell vereinfachende Annahmen wie z.B., daß alle an der Oberfläche der Schleifscheibe vorhandenen Schneiden, bzw. Körner (N A ) gleichartig am Materialabtrag beteiligt sind, daß alle Körner die gleiche Spanungsdicke verursachen, die Schleifscheibe eine konstante Schneidenraumtiefe besitzt und es zu keiner Bahnüberschneidung der Körner kommt. Weitere Vereinfachungen bestehen in der Annahme, daß kein elastisches und plastisches Verdrängen oder Absplitterung vom Werkstoff stattfindet. Mit Einführung eines Formfaktors λ, zur Beschreibung eines mittleren Schneideneingriffs kann die mittlere

Spanungsdicke wie folgt beschrieben werden.

Mit dem Äquivalentradius r eq des Werkzeugs, der wie in Abbildung 2-5 gezeigt, definiert wird.

Abbildung 2-5: Definition des äquivalenten Radius [23]

Der Spanungsquerschnitt kann nach Gleichung 8 berechnet werden [26]:

13 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Da die Schleifkörner aufgrund unterschiedlicher Kornüberstände jedoch nicht gleichmäßig am Bearbeitungsprozeß beteiligt sind, ist eine genauere Berechnung der mittleren Spanungsdicke mit Kenntnis der aktiven Schneidkanten zu erwarten [27].

Koch [89] beschreibt die Schleifscheibenbelagoberfläche modellhaft, in dem er die eingebetteten Körner durch Kugeln annähert (siehe Abbildung 2-2), was bei feiner Schleifscheibenkörnung zu der besten Übereinstimmung mit der Praxis führt [29].

Abbildung 2-6: Modellhafte Schleifscheibenbelagoberfläche nach Koch [89]

Auf Grundlage der vom Hersteller gegebenen Informationen zur

Werkzeugspezifikation, wie Korngröße und -konzentration, berechnet Koch die theoretische Kornzahl pro Flächeneinheit N Atheo wie folgt:

V

Mit dem modellhaften Einzelkornvolumen einer Kugel

V

K

dem Volumen der Kornschicht

( ) ( ) mk ⋅ = Gl. 11 d l j b i V ,

k B

14 2. Stand der Wissenschaft und Technik

dem spezifischen Gewicht des Diamanten ρ D = 3,52 g/cm3 und der Konzentration C in

Kt/cm3 (1Kt =0,2 g) folgt:

N

Er geht dabei von einer homogenen Verteilung der Körner im Schleifscheibenbelag aus. Die theoretisch errechneten Werte vergleicht er mit experimentell gewonnenen Ergebnissen zur Korngröße, sowie zur Kornverteilung und findet eine gute Übereinstimmung. Die weiteren aus Kochs Modell abgeleiteten Größen, wie Einzelkornspanungsbreite, Korneingriffslänge sind jedoch nur auf das Verfahren des Dreh-Umfangs-Querschleifens bezogen.

Weitere Modelle, die aktiven, an der Materialabtrennung beteiligten Schneidkanten betreffend, werden in Tönshoff et al. [30] beschrieben.

Wird angenommen, daß die Hälfte der Körner aktiv am Schleifprozeß beteiligt sind, kann die maximale Spanungsdicke nach folgender Gleichung berechnet werden [27]:

h

c

Hier wird angenommen, daß mit steigender Korneingriffstiefe die Anzahl der am Schleifprozeß beteiligten Körner stetig steigt, abhängig von der mittleren Korngröße

und Kornkonzentration der Schleifscheibe.

Abbildung 2-7: Kornverteilung, -Form und Prozeßkinematik [23]

15 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Cinar [90] berechnet die maximale Spanungsdicke auf Grundlage der von Shaw, Reichenbach, Kalpakcioglu und Meyer [31] gefundenen Zusammenhänge nach folgender Beziehung:

h

max

Dabei gibt h max , bei konstant angenommenem effektiven Schneidenabstand L k , die theoretische maximale Spanungsdicke pro Einzelkorn an. Der Faktor r berücksichtigt die Korngeometrie und errechnet sich aus dem Verhältnis von Spanungsbreite zur mittleren Spanungsdicke.

Paul [32] gibt eine ausführliche Zusammenfassung über die einzelnen Ansätze zur theoretischen Spanungsdicke. Alle Ansätze zu dieser theoretischen Rechengröße, vernachlässigen die sich verändernde Schleifscheibentopographie durch Verschleiß, Zusetzung der Porenräume in der Bindung und ignorieren den Einfluß des Werkstoffs sowie den elastischen Einfluß der Bindung und der Schleifmaschine.

Eine weitere wichtige Größe des Schleifprozesses ist die geometrische Kontaktfläche A kon zwischen Werkzeug und Werkstück. Beim Umfangs-Plan-Querschleifen ist diese Fläche geometrisch durch das Produkt von Kontaktlänge l g und Eingriffsbreite a p der Schleifscheibe gegeben

A

kon

Die Kontaktlänge ist alleine durch geometrische Größen bestimmt und berücksichtigt nicht die kinematischen Gegebenheiten des Schleifprozesses. Hierfür wird die kinematische Kontaktlänge eingeführt, die vor allem beim Schleifen mit hoher Vorschubgeschwindigkeit oder im Tiefschleifprozeß relevant ist.

l

k

wobei (+) für Gegenlauf und (-) für Gleichlauf-Schleifen eingesetzt wird [23].

Die auftretenden Schleifkräfte lassen sich wie folgt aus den gemessenen vertikalen und horizontalen Kräften F x und F y bestimmen

æ

ç ç

è

16 2. Stand der Wissenschaft und Technik

den wahren Kraftangriffspunkt bzw. seines Winkels erforderlich [33].

Abbildung 2-8: Kraftangriffspunkt und Schleifkraftzerlegung [33]

Nach Roth und Schulze [33, 34] beträgt der Kraftangriffswinkel α etwa das 0,71-fache des Eingriffswinkels ϕ, bei Zustellungen zwischen einem Mikro- und mehreren Millimetern. Dabei ist der Winkel α vor allem von dem Durchmesser der Schleifscheibe und somit von der Kontaktlänge l g abhängig.

Da die auftretenden Bearbeitungskräfte F n und F t sowie die Schleifleistung P c von der Schleifscheibeneingriffsbreite a p abhängen, werden diese Prozeßgrößen darauf bezogen:

′ F =

n

Bei der Auslegung von Bearbeitungsprozessen sind die zur (Ab-)Trennung des Materials notwendigen Energien von besonderer Bedeutung [35]. Zur Beschreibung der Zerspanung eines Werkstoffvolumens wird die spezifische Schleifenergie e c

17 2. Stand der Wissenschaft und Technik

herangezogen. Sie setzt sich aus unterschiedlichen Anteilen, wie Reibung, plastischer Verformung, Oberflächenerzeugung und kinetischer Energie der Späne zusammen. Daraus ist erkennbar, daß die spezifische Schleifenergie vorwiegend durch die Materialeigenschaften bestimmt wird. Sie bietet einen möglichen Ansatz zur Beschreibung der tangential wirkenden Bearbeitungskräfte und beschreibt die Effektivität der Werkstofftrennung [35, 21].

2.2.1 Schleifscheiben zur Bearbeitung von Hochleistungskeramik

Die Bearbeitung unterschiedlicher Hochleistungskeramiken und verschiedene angewandte Schleifverfahren machen eine individuelle Prozeßoptimierung notwendig, um ein effizientes und wirtschaftliches Schleifen zu ermöglichen [36].

Neben der Wahl geeigneter Eingangsoperanden - Prozeßparameter und Werkzeugspezifikation - wird das Arbeitsergebnis und Schleifverhalten durch die Anpassung der Schleifscheibe an den Prozeß festgelegt. Alle einsatzvorbereitenden Maßnahmen der Schleifscheibe können unter dem Oberbegriff Konditionieren zusammengefaßt werden [37]. Das Konditionieren umfaßt zum einen das Abrichten, Profilieren und Schärfen, zum anderen das Reinigen der Schleifscheibe.

In der Regel werden zur Keramikbearbeitung Diamantschleifscheiben eingesetzt, wobei die Diamantkörner kunstharz-, metallisch- oder keramisch gebunden sein können. Die Bindung sowie die verwendete Größe der Diamantkörnersynthetischer (PKD) oder natürlicher Diamant - sind im Schleifprozeß bestimmende Parameter für das Arbeitsergebnis und die Effizienz des Prozesses. Durch die Wahl feinkörniger, scharfer Schleifscheiben (D 20 und kleiner) und geringer Zustellung kann die Keramikbearbeitung in den Bereich einer duktilen Zerspanung verschoben werden [21]. Die zur duktilen Zerspanung höheren notwendigen Bearbeitungskräfte sind durch feinkörnige Schleifscheiben zu erreichen jedoch erfordert dies eine aufwendige Prozeßführung und Schleifscheibenvorbereitung [21]. Als günstiger Kornüberstand für die Keramikbearbeitung haben sich Werte von 10 bis 20% der verwendeten Korngröße herausgestellt [38]. Bezüglich der einzusetzenden Diamantkornqualität, sind allgemeine Aussagen schwer zu treffen. Man ist jedoch bemüht den stark abrasiven Verschleißangriff auf die einzelnen Kornschneiden durch