Beobachtungen über den Verschleiß an Hartmetallwerkzeugen

38 Pages·1958·2.77 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Herwart Opitz, Dipl.-Ing. Günter Ostermann, Dipl.-Ing. Max Gappisch (auth.)

DK 621.9-011.6
FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH E I N-WESTFAlE N
Herausgegeben von Staatssekretor Prof. Or. h. c. Or. E. h. leo 8randt
Nr.668
Prof. Dr.-Ing. Herwart Opitz
Dipl.-Ing. GOnter Ostermann
Dipl.-Ing. Max Gappisch
laboratorium fUr Werkzeugmaschinen und 8etriebslehre
an der Technischen Hochschule Aachen
8eobachtungen Ober den VerschleiB an Hartmetallwerkzeugen
Ais Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
1958
ISBN 978-3-663-03547-3 ISBN 978-3-663-04736-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04736-0
Forsohungsberichte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e d e run g
1. Einleitung · . s. 5
2. Allgemeine VerschleiBerscheinungen • . . . s. 5
3. Untersuchungen von VerschleiBflachen • • S. 10
3.1 KolkverschleiB · • S. 10
3.2 FreiflachenverschleiB • S. 20
4. Diffusion zwischen Hartmetall und
Stahl bzw. GuBeisen • • S. 29
5. Zusammenfassung • • S. 36
6. Literaturverzeichnis . • • • S. 31
Sei te 3
Forsohungsberiohte des Wirtsoha£ts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-West£alen
1. Einleitung
AuBer durch andere Fertigungsverfahren werden Maschinenteile in der
Industrie sehr haufig spanabhebend bearbeitet. Darum kommt dem Zerspa
nungsvorgang eine groBe wirtschaftliche Bedeutung zu, und man ist seit
jeher bestrebt gewesen, dieses Fertigungsverfahren durch Untersuchungen
in seiner Anwendung wirtschaftlicher und rationeller zu gestalten. Es
seien hier nur die Arbeiten zahlreicher Forscher wie SCHWERD, KRYSTOFF,
SCHALLBROCH, WEBER, KUSTERS, AXER u.a. erwahnt.
Der WerkzeugverschleiB ist dabei das Hauptproblem der Zerspanungsfor
schung. Neben den Untersuchungen tiber die Werksttickoberflache und die
Wirtschaftlichkeit des Zerspanungsprozesses ist der VerschleiB am Werk
zeug in der Hauptsache Gegenstand von Untersuchungen gewesen. Sei es,
daB die bei geringstmoglichem VerschleiB anwendbaren Schnittbedingungen
aufzufinden waren, sei es, daB man die Ursachen des WerkzeugverschleiBee
erforschte, so hatte man immer nur das eine Ziel im Auge, diesen Unwirt
schaftlichkeitsfaktor "VerschleiB" klein zu halten oder ganz zu verhindern.
2. Allgemeine VerschleiBerscheinungen
Beim Zerspanungsvorgang dringen immer die gleichen Stellen eines Werk
zeuges, namlich die Schneide und die sie umgebenden Flachen, in das zu
bearbeitende Werksttick ein. Dabei werden zusammenhangende oder nicht
zusammenhangende Spane vom Werksttick abgetrennt. An der Schneide und
den sie bildenden Flachen kommt es dabei zu hohen Beanspruchungen, die
aus der ftir die tiblicherweise zerspanten Werkstoffe, wie z.B. Stahl,
notwendigen hohen Verformungs- und Trennarbeit und den relativ kleinen
belasteten Flachen resultieren. Hierdurch bedingt, an den im
tret~n
Schnitt stehenden Stellen Veranderungen auf, die je nach ihrer Lage
als FreiflachenverschleiB, KolkverschleiB, SpanflachenverschleiB und
Kantenabrundung bezeichnet werden. Nur in den seltensten Fallen treten
der FreiflachenverschleiB und eine der auf der Spanflache entstehenden
VerschleiBarten getrennt voneinander auf. Am haufigsten findet man - z.B.
bei der Stahlzerspanung - das gleichzeitige von Kolk- und
~uftreten
FreiflachenverschleiB. Die anderen Formen des VerschleiBes auf der
Spanflache tretennur getrennt auf, und zwar bestimmen die Schnittbe
dingungen die jeweils sich bildende VerschleiBform.
Seite 5
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Neben wirtschaftlichen Forderungen hinsichtlich der Wiederherstellung
der Werkzeuge bestimmen nach WEBER [9] die Schnittbedingungen und die
Werkstoff-Werkzeug-Paarungen, welcher VerschleiB flir die Standzeit, d.h.
den Zeitpunkt, zu dem das Werkzeug aus dem Schnitt genommen wird, maBge
bend ist. Diese Kriterien gelten aber nur, wenn das Werkzeug durch Aus
brliche an der Schneidkante nicht vorher unbrauchbar wird. WEBER konnte
flir die beiden wichtigsten VerschleiBformen an Zerspanungswerkzeugen,
Kolk- und FreiflachenverschleiB, allgemeine Bildungs- und Wachstumsge
setze aufzeigen. Aus Standzeitschaubildern, in denen sowohl der Frei
flachen- als auch der KolkverschleiB berlicksichtigt werden, konnen die
optimalen Schnittbedingungen ermittelt werden. Die in dieser Form all
gemein festgelegten Bedingungen ergeben aber nur dann die gewlinschte
Standzeit, wenndas Werkzeug genligend starr ist und nicht durch Schwin
gungen .erhohten VerschleiB unterliegt, wie das SALJE [5] nachweisen
konnte. AuBerdem dlirfen am Werkzeug keine plastischen Verformungen in
folge thermischer Uberbeanspruchung entstehen, die ebenfalls, wie
AXER [1] zeigte, zu verstarktem VerschleiB flihren.
Der VerschleiB am spanenden Werkzeug hangt eng mit der Spanbildung zu
sammen. Sie ist nach WEBER verantwortlich flir die auf der Spanflache
entstehenden Reibungsbedingungen, die sowohl direkt den VerschleiB auf
der Spanflache als auch gleichzeitig den VerschleiB auf der Freiflache
beeinflussen. 1m Gebiet der FlieBspanbildung, die technisch wichtigste
und immer anzustrebende Spanform, libernimmt die Spanflache den liberwie
genden Anteil der Zerspanungsarbeit. Auf der Spanflache entsteht ein
VerschleiB, der durch die bei der Verformung des Werkstoffes in der
Scherebene resultierenden Druckbeanspruchung in Verbindung mit dem durch
den ablaufenden Span bedingten Reibungsvorgang hervorgerufen wird.
Nach dem heutigen Stand der Zerspanungs- und VerschleiBuntersuchungen
kann man nach AXER flir den unter dem Sammelbegriff "WerkzeugverschleiB"
bekannten Vorgang an Hartmetall-Werkzeugen folgende Einzelursachen an
flihren:
1. mechanischer VerschleiB durch Ineinanderhaken von Rauhigkeits
spitzen
2. VerschweiBen von Bestandteilen des Werkzeuges mit dem Werkstoff
3. Diffusion zwischen Werkstoff und Werkzeugstoff
Sei te 6
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
4. Erweichen des Werkzeugstoffes mit nachfolgender plastischer
Verformung
5. Bildung von Oxyden und Nitriden
6. Elektrochemische Reaktionen.
Demnach kann man sich den VerschleiB folgendermaBen vorstellen:
Die tatsachliche Reibung zwischen ablaufendem Span und Werkzeug erfolgt
bei den aufeinander gleitenden Oberflachen nicht auf der ganzen zuge
horigen Reibungsflache, sondern nur an einigen hervorstehenden Rauhigkeits
spitzen, die sich direkt beruhren. An diesen Stellen steigt durch pla
stische Verformung der Spitzen die Temperatur augenblicklich, noch be
gunstigt durch in so kurzer Zeit fast uberhaupt nicht auftretenden
WarmeabfluB. Dabei konnen Temperaturwerte erreicht werden, die an be
grenzten Stellen uber der Schmelztemperatur des verformtes Werkstoffes
liegen. An diesen Stellen finden dann chemische Umsetzungen zwischen
den an der Reibung beteiligten Werkstoffen oder ihren einzelnen Kompo
nenten statt. Es tritt bei den herrschenden hohen Drucken auf der Span
flache ein Zusammenkleben und VerschweiBen von Werkzeug und Werkstoff
auf. Von DAWIHL [2J wurde an Hand von Analogieversuchen solches Verschwei
Ben schon bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Stahl mit
Hartmetall-Bestandteilen festgesteIIt, und zwar fand DAWIHL, daB Stahl
bei 5000C mit Kobalt, bei 9250C mit WC und bei 11250C mit TiC verschweiBt.
Solches VerschweiBen ist im wesentlichen durch atomare Annaherung der
einzelnen Oberflachen bedingt. HOFMANN und RUGE [3J deuten das Verschwei
Ben als ein Wirksamwerden der atomaren Anziehungskrafte bei Annaherung
der Oberflachen infolge starker Verformung. Die Mitwirkung von raumli
chen Diffusionsvorgangen wird dabei nicht in Betracht gezogen.
Die bei der Zerspanung auftretenden hohen Drucke in Verbindung mit den
hohen Temperaturen auf der Spanflache und den sich durch den Zerspanungs
prozeB ergebenden metallisch reinen Oberflachen ermoglichen ohne Zweifel
eine VerschweiBung zwischen ablaufendem Span und dem Hartmetallwerkzeug.
Haben solche VerschweiBungen zwischen Span- und Werkzeug stattgefunden,
so mussen diese bei fortschreitender Bewegung der Oberflachen gegenein
ander zerstort werden; und zwar wird das AbreiBen zunachst im schwach
sten Teil erfolgen. Wenn die SchweiBstelle eine geringere Festigkeit
gegenuber mechanischer Beanspruchung, insbesondere Scherung, hat als
7
Seite
Forschungsberichte des Wirtscbafts- und Verkehrsministeriums Nordrbein-Westfalen
die beiden ursprlinglichen Werkstoffe, so wird ein Gleiten in der Haupt
sache in dieser Zwischenschicht auftreten. Das bedeutet, daB man von
einer eigentlichen VerschweiBung nach auBen hin wenig beobachten kann.
Anders liegt der Fall, wenn diese SchweiBstelle eine hohere Festigkeit
hat als einer der beiden aufeinanderreibenden Werkstoffe, wie das nach
den vorliegenden Untersuchungsergebnissen als sicher anzunehmen ist.
Hierbei erfolgt die Trennung im schwachsten Stoff, und es werden dem
nach also Teilchen des einen Werkstoffes am anderen haften bleiben.
Bei der Zerspanung wird zunachst nach erfolgter VerschweiBung ein Ab
reiBen im heiBen Span, der im Augenblick der schwachste Teil ist, er
folgen. Ein Teil des Spanes wird also am MeiBel festkleben. Ein fort
gesetztes Aufheizen durch Reibung nachfolgender Spane erhalt die hohe
ortliche Temperatur an der Span-Werkzeug-SchweiBstelle aufrecht.
Bedingt durch die erhohte Temperatur ergibt sich eine Steigerung der
kinetischen Energie der um ihre Ruhelage schwingenden Atome. Diese kine
tische Energie ist bei idealen Gasen proportional der absoluten Tempe
ratur, bei festen Stoffen nur ungefahr proportional. Die Erhohung der
kinetischen Energie und die damit verbundene zunehmende Schwingungsweite
der Atome bewirkt eine leichtere Loslosung der Atome aus ihrem Gitter
verband. Es findet also eine Aufnahme einzelner Atome aus dem einen
Atomverband in den anderen statt, d.h. es treten Platzwechselreaktionen
auf. Bei Auftreten einer flussigen Phase fehlen in ihr geordnete Atom
verbande und damit starke Bindekrafte. Das wlirde also bedeuten, daB in
diesem FaIle Platzwechselreaktionen noch leichter moglich sind. Darliber
hinaus werden solche Platzwechselvorgange an der Grenzschicht Stahl
Span-Hartmetallwerkzeug durch das bestehende chemische Konzentrations
gefalle sehr gefordert, denn es besteht das Bestreben, dieses auszu
gleichen.
An der SchweiBstelle zwischen Span und Werkzeug werden diese Vorgange
so lange aufrechterhalten, bis das Werkzeugmaterial durch Diffusion
soweit geschwacht ist, daB diese Stelle unstabil und durch Zusammen
treffen mit einem neuen Span ausgerissen wird.
Die Lebensdauer der angeschweiBten Werkstoffteilchen ist abhangig von
ihrer jeweiligen GroBe und der Hohe der Temperatur in der Verbindungs
zone. Eine geringe Gleitgeschwindigkeit des Spanes erlaubt mehr Zeit
Seite 8
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verke~rsministeriums Nordrhein-Westfalen
fur ortliches AnschweiBen. Die jeweils zusammengeschweiBten Stellen
sind relativ groB. Die dabei auftretende geringe T~mperatur hat aber
auch eine langsamere Diffusion zur Folge, so daB die anhangenden Werk
stoffteilchen langer bestehen bleiben und noch weitere Spanteile haften
bleiben. Beim AusreiBen bleibt dann ein groBerer Teil von Werkzeugmate
rial am Span hangen. Hierzu gehort auch die Bildung des bekannten Schnei
denansatzes, bei dem besonders viele Spanteilchen an der Werkzeugschneide
verschweiBen.
Bei hoherer Gleitgeschwindigkeit mit hoheren Temperaturen in der Schneid
zone sind die Stellen, die zusammenkleben, kleiner, die Diffusjon
verlauft aber wegen erhohter Temperaturen schneller und die anhangenden
Stucke werden schon kurz nach ihrer Bildung wi~der abgerissen. Der Ver
schleiB tritt also auf als Folge von AusreiBen kleiner Partikel aus
dem Werkzeug durch verschweiBte Spanteile in Verbindung mit der Diffu
sion zwischen Span- und Werkzeugmaterial. Die Abtragung erfolgt nicht
gleichformig, sondern in Form kleiner Partikel.
Ein Teil des VerschleiBes am Werkzeug laBt sich aber auch auf mechani
sche Einwirkung zuruckfuhren. Werkzeug und Span besitzen auf ihren zur
Reibung kommenden Oberflachen eine Rauhigkeit von endlicher GroBe. Die
Rauhigkeitsspitzen werden sich ineinander verhaken, und es erfolgt
nicht nur eine Erhohung des Reibungswertes, sondern hieraus resultiert
auch ein VerschleiB mit mechanischer Ursache. Dieser VerschleiB hangt
in erster Linie von der relativen Harte des Werkzeuges und des Spanma
terials unter den gegebenen Bedingungen, vom Gehalt und der Verteilung
der hart en Bestandteile im Werkzeug und im Werkstoff, von dem Anteil
der durch plastische Verformung der Oberflachen gewonnenen Harte usw.
ab. Hierbei werden die einzelnen VerschleiBteile durch Bruch der Rauhig
keitsspitzen oder durch ein Abtragen der Rauhigkeitsspitzen entstehen.
Neben diesen Ursachenmussen noch andere, schon weiter oben angefuhrte,
Ursachen bei der Entstehung des VerschleiBes angenommen werden. So
konnen chemische Reaktionen zwischen den Gasen der umgebenden Atmosphare
oder einem Klihlmittel besonders an den Freiflachen auftreten. Auch
elektrochemische VerschleiBursachen sind nach Untersuchungen von AXER
nicht auszuschlieBen. AXER konnte weiterhin zeigen, daB der VerschleiB
auf der Freiflache im besonderen MaBe abhangig ist von der Art des
Seite 9
Forschun&sberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Gases, das Zutritt zu den Reibungsstellen hat. So ergab die Zuflihrung
von Sauerstoff einen Standzeitabfall, die Zuflihrung von Stickstoff da
gegen einen Standzeitanstieg. AuBerdem konnte nachgewiesen werden, daB
diese Reaktionen noch von den im Werkzeug auftretenden Thermostromen,
die im Kreis Maschine - Werkstlick - MeiBel in einer GroBenordnung von
etwa 5 A liegen, beeinfluBt werden.
Aus alledem laBt sich ersehen, daB der VerschleiB am Werkzeug, wie er
bei der Zerspanung mit Hartmetallen auf tritt, ein verwickeltes Phanomen
darstellt, das nach neuen Untersuchungen auf chemische, elektrische,
thermische und mechanische Ursachen zurlickzuflihren ist. Die im folgenden
dargelegten Ergebnisse sollen einen weiteren Beitrag zur Klarung der
verschiedenen VerschleiBursachen am Hartmetallwerkzeug bei Zerspanung
von unterschiedlichen Stahlsorten darstellen. Es wurden insbesondere
Untersuchungen liber die chemischen VerschleiBursachen beim ~olk- und
FreiflachenverschleiB durchgeflihrt.
3. Untersuchung der VerschleiBflachen
3.1 KolkverschleiB
liber die GesetzmaBigkeiten flir den VerschleiB an spanabhebenden Hart
metallwerkzeugen wurde im Forschungsbericht 215 des Wirtschafts- und
Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen ausflihrlich berichtet. Die
Untersuchungen flihrten zu dem SchluB, daB die Bildung des Kolkes auf
der Spanflache des Werkzeuges vom Druck, der Breite der Kontaktfltiche
und Ablaufgeschwindigkeit des Spanes abhangig ist. Die auf der Span
flache eingetretenen Veranderungen lassen deshalb einen RlickschluB auf
die Zerspanbarkeit des Werkstoffes zu, und ihre Untersuchung erlaubt
auBerdem ein Aufzeigen etwaiger VerschleiBursachen. 1m Zusammenhang hier
mit ist es deshalb von Interesse, einen optischen Einblick in die Ver
schleiBstellen an Werkzeugen zu erhalten.
Bis jetzt war es mit Hilfe der Lichtmikroskopie nicht moglich, Aufnah
men und Abbildungen der VerschleiBstellen an Hartmetallwerkzeugen in
hohen VergroBerungen zu erlangen. Aufgrund der groBen Rauhigkeit des
Kolkes und der Freiflache konnten wegen der geringen Tiefenscharfe der
Lichtmikroskope nicht alle Bereiche gleichzeitig scharf wiedergegeben
werden. Erst der Einsatz des Elektronenmikroskopes ermoglichte die Er-
Sei te 10
Forsohun!sberiohte des Wirtscbafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
stellung der ersten Aufnahmen von VerschleiBstellen an Hartmetallwerk
zeugen bei hohen VergroBerungen und gleichzeitig ausreichender Tiefen
schiirfe.
Fur die Herstellung elektronenmikroskopiscner Aufnahmen bedarf es eines
besonderen Priiparationsverfahrens, da das Elektronenmikroskop, im Auf
bau dem Durchstrahlungslichtmikroskop iihnlich, keine direkte Betrachtung
der zu untersuchenden Oberfliichen zulaBt. Es wurden. deshalb mit einem
durchsichtigen dunnen Lack Abdrticke von den abzubildenden Oberflachen
angefertigt, die nach Bedampfung und Beschattung, zwecks Verstarkung
der Kontraste, im Elektronenmikroskop untersucht werden konnten.
Die mikroskopische Untersuchung der Kolkflachen an Hartmetallwerkzeugen
brachte zuniichst einige interessante Ergebnisse. Es wurden zuerst Auf
Aufnahmen von Kolkflachen gemacht, die unter gleichen Bedingungen nach
der Zerspanung vers~hiedener Stahlsorten entstanden waren. Zerspant
wurden die Stahle 16 MnCr 5, Ck 45 und C 60. Die Aufnahmen der Kolkfla
chen erfolgten nach einer langeren Schnittzeit von 10 min. In der Aus
bildung der einzelnen Kolkoberflachen ergaben sich deutliche Unterschiede.
Allen Kolkflachen gemeinsam aber ist eine veranderte Oberflachenschicht,
die sich mehr oder weniger stark uber dem gesamten Kolk erstreckt. Hier
bei handelt es sich, wie spatere Untersuchungen noch zeigen werden, um
eine vollig veranderte mit dem Hartmetall nicht mehr zu vergleichende
Schicht. Diese muB entweder durch chemische Umwandlung des Hartmetalls
oder, was wahrscheinlicher ist, durch Bildung einer flussigen bzw. halb
flussigen Phase aus Spanmaterial mit gleichzeitiger chemischer Verande
rung, etwa infolge Diffusion, entstanden seine Diese Schicht weist in
folge ~er Riefen in Richtung des ablaufenden Spanes ein besonderes
Chardkteristikum auf. Allgemein laBt sich sagen, daB man bei den betrach
teten Stoffen im Kolkanfang, verglichen tiber die gesamte Kolkflache,
eine rauhere und starker unterbrochene Schicht von anhaftendem oder ver
andertem Material findet als in der Kolkmitte und speziell im Kolkaus
lauf. Das laBt darauf schlieBen, daB am Kolkanfang diese Schicht weniger
stark und dicht ist und hier teilweise noch ursprungliches Hartmetall
vorhanden ist. In Kolkmitte und erst recht am Kolkauslauf ist dies nicht
mehr der Fall, da erstens in Kolkmitte die Beanspruchungen sowohl des
Spanes wie auch des Werkzeuges hoher waren und damit Moglichkeiten zu
Veranderungen gegeben sind und zweitens die eventuel] entstehende halb-
Seite 11