Ursachen für Rissbildung in Wolframkarbidstäben während des Schleifprozesses

Rissbildung beim Schleifen von Wolframkarbidstäbe kann zu Ausschuss, Werkzeugbruch, instabiler Nutgeometrie, Beschichtungsfehlern und vorzeitigem Bruch während der Bearbeitung führen.

Der sichtbare Riss tritt häufig beim spitzenlosen Schleifen, Rundschleifen, Nutenschleifen, Stirnflächenschleifen oder bei der Werkzeugspitzenfertigung auf. Das bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass der gesamte Defekt durch den Schleifvorgang verursacht wurde.

Ein beim Schleifen entdeckter Riss kann drei verschiedene Ursachen haben:

1. Vererbter Riss:Der Stab wies bereits vor dem Schleifen einen Material- oder Sinterfehler auf.

2. Durch Schleifen entstandener Riss:Durch mechanische oder thermische Belastung während des Schleifens entstand ein neuer Riss.

3. Durch Schleifen freigelegter Riss:Es existierte bereits zuvor ein Defekt unter der Oberfläche, der jedoch durch Materialabtragung geöffnet, vergrößert oder sichtbar gemacht werden konnte.

Diese Unterscheidung ist wichtig. Eine Korrektur der Schleifparameter behebt keine mangelhafte Stabstruktur, während der Wechsel der Hartmetallsorte weder eine verstopfte Kühlmitteldüse noch eine Unwucht der Schleifscheibe löst.

Eine zuverlässige Diagnose beginnt mit der Feststellung, ob der Riss vom Stab, vom Schleifprozess oder von der Wechselwirkung zwischen beiden herrührt.

Warum Wolframcarbid Pleuelstangen sind empfindlich gegenüber Schleifbeschädigungen

AWolframkarbidstabwird normalerweise aus harten WC-Körnern hergestellt, die durch ein metallisches Bindemittel, meist Kobalt, zusammengehalten werden.

Die WC-Phase sorgt für Härte und Verschleißfestigkeit. Die Bindemittelphase trägt zur Zähigkeit bei und hemmt die Rissausbreitung. Diese Kombination macht Hartmetall geeignet für Bohrer, Schaftfräser, Reibahlen, Oberfräsen, Fräser und andere Präzisionsschneidwerkzeuge.

Dieselbe Mikrostruktur stellt auch eine Herausforderung beim Schleifen dar:

● WC-Körner sind extrem hart und widerstehen dem Materialabtrag.

● Das Material weist eine begrenzte Toleranz gegenüber Zugspannungen und Biegung auf.

● Die Schleifkräfte wirken lokal über die einzelnen Diamantkörner.

● In einer kleinen Kontaktzone kann sich schnell Hitze entwickeln.

● Risse können sich durch WC-Körner oder entlang der Karbid-Bindemittel-Grenzflächen ausbreiten.

Beim Schleifen muss daher Material effizient abgetragen werden, ohne dass die Oberfläche von kontrolliertem Materialabtrag in unkontrollierten Sprödbruch übergeht.

1. Vorhandene Defekte im Sinterstab

Manche Stäbe reißen beim Schleifen, weil der Rohling bereits eine Schwachstelle aufweist. Die Schleifkraft oder die Hitze legt diese Schwachstelle dann frei.

Relevante Materialfehler können Folgendes umfassen:

● Übermäßige oder lokal konzentrierte Porosität

● Ungebundener oder freier Kohlenstoff

● Die Eta-Phase wird durch ein Kohlenstoffungleichgewicht verursacht.

● Nichtmetallische Einschlüsse oder Verunreinigungen

● Bindemittelseen oder Bindemittelentmischung

● Anomales WC-Kornwachstum

● Dichtevariation

● Interne Mikrorisse

● Defekte um die Kühlmittelöffnungen herum

Diese Merkmale können als Spannungskonzentratoren wirken. Ein Stab kann äußerlich einwandfrei erscheinen, aber reißen, nachdem die äußere Schicht abgeschliffen wurde oder nachdem sich eine Nut der fehlerhaften Stelle genähert hat.

ISO 4499-4 und ASTM B276 bieten anerkannte metallographische Methoden zur Beurteilung von Porosität, kohlenstoffbedingten Defekten, Einschlüssen und damit verbundenen mikrostrukturellen Zuständen in Hartmetall.

2. Zu hohe Schnitttiefe oder zu hohe Vorschubgeschwindigkeit

Jedes Diamantkorn übt eine lokale mechanische Belastung auf die Hartmetalloberfläche aus. Mit zunehmender Schleiftiefe oder zunehmendem Vorschub können die Spandicke, die Schleifkraft und die Neigung zu sprödem Abtrag steigen.

Zu starker Materialabtrag pro Arbeitsgang kann folgende Folgen haben:

● WC-Kornbruch

● Verformung oder Entfernung des Bindemittels

● Oberflächenabsplitterung

● Untergrundrisse

● Bruch der Flötenkante

● Hohe Eigenspannung

● Plötzlicher Stabbruch

Hoher Materialabtrag ist besonders riskant beim Schleifen von Stäben mit kleinem Durchmesser, tiefen Nuten, dünnen Werkzeugkernen, langen Werkzeugen oder Sorten mit niedrigem Bindemittelgehalt.

3. Übermäßige Mahlhitze

Beim Schleifen wird ein Teil der mechanischen Energie in Wärme umgewandelt. Wenn die Schleifscheibe ineffizient arbeitet oder die Abtragsrate zu hoch ist, kann sich die Wärme an der Stangenoberfläche konzentrieren.

Die Oberfläche kann sich erhitzen und ausdehnen, während der Stabkern kühler bleibt. Dieser Temperaturgradient erzeugt Spannungen. Beim Abkühlen ziehen sich Oberfläche und Kern unterschiedlich schnell zusammen, wodurch Risse entstehen oder sich ausbreiten können.

Übermäßige Hitze wird üblicherweise mit Folgendem in Verbindung gebracht:

● Ein stumpfes oder verglastes Rad

● Radlast

● Harte Radbindung, die keine abgenutzten Körner freisetzt

● Übermäßige Diamantkonzentration für den Prozess

● Grobe Körnung in Kombination mit starkem Schleifen

● Geringer Kühlmitteldurchfluss

● Schlechte Kühlmittelpositionierung

● Übermäßige Kontaktlänge

● Unzureichende Kleidung oder Pflege

Die Korngröße des Schleifmittels, die Härte der Bindung und die Diamantkonzentration beeinflussen die Schleifkraft und die Temperatur. Diese Variablen sollten als System und nicht einzeln ausgewählt werden.

4. Thermischer Schock durch instabile Kühlmittelzufuhr

Das Kühlmittel hat beim Hartmetallschleifen zwei Hauptfunktionen:

● Wärme aus der Schleifzone abführen

● Späne und Bruchstücke von der Kontaktfläche zwischen Schleifscheibe und Werkstück entfernen.

Kühlmittel ist nur dann wirksam, wenn es in ausreichender Menge und mit gleichmäßiger Zufuhr die eigentliche Kontaktzone erreicht.

Ein Thermoschock kann auftreten, wenn:

● Der Schleifvorgang beginnt, bevor der Kühlmittelfluss hergestellt ist.

● Der Kühlmittelstrahl verfehlt den Kontaktpunkt zwischen Rad und Pleuelstange.

● Luftdichtungsschichten verhindern das Eindringen von Kühlmittel.

● Eine Düse verstopft teilweise.

● Der Kühlmittelfluss beginnt und endet während des Zyklus.

● Eine bereits überhitzte Pleuelstange wird plötzlich mit kühlerer Flüssigkeit geflutet.

● Die Kühlmitteltemperatur ändert sich während eines Produktionslaufs erheblich.

Hartmetall ist hitzebeständig, aber abrupte Temperaturgradienten können zu Mikrorissen führen, insbesondere um bereits vorhandene Defekte, Kühlkanäle, scharfe Übergänge oder dünne Bereiche herum.

5Die Hartmetallsorte ist für die Schleifaufgabe zu spröde.

Die verschiedenen Hartmetallstabsorten unterscheiden sich hinsichtlich WC-Korngröße, Bindemittelgehalt, Bindemittelzusammensetzung, Härte, Querbruchfestigkeit und Bruchverhalten.

Im Allgemeinen begünstigen ein geringerer Bindemittelgehalt und eine feinere WC-Korngröße eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Ein höherer Bindemittelgehalt erhöht normalerweise die Zähigkeit, verringert aber die Härte.

Eine hochverschleißfeste Güteklasse kann dennoch ungeeignet sein, wenn das fertige Werkzeug folgende Eigenschaften aufweist:

● Ein sehr kleiner Durchmesser

● Tiefe Rillen und ein dünner, verbleibender Kern

● Große Reichweite oder hohes Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis

● Große Kühlmittelöffnungen

● Scharfe Stufen oder Hälse

● Aggressives Schleifen Materialabtrag

Langsun Carbide erläutert dieses Gleichgewicht der Körnungen wie folgt:6 % vs. 10 % vs. 12 % Kobalt in HartmetallstäbenDie

Eine Erhöhung des Kobaltgehalts ist nicht automatisch die Lösung. Die Stangenqualität muss auch die vom fertigen Werkzeug geforderte Härte, Schneidkantenstabilität, Beschichtungsunterstützung und Schneidleistung gewährleisten.

6Spannungskonzentration um die Werkzeuggeometrie

Risse entstehen oft dort, wo der verbleibende Hartmetallabschnitt am kleinsten ist oder wo sich die Geometrie abrupt ändert.

Zu den Hochrisikomerkmalen gehören:

● Kühlmittelauslässe

● Flötenwurzeln

● geringe Stegdicke

● Scharfe Halsübergänge

● Schrittübung Schultern

● Scharfe Ecken

● Ungleicher Flötenabstand oder ungleiche Flötentiefe

● Exzentrische Kühlmittelbohrungen

Bei einer Stange mit Kühlbohrungen müssen neben dem Außendurchmesser auch die minimale Wandstärke und die Position der Bohrungen berücksichtigt werden.

Geringfügige Maßabweichungen in einer Kühlbohrung können den Materialverlust nach dem Nutenschleifen erheblich reduzieren. Das Schleifprogramm sollte daher auf der verifizierten Bohrungslage, Geradheit und Rundlaufgenauigkeit basieren.

Wie man Rissbildung beim Hartmetallstangenschleifen reduziert

1. Qualifizieren Sie den Rutenrohling vor der Produktion.Prüfen Sie Güteklasse, Durchmesser, Geradheit, Rundheit, Geometrie der Kühlmittelbohrung, Härte, Dichte und die erforderlichen Materialqualitätsindikatoren.

2. Verwenden Sie die richtige Diamantscheibe.Die Körnung, Konzentration, Bindung, Schleifscheibengeometrie und Abrichtbarkeit müssen auf das Schruppen oder Schlichten abgestimmt sein.

3. Das Rad pflegen, instand halten und auswuchten.Mit einem belasteten oder vibrierenden Schleifscheibenpaket darf nicht weitergeschliffen werden.

4. Kontrolle der Bestandsentnahme.Verwenden Sie lieber mehrere gleichmäßige Schnitte als einen übermäßigen Schnitt.

5. Kühlmittel in die Kontaktzone einleiten.Vor dem Mahlen einen kontinuierlichen Materialfluss sicherstellen und Temperaturdrift vermeiden.

6. Stützen Sie die Stange ordnungsgemäß ab.Überhänge begrenzen und durch Klemmung verursachte Biegungen verhindern.

7. Dünne Abschnitte schützen.Prüfen Sie die Nutentiefe, die Kerndicke, die Kühlmittelbohrungen, die Stufen und die scharfen Übergänge.

8. Den Prozess überwachen.Erfassen Sie Spindelleistung, Zykluszeit, Abrichtfrequenz, Kühlmitteltemperatur und Rissrate pro Charge.

Wenn Hartmetallstangen beim Schleifen brechen, gibt der Lieferant möglicherweise der Schleifmaschine die Schuld, der Werkzeugmacher hingegen der Stange. Ohne Beweise ist keine dieser Schlussfolgerungen verlässlich.

Langsun Carbide empfiehlt, die Untersuchung in zwei Fragen zu unterteilen:

1. War der Stab vor dem Schleifen hinsichtlich Struktur und Abmessungen geeignet?

2. Wurden die mechanischen und thermischen Spannungen durch den Schleifprozess in einem stabilen Bereich gehalten?

Eine hochwertige Stange ermöglicht durch gleichbleibende Mikrostruktur, Dichte, Geradheit, Kühlmittelbohrungsgeometrie und Werkstoffeigenschaften ein vorhersagbares Schleifergebnis. Ein stabiler Schleifprozess schützt diese Stange durch geeignete Schleifscheiben, Kühlmittel, Materialabtrag, Abricht- und Auswuchten sowie die entsprechende Unterstützung.

Rissvermeidung erfordert sowohl einen fehlerfreien Stangenrohling als auch einen kontrollierten Schleifprozess. Jedes dieser Elemente kann das andere beeinträchtigen.

Die Rissbildung in Wolframcarbidstäben während des Schleifens kann auf den Stabrohling, den Schleifvorgang selbst oder die Wechselwirkung zwischen Material und Prozess zurückzuführen sein.

Zu den wichtigsten Ursachen zählen:

● Porosität, Kohlenstoffdefekte, anomale Phasen, Einschlüsse und innere Risse

● Übermäßige Schleiftiefe und mechanische Kraft

● Schleifhitze und Temperaturschock

● Mangelhafte Kühlmittelzufuhr

● Unzureichende Hartmetallzähigkeit

● Spannungskonzentration um Kühlmittelbohrungen und dünne Werkzeugabschnitte

FürHartmetallstäbe, die in Schneidwerkzeugen und Metallbearbeitungsanwendungen eingesetzt werdenLangsun Carbide empfiehlt, den Stangenrohling separat zu qualifizieren und den Schleifprozess separat zu validieren.

Ziel ist es nicht einfach, langsamer zu schleifen. Vielmehr geht es darum, einen kontrollierten Materialabtrag, eine stabile Kühlmittelzufuhr, geringe Vibrationen, eine optimale Unterstützung und eine geprüfte Stangenqualität während der gesamten Produktionscharge zu gewährleisten.

Häufig gestellte Fragen

Warum reißen Wolframkarbidstäbe beim Schleifen?

Häufige Ursachen sind bereits vorhandene Stangenfehler, zu hohe Schleifkräfte, Überhitzung, Thermoschock, mangelhafte Kühlmittelzufuhr, ungeeignete Hartmetallsorte und Spannungskonzentrationen um dünne Abschnitte.

Kann ein Riss vor dem Schleifen vorhanden sein?

Ja. Interne Mikrorisse, Porosität, Einschlüsse, Kohlenstoffdefekte, Eta-Phase oder Kühlmittelkanaldefekte können bereits vorhanden sein. Durch Schleifen können diese Schwachstellen freigelegt oder verstärkt werden.

Kann zu viel Kühlmittel eine Hartmetallstange beschädigen?

Eine ausreichende Kühlmittelzufuhr ist unerlässlich. Das größte Risiko besteht in einer instabilen oder fehlgeleiteten Kühlmittelzufuhr, insbesondere bei abrupter Kühlung einer überhitzten Schleifzone. Das Kühlmittel muss der Kontaktzone kontinuierlich zugeführt werden.

Warum entstehen Risse in der Nähe von Kühlmittelöffnungen?

Kühlbohrungen reduzieren die verbleibende Hartmetallwandstärke und können zu Spannungskonzentrationen führen. Nicht zentrierte Bohrungen, unzureichende Wandstärke, tiefe Nuten, innere Defekte oder hohe Schleifbelastungen können in diesem Bereich Risse verursachen.

Verhindert ein höherer Kobaltgehalt Schleifrisse?

Ein höherer Bindemittelgehalt erhöht im Allgemeinen die Zähigkeit, verändert aber auch Härte, Verschleißfestigkeit, Schleifbarkeit und die Leistung des fertigen Werkzeugs. Bei der Auswahl der Sorte muss ein Gleichgewicht zwischen Schleifsicherheit und Zerspanungsanforderungen gefunden werden.

Referenzen

1. CERATIZIT, „Bearbeitung von Hartmetall“. Die Quelle erklärt, wie Diamantkorngröße, Schleifscheibenbindung, Konzentration, Schleifkraft, Temperatur und Kühlmittelzufuhr das Hartmetallschleifen beeinflussen.

2. ANCA, Sieben heiße Tipps: Beschleunigen Sie die HartmetallwerkzeugproduktionDie Publikation behandelt die Auswahl, das Abrichten, Auswuchten, Konditionieren, die Vorschubgeschwindigkeit und die Schleifscheibenbelastung beim Hartmetallwerkzeugschleifen.

3. Yin et al., „Untersuchung der Oberflächenintegrität von WC-Hochentropie-Hartmetall nach der Bearbeitung“, Metalle, 2024. Die Studie untersucht die Schleifkraft, den Abtrag von sprödem und duktilem Material, die Eigenspannungen, die Oberflächenbeschädigung und die Integrität des Untergrunds bei Hartmetall auf WC-Basis.

4. Wei et al., „Analyse des großflächigen Kantenbruchs von WC-Co-Hartmetallwerkzeugklingen beim Präzisionsschleifprozess“, Zeitschrift für Materialforschung und -technologie, 2022. Die Forschung analysiert Mikrorisse, Kantenbruch, Eigenspannungen, mikrostrukturelle Veränderungen und die Auswirkungen der Schleifparameter.

5. ISO 4499-4:2016, Hartmetalle – Metallographische Bestimmung des Mikrogefüges – Teil 4: Charakterisierung von Porosität, Kohlenstoffdefekten und Eta-Phasen-GehaltDie

6. ASTM B276-21, Standardprüfverfahren zur Bestimmung der scheinbaren Porosität in HartmetallenDer Standard umfasst die metallographische Beurteilung der Porosität und sichtbarer Strukturen im Zusammenhang mit ungebundenem Kohlenstoff, Einschlüssen und anderen offensichtlichen Defekten.

Author | Allen

Allen ist Internationaler Marketingdirektor bei NINGBO LANGSUN TUNGSTEN CARBIDE CO., LTD. Er verfügt über mehr als 5 Jahre Erfahrung im Bereich industrieller Verschleißteile und Anwendungen von WolframcarbidEr arbeitet mit Kunden in den Bereichen Öl und Gas, Ventil- und Durchflussregelung, Metallverarbeitung, chemische Verarbeitung, Pumpen, Oberflächenbehandlung, Bergbau und Mineralverarbeitung zusammen.

Sein Schwerpunkt liegt darauf, OEMs, Geräteherstellern, Ingenieurbüros und Beschaffungsteams bei der Auswahl zuverlässiger Wolframkarbid-Verschleißteile zu helfen, basierend auf realen Arbeitsbedingungen, Materialeigenschaften, Herstellbarkeit und Qualitätskontrollanforderungen.

Facebook:Allen auf Facebook
LinkedIn:Allen ist auf LinkedIn.