Schneidstoffe
Schneidstoffe
Als Schneidstoffe werden diejenigen Werkstoffe bezeichnet, aus denen der schneidende Teil eines Zerspanungswerkzeuges besteht. Schneidstoffe bestimmen wesentlich die Wirtschaftlichkeit eines spanenden Prozesses, aufgrund dessen müssen diese verschleißfest und ausreichend zäh sein, um lange Standzeiten und hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten. Die heute noch anhaltende Entwicklung der Schneidstoffe geht auf das Ende des 19. Jahrhunderts zurück und brachte eine Fülle verschiedener Materialien hervor.
Geschichte
Seit dem ersten Kohlenstoffstahl aus dem Jahre 1894 haben die Schneidstoffe eine rasante Entwicklung hinter sich, die vor allem seit 1970 mit der Einführung beschichteter Hartmetalle zu einem sprunghaften Anstieg der Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe geführt hat. Die hier aufgeführten Werte beziehen sich immer auf die Bearbeitung von Stahl unter günstigen Bedingungen. Während die Schnittgeschwindigkeiten 1894 noch bei etwa 5 m/min lag, konnte sie mit dem 1900 von der Bethlehem Steel Corporation auf der EMO in Paris vorgestellten Schnellarbeitsstahl mehr als verdoppelt werden. Eine weitere deutliche Anhebung geschah 1913 durch verbesserte Schnellarbeitsstähle auf 30 m/min und 1914 mit gegossenen Hartlegierungen auf 40 m/min. Eine Revolution waren die 1926 eingeführten und 1931 mit Wolframcarbid gesinterten Hartmetalle, die Geschwindigkeiten von etwa 200 m/min zuließen. Eine weitere Verdopplung erfolgte schließlich 1955 mit hochtitancarbidhaltigen Hartmetallen. 1958 schließlich tauchten die ersten Keramiken als Schneidstoff auf dem breiten Markt auf und ermöglichten ein Anheben der Geschwindigkeit auf 500 m/min. Auch synthetischer Diamant wurde zu dieser Zeit erstmals industriell als Schneidstoff eingesetzt. Mit superharten Schneidstoffen auf Bornitridbasis konnte 1965 nun auch gehärteter Stahl wirtschaftlich bearbeitet werden. Beschichtete Hartmetalle auf Titancarbidbasis erhöhten 1970 die Standzeit der Werkzeuge beträchtlich, doch kurz darauf, 1975, kamen schon mehrfach beschichtete Hartmetalle auf den Markt. Dem großen Nachteil der Schneidkeramik, der Sprödheit, konnte 1978 mit verbesserten Schneidkeramiken beziehungsweise Siliziumnitrid entgegengewirkt werden. Ebenfalls für gehärtete Stähle und schwerste Zerspanarbeit wurden 1979 superharte Verbund- und Mischschneidstoffe entwickelt. Der letzte große Meilenstein war die Entwicklung von so genannten Feinstkornhartmetallen, die einige Vorteile gegenüber gewöhnlichen Hartmetallen besitzen, wie hohe Zähigkeit bei gleichzeitiger hoher Härte.
Anforderungen und Eigenschaften von Schneidstoffen
Schneidstoffe sind Belastungen wie schlagartigen Schnittkräften, hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen sowie Reibung und Verschleiß ausgesetzt. An den Werkzeugschneiden von Werkzeugmaschinen wird fast die gesamte eingebrachte Antriebsleistung in Reibungswärme umgesetzt, nur ein vernachlässigbar kleiner Teil wird in die Verfestigung der Werkstückoberfläche umgesetzt. Deshalb muss für eine gute Abfuhr dieser Wärme gesorgt werden. Der Großteil von ihr, wird mit dem Span abgeführt, ein kleiner Teil verbleibt im Werkstück oder gelangt in das Werkzeug und muss durch Kühlung mit einem Kühlschmiermittel oder durch Ableiten der Energie durch das Werkzeug selbst auf einem zulässigen Temperaturniveau gehalten werden. Da die Schnittgeschwindigkeit für die Wärmeentwicklung den entscheidenden Faktor darstellt, hat der Wunsch der Industrie nach immer weiteren Steigerungen, die bisher bekannten Schneidstoffe an ihre Leistungsgrenzen gebracht. Nur mit neuen Bearbeitungsstrategien können noch wesentliche Steigerungen erzielt werden, wie es beispielsweise durch das wärmeinduzierte Zerspanen geschieht. Eine weitere Möglichkeit das Zeitspanvolumen und auch die Oberflächengüte zu erhöhen, wird mit Werkstückwerkstoffen umgesetzt, die auf Spanbarkeit optimiert wurden, wie Automatenstähle oder bleihaltige Aluminiumlegierungen.
Damit die Schneidstoffe den Belastungen standhalten können, müssen sie folgende Eigenschaften besitzen:
• Schneidfähigkeit / Härte: Um gut schneidfähig zu sein und zu bleiben (Schneidhaltigkeit), muss ein Werkstoff wesentlich härter als der zu zerspanende Werkstoff sein. • Verschleißfestigkeit: Um verschleißfest zu sein, muss der Schneidstoff ausreichend Widerstand gegen das Abtragen von Schneidstoffteilchen beim Werkstoffkontakt haben. Maßgeblicher Einflussfaktor ist neben der Härte die Temperatur an der Schneide. • Warmhärte oder auch Anlassbeständigkeit: Auch unter den hohen Temperaturen, die beim Spanen entstehen, muss der Schneidstoff seine Härte behalten. • Hohe Zähigkeit und Bruchfestigkeit: Schneidkantenbrüche und Rissausbreitungen unter (Biege-) Beanspruchung sollen möglichst vermieden werden. • Warmfestigkeit: Sie ist ein Maß dafür, wie gut ein Schneidstoff bei hohen Temperaturen seine Festigkeit und damit mechanischen Beanspruchungen widersteht. • Temperaturwechselbeständigkeit: Dient der Vermeidung von Rissbildung durch Materialermüdung infolge starker Temperaturschwankungen. Diese treten auf, wenn die Schneiden wie etwa beim Fräsen immer nur kurz im Einsatz und wechselnd im Einsatz sind. • Thermoschockbeständigkeit: Darunter versteht man die Eigenschaft, schlagartige Temperaturwechsel ohne Kantenausbrüche zu überstehen. Ein geringer Wärmeausdehnungskoeffizient sowie eine geringe Wärmeleitfähigkeit erhöhen die Beständigkeit. Beim Fräsen oder bei mangelnder Kühlschmierstoffversorgung ist dies wichtig. • Chemische Stabilität: Der Schneidstoff sollte keine Verbindung mit den ihn umgebenden Stoffen eingehen. Vor allem gegenüber dem Span, aber auch dem Kühlschmierstoff und der Luft soll er chemisch beständig sein. Bildungsenthapie (Wärmebildung durch Reaktion von mindestens zwei unterschiedlichen Stoffen) ist ein Maß der chemischen Stabilität. • Gute Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit ist das Vermögen des Schneidstoffes thermische Energie mittels Wärmeleitung in Form von Wärme zu abzutransportieren.
Die Anforderungen an Eigenschaften der Schneidstoffe sind dabei teilweise gegensätzlich. Daher gilt für alle Schneidstoffe die grundlegenden Dualismen (Gesetzlichkeiten): Ein Schneidstoff mit hoher Zähigkeit, besitzt keine hohe Härte. Auch ist ein Schneidstoff mit zunehmender Verschleißfestigkeit mehr und mehr empfindlich auf Schlagbelastung. Deshalb bleibt die Auswahl des richtigen Schneidstoffes immer ein Kompromiss, bei dem einzelne Eigenschaften von Materialien den konkreten Zerspanbedingungen folgend gegeneinander abgewogen werden müssen. Dies setzt genaue Kenntnisse der Wirkungsweise einer jeweiligen Zerpanungsart voraus.
Arten
Schneidstoffe werden in die drei Hauptgruppen metallische Schneidstoffe, Verbundschneidstoffe und keramische Schneidstoffe mit jeweils mehreren Untergruppen eingeteilt. Die hier verwendeten Abkürzungen haben die DIN ISO 513 als Grundlage.
Unlegierte und legierte Werkzeugstähle:
Werkzeugstähle dienen wegen ihrer geringen Warmhärte, die Arbeitstemperatur liegt bei unlegierten Werkzeugstählen bei maximal 200°C, und der daraus resultierend gering möglichen Schnittgeschwindigkeit, zur Herstellung von Werkzeugen (Hammer, Feile, Reibahle usw.) und Holzsägeblättern Verwendung. Der Kohlenstoffanteil bewegt sich zwischen 0,45 und 1,5%. Sie erhalten ihre hohe Kalthärte und den daraus hervorgehenden Verschleißwiderstand durch einen Härteprozess, Härteprozess 760 – 850°C; Anlasstemperatur 200 – 350°C; Arbeitstemperatur bis 200°C, bei dem sich ein martensitisches (hart und feinkörniges) Gefüge ausbildet.
Legierte Werkzeugstähle besitzen je nach Legierungsbestandteilen bei einem C-Gehalt zwischen 0,2 und 1,5% eine maximale Arbeitstemperatur von 400°C. Aufgrund ihrer guten Schneidhaltigkeit und des günstigen Preises werden aus ihnen verschiedenste Schneidwerkzeuge gefertigt. Legierungszusätze betragen bis zu 5% von: Chrom – Cr; Wolfram – W; Molybdän – Mo; Vanadium – V, welche eine höhere Anlassbeständigkeit ermöglichen. Sie erreichen eine höhere Verschleißfestigkeit durch den Zusatz von karbidbildenen Elementen. Durch den höheren Kohlenstoffgehalt wird eine größere Härte erreicht: Härteprozess 780 – 850°C; Anlasstemperatur 200 – 350°C; Arbeitstemperatur bis 400°C.
Schnellarbeitsstahl (HSS):
Schnellarbeitsstähle (HSS: High Speed Steel) sind ledeburitische (feinkörniges Gefüge aus Perlit und Zementhitkristallen), hochlegierte Werkzeugstähle. Er wird hauptsächlich bei Werkzeugen verwendet, die hohe Zähigkeit, große Spanwinkel, kleine Keilwinkel, hohe Schneidenfestigkeit und eine scharfe Schneide aufweisen müssen, die geringste mögliche Schnittgeschwindigkeit aber unwesentlich ist. Die Härte und der hohe Verschleißwiderstand ergeben sich aus dem martensitischen Grundgefüge (sehr feines und sehr hartes Gefüge) und aus eingelagerten Karbiden (Kohlenstoffverbindungen): W-, W-Mo-, Cr- und V-Karbide. Die Eigenschaften von HSS werden in erster Linie von den Legierungselementen W und Mo bestimmt. Die W- und Mo-Gehalte werden daher zur Klassifizierung von HSS in vier Gruppen genutzt. Sie werden mit S für Schnellarbeitsstahl und den Prozentangaben der Legierungselemente W-Mo-V-Co bezeichnet (z. B. S 10-4-3-10). • C: Bis 2,2% entscheidet die Härte in der Grundmasse und ist zur Karbidbildung erforderlich • W: Karbidbildner und erhöht die Anlassbeständigkeit (200-650°C) und die Verschleißfestigkeit • Mo: Erhöht die Durchhärtbarkeit und Zähigkeit. Aufgrund ähnlicher Eigenschaften und seiner halbierenden • Dichte gegenüber W, kann es dieses ersetzen. • V: Karbidbildner und erhöht die Härtetemperatur von HSS, dadurch können mehr Legierungselemente an Karbidbildnern gelöst werden, d.h. die Warmhärte und Anlassbeständigkeit wird erhöht.
HSS wird schmelzmetallurgisch hergestellt. Die Härtetemperaturen (1180-1280°C je nach Legierung) und die Tauchzeiten werden so gewählt, dass ein möglichst großer Teil der Karbide in Lösung geht, so dass keine Grobkörnigkeit entsteht. Der verbleibende Austenitanteil kann durch mehrmaliges Anlassen (540-580°C) verringert werden. Dem damit verbundenen Härteabfall durch Zerfall von Martensit wirkt die Ausscheidung von Karbiden entgegen. Der Härteabfall ist jedoch mit einer Zunahme der Zähigkeit verbunden. Bei der schmelzmetallurgischen Herstellung neigt das HSS während der Erstarrungsphase zu Seigerungen (Entmischung in der Schmelze), die sich nachteilig auf das Verschleißverhalten auswirken können. Um diese Nachteile zu umgehen, werden das Elektroschlackumschmelzverfahren (ESU) und die pulvermetallurgische Herstellung (PM) eingesetzt. Beide Verfahren führen zu einer gleichmäßigeren Gefügeausbildung und zu feinerem Korn. PM-Stähle: • bessere Kantenfestigkeit und Schneidenhaltigkeit • Gewinde- und Reibwerkzeugeinsatz • bei hohen V-Karbidanteilen sind sie besser schleifbar als erschmolzenes HSS • Hohe Herstellungskosten
Höhere Standzeiten und Schnittgeschwindigkeiten lassen sich mit HSS-Werkzeugen durch Beschichten mit Titannitrid (TiN) mit einer Schichtstärke von 2-7 m erreichen. Durch TiN wird die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff herabgesetzt und somit der adhäsive Verschleiß sowie auch die erforderliche Schnittleistung und Schnittkraft um 10-20% verringert. PVC-Verfahren: • (physikal vapor deposition – Vakuum Aufdampfen) Geringe Prozesstemperaturen 450-550°C, wobei kaum Anlasseffekt auftreten.
Merkmale: • Anschaffung etwa 500.000€ • Temperatur 990 – 1020°C • Vakuum 50 – 120mbar • Prozessdauer 24h • Schichtdicke Reaktives Ionenplatieren: • Stickstoff dient als Reaktionsgas, wobei Titan verdampft wird Kathodenzerstäubung: • (CVD = chemical vapor deposition – Reaktives Sputtern) • Prozesstemperatur liegt bei 900-1000°C, also weit über der Anlasstemperatur von HSS, daher muss bei diesem Verfahren nachgehärtet werden. Wegen der auftretenden Verzugsgefahr gelingt dies nur bei einfachen Formen (z.B. Wendeschneidplatten).
Merkmale: • Temperatur: 200°C im Lichtbogen ergibt 500°C Prozesstemperatur • Hochvakuum 2 * 10-5mbar • Prozessdauer 7,5h • Beschichtungsdicke: 2,5 bis 5m • Gasarten: Stickstoff, Methan, Argon, Helium • Titan durch Titantabletten 5 – 20gr.
Beschichtete Werkzeuge weisen erheblich längere Standzeiten auf. Selbst bei nachgeschliffenen Werkzeugen stellt sich noch ein deutlicher Effekt ein. Ursachen liegen in Stütz- und Schutzwirkungen als Folge von TiN – Verschleppungen. Beschichtet werden u.a Spiralbohrer, Fräser, Wälzfräser, Gewindebohrer, Reibahlen und Räumwerkzeuge. In der industriellen Fertigung spielen sie inzwischen eine untergeordnete Rolle, jedoch werden sie in absehbarer Zeit in einigen Bearbeitungsfällen nicht durch andere Schneidstoffe zu ersetzen sein.
Herstellung beschichteter Schneidplatten:
Beschichtete Schneidplatten haben besondere Vorteile: • Geringe Reibung • Geringe Adhäsion • Geringe Abrasion • Hohe chemische Stabilität • Hohe Zähigkeit • Geringe Diffusion zwischen Span und Schneidwerkstoff
Schneidplatten können verschiedene Oberflächenbeschichtungen haben. Im Wesentlichen sind das Titannitrid und Aluminium Schichten:
Titannitridbeschichtung: Aluminiumoxidbeschichtung:
Titannitrid Titannitrid Aluminiumoxid AL 2 O 3 Titan-Karbonnitrid Titan-Karbid Titankarbid Titan-Karbid Hartmetall Hartmetall Hartmetall
7 bis 10 m 8 m 5 m
Gesamtschichtdicke
Beschichtung Min Normal Max
Ti C 3 4,5 6 Ti CN 2 3,5 5 Ti N 1,5 2,75 4
Gesamtdicke m 7,5 11,25 15
Stellite:
Stellite sind gegossene Hartlegierungen. Sie zeichnen sich durch ein Grundmetall (Kobalt, Eisen oder Nickel) und einigen Carbidbildnern (Chrom, Molybdän, Vanadium oder Wolfram) aus. Sie wurden 1907 in den USA unter eigenen Markenbezeichnung auf den Markt gebracht. Im Gegensatz zu den Schnellarbeitsstählen ist der Anteil der carbidbildenden Legierungselemente wesentlich höher. Eine Wärmebehandlung der gegossenen und geschliffenen Werkzeuge ist in der Regel nicht vorgesehen und oft auch nicht möglich. Sie besitzen eine hohe Warmhärte, sind aber auch sehr spröde, da diese eine natürliche Härte von 700-750 HV aufweisen, brauchen sie nicht gehärtet zu werden. Die Verbreitung beschränkt sich fast ausschließlich auf die USA, denn die mit Stelliten ausführbaren Spanungsarbeiten lassen sich ebenso gut mit Schnellarbeitsstahl oder Hartmetall erledigen.
Zusammensetzung: Co: 42-53%; Cr: 42-33%; W: 11-22%; C: 1,8-3%; Cr und W bilden Karbide
Vorteile: • Gute Gestaltungsmöglichkeiten • Hohe Oxidationsbeständigkeit • Brauchen nicht gehärtet zu werden • Warmfestigkeit bis 700°C
Nachteile: • Bei niedriger Schnittgeschwindigkeit sind sie dem HSS unterlegen • Bei hoher Schnittgeschwindigkeit sind sie dem HM unterlegen • Sind sehr spröde und lassen sich nachhaltig schlecht bearbeiten
Hartmetalle:
Hartmetalle sind zwei- oder mehrphasig, pulvermetallurgisch (sintern) hergestellte Schneidstoffe, die aus metallischen Hartstoffen [Wolfram- (-Phase], [Titan-, Tantal- und Niobkarbid (-Phase)] oder Titankarbonnitrid und andere Titanmischkarbide) und einem Bindemittel, welches die Zähigkeit beeinflusst, [Kobalt (-Phase)] bestehen. Die günstige Eigenschaftskombination von Härte und Zähigkeit hat zur Vorraussetzung, dass Wolframkarbide von Kobalt sehr gut benetzt werden, so das Kobalt größere Teile des Wolframkarbids lösen kann. Die gute Benetzbarkeit bewirkt, dass Hartmetall nie entlang der Bindemetall-Karbid-Grenzflächen bricht. Das Lösungsvermögen bewirkt hohe innere Bindekräfte und eine gute Kantenfestigkeit des Hartmetalls.
Die Hartmetalle für die zerspanende Bearbeitung sind in drei Zerspanungshaupt- und Zerspanungsanwendungsgruppen eingeteilt.
• P (plastische Gruppe): WC- (TiC, TaC, NbC) Co-Legierungen werden bei der Bearbeitung langspanender Eisenwerkstoffe (Stahl und Stahlguss) eingesetzt. • M (Mischgruppe): Werden für legierte austenitische, ferritische Stähle und für legierten Grauguss eingesetzt. • K (kurzspanende Gruppe): WC-Co-Legierungen werden bei der Bearbeitung von NE-Metallen, Eisengusswerkstoffen, ALSi-Legierungen, Kunstoffen und Holz verwendet.
Durch Anfügen von Ziffern innerhalb jeder Zerspanungshauptgruppe werden Zähigkeit und Verschleißfestigkeit gekennzeichnet. Mit zunehmenden Ziffern steigt die Zähigkeit, während die Verschleißfestigkeit abnimmt.
Durch Beschichten des Schneidstoffes mit Substralmaterial (TiC, TiN, TiCN und Al2O3) kann der begrenzende Dualismus, hohe Härte und Verschleißfestigkeit oder hohe Biegefestigkeit und Zähigkeit, zu wesentlichen Teilen überwunden werden. Dieses Prinzip der Funktionstrennung kombiniert verschleißfeste Schichten mit zähem Grundstoff. Wegen der großen Temperaturunterschiede, die in spanenden Werkzeugen auftreten, ist die Beherrschung der Temperaturrisse als Folge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten Vorraussetzung für haltbare, rissfreie Schichten. Bei etwa 1000°C werden unter Vakuum meist mehrlagige Hartstoffschichten (Substrahlmaterial) auf den Schneidstoff aufgebracht (2-10m). • Titankarbid: - Durch hohe Härte Minderung des abrasiven Verschleißes • Titannitrid: - Durch seine chemische Trägheit wirkt es Diffusions- und
- Durch seine geringe Klebeneigung senkt es den adhäsiven Verschleiß
• Aluminiumoxid: - Durch seine chemische Trägheit wirkt es dem Oxidationsverschleiß entgegen.
Beschichtet werden vor allem Wendeschneidplatten und Wegwerfschneideinsätze. Beschichtete Schneidplatten haben gegenüber unbeschichteten Hartmetallplatten eine höhere Standzeit. Sie lassen sich jedoch nicht schleifen, aufgrund dessen müssen Spanleitstufen schon vor dem beschichten angebracht werden.
Beschichtete Hartmetalle haben prinzipbedingt größere Schneidkantenrundungen, d.h. bei geringen Spannungsdicken führt das zu starken negativen Spanungswinkeln.
Cermets:
Cermets sind hartmetallverwandte Schneidstoffe die jedoch ohne den Hartstoff Wolframkarbid auskommen und pulvermetallurgisch hergestellt werden. Es sind Vielkomponentenmetalle und als Härtträger dienen Titankarbonnitrid mit Tantal, Niob uns Vanadium. Im Gegensatz zu Schneidkeramik, bindet Cermet eine metallische Bindephase zu Nickel und Kobalt auf.
Im Vergleich zu klassischen Hartmetallen: • Gesteigerte Warm- und Kantenfestigkeit • Besseres Reibverhalten • Größere Oxidationbeständigkeit • Niedrigere Diffusionsneigung und damit insgesamt eine höhere Verschleißfestigkeit • Die ertragbaren Schnittgeschwindigkeiten liegen höher als bei beschichteten Hartmetallen • Geringere Bruchzähigkeit • Höherer therm. Ausdehnungskoeffizient und höhere Wärmeleitfähigkeit, was sich auf das Einsatzverhalten bei instationären Beanspruchungen auswirkt.
Im Vergleich zur Schneidkeramik: • Größere Zähigkeit und somit die Möglichkeit, positive Schneidgeometrien und eingesinterte Spanleitstufen zu realisieren.
Die Einsatzgebiete sind alle Bearbeitungen, bei denen eine hohe Oberflächengüte und Maßkonstanz sowie enge Formtoleranzen der Werkstücke eingehalten werden müssen. Sie erreichen hohe Standzeiten bei höheren Schnittgeschwindigkeiten und bei kleinen Spanungsquerschnitten. Bevorzugte Einsatzgebiete: Feinschlichten und Schlichten von Stahl, Sintermetall und GGG. Cermets werden zum Drehen, Fräsen und zum Stechdrehen eingesetzt. Als besonders wirtschaftlich haben sich Cermets bei der Fertigbearbeitung von endkonturnahen Rohlingen mit kleinen und gleichmäßigen Aufmaßen erwiesen. Derartige Werkstücke werden auch als „Near-Net-Shape-Bauteile“ bezeichnet und kommen der Forderung nach Energie- und Materialeinsparung in Herstellung und Bearbeitung der Werkstücke entgegen.
Schneidkeramik:
Erste Spanungsversuche mit Keramik als Schneidstoff führte 1938 Werner Osenberg an der Technischen Universität Dresden durch, wobei er Oxidkeramik wählte. Der 2. Weltkrieg verhinderte die Weiterentwicklung und so setzte sich Keramik erst nach 1975 durch.
Schneidkeramik wird ähnlich wie Hartmetall, pulvermetallurgisch hergestellt: Zusammenpressen unter hohem Druck von Metalloxid-, Metallnitrid- oder Metallkarbidpulvern zur Herstellung von Formkörpern, mit anschließender Warmbehandlung, wo es zum Aufschmelzen und Zusammenbacken des Pulvers an den Korngrenzen kommt.
Die keramischen Grundstoffe werden unterschieden in Oxid-, Nichtoxid- und Mischkeramik.
• Zu den wichtigsten Oxidkeramischen Schneidstoffen (weißen Oxidkeramiken) zählen Aluminiumoxid (Härteträger und sehr spröde) und Zinkoxid (steigert die Bruchzähigkeit). • Zu den wichtigsten Nichtoxidkeramischen Schneidstoffen (schwarze Mischkeramiken) zählen Siliziumnitrid (höhere Zähigkeit und Thermoschock unempfindlich), Titankarbid und Titannitrid (erhöht die Härte und die abrasive Verschleißbeständigkeit des reinen Aluminiumoxids) • Mischkeramik (CM) wird aus Aluminiumoxid und Hartstoffen wie Titancarbid, Wolframcarbid oder auch Titannitrid, die sie schwarz oder grau erscheinen lassen, gesintert. Sie besitzt eine höhere Temperatur- und Kantenfestigkeit und eignet sich vom Schlichtdrehen bis zum Schruppdrehen vieler Werkstoffe bis ca. 62 HRC.
Da Siliziumnitrid keine Schmelzphase ausbildet sondern bei 2900°C sublimiert (verdampft), werden die Wendeschneidplatten in Form großer Platten gesintert und nachträglich mittels Laser getrennt. Dieses Verfahren ist für Aluminiumoxidkeramische Wendeschneidplatten nicht denkbar. Diese werden in separaten Formen gefertigt.
Um günstigere Eigenschafen der Schneidkeramik zu erzielen werden verschieden Grundstoffe kombiniert.
Die wichtigsten Eigenschaften von Schneidkeramik sind ihre hohe Härte (92 HRC und 96 HRC) und ihre hohe Verschleißfestigkeit bis zu Temperaturen von etwa 1200°C. Ebenso geringere Neigung zu Werkstoffaufschweißungen, Diffusions- und Oxidationsverschleiß. Die zulässige Schnittgeschwindigkeit kann bei der Stahlbearbeitung bis zu drei Mal höher gewählt werden, wie gegenüber von Hartmetall.
Zu den negativen Eigenschaften keramischer Schneidstoffe zählen ihre Thermoschockempfindlichkeit sowie ihre begrenzte Zähigkeit und die daraus resultierende Sprödbrüchigkeit durch Schlag- und Biegebeanspruchung. Daher ist beim Einsatz von Schneidkeramik ohne Kühlung auf gleichmäßige Schnittbedingungen zu achten.
Schneidkeramik kann aufgrund der höheren Härte auch Werkstoffe zerspanen und Feinbearbeitungen ausführen, bei denen Hartmetalle versagen und teure Schneiddiamanten verwendet werden mussten.
Bornitrid:
Kubisch kristallines Bornitrid (CBN) ist nach Diamant der nächst härteste Schneidstoff, jedoch ist es im Gegensatz zum Diamanten chemisch beständiger gegenüber Eisen und anderen karbidbildenden Werkstoffen, sowie das es bis zu Temperaturen von 1400°C seine Stabilität beibehält. Ebenso ist es für die Bearbeitung von gehärteten Stählen, Hartguss, Nickelbasislegierungen und aufgespritzten Hartstoffschichten aufgrund seiner Bornidschutzschicht (B2O3), die einer Oxidation bis 1300°C verhindert, geeignet.
Kleine CBN-Körner lassen sich unter Synthesebedingungen von 5-9 Gpa (5.000N/mm2) und 1500-2000°C gewinnen. Als Katalysatoren, die die Synthesetemperaturen auf den angegebenen Bereich reduzieren, dienen Alkalimetalle (Lithium, Natrium; Kalium; Rubidium; Cäsium und Francium). Ähnlich dem Diamant lassen sich aus CBN-Körnern dicke polykristalline Schichten (0,5mm) auf Hartmetall oder zu Massivkörpern durch Hochdruckflüssigkeitssintern verarbeiten. Dieses PKB wird in zwei unterschiedlichen Schneidstoffarten hergestellt. • Einem PKB mit hohem Hartstoffanteil und starker Durchdringung der Körper • Und einem PKB mit geringerem Hartstoffanteil und ohne Korndurchdringung was auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit zur Folge hat.
Diamant:
Diamant ist chemisch betrachtet reiner Kohlenstoff. Durch seinen kristallinen Aufbau besitzt er die höchste Härte aller uns bekannten Stoffe, aufgrund dessen ist er aber auch sehr stoßempfindlich. In der heutigen Zerspanung unterscheiden wir natürliche (monokristalline) Diamanten und synthetisch hergestellte (polykristalline) Diamanten.
Monokristalline Diamanten: Werden meist als Einkristalle eingesetzt und zwar dort wo Schneidkeile höchster Schärfe und geringster Schartigkeit erforderlich sind. Typische Anwendungsbereiche sind das Ultrapräzisionsspanen und das Glanzspanen von NE-Metallen wie Aluminium, Kupfer und ihrer Legierungen. Zudem verfügt dieser Stoff über anisotropische Eigenschaften, d.h. seine physikalischen Eigenschaften (Härte, E-Modul, Wärmeleitfähigkeit u.a.) sind stark Richtungsabhängig. Aufgrund dessen wird er möglichst in seine harten, verschleißfesten Richtungen orientiert.
Polykristalliner Diamant: Kleine Diamantkörper lassen unter Synthesebedingungen von 6Gpa und 2000°C direkt aus Graphit durch Beigabe von Lösungsmitteln und Katalysatoren (Kobalt, Nickel, Silizium, Bor, Beryllium und Eisen) herstellen. Je nach Synthesebedingungen besitzt Kobalt ein Lösungsvermögen für Kohlenstoff, jedoch nimmt die Löslichkeit von Kohlenstoff bei Erhöhung von Druck und Temperatur ab, wobei Diamant ausgeschieden wird. Durch mehrmaliges Durchlaufen dieser Synthesebedingungen lassen sich aus dieser Diamantsynthese Körner im Bereich von 2-400m erreichen, die nach Sortierung in einem weiteren Prozess, durch das Hochdruck – Flüssigphasensintern, zu einer polykristallinen Matrix verbunden werden können (PKD). In diesen zweiten Prozess werden Diamantenkörper auf ein kobaltreiches Hartmetallsubstrat aufgebracht, wobei eine kobaltreiche Zwischenschicht eine Haftbesserung garantiert. Die Eigenschaften des PKD’s lassen sich über die Größe der eingesetzten Körnung und über Art und Menge der metallischen Phasen steuern. Korngrößen von 2 – 60m werden im Endzustand erreicht, wobei die Körnung während des Sinterprozesses abnimmt. PKD hat aufgrund seines kristallinen ungerichteten Haufwerks weitgehend isotropische Eigenschaften, ist allerdings durch seine Korngrenzen und metallischen Einschlüsse weniger hart und zäher als Monokristalle.
Anwendungsbereiche sind Schruppschlicht- und Schlichtbearbeitung von NE-Werkstoffen (Aluminium, Kupfer, Kunststoffe, Holz und Graphit wo von den Einstellbedingungen her kein chemischer Verschleiß und keine Schneidkeiltemperatur oberhalb von 700°C eintreten).
Vergleich
Schneidstoffe
Einsatzbereich für verschieden harte Werkstoffe:
Hartmetall
Cermets Keramik CBN
25 35 45 55 65 HRC – Härte
Zähigkeitsvergleich
Verschleiß- idealer
festigkeit CBN Schneidstoff
Oxidkeramik
Mischkeramik
Cermets SINI HM
beschicht.
HM
Zähigkeit und
Biegefestigkeit
Schneidparameter
Hartbohren Hartdrehen Hartfräsen Schneidstoff
Hartmetall PKB, Keramik PKB, Feinkornhartmetalle Schnittgeschw. (m/min) Vorschub (mm/Umd.) 40 - 60
0,02 - 0,04 120 - 250
0,08 - 0,15 200 - 300
0,1 - 0,2
Rautiefe Rz
2 - 4 1 - 3 2 - 5
PKB = Polykristallines Kubisches Bohrnitrid
Vergleichstabelle mit mittleren Werten
Schneidstoff Herstellung Bearbeitung von: Merkmale Arbeits- temp. C° Vc (m/min) Vf (mm/min) HSS hochlegierter Stahl unlegiertem Stahl; Buntmetalle Wenn scharfe Schneidkanten erforderlich sind und großer Spanwinkel notwendig ist 600 10 - 40
0.02 - 0,4
Hartmetall Sintern alle Metalle; gehärteter Stahl HM sind temperatur- empfindlich, deshalb starke Kühlung 900 100 - 300
0.02 - 0,2 beschichtetes Hartmetall Sintern; Nitrid-, Borid-, Oxidschichten alle Metalle; gehärteter Stahl Hohe Standzeit, Wendeschneidplatten: kein Nachschleifen und Löten möglich 900 100 - 300
0,02 - 0,2 Kubisches Bornitrid CBN Sintern bei hohem Druck und 2000° Metallen, auch gehärtet Wendeschneidplatten; kleiner Vorschub und Schnitttiefe 1300 100 - 300
0,02 - 0,1 Polykristall-iner Diamant PKD sintern aus Metallpulver und Diamantpulver Hartguss; Buntmetalle, Keramik; GG C des Diamanten reagiert mit FE - C- Verbindungen; GG wegen c -Sättigung möglich 1300 200 - 1000
0,05 - 0,5 Diamant sintern bei 70 000 BAR und 2000 ° Nichteisen- metalle reagiert mit FE - C- Verbindungen; kleine Vorschübe und Zustellung 900 1000
0.01 - 0,06 Keramik Sintern aus Al2O3 und ZrO2 alle weichen und harten Metalle sehr spröde, Stabile Masch. erforderlich; Keramik ist kolkfest 1400 1000 - 1500 0,1 - 0,5 Cermets Sintern von Keramik und Metall: TiC; TiN mit NiCoMo - Bindemittel alle Werkstoffe geringe Zustellung 1000 200
0,1 - 0,5
Direkter Vergleich von Schneidstoffen mit unbestimmter Schneidengeometrie
Werkstoff/ Kennbuchstabe Eigenschaft Einsatz Normalkorund A hart, zäh (dunkelgrau) Meist verwendetes Schleifmittel für niedrig legierte Stähle; große Zerspanleistung; auch für schwere Schrupparbeit Halbedelkorund A hart, aber weniger zäh ;(grau) Große Zerspanleistung an gehärteten Stählen Edelkorund A sehr hart, kanten- und stoßfest (rosa) Für legierte und hochlegierte Stähle, große Festigkeit Edelkorund A hart und spröd (weiß) Werkzeugschleifen Einkristall sehr hart (grau - weiß) Werkzeugschleifen, hoch - und höchstlegierte Stähle Spezialkorund Sehr hart, weniger spröd (rot) Für Werkzeuge aus höchstlegierten Stählen, kühler Schliff Sinterbauxit; Stäbchenkorund Zäh und verschleißfest Hochdruckschleifen von rostfreien Stählen Zinconkorund Hohe mechanische Festigkeit, chemisch und thermisch beständig (Dunkelgrau) Hochdruckschleifen Siliziumkarbid C Sehr hart, weniger Spröde (grün) Schleifen von Hartmetall, keramischen Schneidstoffen, Glas und austenitischen Stählen Siliconkarbid Besonders hart und Spröde (Dunkel) Werkstoffe mit geringer Zugfestigkeit (GG, Hartguss, Temperguss, Messing, Bronze, Aluminium) Bornitrid B Sehr hart Als Schleifbelag auf Messing oder Kunststoff- Schleifkörpern; für Hartmetall, Glas und Keramik Diamant D Härtestes Material Als Schleifbelag auf Messing oder Kunststoff- Schleifkörpern; für harte nichteisenhaltige Werkstoffe wie Keramik, Hartmetall, Titankarbid-Verbindungen Kubisches Bornitrid CBN Sehr harte Schleifkörner Bearbeitung von hochlegierten Werkzeugstählen und schwer zerspanbare Stähle ab 62 HRC (Ersatz für Diamant bei eisenhaltigen Materialien) Vc = 30...125 m/s Kühlmittel: reines Schneidöl oder Emulsion mit 40- 60 % Ölanteil
Normung
Um dem Anwender eine Hilfe bei der Auswahl des richtigen Schneidstoffes zu geben, werden Schnellarbeitsstähle allgemein in vier Gruppen, in Hartmetalle, Cermets, Schneidkeramiken, polykristalline Schneidstoffe polykristallines kubisches Bornitrid, in Zerspanungshauptgruppen und weiterhin Anwendungsgruppen unterteilt.
Die Schnellarbeitsstähle werden nach den Legierungsbestandteilen Molybdän und vorwiegend Wolfram in vier Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe enthält ungefähr 18%, die zweite ungefähr 12%, die dritte ungefähr 6% und die vierte ungefähr 2% Wolfram. Der Molybdänanteil bewegt sich zwischen 0 und 10%. Nach DIN ISO 4975, welche die DIN 17350 ablöste, werden Schnellarbeitsstähle mit einem vorgesetzten HS gekennzeichnet und folgend prozentual die Anteile der Legierungsbestandteile in der Reihenfolge Wolfram-Molybdän-Vanadium-Kobalt angegeben. Beispielsweise HS6-5-2-5, ein Schnellarbeitsstahl für höchstbeanspruchte Spiralbohrer, Fräser oder Schruppwerkzeuge.
Harte Schneidstoffe ab Hartmetall werden nach DIN ISO 513 feiner als die Schnellarbeitsstähle unterteilt. Auf die oben angegeben Kennbuchstaben des jeweiligen Schneidstoffes folgt eine der drei Zerspanungshauptgruppen. Die drei, auch farblich gekennzeichneten, Gruppen stellen jeweils ein bestimmtes Spanverhalten des Werkstückwerkstoffes dar. So steht die Gruppe P (blau) für langspanende Werkstoffe, die Gruppe M (Gelb) als Universalschneidstoff für lang- und kurzspanende Werkstoffe und die Gruppe K (Rot) für kurzspanende Werkstoffe.
Innerhalb jeder Gruppe wiederum wird mit der Anwendungsgruppe nach der Härte bzw. der Zähigkeit des Schneidstoffes unterschieden. Eine Zahl zwischen 01 und 40 kennzeichnet die Anwendungsgruppe, wobei mit größer werdender Zahl die Härte abnimmt und die Zähigkeit zunimmt. Im Anschluss daran folgen noch zwei weitere Buchstaben, die angeben, welcher Werkstoff und mit welchem Zerspanverfahren die besten Ergebnisse erzielbar sind. So steht beispielsweise das Kennzeichen HW-P20N-M für ein unbeschichtetes Hartmetall mit mittlerer Härte und Zähigkeit, geeignet für die Zerspanung von NE-Metallen durch das Verfahren Fräsen. Jedem Hersteller obliegt die Aufgabe, seine Schneidstoffe in eine Gruppe einzuteilen, doch wird dies in manchen Fällen nicht in vollem Umfang erbracht. So vertreiben einige Hersteller ihre Werkzeuge unter geschützten Markenbezeichnungen oder ordnen sie nur einer Haupt- und Anwendungsgruppe zu, ohne einen Werkstoffkennbuchstaben und ein für den Schneidstoff geeignetes Zerspanverfahren anzugeben.
Allgemeines und Informatives
Richtwerte für die spanende Bearbeitung:
Standzeit:
Die kostengünstigste Standzeit für Hartmetall – Wendeplatten liegen zwischen 10 – 30 Minuten. Im Mittel liegen die Standzeiten meist bei 12 – 15 Minuten.
Winkel: Die Spanwinkel liegen im Mittel bei 5...10° und die Einstellwinkel bei 75...105°. Doch liegen beim Schlichen mit beschichteten HM – Platten bis – 8° für die Spanwinkel und bis – 6° für die Neigungswinkel.
Besonderheiten für Wendeschneidplatten:
Einbau: Wendeschneidplatten, die mit Schrauben befestigt sind, werden mit Molykode eingeklebt, um ein Lösen zu vermeiden, was besonders beim Fräsen (Erschütterungen) wichtig ist.
Oberflächenqualität: Die Oberflächenqualität ist abhängig von der Ausrichtung und dem Schneidenradius der Platten.
Schneidplatten
R Fase R
1°
Anstellwinkel 1° 1° 0°
RZ 10 8 5 m
Ra >1 >1 >1
W 8 8 5
Oberflächenprofil:
Winkel an der Werkzeugschneide:
Nachfolgend wird die Größenordnung der Winkel und deren Einfluss kurz beschrieben:
Keilwinkel : Weiche Metalle (Al) 40 – 50° Zähfeste Metalle (Stahl) 55 – 85° Harte, spröde Metalle (Messing, legierter Stahl) 75 – 85°
Spanwinkel : Ist groß, ergibt sich eine kleine Schnittkraft und guter Spanabfluss. Ist klein, wird die Schnittkraft groß und die Schneide widerstandsfähig.
Freiwinkel : Je größer , umso rauer die Schnittfläche. Der Freiwinkel muss umso größer sein, je weicher der Werkstoff und je größer der Durchmesser und der Vorschub sind.
Eckwinkel : Bei großem Eckwinkel wird mehr Wärme abgeführt, da die Schneidkante länger wird. Bei großem Vorschub soll > 90° sein.
Einstellwinkel : Ein kleiner Einstellwinkel gibt günstige Spanform und hohe Standzeit, da der Schlankheitsgrad S = a/f größer wird. Ein Einstellwinkel von 45° ist günstig.
Neigungswinkel : Fällt die Schneide nach hinten ab, ist der Spanfluss günstiger. Die Werte von sollen Zwischen 0...1° liegen.
Winkel an den Schneidplatten:
Schruppen: Freiwinkel: 7...20° Schlichten: Neigungswinkel 10° Keilwinkel: 70...80° Spanwinkel - 8° Spanwinkel: 0…10°
Einbau der Platten bestimmt den Wirkwinkel:
6°
Zum Planfräsen: Neigungswinkel - 6° Spanwinkel - 10°
Eckfräser: Neigungswinkel 2° 2°
Spanwinkel 10°
Verschleiß
Verschleiß an der Werkzeugschneide:
Der Verschleiß an der Werkzeugschneide entsteht durch mehrere gleichzeitig auftretende
Verschleißarten, die nun im Einzelnen dargestellt werden:
• Spanflächenverschleiß: Durch Abrieb
• Kolkverschleiß: Durch Diffusion und Oxidation
• Freiflächenverschleiß: Durch mechanischen Abrieb, Kaltpressschweißung und elektrochemische Reaktionen
• Kantenverschleiß: Durch mechanischen Abrieb
Vb = Verschleißmarkenbreite; SV = Schneidenversatz; KT = Kolktiefe; KB = Kolkbreite;
KM = Kolkmittenabstand; KL = Kloklippenbreite
Gesamtbild des Schneidenverschleißes:
Schlusswort
Für fast jeden Bearbeitungsfall gibt es einen besonders geeigneten Schneidstoff. Wie Ihr gesehen habt, ist das Angebot sehr groß und nicht immer wirklich übersichtlich. Die Verwendung der meisten Schneidstoffe, die in der Praxis ihre Verwendung finden, resultiert aus Erfahrungswerten, die in langer Zeit gesammelt worden sind. Diese Entscheidung, aus der Fülle der bestehenden und vorhandenen Schneidstoffe den Richtigen auszuwählen, ist bzw. wird unsere Aufgabe sein. Ich hoffe ich konnte euch einen kleinen Überblick über die Vielfalt dieses Themas vermitteln und Euch das „Wirrwarr“ ein wenig verdeutlichen.
Fragen
1. Welchen C-Gehalt besitzen unlegierte WZ-Stähle? 2. Wie werden Hartmetalle hergestellt und aus welchen Hauptphasen setzen sie sich zusammen? 3. Weshalb werden Werkzeuge beschichtet und welche Probleme treten bei diesen Werkzeugen auf? 4. Was sind Cermets?
Antworten:
1. Unlegierte Werkzeugstähle (Kohlenstoffstähle) besitzen einen Kohlenstoffgehalt von 0,6 bis 1,3%.
2. Hartmetalle sind zwei- oder mehrphasig, pulvermetallurgisch hergestellte Legierungen.
3. Sie werden beschichtet um höhere Standzeiten und Schnittgeschwindigkeiten zu erzielen, adhäsiver Verschleiß wird verringert und die die Standzeit verlängert. Die Werkzeuge müssen nachgehärtet werden, durch die damit verbundene Verzugsgefahr gelingt das nur bei einfachen Formen wie bei Wendeschneidplatten.
4. Cermets sind Hartmetalle ohne freie Wolframkarbide (aus den Wortstämmen „ceramics“ und „metals“).
Quellennachweis
1. Als Lehrmittel erhaltenes Skript von Herrn Ernst, Kapitel 7.0 Schneidstoffe 2. Diesbezügliche Ausarbeitung bzw. Zusammenfassung von Arwid Gebenus. 3. http://www.lpm.uni-sb.de/technik/schneid/index.htm 4. www.techniker-forum.de 5. Praxis der Zerspantechnik. Verfahren, Werkzeuge, Berechnungen, von Heinz Tschätsch, Vieweg Verlag, 6 Auflage Oktober 2002 6. Zerspantechnik, von H. Victor; M. Müller; R. Opferkuch, Springer Verlag, 11 Auflage 1982
