Diamantanbindung durch Carbidbildung – Zuschlag von Chrom führt zur Steigerung der Kornhaltekräfte von Schleifwerkzeugen

von Berend Denkena, Alexander Krödel, Roman Lang, 01. Juni 2021
Moderne metallisch-gebundene Diamantschleifscheiben verwenden zumeist ein Bindungssystem aus Bronze.

Die Anbindung zwischen dem Diamantkorn und der metallischen Bindungsmatrix ist dabei rein mechanisch, da Diamant mit Kupfer und Zinn keine chemische Bindung eingeht. Durch eine gezielte chemische Anbindung der Körner an das Bindungsmaterial könnten jedoch die Produktivität, die Kornhaltekräfte und somit auch das Verschleißverhalten der Schleifwerkzeuge verbessert werden. Daher wird derzeit am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) untersucht, ob durch die Zugabe von Chrom eine stoffschlüssige Anbindung der Diamantkörner an die Bindung erreicht werden kann. Im folgenden Artikel wird gezeigt, dass durch diese Vorgehensweise die strukturelle Integrität, gemessen an der Bruchbiegespannung von Diamant-Kupfer Kompositen, um bis zu +363% gesteigert werden kann.

Einleitung

Metallisch gebundene Schleifscheiben werden vorrangig beim Schleifen von schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Hartmetall oder Cermets eingesetzt. Dabei stellen die hohen Zustellungen und Vorschubgeschwindigkeiten beispielsweise beim Nutentiefschliff von Hartmetall hohe Anforderungen an die verwendeten Schleifwerkzeuge. Die fehlende chemische Kornanbindung zwischen Diamant und Bindungsmatrix stellt hierbei einen limitierenden Faktor für die Steigerung der Produktivität des Schleifprozesses dar. Eine Erhöhung dieser Produktivität ist über die Steigerung des Zeitspanvolumens zu realisieren, die allerdings auch zu einer Erhöhung der resultierenden Schleifkräfte und entstehenden Wärme im Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück führt. Die Erhöhung der Schleifkräfte führt wiederum zu einer höheren Belastung der Schleifkörner, sodass es bei unzureichender Kornanbindung zum frühzeitigen Ausbrechen der Schleifkörner aus der Bindungsmatrix und somit zu erhöhtem Werkzeugverschleiß kommt.

Die Ausbildung einer Carbidschicht am Übergang zwischen Bindung und Schleifkorn bietet nicht nur das Potenzial die Kornhaltekräfte durch chemische Stoffanbindung weiter zu erhöhen, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Schleifbelages deutlich zu steigern. Dies würde durch eine erhöhte Wärmeabfuhr durch das Werkzeug die Qualität des geschliffenen Bauteils erhöhen. Um solche eine chemische Anbindung durch eine Carbidschicht zu erzeugen, wurde in verschiedenen Arbeiten bereits Chrom in geringen Mengen zu Diamant-Kupfer-Kompositen zugegeben und hierdurch eine Verdreifachung der Wärmeleitfähigkeit des gesamten Komposites erreicht [1]. Die Reduktion der Werkstoffoberflächentemperatur schafft dabei das Potenzial zur Steigerung der Prozessstellgrößen bei gleichbleibender thermischer Belastung des Werkstücks. Das Element Chrom bietet dabei den Vorteil, dass es im Gegensatz zu anderen Carbidbildnern wie Nickel oder Kobalt nach Untersuchungen von Tillmann nicht zur Graphitisierung des Diamanten führt [2]. Bisher wurde allerdings noch nicht untersucht, inwiefern das Schleifverhalten durch die Zugabe von Chrom verbessert werden kann und wie hoch die zugegebene Menge an Chrom idealerweise sein sollte. Daher wurden entsprechende Untersuchungen am IFW durchgeführt.

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