Skjæring av keramikk

Skjærekeramikk er keramiske skjærematerialer , dvs. keramiske materialer til fresing av verktøy , snuverktøy og bor . Skjærekeramikk brukes vanligvis til å produsere vendbare innlegg , som fungerer som skjærekanter i verktøyene. Skjærekeramikk er hardere og mer slitesterk enn harde metaller , selv ved høye temperaturer , men de er mer skjøre og dyrere. Høyere skjærehastigheter er derfor mulig med skjærekeramikk, men tilførselshastigheten og skjæredybden må reduseres. Verktøy laget av bornitrid er enda vanskeligere, mer slitesterk og dyrere . Skjærekeramikk brukes primært i luftfarts- og luftfarts- og bilindustrien i masseproduksjon av emner laget av støpejern og vanskelige å bearbeide materialer som høyfast stål og nikkel .

Skjærekeramikk er sintret fra keramiske pulver . I motsetning til harde metaller brukes ikke bindingsmetall, noe som forårsaker høyere varmhardhet og lavere styrke. Forsøk på å sintre keramiske pulver med et bindemiddel var mislykket.

Det er to grupper basert på deres sammensetning:

  • Keramikk av aluminiumoksidskjæring . De er hardere, mer slitesterk og mer skjøre enn silisiumnitridkeramikk. De er også utsatt for skiftende temperaturer. Aluminiumoksid brukes også til sliping av hjul og omtales der som korund .
    • Ren oksyd skjæring keramikk ( ren keramikk ). Den består sjelden utelukkende av aluminiumoksid; den inneholder vanligvis fremdeles opptil 15% zirkoniumoksid, noe som forbedrer styrken.
    • Blandet keramikk . Den inneholder også ikke-oksidære harde materialer som titankarbid . Dette øker hardheten og slitestyrken, og det er derfor de er egnet for bearbeiding av herdet stål (
    hard skjæring ). På grunn av sin høyere varmeledningsevne er de mindre følsomme for temperaturendringer. De er mer komplekse å produsere, dyrere, og verktøyformene som kan produseres er begrensede.
  • Whisker forsterket skjærekeramikk. Inneholder kinnskjegg - små krystaller - laget av silisiumkarbid som øker styrke og varmeledningsevne.
  • Skjærende keramikk av silisiumnitrid . De er sterkere, mindre skjøre og mindre utsatt for temperaturendringer. De er også egnet for fresing og bruk av kjølesmøremidler. De er ikke egnet for bearbeiding av stål fordi de inngår kjemiske reaksjoner.
    • Ren skjærende keramikk av silisiumnitrid
    • Sialon ( SiAlON ). Inneholder tilsetningsstoffer i aluminiumoksyd.
    • Belagt (silisiumnitrid) skjærende keramikk

    • I henhold til ISO 513 skilles følgende grupper ut. Forkortelsen begynner alltid med en 'C' (Keramikk):

    • CA: En luminiumoksyd-skjæring keramikk
    • CM: M ischkeramik
    • CR: værhår forsterket keramikk ( r håndhevet = forsterket)
    • CN: Keramikk som skjærer silisiumnidrid ( N itrid)
    • CC: belagt ( c oatet = belagt)

    historie

    Alumina-keramikk ble først introdusert på 1930-tallet. Siden de ikke inneholdt noen tilsetningsstoffer med zirkoniumdioksyd, var de veldig skjøre og hadde ikke råd. Den avgjørende utviklingen for all skjærekeramikk dateres tilbake til 1980-tallet. Sammenlignet med tidligere vanlige harde metaller, muliggjorde dette betydelig høyere skjærehastigheter. Sammen med bornitridskjærematerialene som ble opprettet omtrent samtidig, var det også mulig for første gang å bearbeide herdet stål ved å vri, bore eller frese. Tidligere var dette bare mulig ved sliping.

    Produksjon

    All skjærekeramikk er sintret fra pulver . Detaljene skiller seg hovedsakelig mellom oksydkeramikken og nitridkeramikken. Utgangsmaterialet er alltid pulver. Det siste trinnet er alltid sliping med diamantverktøy, der endelig form og overflatekvalitet bestemmes.

    Når det gjelder skjæring av keramikk laget av aluminiumoksid, brukes et aluminiumoksydpulver som utgangsmateriale, som blandes med pulver som inneholder zirkoniumoksid , titankarbid eller kinnskjegg . Pulveret helles deretter i former og kaldpresses og sintres eller presses og sintres i et enkelt trinn ved høyt trykk. Etter kaldpressing kan verktøyene fortsatt bearbeides ved boring .

    For kutting av keramikk laget av silisiumnitrid, kan pulver laget av silisium brukes. Den reagerer deretter med nitrogenet fra luften under sintring for å danne silisiumnitrid. I stedet kan silisiumnitridpulver også brukes. De presses inn i store plater, hvor verktøyene skilles fra ved laserskjæring .

    Produksjon av keramikk av aluminiumoksid

    Utgangsmaterialet er pulver laget av aluminiumoksid, til hvilket små mengder sintringshjelpemidler som magnesiumoksid tilsettes, som lukker hullene mellom de keramiske partiklene. Den blandes med de ønskede andelene av zirkoniumoksid (for den rene oksydkeramikken), titankarbid og titanitrid for den blandede keramikken eller kinnskjegg for den kinnearmerte keramikken. De blir malt sammen. I denne prosessen, kjent som slitasje , økes flyteevnen og agglomerater av flere partikler oppløses. Kornstørrelsen bestemmes når pulveret produseres og påvirkes ikke lenger av sliping. Pulveret helles deretter i former.

    Det er flere alternativer for videre bearbeiding: varmpressing, der formen komprimeres ved høy temperatur og verktøyet fullføres i ett enkelt trinn, samt spraytørking, kaldpressing, sintring og, om nødvendig, varm isostatisk pressing.

    I den eldre varianten behandles pulveret først ved spraytørking , deretter helles det i formene og kaldpresses ved romtemperatur og trykk på noen hundre bar. Den resulterende grønne kroppen har allerede en fast form, men kan fortsatt bearbeides ved boring og andre skjæreprosesser. På denne måten kan for eksempel boringer inkorporeres som de vendbare innsatsene kan skrus med, men dette gir ikke mening i tilfelle ren oksidkeramikk på grunn av deres høye sprøhet. Etter kaldpressing foregår sintring ved romtrykk og temperaturer fra 1500 ° C til 1800 ° C. De enkelte partiklene i pulveret vokser sammen og er så godt forbundet med hverandre. For ytterligere å redusere porøsiteten kan de behandles ytterligere ved varm isostatisk pressing. For dette må imidlertid en porefri struktur være tilstede i det minste på overflaten.

    Produksjon av silisiumnitridkeramikk

    Når det gjelder silisiumnitridkeramikk, kan rent silisiumpulver tjene som utgangsmateriale. Det sintres ved høye temperaturer og trykk og reagerer med nitrogenet fra luften for å danne silisiumnitrid. Resultatet er kjent som reaksjonsbundet silisiumnitrid. Bruk av silisiumnitridpulver er også mulig.

    Silisiumnitridkeramikken må alltid sintres med overtrykk, ellers vil de brytes ned til nitrogen og silisium. Siden silisiumnitrid danner nåleformede krystaller som aldri fyller materialet helt, men alltid lar porene være frie, må nitridkeramikken alltid sintres med sintringshjelpemiddel. Ytrium, magnesium og silisiumoksid brukes, som danner en silikatfase og fungerer som en bindingsfase. Disse stoffene har ikke smeltepunkt, men blir mykere gradvis når de varmes opp, og bestemmer dermed høye temperaturegenskaper. Hvis keramikken fortsatt behandles ved herding, kan glassfasene omorganisere seg i krystaller, noe som fører til økt styrke og hardhet ved høye temperaturer.

    Silisiumnitridkeramikken presses i store plater hvorfra de enkelte indekserbare skjærene kuttes ut med en laser. Dette er mulig fordi silisiumnitrid ikke smelter, men heller sublimerer ved 1900 ° C.

    kjennetegn

    Skjærekeramikken har følgende egenskaper. Til sammenligning er det også gitt en type hardmetall som er egnet for bearbeiding av stål.

    Hardmetall (WC-Co, P10) Oksidkeramikk (3,5% ZrO 2 ) Oksidkeramikk (15% ZrO 2 ) Whisker-forsterket oksid keramisk (15% ZrO 2 , 20% SiC whisker) Blandet keramikk (10% ZrO 2 , 5% TiC) Blandet keramikk (30% Ti (C, N)) Silisiumnitridkeramikk (10% Y 2 O 3 ) Sialon (sintret)
    Tetthet [g / cm³] 10.6 4. plass 4.2 3.7 4.1 4.3 3.3 -
    Vickers hardhet 1560 1730 1750 1900 1730 1930 1750 1870
    Bøyestyrke [N / mm²] 1700 700 800 900 650 620 800 800
    Trykkfasthet [N / mm²] 4500 5000 4700 - 4800 4800 2500-5500 3500
    Elastisitetsmodul [1000 N / mm²] 520 380 410 390 390 400 280-320 -
    Bruddseighet K IC [Nm 1/2 / mm²] 8.1 4.5 5.1 8. plass 4.2 4.5 7. 6.5
    Varmeledningsevne [1 / (1.000.000 K)] 25 8. plass 8. plass - 8. plass 8. plass 3.4 -
    farge metallisk Hvit Hvit svart Grå

    Oksidisk skjærende keramikk (base av aluminiumoksid)

    Ren oksydkeramikk

    Oksidkeramikk er hvit til lysrosa i fargen og består hovedsakelig av aluminiumoksid . Dette materialet er veldig hardt og kjemisk motstandsdyktig, selv ved høye temperaturer. Mens hardheten til harde metaller avtar kraftig og slitasje øker fra temperaturer på 900 ° C, forblir kuttekeramikk av aluminiumoksid hard og slitesterk selv ved over 1200 ° C. De brukes til bearbeiding av stål og støpejern når du snur. På grunn av sin høye sprøhet og lave bruddstyrke, har de en tendens til å bryte under støtbelastninger. I tillegg er varmeledningsevnen relativt lav og termisk ekspansjon er høy, slik at indre spenninger oppstår når temperaturen endres, noe som ødelegger verktøyet. Den termiske sjokkmotstand er lav. Typiske bruksformer med skiftende temperaturer er kamsprekker . På grunn av deres følsomhet overfor skiftende temperaturer og svingende krefter, brukes de ikke til fresing og heller ikke med kjølesmøremidler. På grunn av sin høye varme hardhet og styrke, kan de også brukes til tørr maskinering uten kjølesmøremidler .

    Teknisk rent aluminiumoksid brukes ikke lenger på grunn av lav styrke og høy skjørhet. Moderne keramikk inneholder opptil 15% zirkoniumdioksid, som fordeles i fine partikler i materialet. Disse partiklene endres, avhengig av partikkelstørrelsen, ved temperaturer fra 1400 ° C til 1600 ° C (dvs. ved sintringstemperaturen). Ovenfor er de i en tetragonal gittermodifisering med relativt lav tetthet, under i en monoklinisk en som har større tetthet. Mikrosprekker, som ville spre seg raskt uten zirkoniumdioksydpartiklene og dermed føre til brudd, traff zirkoniumdioksidpartiklene etter korte avstander og endte der.

    Blandet keramikk

    Blandet keramikk er svart og inneholder mellom 5 og 40% ikke-oksidære komponenter, for det meste titankarbid (TiC) eller titankarbonitrid (TiCN). Siden de harde materialene begrenser kornveksten til aluminiumoksydet, har de en veldig fin struktur med gjennomsnittlige kornstørrelser på mindre enn 2 µm, noen ganger til og med mindre enn 1 µm. Denne fine strukturen fører til høyere styrker og høyere slitestyrke. Tilsetningsstoffene øker også varmeledningsevnen slik at blandet keramikk med kjølesmøremiddel kan brukes. De egner seg for hard bearbeiding av herdet stål, som blant annet brukes til bearbeiding av rullelager , samt til gir, drivhjul og ringhjul og for bearbeiding av støpejern ved høye kuttehastigheter. Når det gjelder hard bearbeiding, konkurrerer blandet keramikk med bornitridverktøy .

    Whisker forsterket keramikk

    I tillegg til aluminiumoksid og zirkoniumdioksid inneholder kinnskjeggforsterket keramikk også kinnskjegg laget av silisiumkarbid . Dette er bittesmå stavformede enkeltkrystaller som har veldig høy styrke. Whisker-forsterket keramikk har en bruddseighet som er rundt 60% høyere enn blandet keramikk. De øker også varmeledningsevnen slik at kjølesmøremiddel kan brukes. Silisiumnitrid danner kjemiske forbindelser med stål, noe som begrenser anvendelsen.

    Ikke-oksid skjærende keramikk (silisiumnitridbase)

    Skjærekeramikk basert på silisiumnitrid har høyere styrker enn oksidkeramikk, er tøffere, mindre skjøre og mindre følsomme for termisk støt. De kan derfor brukes til fresing, med kjølesmøremidler og generelt for å skifte last. Ulempen er at de reagerer kjemisk med stål og slites veldig raskt. Den rene keramikken av silisiumnitrid kan derfor ikke brukes til stålbearbeiding. Videre utvikling, sialons og belagt keramikk, prøver å kompensere for denne ulempen.

    Skjærende keramikk av silisiumnitrid

    Silisiumnitrid skjærende keramikk inneholder enda større mengder sintringshjelpemidler for å lukke hullene mellom de stavformede silisiumnitridkrystallene. For det meste brukes yttriumoksyd og magnesiumoksid . Silisiumnitridkrystallene stivner i en sekskantet modifikasjon og på grunn av sin stangform fører de til høyere styrker enn den sfæriske keramikken av aluminiumoksid. Den termiske ekspansjonen er lavere, noe som fører til en lavere følsomhet for termisk sjokk. Bindingsfasen (yttriumoksid) danner glassfaser som mykner ved høye temperaturer, noe som begrenser de brukbare skjærehastighetene.

    De brukes til bearbeiding av grå støpejern , nikkelbaserte materialer.

    Sialon

    Sialon (Si-Al-ON, SIALON) består hovedsakelig av silisiumnitrid og inneholder tilsetninger av aluminiumoksid og andre sintringshjelpemidler. De er kjemisk mer motstandsdyktige mot jernholdige materialer og brukes til å bearbeide dem. Med grått støpejern kan skjærehastigheter på opptil 600 m / min oppnås.

    Belagt skjærende keramikk

    For å kunne bruke de gode mekaniske egenskapene til silisiumnitridkeramikk for bearbeiding av stål, er noe keramikk belagt. Oksydkeramikk er ikke belagt. Titannitrid (TiN), titankarbid (TiC), titankarbonitrid (TiCN) og aluminiumoksid og kombinasjoner derav brukes som laminater .

    litteratur

    • Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur: manuell kutting. 2. utgave, Hanser, München 2014, s. 101f.
    • Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: vending, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 177-189.
    • Eberhard Pauksch: Maskineringsteknologi. 12. utgave, Springer Vieweg, Wiesbaden 2008, s. 62-65.
    • Herbert Schönherr: Maskinproduksjon. Oldenbourg, Berlin 2002, s. 35-38.
    • Ralf Riedel (red.): Handbook of Ceramic Hard Materials , Wiley-VCH, 2000:
      • A. Krell: Keramikk basert på aluminiumoksyd: Øker hardheten for verktøyapplikasjoner, s. 648-682.
      • M. Herrmann, H. Klemm, Chr. Schubert: Silicon Nitride Based Hard Materials , [Siliciumnitrid-Schneidkeramiken], s. 749-801.

    Individuelle bevis

    1. ↑ Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff : Spanen - grunnleggende. 3. utgave, Springer, Berlin 2011. ISBN 978-3-642-19771-0 , s. 188f
    2. ↑ Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff : Spanen - grunnleggende. 3. utgave, Springer, Berlin 2011. ISBN 978-3-642-19771-0 , s. 188fS. 189 f.
    3. ↑ Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: dreining, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 179.
    4. ↑ Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: vending, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 130.
    5. ^ Trent, Wright: Metal Cutting . Butterworth Heinemann, 2000, 4. utgave, s. 234.
    6. ↑ Pauksch: S. 61
    7. ↑ Pauksch :? 61, s
    8. ↑ Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: dreining, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 179 f.
    9. ↑ Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: vending, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 180 f.
    10. ↑ Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: vending, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 181.
    11. ↑ Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: vending, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 186 f.
    12. ↑ Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: vending, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 188.
    13. ^ Trent, Wright: Metal Cutting . Butterworth Heinemann, 2000, 4. utgave, s. 321-235.
    14. ↑ Wilfried König, Fritz Klocke: Produksjonsprosess 1: vending, fresing, boring. 8. utgave. Springer, Berlin 2008, s. 188.