Schädigungsuntersuchungen an ultrapräzise geschliffenen keramischen Werkstoffen


Diplomarbeit, 2000
131 Seiten, Note: 1,15

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Stand des 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

Anhang

II Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

III Abkürzungen

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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

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.

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.

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Abbildung 2-1: Einordnung keramischer Werkstoffe [1,4, 5]

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 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.

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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.

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).

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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:

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- Wert ist ein ausgezeichneter kritischer Wert, der durch das Material festgelegt wird. Der kritische Spannungsintensitätsfaktor, Kic, kennzeichnet bei Modus-I-Belastung und ebenem Dehnungszustand den Zeitpunkt, bei dem instabile Rißausbreitung stattfindet und ist für keramische Werkstoffe eine wichtige Materialkenngröße. Der KIC- Wert wird häufig als Bruchwiderstand Bruchzähigkeit oder Rißzähigkeit bezeichnet. Zum besseren Verständnis sollen an dieser Stelle die im Zusammenhang mit keramischen Werkstoffen und KIC-Werten häufig genannten Begriffe Zähigkeit und Sprödheit näher definiert werden.

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 GIC wird die Energie bezeichnet, die aufgebracht werden muß, um den Riß um eine Flächeneinheit zu vergrößern [16]. Die spezifische Bruchflächenenergie γist die notwendige Energie, um eine Bruchfläche zu erzeugen. Da bei Rißfortschritt zwei Oberflächen entstehen folgt,

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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 GI ist die Energie, welche bei einer Rißverlängerung um eine Flächeneinheit freigesetzt wird. Diese kann wie folgt beschrieben werden

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wobei S die Rißfläche ist.

Die Energiefreisetzungsrate ist mit KI wie folgt verknüpft:

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Zur Ermittlung von Materialkennwerten, wie z. B. der wichtigen Größe KIC, 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 KIC- 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.

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

Durch Auftreten eines steigenden Rißwiderstands besteht die Gefahr, daß kleine Risse im Bauteil gefährlichere Auswirkungen haben, als nach den an langen, makroskopischen Rissen gemessenen KIC - 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 at langsam bis zu der von der Belastung abhängigen kritischen Größe ac, 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 e variieren.

Die Materialabtragsrate Qwa, bzw. das Zeitspanvolumen für das Plan-Umfang­Schleifen wird bestimmt durch die Zustellung ae, die Vorschubgeschwindigkeit Vft und der Eingriffsbreite ap der Schleifscheibe und ist gegeben durch

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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 Qwi 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 vc, der Vorschubgeschwindigkeit Vft und der Eingriffstiefe ae. Die Dicke der Schicht wird als die äquivalente Spanungsdicke heq bezeichnet und ist definiert als

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

Aus dieser Gleichung ist zu erkennen, daß die Werkstückvorschubgeschwindigkeit vft und die Schnittgeschwindigkeit den Prozeß unterschiedlich beeinflussen. Die äquivalente Spanungsdicke steigt mit zunehmendem Vorschub, sinkt jedoch bei
erhöhter Schnittgeschwindigkeit. Es ist hier jedoch zu beachten, daß heq 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 (Na) 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.

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

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

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

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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].

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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 NAtheo wie folgt:

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Mit dem modellhaften Einzelkornvolumen einer Kugel

dem Volumen der Kornschicht

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

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

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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]:

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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.

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

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

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Dabei gibt hmax, bei konstant angenommenem effektiven Schneidenabstand Lk, 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 Akon zwischen Werkzeug und Werkstück. Beim Umfangs-Plan-Querschleifen ist diese Fläche geometrisch durch das Produkt von Kontaktlänge lg und Eingriffsbreite ap der Schleifscheibe gegeben

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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.

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

Die auftretenden Schleifkräfte lassen sich wie folgt aus den gemessenen vertikalen und horizontalen Kräften Fx und Fy bestimmen

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Für die Umrechnung des Kraftvektors[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] in die Form [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist die Kenntnis über den wahren Kraftangriffspunkt bzw. seines Winkels erforderlich [33].

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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 lg abhängig.

Da die auftretenden Bearbeitungskräfte Fn und Ft sowie die Schleifleistung Pc von der Schleifscheibeneingriffsbreite ap abhängen, werden diese Prozeßgrößen darauf bezogen:

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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 ec 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].

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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 Diamantkörner - synthetischer (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 entsprechend widerstandsfähige und scharfkantige Diamantkornqualitäten aufzufangen, um so eine gleichbleibende Schnittqualität zu erreichen. Andererseits wird auch häufig auf splitterfreudige Diamantschneidstoffe zurückgegriffen, um durch Selbstschärfung ständig neue, scharfe Schneidkanten im Einsatz zu haben [36]. Eine weitere Möglichkeit, stationäres Schleifscheibenverhalten zu erreichen, bietet das In- Process-Schärfen [39]. Andere Autoren [96] weisen auf den positiven Einfluß angeflachter Diamantkörner hin. Sie argumentieren damit, daß sich durch eine erhöhte Flächenbelastung der zum plastischen Verformen des Werkstoffs notwendige hydrostatische Druck besser erreichen läßt.

Das Bindungssystem der Schleifscheibe ist verantwortlich für die Fixierung der Schleifkörner. Eine optimale Bindung ist dadurch charakterisiert, daß sie die scharfen Körner hält und die verschlissenen freigibt. Weiterhin muß die Bindung selbst einen hohen Verschleißwiderstand aufweisen, da sie durch abgetragene Späne und ausgebrochenen Schleifstoff beansprucht wird. Die physikalischen Eigenschaften, wie der Widerstand gegen Kornausbruch sowie die thermische Leitfähigkeit, bestimmen das Schleifscheibenverhalten während der Bearbeitung. Nach Untersuchungen von Uhlmann [3] wird bis zu 75% der während des Schleifprozesses entstehenden Wärmeenergie durch die Schleifbeläge in den Grundkörper abgeführt (siehe Abbildung 2-9). Wobker gibt einen Bereich zwischen 60 und 90% der durch den Schleifbelag abgeführten Prozeßwärme beim Diamantschleifen an, begünstigt durch die sehr gute Wärmeleitfähigkeit des Diamanten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-9: Wärmefluß beim Schleifen keramischer Werkstoffe nach [3]

In der Praxis werden vor allem die oben genannten drei Bindungstypen, Kunstharz Keramik und Bronze eingesetzt. Diese stellen normalerweise mehrschichtige Bindungssysteme dar, aber auch galvanisch Nickel gebundene, einschichtig belegte Schleifscheiben finden Einsatz in der Keramikbearbeitung.

Da die Verwendung des Bindungssystems anwendungsspezifisch ist, kommt es bei Festlegung einer Schleifscheibenbindung insbesondere auf die Randbedingungen an. Eine dieser Randbedingungen kann die Frage nach der Formgenauigkeit sein mit der das Werkstück bearbeitet werden muß. Bei hohen oder wechselnden Normalkraftniveaus nimmt der Steifigkeitseinfluß der Maschine, je nachdem welcher Schleifscheibenbindungstyp zum Einsatz kommt, mehr oder weniger stark Einfluß auf das Arbeitsergebnis.

Koch [36] untersuchte in diesem Zusammenhang vier verschiedene Bindungssysteme hinsichtlich Ihres Verschleißverhaltens, der Normalkraft und der erreichbaren Arbeitsergebnisse. Dabei handelte es sich um zwei kunstharz-, eine keramisch- und eine bronzegebundene Schleifscheibe. Ebenso wie in Untersuchungen von Uhlmann [3], weisen das kunstharzgebundene und das keramische Bindungssystem die besten Ergebnisse hinsichtlich der auftretenden Normalkräfte auf. Jedoch ist das Verschleißverhalten der beiden Systeme im Vergleich zu bronzegebundenen Schleifscheiben erheblich schlechter. Diese Ergebnisse werden dahingehend interpretiert, daß es durch die geringeren Kornhaltekräfte der keramischen- und Kunstharzbindung zu verstärktem Kornausbruch kommt und somit die Schleifscheibe schneidfreundlich bleibt.

Ausschlaggebend für die Auswahl eines geeigneten Bindungssystems ist neben der erzielbaren Oberflächengüte der auftretende Radialverschleiß, der bei keramisch gebundenen Schleifscheiben betragsmäßig am höchsten und bei bronzegebundenen am niedrigsten ist. Sobald eine hohe Profilhaltigkeit gefordert ist wie z. B. beim Profilschleifen darf der Radialverschleiß jedoch nicht ausschließliches Kriterium für die Schleifscheibenauswahl sein trotz der hohen Beschaffungskosten keramischer und bronzegebundener Schleifscheiben [3]. Unter der Berücksichtigung und Abwägung der Kriterien zur Schleifscheibenauswahl (ohne Berücksichtigung der Konditionierungskosten), empfiehlt sich eine kunstharzgebundene Diamant­schleifscheibe zur Bearbeitung keramischer Werkstoffe.

Zur Auswahl einer geeigneten Schleifscheibe und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit des Schleifprozesses, ist der Schleifscheibendurchmesser in die Überlegungen miteinzubeziehen. Durch die Erhöhung des Schleifscheiben­durchmessers vergrößert sich die Kontaktlänge, die kinematische als auch die aktive Schneidenzahl Nskin und Nsact, die geringere Spanungsdicken hc zur Folge haben. Einen positiven Einfluß eines großen Scheibendurchmessers auf den Radialverschleiß Δrs und die gemittelte Rauhtiefe Rz konnte Uhlmann beim Tiefschleifen von HPSN nachweisen.

Da die Werkzeugkosten mit dem Durchmesser nahezu proportional ansteigen und da das verwendete Karatgewicht im wesentlichen die Werkzeugkosten bestimmt, kann die Wirtschaftlichkeit am Schleifverhältnis abgeschätzt werden. Da das G -Verhältnis mit dem Durchmesser der Schleifscheibe ansteigt, der Radialverschleiß abnimmt und zusätzlich die Oberflächengüte besser wird, ist eine verbesserte und wirtschaftliche Bearbeitung mit größeren Schleifscheibendurchmessern zu erreichen. Einfluß auf Verschleiß und Oberflächengüte wird jedoch nicht allein von den gewählten Stellgrößen und der Schleifscheibe ausgeübt. Die Wahl eines optimalen Kühlschmiermittels kann zusätzlich zum Erreichen eines guten Arbeitsergebnisses sowie zu einer verbesserten wirtschaftlichen Bearbeitung beitragen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.2 Verwendete Kühlschmierstoffe zur Bearbeitung von Hochleistungskeramik

Infolge der hohen Wärmemenge, die während des Schleifprozesses durch Reibungs­Trenn- und Schervorgänge generiert wird, ist dem Kühlschmierstoff eine hohe Bedeutung in Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Erreichen der technologischen Zielgrößen beizumessen. Die Aufgaben des Kühlschmierstoffes sind es, in der Wirkzone die mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen des Werkzeugs und des Bauteils zu minimieren, den Abtransport des Zerspanproduktes aus der Bearbeitungszone zu gewährleisten sowie einer Korrosion der beteiligten Systemkomponenten vorzubeugen [44, 45, 46].

Bei der trennenden Bearbeitung sprödharter und duktiler Materialien können die verwendeten Kühlschmierstoffe nach DIN 51 385 in drei Gruppen aufgeteilt werden: wassermischbare, nichtwassermischbare, und wassergemischte Kühlschmierstoffe [49].

Wobei sich die drei Gruppen vor allem in Ihrer Schmier- und Kühlwirkungseffizienz unterscheiden. Der chemische Einfluß des jeweiligen Kühlschmierstoffs, z.B. die Bildung einer Reaktionsschicht mit der Werkstückoberfläche ist bisher noch nicht ausreichend untersucht worden [47]. Es ist jedoch anzunehmen, daß tribochemische Reaktionen an der Oberfläche stattfinden und zusammen mit einer äußeren Beanspruchung für ein späteres Bauteilversagen verantwortlich sein können. Vor allem im Zusammenhang mit induzierten Bearbeitungsschäden kann Spannungsrißkorrosion auftreten, was eine Voraussage für das Langzeitverhalten keramischer Werkstoffe zusätzlich erschwert [48]. Untersuchungen an Aluminiumoxid-Keramik zeigen, daß nach der Hartbearbeitung die oberflächennahen Körner hohe Eigenspannungen aufweisen [48, 50]. Diese Eigenspannungen können während einer korrosiven Beanspruchung relaxieren und somit die, in Hinblick auf Rißverlängerung, günstigen Druckeigenspannungen abbauen. Intergranular ausgebrochene Körner lassen zudem einen erleichterten korrosiven Angriff entlang der Korngrenzen im plastisch deformierten Bereich vermuten [48]. Dadurch können sich hartbearbeitete Bauteiloberflächen grundlegend in Ihren Eigenschaften ändern und die geforderte Funktion eines Bauteils in Frage stellen. Andererseits können sich passivierende, bzw. verschleißmindernde Schichten durch tribochemische Vorgänge an der Oberfläche ausbilden. An Aluminiumoxid-Keramiken kann sich in Folge tribochemischer Reaktionen eine Schicht aus Aluminiumhydroxyd (AlOOH, Böhmit) bilden, die auf Reaktionen der ungesättigten Oberfläche mit der Luftfeuchtigkeit in Verbindung gebracht wird. Der Nachweis solcher Schichten kann durch Element- und Phasenanalysen erbracht werden. Die Ausbildung einer solchen Schicht kann für den Bauteileinsatz durchaus positive Eigenschaften haben. Da die Schicht aus Böhmit wesentlich weicher als das Sinter-Grundgefüge ist, kann sie als Festschmierstoff wirken und somit einem Verschleißangriff durch Reduzierung des Reibkoeffizienten vorbeugen [48].

Bei der Bearbeitung sprödharter Materialien haben die unterschiedlichen Kühlschmierstoffsysteme verschiedene Auswirkungen auf das Arbeitsergebnis (Oberflächengüte), den Werkzeugverschleiß, die auftretenden Kräfte und somit auch auf die resultierenden Eigenspannungen und allgemein auf den Abtragsmechanismus

So konnten Karpuschewski und Lierse [21] beim Schleifen einer Aluminiumoxidkeramik unter Verwendung von Mineralöl, eine, im Vergleich zur Emulsion verbesserte Oberflächengüte feststellen. Ergebnisse von Brücher [44] zeigen ebenfalls verbesserte Ergebnisse in Bezug auf die Oberfläche und den Schleifscheibenverschleiß bei Verwendung von Mineralöl als Kühlschmiermittel. Diese Ergebnisse können mit einem veränderten Abtrennmechanismus in Verbindung gebracht werden. Dabei spielt insbesondere die Reduzierung der Reibkraft, bzw. der Reibschubspannung (τR) eine entscheidende Rolle. Nicht nur die entstehende thermische Energie sondern vor allem die tangentiale Kraftkomponente ist von der auftretenden Reibschubspannung abhängig.

Bei der Bearbeitung thermoschockempfindlicher Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxid, ist der entstehende, hohe Temperaturgradient bei Verwendung eines KSS mit hoher Kühlwirkung entscheidend. Durch einen hohen Temperaturgradienten ausgelöste thermische Spannungen können einen kritischen Wert erreichen und zu Materialabplatzungen führen [21,28,44]. Der maximal ertragbare Temperaturgradient errechnet sich nach folgender Gleichung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit der Zugfestigkeit σ, der Poisson-Zahl μ, der Wärmeleitfähigkeit λ, dem Elastizitätsmodul E, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α, dem Formfaktor C und aKSdem Wärmeübergangskoeffizienten [51].

Siliziumnitrid, sowie auch andere Keramiken mit Glasphasenanteilen, verhalten sich weniger Sprödbruch anfällig bei hohen Temperaturen, da sie viskoses Verhalten aufweisen und somit zum Spannungsabbau durch plastische Verformung beitragen. Brücher [44] ermittelte durch eine Nutzwertanalyse, den auf der Basis technologischer Versuche unter Berücksichtigung ökologischer, wirtschaftlicher und sicherheitstechnologischer Aspekte, besten Kühlschmierstoff. Als Kühlschmierstoffalternativen wurden ein Mineralöl, ein Ester und eine Lösung miteinander verglichen. Auf Grundlage der von Brücher getroffenen Gewichtungen und der verwendeten Kriterien wurde das Esterprodukt als bester Kühlschmierstoff bewertet. Unter rein technologischen Gesichtspunkten (Normalkraftniveau, Oberflächengüte, bzw. Oberflächenrauheit und Radialverschleiß der Schleifscheibe) wird jedoch das Mineralöl als empfehlenswertestes Kühlschmiermittel beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-10: Vergleich und Abhängigkeiten der Schleifprozeßgrößen und Arbeitsergebnisse vom verwendeten Kühlschmierstoff (Mineralöl/Lösung) nach Brücher [44]

2.3 Modelle zur Beschreibung des Schleifprozesses, zur Spanbildung und Oberflächenentstehung

Die meisten Studien und Forschungsschwerpunkte der vergangenen Jahre befassen sich insbesondere mit der Interaktion zwischen Diamantschleifkorn als abrasives Medium und dem Werkstück. Dabei wird oft entweder ein bruchmechanischer Ansatz auf Indenter Versuchen - nach Vickers, oder Knoop - basierend, oder ein Bearbeitungsansatz gewählt. Der bruchmechanische Ansatz versucht die Interaktion Schleifkorn - Werkstück durch ein induziertes, idealisiertes Fehlersystem und (plastische) Deformation, hervorgerufen durch einen geometrisch bestimmten Eindringkörper, zu modellieren. Der Bearbeitungsansatz zur Beschreibung der Vorgänge beim Schleifen bezieht sich meist auf Messungen von Kräften bei Einkorn-, Mehrkornritz- oder Schleifversuchen, gekoppelt mit Mikroskopaufnahmen der entstehenden Ritzspuren oder der durch Schleifversuche geschaffenen Oberflächenmorphologien [52].

Indenter- Versuche und Modelle

Der bruchmechanische Indenter Ansatz wird dazu benutzt, die Interaktion zwischen dem abrasiven Werkzeug und dem Werkstück beim Schleifen keramischer Werk­stoffe auf einen, in einem kleinen Bereich konzentrierten, Eindringvorgang zu beziehen.

Scharfe Eindringkörper wie Vickers- oder Knoop-Diamanten, wie sie zur Härte­bestimmung eingesetzt werden, induzieren zwei Grundtypen von Rißmustern, die radial-vertikal verlaufenden und die lateral verlaufenden Risse (siehe Abbildung 2-11).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-11: Rißentstehung bei Härteeindringversuchen [73]

Die Abbildung 2-11 stellt die Entstehung der Risse während eines Härteeindringversuchs dar. Direkt unter dem Eindringkörper bildet sich eine plastisch deformierte Zone aus. Von dieser Zone ausgehend bilden sich die oben beschriebenen Risse bei Überschreiten einer kritischen Last. Der vertikal/radial Riß wird mit einer Schwächung des Materials in seiner Festigkeit und die lateralen Risse mit einer Materialabtrennung in Verbindung gebracht [52, 55].

Erste Studien über die sich bildenden Risse beim Härteeindringversuch begannen in den 70'er Jahren. Lawn und Marshall [53] berechnen die Länge des vertikal in den Werkstoff verlaufenden Risses mit Hilfe der Boussinesq-Lösung für das elastische Spannungsfeld bei einer normal zur Oberfläche angreifende Last. Die Integration des Spannungsfeldes um den Riß wird von ihnen benutzt, um die Beziehung zwischen aufgebrachter Last und der Rißlänge vorauszuberechnen. Ein proportionaler

Zusammenhang zwischen Rißlänge und aufgebrachter Last (P^c) wurde für Natron­Kalk-Glas experimentell bestätigt [54].

In einer weiteren Arbeit wird beobachtet, daß die vertikale Rißbildung nicht ausschließlich bei Belastung , sondern auch während der Entlastung auftritt [55].

Da eine nichtlineare plastische Deformation Eigenspannungen hervorruft, haben sich viele Wissenschaftler mit dem Einfluß der entstehenden Spannungsfelder auf die Rißbildung und -ausbreitung beschäftigt [42, 56-61]. Eine der ersten Arbeiten versucht das Problem der vertikalen Rißausbreitung durch getrenntes Betrachten der elastischen und plastischen Komponenten beim Indentertest zu lösen. Die Ergebnisse werden dahingehend interpretiert, daß die Rißentstehung auf die elastische Komponente zurückzuführen ist. Bei Entlastung geht die elastische Verformung zurück und es entstehen Zugspannungen an der Grenze zwischen elastischer und plastischer Materialdeformation, die den Riß weiter wachsen lassen oder neue Risse induzieren. Durch die Modellierung der Eindruckfläche unter dem Härteeindringkörper als eine ausgedehnte plastische Zone umgeben von einer elastischen Matrix, wird die stabile Rißlänge/Rißausbreitung wie folgt beschrieben [42]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wobei P die aufgebrachte Last, c die Rißlänge, H die Härte, E der Elastizitäts-Modul, Kc die Rißzähigkeit, 2Ψ der Winkel zwischen zwei gegenüberliegenden Indenterkanten und ξ eine Konstante ist. Diese Gleichung ist jedoch nur gültig für eine Last, die über der Rißauslösenden liegt.

Daß sich der als extrem spröde angesehene Werkstoff Keramik tatsächlich bei Raumtemperatur plastisch verformen läßt, wird von Hockey [77] durch transmissions­mikroskopische Aufnahmen nachgewiesen. Dabei spielen die Mechanismen, Versetzungsbewegung und Zwillingsbildung des Werkstoffs eine entscheidende Rolle.

Krell [62] untersucht in diesem Zusammenhang den Einfluß der Korngröße auf das Vermögen des Materials sich plastisch zu verformen. Er stellt fest, daß eine Beeinflussung der Versetzungs- und Zwillingsbildung, beziehungsweise deren Ausbreitung und Wanderung, durch die Korngrenzen behindert wird. Daraus folgert

Krell, daß bei feinkörnigem Werkstoffgefüge die plastisch deformierte Zone begrenzt ist und eine höhere Härte im Vergleich zu grobkörnigerem Material erreicht wird.

Einkorn-Ritzversuche

Ein einfaches Modell zur Beschreibung der Materialtrennmechanismen durch Ritzen oder Abrasion, betrachtet den Eingriff eines einzelnen Partikel in die Oberfläche eines Werkstücks. In Analogie zu den induzierten Schädigungen durch Indenter Versuche in keramischen Werkstoffen, wird auch hier der Trennmechanismus in zwei unterschiedliche Prozesse klassifiziert. In einen spröden, rißinduzierenden und einen duktilen Prozeß der durch plastische Verformung des Werkstücks erreicht wird [63].

Zwei grundlegende Modelle wurden entwickelt um den spröden Material­abtrennvorgang an keramischen Werkstoffen während der abrasiven Bearbeitung zu beschreiben. Das Modell von Evans und Marshall [53] basiert auf der Bildung von Rissen parallel zur Oberfläche, hervorgerufen durch Spannungen die beim Entlasten des Werkstoffs auftreten (siehe auch vorheriges Kapitel). Im Gegensatz zu diesem Modell, welches einzelne Risse betrachtet, basiert das „Zerkleinerungs- Modell“ von Kirchner et al. [64] auf der Bildung und Ausbreitung eines Mikrorißnetzwerks in der spannungsbeanspruchten Zone unter der Kontaktfläche.

In vielen Ritzuntersuchungen ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück so gering, daß durch diese Untersuchungen der thermische Effekt beim Materialtrennmechanismus, wie er beim Schleifen auftritt, nicht simuliert wird. Trotzdem kann der Ritz- und der Indentertest zum Verständnis der fundamentalen Verformungs- und Bruchvorgänge, wie sie im Schleifprozeß vorkommen, beitragen [74].

Hockin und Jahanmir [65] untersuchten anhand von Ritztests den Einfluß der Materialkorngröße auf den Trennprozeß. Die Mikrostruktur der zu bearbeitenden Keramik spielt eine wesentliche Rolle für die mechanischen Eigenschaften und seine Bearbeitbarkeit. In Aluminiumoxidkeramiken wird z. B. ein Effekt der Korngröße sowie der Rißlänge auf den Bruchwiderstandswert festgestellt. In Proben mit Rissen in der Größenordnung von Millimetern ist ein steigender Bruchwiderstandswert mit steigender Korngröße zu messen. Für Risse, deren Größenordnung im Bereich der Korngröße liegt, nimmt der Bruchwiderstandswert jedoch ab. Weiterhin wird eine verbesserte Bearbeitbarkeit mit steigender Materialkorngröße festgestellt [65, 66, 67].

[...]

Ende der Leseprobe aus 131 Seiten

Details

Titel
Schädigungsuntersuchungen an ultrapräzise geschliffenen keramischen Werkstoffen
Hochschule
Universität Bremen  (Labor für Mikrozerspanung)
Note
1,15
Autor
Jahr
2000
Seiten
131
Katalognummer
V339
ISBN (eBook)
9783638102445
Dateigröße
15498 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Schleifen, Keramik, Oberflächenschädigungen, Modelle
Arbeit zitieren
Daniel Grimme (Autor), 2000, Schädigungsuntersuchungen an ultrapräzise geschliffenen keramischen Werkstoffen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/339

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