Ceramics and carbides as tool materials

Citation for published version (APA):Gielisse, P. J., & Kals, H. J. J. (1975). Ceramics and carbides as tool materials. (TH Eindhoven. Afd.Werktuigbouwkunde, Laboratorium voor mechanische technologie en werkplaatstechniek : WT rapporten; Vol.WT0358). Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date:Published: 01/01/1975

Document Version:Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers)

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can beimportant differences between the submitted version and the official published version of record. Peopleinterested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit theDOI to the publisher's website.• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and pagenumbers.Link to publication

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, pleasefollow below link for the End User Agreement:www.tue.nl/taverne

Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at:openaccess@tue.nlproviding details and we will investigate your claim.

Download date: 18. Jun. 2022

KERAMIEK EN HARDMETAAL

VOOR

SNIJGEREEDSCHAPPEN

P.J. GIELISSE 1)

H.J.J. KALS

. JULI 1975

VAKGROEP PRODUKTIETECHNOLOGIE

TECHNISCHE HOGESCHOOL EINDHOVEN

RAPPORT WT0358

I)UNIVERSITY OF RHODE ISLAND, KINGSTON, R.I., V.S.

Dit rapport is gegroeid uit een voordracht welke inoktober 1974 gehouden

is in het Centrum voor Fabrikage Technieken, N.V. Philips' Gloeilampenfa­

brieken te Eindhoven en een tweetal lezingen, gegeven in het kader van het

college Verspaningstechnologie aan de Technische Hogeschool, door een van

ons (P.J. Gielisse). De auteurs zijn in het bijzonder dank verschuldigd

aan Dr. A. Broese van Groenou, Natuutkundig Laboratorium N.V. Philips'

gloeilampenfabrieken te Eindhoven, voor het beschikbaar stellen van be­

paalde faciliteiten en ondersteuning in velerlei vorm gedurende het tot

stand komen van dit rapport. Eveneens is dank verschuldigd aan de heer

A. van Sorgen voor zijn zeer gewaardeerde hulp bij de realisatie van dit

rapport.

INHOUD

I. HET VERSPANINGSPROCES

II. AAN DE BEITEL TE STELLEN TECHNISCHE EISEN

III. DE ONTWIKKELING VAN BEITELMATERIALEN

IV. RECENTE ONTWIKKELINGEN

A) Beitelmaterialen voor het bewerken van hooggelegeerde staalsoorten.

1. Polykristallijn boriumnitride op hardmetaal.

2. Keramische materialen.

B) Beitelmaterialen voor het bewerken van abrasieve materialen.

1. Polykristallijn diamant op hardmetaal.

2. Polykristallijn diamant.

C) Beitelmaterialen voor het bewerken van konventionele materialen.

1. Gecoate beitelplaatjes.

2. Oppervlak-behandelde beitelplaatjes.

3. Keramische materialen.

I. RET VERSPANINGSPROCES

De eisen die aan een beitelmateriaal moeten worden gesteld hangen af van

de aard van het te bewerken materiaal, de instelling van het verspanings­

proces en de dynamische eigenschappen van het gereedschapwerktuig. De ver­

schijnselen slijtage en breuk, die de levensduur van het snijgereedschap

bepalen, worden beheerst door fysische, chemische en mechanische processen

welke veroorzaakt worden door de mechanische en thermische belasting tij­

dens de bewerking. Het is van belang dat men, voorafgaande aan een nadere

bestudering van de verschillende gereedschapsaspekten, bekend is met de

krachten, energieen en temperaturen die bij het verspanen een rol spelen.

Aansluitend volgt een overzicht van de belangrijkste aspekten van het ver­

spaningsproces.

Tijdens het verspanen wordt middels afschuiving (primaire deformatiezone,

Fig. 1) materiaal van het werkstuk verwijderd. De grootte van de hierbij

optredende spanningen en rekken wordt bepaald door de keuze van de geome­

trische parameters (voornamelijk de spaanhoek Yo)' de instelgrootheden

(snijsnelheid v, aanzet s(h» en de mechanische eigenschappen van het te

bewerken materiaal. Een zogenaamde sekundaire deformatiezone bevindt zich

op het spaanvlak waar in de meeste gevallen de karakteristieke kolkslijtage

(stippellijn, figuur 1) optreedt. Het een en ander is schematisch voorge­

steld in figuur ] welke tevens ter vergelijking de analoge voorstelling bij

het slijpproces weergeeft. Merk hierbij op de karakteristieke verschillen

tussen de hoeken Yo' de afmetingen h en de relatieve grootten van de plas­

tische zonen.

De specifieke energie,

waarbij Et = totaal benodigde energie per tijdseenheid

Vt = verwijderde volume per tijdseenheid voorstelt,

ligt bij typische verspaningssnelheden tussen de 1-6 m/s (60-360 m/min) op:

0.7 J/mm 3 aluminium, voor

2 J/mm 3 staal en voor

3.5 J/mm 3 hooggelegeerde staalsoorten. voor

- 1 -

Fig. 1.

v

Ih werkstuk

a

slijpkorrel

werkstuk , plastische \ zone

, elastisch~ I zone , ,

''''-' b

Karakteristieke voorstellingen van het bewerkings­

proces bij draaien (schaven)(a) en bij slijpen (b).

- 2 -

(Bij het slijpen liggen deze waarden respectievelijk bij 6 J/mm3 en

200 J/mm3

voar het ruw- en fijnsIijpen). Van de tatale en;rgie, Ee

wardt bij hoge snijsnelhedenmeer dan 90% afgevoerd in de spaan, terwiji

de rest verdeeid wardt over de beitel en het werkstuk. De meeste energie

wardt in thermische energie omgezet en weI 2/3 in de primaire deformatie­

zone en ongeveer 1/3 langs het spaanvlak (gebied van de sekundaire defor-

matie) •

De onvervormde spaandikte kan varieren tussen 0.025 en 1.25 mm met meest

voorkomende waarden in de buurt van 0.25 mm. De temperaturen rond het

spaanvlak, oftewel de gemiddelde verspaningstemperaturen Iiggen normaal

tussen de 500 en 9000 C. Temperaturen tot 13000 C zijn bij bepaalde kon­

dities waargenomen. De temperaturen op het vrijlaopvlak liggen normaal

enkele honderden graden lager. De specifieke temperatuur en de tempera­

tuurverdeling hangen natuurlijk in hoge mate af van de g~kozen verspa­

ningskandities, materiaaleigenschappen en beiteleigenschappen.

Een typisch verspaningsproces bij 14Kw met zacht staal (R =30) geeft dan c

al gauw een belasting van _10.000 N loodrecht op het spaanvlak en _5000 N

parallel daaraan. Op het kleine beiteloppervlak heerst een maximum nor~

maalspanning va~ 103 N/mm2 afwel 1~4 bar.

----..a I

werkstuk I

v' i~

vrijloopslij toge vlak

h oonzet

kontaktlengte K Bo

gereedschop

Fig. 2. Schematische weergave van de belangrijkste slijtage­

patronen.

- 3 -

Figuur 2 laat de verspaningsgeometrie nog een zien in dwarsdoorsnede en

brengt de meer kritische gebieden naar voren zoals het gebied van de kolk­

slijtage op het spaanoppervlak (met de diepte d) en het vrijloopvlak (met

de lengte VB)' De lengte van de kolk bedraagt minder dan de totale kontakt­

lengte waarbij het eerste, vlakke, gedeelte de zogenaamde "sticking-length'

vertegenwoordigt. Op het spaanoppervlak nabij de snijkant wordt onder be­

paalde omstandigheden een hoeveelheid materiaal opgestapeld; deze zogenaam­

de opgebouwde snijkant (BUE) wordt periodiek a£gebroken hetgeen tot uit­

brokkeling van de snijkant kan leiden. Figuur 3 toont de typische slijtage­

patronen.

slijtagegraeven in

hut p vrijlaopvlak

neusradius

hulpsnijkant

, , ,

kalkbreedte

,----...:::...slijtagegraeven ter plaatse

van het werkstukoppervlak

I

• haafdsnijkant

vrijloapvlak slijtoge

Fig. 3, Typisch slijtagepatroon van een draaibeitel.

Duidelijk te onderkennen zijn;

Kolkslijtage op het spaanvlak

Slijtage van het vrijloopvlak

Groefvorming zijdelings van het vrijloopvlak

Afronden en slijten van de beitelneus

Slijtage op het hulpvrijloopvlak.

Scheurtjes (microscopisch en macroscopisch), veelal evenwijdig met of lood­

recht op de snijkant,:zijn een veel voorkomend verschijnsel zowel op het

spaanvlak als op het vrijloopvlak. Het behoeft geen verdere nadruk dat niet

alle typen slijtage tegelijkertijd behoeven voor te komen. Het verspanen

van bepaalde hooggelegeerde staalsoorten (Inconel, Rene, Waspalloy) met hoge

- 4 -

diemische afHnii:eit tot en lasbaarheid aan het beitelmateriaal zal bij­

voorbeeld een zeer hoge kolkslijtage tot gevolg hebben. Anderzijds is de

kolkslijtage bij het verspanen van gietijzer met keramische beitels veel

minder belangrijk, en is de hierbij overwegend abrasieve vrijloopvlakslij­

tage van veel grotere invloed op de standtijd. Hieruit mag evenwel niet

gekonkludeerd worden dat kolkslijtage niet of vrijwel niet voorkomt bij

keramische beitels! Dit is weI degelijk het geval, zoals bij het verspanen

van snelstaal met keramiek.

Alhoewel deze samenvatting hoofdzakelijk gericht is op de ontwikkeling op

het gebied van verspanen met hardmetaal en keramiek, is het van belang te

weten dat ook snelstaal en stelliet nog veelvuldig als materiaal voor snij­

gereedschappen worden gebruikt. Het totale verbruik' v,an gereedschapmateri ....

alen bedroeg in 1965 in de V.S. procentgewijs verdeeld over de verschillen­

de materiaalsoorten:

Snelstaal

Hardmetaal (en stelliet)

Gereedschapsstaal

Keramiek (en diamant)

65 %

32.3%

1.8%

0.9%

Van de ongeveer 10.000 ton hardmetaal geproduceerd in 1968-1969 was de ver­

deling naar toepassing ongeveer als voIgt:

Gereedschappen 25 %

Spijkers voor winterbanden 20 % 6 (2xlO stuks)

Werkstukken voor grondstof-winning 50 %

Matrijzen en slijtage bestendige toepassingen 5 %

Een algemene indruk van de toepassingsgebieden van de verschillende typen

beitelmaterialen is gegeven in figuur 4. We merken hierbij op dat de snij­

snelheid voor een bepaald beitelmateriaal opgevoerd kan worden naarmate de

warmtebestendigheid- d~nk bijvoorbeeld aan de warmhardheid - hoger is.

Do?rgaans liggen de waarden van de snijsnelheid bij keramiek twee maal

zo hoog als die voor hardmetaal. In sectie IV-C-3 zal blijken dat het ke­

ramische materiaal niettegenstaande zijn goede eigenschappen toch niet al­

tijd het juiste of aangewezen beitelmateriaal zal zijn. Er moet echter op

gewezen worden dat de hedendaagse ontwikkelingen in de sector van de kera­

mische beitelmaterialen in het algemeen er op duiden dat deze in de toe­

komst een steeds bredere toepassing zullen vinden. We denken hier niet

aIleen aan een verbetering van het algemeen toegepaste aluminium oxide

- 5 -

100

75

50

25

· • · • • • • • • • • •

\ . \

• • • • • • • • • • • •

\ \

\

\ " Stelliet .

• ' . • • • • Snelstool • •

..........

......... .......... Keromiek

...... .....

Gelegeerd staal, Rc= 21 oonzet: 1.5 mm

• • . °O~------~~----~2~------~3--------~4~-------5~

Snijsnelheid (m/sl

Fig. 4. Toepassingsgebieden van de diverse beitelmaterialen

voor het bewerken van een gelegeerde staalsoort.

maar ook aan 'legeringen' daarvan, alsmede aan nitriden, boriden en niet­

metallische twee- of meer-phase verbindingen. De figuren 5 en 6 illustreren

nog eens de verschillen tussen hardmetaal en keramiek en brengen eveneens

naar voren de noodzakelijkheid am de snijsnelheid te reduceren bij hogere

hardheid van het te verspanen materiaal. Bij verhoging van de hardheid

loopt de mogelijkheid voor variatie in de snijsnelheid bij hardmetaal

sneller terug dan bij keramiek.

De belangrijkheid van verwerkingsprocessen, waaronder het verspanen, in

onze samenleving en in het economische bestel, moge blijken uit onderstaan­

de tabel welke de uitgaven (in U.S. dollars) op verschillende verwante ge­

bieden illustreert van het jaar 1965, het laatste jaar waarover dit saort

cijfers ter beschikking standen ten tijde van het schrijven van deze re­

gels.

Arbeids- en vaste bedrijfsuitgaven

Werktuiggereedschappen (beitels etc.)

Werktuighulpstukken

Koeling en smeervloeistoffen

- 6 -

$ 40.000.000.000

$ 1.040.766.000

$

$

971.000.000

35.000.000

c 'e "0 ;=' -"0 C 0

en

c: "e "0 '-'

"0 c:; .2 VI

40

30

-- ------20 -----------10 --- ---

Hordmetool

4340 stool. Rc= 50

0.125 m m frev

1.25 mm oonzet zonder koeling

-------- ----

o~~--~~----~----------~--------~--~------~--~

50

40

30

20

10

2 3 4

Snijsnelheid Im/s)

Fig. 5. Toepassingsgebieden van hardmetaa1 en keramiek

voor 81:8.8.14340 met R = 50

Fig. 6.

/" /"

/" ~

...,-/"

...,-~

~

/" /"

/' /"

c

~~

Hordmeiool

2

Snijsnelheid Im/s)

~~/'

-- -----~ ~

-----~ -----

/"

/" ~

3

4340 51001.1\:=56

0.125 mm /rev

1.25 mm oonze1

zonder koeling

4

Toepassingsgebieden van hardmetaal en keramiek

voor staal 4340 met R = 56 c

- 7 -

5

We bedenken hierbij dat deze uitgaven aIleen betrekking hebben op de V.S.

(vermenigvuldig met 2 tot 2.5 voor werelduitgaven) voor het jaar 1965. Een

verhoging van de uitgaven grof geschat op 2 tot 3 maal de toenmalige uit­

gaven, in niet geringe mate toe te schrijven aan inflatie, zal een niet al

te slechte raming van de huidige situatie opleveren.

I. AAN DE BEITEL TE STELLEN TECHNISCHE EISEN

Het is op het ogenblik (nog) niet mogelijk om aan te geven wat nu precies

de juiste vereisten, uitgedrukt in de klassieke definities voor materiaal­

eigenschappen, zijn van een beitelmateriaal dat we onder bepaalde oms tan­

digheden zouden willen toepassen. Dit is vooral een gevolg van het feit

dat het nog niet gelukt is de kwantitatieve bijdrage van verschillende ma­

teriaaiparameters in een mogelijke 'kwaliteitsfunktie' vast te leggen. Met

andere woorden, wij zijn nag niet in staat am de materiaaleigenschappen

die van belang zijn ondubbelzinnig vast te stellen en vervolgens om hun

juiste onderlinge afhankelijkheid te bepalen. In niet geringe mate wordt

de oplossing van het geschetste probleem bemoeilijkt door het gebruik van

waarden van materiaaleigenschappen bij kamertemperatuur en onder atmosfe­

rische druk en niet bij kondities zoals die bij het verspaningsproces gel­

den. In veel gevallen zijn de waarden onder deze kondities eenvoudigweg

niet bekend; het optreden van een kontinue spaanvorm ofwel dat onderbroken

verspaand wordt; de variatie in de aard van de belastingvan het gereed­

schap teweeggebracht door de grote verschillen in eigenschappen van de te

bewerken produkten; het al dan niet toepassen van koelings- en smeermiddelen

van diverse, meestal onbekende samenstelling en eveneens onbekende invloe­

den; het toepassen van gereedschapswerktuigen met sterke verschillen in

vooral hun dynamische karakteristiek (stijfheid, trillingsfrequenties etc.);

het niet onderkennen van het feit dat falen van een beitel hetzij primair

een gevolg van breuk kan zijn dan weI voornamelijk door slijtage-

processen wordt bepaald of mogelijk een kombinatie van beiden; dat speciaal

bij slijtage (abrasieve of 'chemische t) de verschillende kombinaties beitell

werkstuk, zeer veel mogelijkheden voor wat betreft aard en snelheid van de

slijtage toelaat. Het ligt voor de hand dat met betrekking tot de zogenaam­

de primaire breuk, er in de toekomst een betere kans bestaat om een 'kwali­

teitsfunktie' te ontdekken dan het geval zal zijn bij de slijtage-ingeleide

(sekundaire) breuk. Beide onderwerpen zijn zeer actieve gebieden in de ver­

spaningsresearch.

- 8 -

Met het oog op de materiaalkeuze wordt hieronder, voornamelijk op basis

van kwalitatieve beschouwingen, een samenvatting gegeven van de belang­

rijkste eigenschappen waaraan een beitelmateriaal moet voldoen. Ret een

en ander is samengevat in de volgende 'tien geboden voor beitelmaterialen' .

I . Hoge warmhardheid

Een hoge warmhardheid is noodzakelijk om onder de heersende proceskondities

weerstand te kunnen bieden aan plastische deformatie ten gevolge van de

normaal-(Fyn) en tangentiaalbelasting (Fy) op het spaanvlak van de beitel,

zie figuur 1. Een hoge warmhardheid is een van de belangrijkste eigenschap­

pen van een goed beitelmateriaal. De invloed van de temperatuur op de hard­

heid wordt voor een aantal materialen gedemonstreerd in figuur 7.

3

- 2 ("I

0 .... )(

N

E E ---.. en .:s: --'t)

III .s::. 't) ... 0 :r:

0 0

Fig. 7.

\ \ Tie \

\ \ . \

eo \ ". 0.,

w 0 •• . . .

2 4

~ .. , "0.

, • e •• , -... " ° 0 we-CO 5% '- ..... .

0. ". o.

-----6 8 10 12 14

• 2 ' Temperotuuf ( C)( 10 )

Invloed van de temperatuur op de hardheid van ele­

ment, karbide en komposiet.

- 9 -

Alhoewel het TiC zich iets gunstiger gedraagt dan het WC, zijn beiden on­

derhevig aan een zeer snelle daling van de hardheid met toenemende tempe­

ratuur. Ret komposiet we-co dat per definitie een ander gedrag moet verto­

nen geeft in zijn gebruikelijke samenstellingen een wat gunstiger beeld en

maakt het verspanen met deze materialen mogelijk. Toch blijft de temperatuur

een belangrijke rol spelen bij de haalbare weerstand tegen plastische

deformatie. Ret bijv~egen van TaC en NbC (tot ongeveer 10%) bij WC-Co

en VC aan Tic-Ni-Mo, doet de warmhardheid aanmerkelijk stijgen. De bijge­

voegde karbiden zijn oplosbaar in de hoofdkarbiden. Overigens is de hard­

heid en de warmhardheid van komposieten en polykristallijne materialen

sterk afhankelijk van porositeit, korrelgrootte, de struktuur van het ma­

teriaal, en de eigenschappen van de samenstellende korrels.

Wat de laatstgenoemde eigenschap betreft moge het volgende als voorbeeld

dienen. De hardheid van TiN en dus oak die van de individuele korrel hangt

sterk af van de kompositie (stoichiometrie) zoals onderstaande waarden van

de hardheid (met 50 grams belasting) laten zien.

Verbinding

TiNa.59 TiNO•63 TiNa.85 TiNO. 92 TiNO. 97

Hardheid (N /nllIlh

12.103

14. 103

3 16.3xlO 3 17.8xlO

19.103

Ook in TiC wordt de hardheid beduidend beInvloed door het koolstofgehalte.

TiCO. 80 wordt 'zacht' bij een temperatuur die 200 tot 3000 C lager ligt

dan de overeenkomstige temperatuur voor TiCO

.96

' Wat betreft de invloed

van de porositeit is het al meerdere malen voor verschillende soorten ma­

teriaal bewezen dat men de volgende relatie mag gebruiken

waarin

R a

k

1

H H o

konstante (intercept ordinaat bij 1=0)

konstante

gemiddelde korrelgrootte

- 10 -

Deze vergelijking blijkt dezelfde vorm te hebben als de bekende Hall-Petch

relatie voor de sterkte van een materiaal,

_1 (J :::: (J + kl 2

1

Alhoewel niet proefondervindelijk vastgesteld, mag men verwachten dat de

invloed van de porositeit op de hardheid van een materiaal niet al te on­

nauwkeurig wordt uitgedrukt als men stelt

waarin

H o

P

=

H -AP

H e o

hardheid bij P=o

konstante :::: 7

volume percent porieen.

Dit gedrag wordt verondersteld op grond van een oorspronkelijk voor trek­

sterkte afgeleide empirische relatie van dezelfde vorm en het bovenvermel­

de overeenkomstig gedrag tusse.n (J en H. Ais voorbeeld dient de ervaring

dat de buigsterkte van het polykristallijne A1 203

met ongeveer 50% daalt

voor iedere 10% verhoging in de porositeit! De hardheid van de afzonder­

lijke kristallen kan sterk afhankelijk zijn van de kristallografische rich­

ting (anisotroop gedrag). Dit gedrag komt zeer sterk tot uitdrukking in het

hardste materiaal dat we kennen, nml. diamant , waar de Knoophardheid voor

de verschillende vlakken de volgende waarden aanneemt;

(100) 54.103 n/mm2, (110) 77.103 N/mm2 en op het hardste vlak (Ill) 95.103

N/mm2

. Voor TiC hebben we (110) 27.5xI03 N/mm2 en (010) 22.103 N/mm2 •

Voor sterk anisotrope kristallen kan men dus aIleen maar gemiddelde waarden

aangeven, tenzij het vlak of de richting nauwkeurig is bepaald. Verder

hangt de hardheid nag sterk af van de bereidingsmethode. Verschillen in

hardheid tussen A1 203 als zuiver eenkristal (saftier) en het in slijpste­

nen gebruikte 'electrocorundum', beiden kunstmatig bereide aluminiumoxyden,

kunnen meer dan 30% bedragen.

De hardheid wordt in eerste instantie bepaald door de bindingssterkte tus­

sen de atomen (moleculen, ionen) van het materiaal. Figuur 8 laat het ver­

band zien tussen de door de schrijver dezes bepaalde 'fysische' hardheid

(met energie als eenheid) en de technische hardheid bepaaldmet behulp van

- 11 -

40

30

0 0 .J:: u \II

"ii 20 " 1J

0 0

! "0 QJ

.J::

" ... to 0

:x:

Fig. 8.

Diamant

BN!. 4700 Hk

2800 Hk

Carbide (SiC). 2500 Hi<

Ret verband tussen Wooddell-hardheid en I fysische'

hardheid voor een aantal beitelmaterialen.

de Wooddell methode; dit is een arbitraire methode welke de weerstand tegen

abrasieve slijtage meet. ook de resuitaten van andere meetmethoden

zoals de Knoopmethode gebruiken met hoegenaamd hetzelfde beeld. De Knoop­

waarden zijn in figuur 8 aangegeven. Figuur 8 is niet aIleen van belang

vanwege het aangegeven verband tussen fysische en technische hardheid doch

deze figuur laat tevens de enorme verschillen in hardheid tussen de diverse

materialen zien. Voorts merken we hierbij op dat 98% van aIle materialen

een hardheid hebben diekleinerisdan die van corundum (AI 203). Behalve dia­

mant zijn er aIleen maar technisch of synthetisch bereide materialen (dat

wil zeggen geen natuurlijke) die een hardheid hebben groter dan van corun­

dum. Bovendien zijn er in het gebied tussen het kubische barium nitride

(met een struktuur analoog aan die van diamant) en het diamant, een gebied

dat de helft van het gehele hardheidsgebied bestrijkt, geen andere stoffen

- 12 -

bekend. De hardheidswaarden van WC en Tic liggen gemiddeld rond respektie­

velijk 22.103 en 25.103 N/mm2; het komposiet WC-Co is beduidend minder 3 2 hard, te weten - 17.10 N/u®.

De afname 1n hardheid met toename van de temperatuur is aangegeven in de

figuren 9 en 10. De eerstgenoemde figuur heeft voornamelijk betrekking op

polykristallijne materialen welke worden toegepast voor snijgereedschappen

bij het verspanen. Figuur 10 heeft betrekking op eenkristallen van materi­

alen welke worden toegepast, doch niet uitsluitend, bij slijpprocessen. Ais

we in figuur 9 een gemiddelde verspaningstemperatuur van zegge 8000 C

aanhouden dan blijkt dat de hardheden van verschillende materialen een ver­

houding vertonen overeenkomstig die van de gemiddelde snijsnelheden aange-o geven in figuur 4. Het keramiek dat bij 800 C een tweemaal zo hoge warm-

hardheid bezit als hardmetaal blijkt bij tweemaal zo hoge snijsnelheden te

kunnen worden toegepast. Een volledig sluitende kwantitieve overeenkomst

mag natuurlijk niet wordenverondersteld. Figuur 10 laat zien dat wat de

warmhardheid betreft, het diamant niet wordt overtroffen. Er bestaan nog

enorme verschillen tussen het diamant en het daaropvolgende kubische borium­

nitride. Dit laatste materiaal vertoont overigens een geheel ander verloop

van de hardheid met de temperatuur. Figuur 10 toont de gegevens voor een­

kristallen van diamant, BN, SiC en A12

03

op hun hardste vlakken (gemeten in

vacuum). Er is dus ook voor deze slijpmaterialen een behoorlijke afname van

de hardheid bij verhoging van de temperatuur. De diverse karakteristieken

snijden elkaar evenwel niet en het voordeel van het ene materiaal boven het

andere blijft dus bestaan tot temperaturen van meer dan 13000 C.

De experimentele gegevens voor A1 2P3 en BN kunnen worden uitgedrukt in de

formule,

waarin

H

H o

t

k

=

=

H = H e-kt/lOOO o

hardheid in N/mm2

hardheid bij kamertemperatuur • 0 C temperatuur 1n

empirische coefficient.

- 13 -

3

M 0 2 Witte keramiek ..-)(

(AllO 3) N

E

~ tn .x -"0 III

1 ..c:. "0 ... 0 :z::

o~--~----~----~--~~--~----~--o

Fig. 9.

2 4 6 8 10 12

T t (oCw102) ,empera uur ,..

Hardheid als funktie van de temperatuur voor

een·aantal karakteristieke beitelmaterialen.

- 14 -

10

9

6

7

<")

0 .... 6 Jt N

e ...§..

5 Cubisch Boriumnitride 0)

.:4:

"0 'iii I. ..r::. "0 l-e

..r::. e 3 I-U

~

'1

o~--~----~--~----~--~----~----~ o

Fig. 10.

'2 6 8 10 12 11.

Tempera tuur ["C lC 102)

Hardheid als funktie van de temperatuur voor een

aantal beitelmaterialen.

b - 14 -

De waarde van k varieert tussen 1.4 en 1.6. Ret 'gewone' elektrocorundum

heeft meestal een k-waarde van 1.4. Als het versterkt wordt met Cr, Zr of

Ti dan wordt k=I.6, hetgeen eveneens de betreffende waarde voor het kubi­

scbe BN aangeeft.

Wat bij snijgereedscbappen in bet bijzonder moet worden voorkomen is zowel

bet optreden van plastiscbe deformatie als bet optreden van spontane breuk­

verscbijnselen. Ret optreden van laatstgenoemde verscbijnselen hangt voor

wat de materiaaleigenschappen betreft nauw samen met de waarde van de

breuksterkte c.q. breukrek van het beitelmateriaal. Ook niet direkt kata­

strofale breukverschijnselen zoals het afschilferen zijn bijzonder nadelig

voor de levensduur van het gereedschap; zij vergroten aanmerkelijk de kans

op voortijdige uitval en versnellen het normale slijtageproces aanzienlijk.

Plastische deformatie manifesteert zich in de vorm van verlies van vormsta­

biliteit van de snijkant met daaraan gekoppeld een versnelde slijtage en

een vergroting van de kans op breuk. Als materiaaleigenschap vormt de hard­

heid bij bedrijfstemperatuur de belangrijkste grootheid i.v.m. het al dan

niet optreden van afschuiving van de snijkant.

In het algemeen hanteert men de betrekking

waarin R

C

Y

= =

R = CY

hardheid

konditionele faktor (veelal 2.8-3)

de 0.2-rekgrens resp. de breuksterkte (voor rekken

kleiner dan 0.2).

Men heeft op empirische gronden een plastische veiligheidsfaktor NT ont­

wikkeld, aan de band waarvan bet al dan niet optreden van afschuiving van

de snijkant bij benadering voorspeld kan worden. Deze faktor kan worden

berekend met behulp van de betrekking

H u

- 15 -

of

met H u

H (T ) c c

=

=

H N !:!!

T u

de hardheid van het betreffende beitelmateriaal bij

verspaningstemperatuur

de hardheid (max. schuifspanning) van het te bewerken

materiaal dat zich in de deformatiezone bevindt.

de hardheid (max. schuifspanning) van het werkstukmate­

riaal in de contactzone.

behoeft geen afschuiving van de snijkant te worden verwacht.

daarentegen, bestaat er een grote kans op afschuiving van de

snijkant. Zo blijkt dat bij het slijpen van hoog temperatuurbestendige

nikkellegeringen met corundum, waarbij temperaturen in de orde van grootte o

van 1100 C kunnen optreden, NT < 1 wordt. De praktijk heeft bewezen dat

deze legeringen zeer moeilijk met corundum te bewerken zijn. De waarde van

NT is kenmerkend voor het procesgedrag bij diverse kombinaties van gereed­

schap-werkstukmateriaal en de ongelijkheid NT > I blijkt aldus een belang­

rijk bewerkingskriterium te zijn. Voor het bewerken van bovengenoemde le­

geringen worden alternatieven gezocht in de toepassing van het kubisch BN

(NT!:!! 7.5 bij 1100oC) en het SiC (NT!:!! 3.5 bij 1100oC). Een uitgebreide

toepassing van het kriterium NT > 1 wordt in belangrijke mate geremd door

het gebrek aan betrouwbare waarden van de benodigde eigenschappen onder

procescondities. Dit geldt in het bijzonder voer de eigenschappen betref­

fende de gereedschapmaterialen.

2. Lage chemische affiniteit

Een lage chemische affiniteit bevordert het tegengaan van de volgende twee

processen:

1) het onderling reageren van beitel en werkstukmateriaal en

2) het diffunderen, in- af uit-, van bepaalde staffen.

Beide met als gevolg een mutatie van strukturen en/of eigenschappen van het

beitelmateriaal. In het algemeen zou men dus door een juiste materiaalkeuze

de chemische- en diffusieslijtage tegen kunnen gaan.

- 16 -

Stellen we ons een mogelijke reaktie tussen materiaal en beitel voor mid­

dels de vereenvoudigde notatie

M + B + MB

dan zal de reaktie naar rechts veri open wanneer de vrije enthalpie als ge­

volg van de reaktie kleiner wordt. De uiteindelijke vrije (reaktie) enthal­

pie zal dan zijn,

waarin

verschil enthalpie

de vrije enthalpie; X B, M, MB.

Naarmate de vrije enthalpie ~G(T,P) meer negatief is zal de neiging tot

het verlopen van de reaktie in de aangegeven richting groter zijn. Hebben

we nu een betrekkelijk grote negatieve vrije enthalpie voor het beitelma­

teriaal (dit kan ook voor het werkstuk of voor beide het geval zijn) dan

zal de neiging tot formatie van MB klein zijn. We bedenken hierbij weI dat

zelfs wanneer deze informatie bekend is dit ons nog niets zegt over de mo­

gelijkheid van nog andere chemische reakties, zoals bijvoorbeeld

en de hoeveelheid reaktieprodukt die gevormd wordt. Veelal moet het een en

ander proefondervindelijk worden vastgesteld en bepaalde eigenschappen zo­

als chemische potentialen en aktiviteiten experimenteel worden gemeten.

Men begrijpt dat dit soort gedetailleerde informatie voor verspaningssyste­

men nauwelijk voorhanden is. Met informatie betreffende de waarde van de

vrije energie van de verschillende beitelmaterialen kunnen we echter een

goede aanduiding van de reaktiemogelijkheden verkrijgen. Figuur 11 geeft

hiervan een overzicht. We merken hierbij op dat het wolframkarbide niet

direkt een gunstige plaats inneemt. Vandaar de in het algemeen optredende

grote kolkslijtage bij we-co hardmetalen. Het TiC gedraagt zich veel gun­

stiger en behoudt deze eigenschap zonder veel verandering ook bij de ho­

gere temperaturen. Om deze reden wordt TiC in zeer dunne laagjes aange­

bracht op het hardmetaal (de zogenaamde gecoate hardmetalen waarover later

- 17 -

0

-25

--0 ...: -50

~ 0 u ~

QI -75 0'1 ... QI C QI

QI -100 ........ ... >

-125

Fig. 11.

FelC WC

vc

NbC ToC ZrC TiC HfC HfN A120)

Ti02 Zr02

TiO Hf02

o 5 10 15 20

• 2 Tempera tuur ( ex 10 )

Vrije energie van een aantal verbindingen welke

toegepast worden in beitelmaterialen.

meer) om de kolkslijtage tegen te gaan. Het ~s al bewezen dat het TiN,

met een nog lagere vrije energie, nog beter weerstand biedt aan deze vorm

van slijtage. Het feit dat de oxiden van Zr en Hf in de huidige research

op het gebied van gereedschapmaterialen een grote rol spelen zal aan de

hand van de informatie verstrekt in figuur II geen verder kommentaar

behoeven.

De verzwakking van beitelmaterialen met door diffusie beheerste processen

1S nog moeilijker kwantitatief te behandelen. Allereerst kan men te maken

hebben met verschillende processen zoals oppervlakte-, korrelgrens- en

bulkdiffusie. De diffusiesnelheid neemt af in de aangegeven volgorde. Ver­

der diffunderen atomen of ionen die niet een afzonderlijke plaats in het

- 18 -

kristalrooster innemen, doch zich interstitieel verplaatsen, ongeveer een

grootte-orde sneller dan dezg. substitutionele atomen (ionen). De inbouw

van substitutionele atomen is min of meer bepaald door de Hume-Rothary re­

gel, die zegt dat atomen of ionen met gelijke lading en met radii die niet

meer dan 15% afwijken van die van de atomen in het moederrooster, gemakke­

lijk daarin opgenomen kunnen worden. Deze regel geeft een inzicht in de

mogeUjkheid van substitutionele diffusie. De afmetingen van kationen van

Hf, Zr, AI, Cr en Ti zijn ongeveer gelijk aan, of vallen binnen de 15% 1

miet van de afmeting van het koolstof atoom in WC. Diffusieprocessen wor­

den vervolgens beInvloedt door de waarden van de diffusiekonstante D , die o zelf afhankelijk is van de atoomafstand en de sprongfrekwentie van de ato-

men in het rooster, en de aktiveringsenergie voor diffusie, Q ; het een en o

ander volgens

waarin

D = de diffusiekoefficient

T = de temperatuur,

R == de gaskonstante

Voor metaten geldt: QD ~ 20 RTm' Tm

zou men dus kunnen stellen dat

2 (rom Is),

smelttemperatuur. Voor deze stoffen

Hieruit mag men, als men diffusie tegen wil gaan, de konklusie trekken dat

men liefst beitelmaterialen met een zeer hoog smeltpunt moet kiezen, of

dat men zou moeten verspanen bij een zo laag mogelijke temperatuur. De

hoogste smelttemperaturen bezitten de karbiden, direkt gevolgd door de

boriden, de nitriden, de enkelvoudige oxyden en vervolgens de siliciden,

de meervoudige oxyden en de sulfiden. Hieronder voIgt een overzicht van

de smelttemperaturen van grondstoffen welke om verschillende redenen be­

langrijk zijn voor de fabricage van gereedschappen. De betreffende tempe­

raturen behoren tot de hoogste smelttemperaturen welke bekend zijn.

- 19 -

SmelttemEeratuur

3875 - 3700

3700 - 3300

3500 - 3050

3050 - 2750

2750 - 2500

2500 - 2300

2300 - 1950

(oK) verbindingen

HfC, TaC

NbC, ZrC

HfB2, ZrB2, TaB2. TiC, HfN, Th02

TiB2' VC, TaN, ZrN, TiN, Hf02' Zr02 , WC

A1 4C3

, M02C, BeO, CaD

LaB6, B4C, SiC, AIN, VN, Cr203 A1 203•

° Niet-binaire verbindingen met smelttemperaturen hoger dan 2750 C zijn niet

bekend. Verbindingen van meer dan twee elementen hebben in het algemeen

smelttemperaturen welke beneden de 2200° C liggen. Enkele van deze verbin­

dingen, voornamelijk die welke ontstaan uit de oxyden van Ca, Ba, Sr, Ce,

Hf, Zr, Th en Cr bezitten een smelttemperatuur in het bereik 2750-23000

C.

Deze materialen zijn van belang bij de ontwikkeling van toekomstige kera­

mische gereedschapsmaterialen en voor speciale toepassingen van hardmetalen.

Om chemische reakties en diffusieprocessen welke in de meeste gevallen on­

gewenst zijn tegen te gaan, moet de werktemperatuur zo laag mogelijk ge­

houden worden. De waarde van de vrije vormingsenergie is afhankelijk van

de temperatuur en de situatie wordt ongunstiger bij temperatuurtoename

(figuur 11). De waarde van de diffusiekoefficient neemt eveneens in sterke

mate toe met de temperatuur. Dikwijls wordt over het hoofd gezien dat phy­

sische en chemische mutaties ook weI positieve gevolgen kunnen hebben. In

bepaalde gevallen wordt het verloop van het verspanings- of slijpproces

bevorderd, zo niet mogelijk gemaakt, door diffusie of chemische reakties.

Inbouw van Cr in Al 203 verstevigt het rooster en vermindert de kolkslijta­

ge bij keramische beitels van dit materiaal. In-diffusie van Mg voorkomt

versnelde korrelgroei in A13

03 b hoge verspaningstemperaturen. Vanadium

in TiC voorkomt een snelle afname van de warmhardheid bij dit materiaal.

Diffusie van Zr, Hf, Ti, Al en andere elementen in hardmetaal WC-Co heeft

een zeer gunstige invloed op de kolkslijtage. Daar staan weer andere ne­

gatieve processen tegenover. Diamant reageert met staal en vormt Fe3C

waardoor het slijpen of verspanen van staal met het meest 'ideale' mate­

riaal onmogelijk wordt. Al 203

evenals het kubische BN reageert met Titanium;

slijpen is onmogelijk nlet deze kombinatie. Het we lost op in Fe rond 1000 -

11000 C met als gevolg hevige kolkslij bij deze temperaturen. Bepaalde

Ca en 8i houdende staalsoorten vormen een vloeibare glaslaag van lage vis­

cositeit op keramische beitels bestaande uit A1 203

; het gevolg is een ver-

- 20 -

snelde kolkslijtage.

Als laatste mage nog genoemd worden dat niet aIleen chemische processen

tussen beitel en spaan,maar mogelijk ook die tussen het gereedschap en de

omgeving een probleem vormen.

15

10

1:) "-<II <II

1:)

x 5 0

<II 0>

~ 0

0

Fig. 12.

0 5,5

I Silicium Carbide , 6,0

T£'mpero iuur (OC x 10')

6,5

Vergelijking van oxidatiesnelheden van borium­

karbide en siliciumkarbide.

Als voorbeeld mage dienen de gegevens in figuur 12. Ondanks een zeer hoge

hardheid, een redelijke weerstand tegen thermische spanningen en andere

go~de eigenschappen,is het betreffende materiaal hoegenaamd onbruikbaar

voor bijvoorbee~d slijpen. De reaktie

verloopt zeer snel, in het bijzonder bij hogere temperaturen, en is er de

oorzaak van dat ondanks vele pogingen daartoe het B4C niet als beitelmate­

riaal kan worden toegepast. Het SiC voldoet in bepaalde gevallen weI. Het

verschil in oxidatieweerstand tussen beide materialen is opvallend •

. - 21 -

3. Hoge abrasieve weerstand

In het algemeen verstaan we onder abrasieve weerstand de weerstand tegen

afvoer van materiaal tengevolge van zuiver mechanische processen welke op­

treden in het kontaktvlak van twee ten opzichte van elkaar bewegende licha­

men. De materiaalafvoer wordt veroorzaakt door plastische vervorming (spaan­

vorming) en/of brosse breuk (korrelvorming), welke wordt teweeggebracht

door interactie van oppervlakte oneffenheden of losse of gebonden deeltjes

tussen de lichamen. In het algemeen moet de hardheid van bet ene materiaal

ongeveer 25 % groter zijn dan die van het andere om effectieve penetratie

mogelijk te maken. In principe kan daarom tussen twee materialen van de­

zelfde hardheid geen zuiver abrasieve slijtage optreden. In komposieten is

bet van be lang zich te realiseren dat een van de fasen soms beduidend min­

der hard is dan de andere en daarom veel sneller kan slijten. De zachte

fase is dan bepalend voor de weerstand tegen abrasieve slijtage van het

materiaal als geheel. In werkelijkheid zullen bij wrijving tussen twee

licbamen beide lichamen materiaal verlieze.n. Alboewel een groat verschil

tussen slijtagesnelheden in beide richtingen zal optreden is de slijtage

van het hardste lichaam niet altijd onbelangrijk. Dit laatste punt wordt

dikwijls over het hoofd gezien.

De mate van abrasieve slijtage wordt dus bepaald door materiaaleigenschap­

pen - in het bijzonder de relatieve hardheid - en systeemparameters zoals

de kontaktdruk, de relatieve snelheid en de oppervlakteruwheid. Deze vorm

van slijtage levert een belangrijk aandeel bij de gereedschapsslijtage

welke optreedt bij verspanen met hardmetaal bij lage snijsnelheden en

speelt in het algemeen een zeer belangrijke rol wanneer met snelstaal

wordt verspaand. Abrasieve slijtage is doorslaggevend bij het verspanen

met keramische beitels en met hardmetaal c.q. diamant op niet-metalen. Dit

laatste komt vaak voor bij het verspanen, slijpen, snijden en boren van

gesteente, mineralen en synthetische anorganische materialen.

Het is niet eenvoudig om de mate van abrasieve slijtage kwantitatief vast

te leggen. De waarden van zowel materiaal- als systeemparameters kunnen

in de diverse gevallen enorm varieren. Een toereikende kwantitatieve waar­

dering is meestal aUeen mogelijk op empirische wijze en na een grondige

studie van het betreffende systeem. Literatuuraanwijzingen zijn meestal

niet voorhanden. In figuur 13 is getracht een overzicht te geven van de

relatieve weerstand tegen abras slijtage voor verschillende soorten

- 22 -

-Q) .... o Q) '-

" c: o -11\ ... QI QI ~

QI

60

50

40

30

~ 20 .;;; o .. ..0

« 10

6% (895i

, \

6%'­(44 A) \ ,

1883 )

I WC - Co)

(55A)

O~----L-----~--~----~----~----~-----o

Fig. 13.

3 4 5 6

Relatieve weerstand tegen abrasieve slijtage van

een aantal WC-Co-kwaliteiten.

met kobalt gebonden wolframkarbiden. De breukmodulus, cr 2/2E, is gekozen

als onafhankelijke variabele en de slijtageeenheid is gedefinieerd als

abrasieve weerstand l/volumeverlies

Ret volumeverlies van de verschillende hardmetalen werd gemeten in een

standaardslijtproef met aluminiumoxide in water als abrasief medium. In

overeenstemming met het voorgaande blijkt dat de weerstand van de onder­

zochte hardmetalen tegen abrasieve slijtage snel afneemt met toenemend

kobaltgehalte. Een belangrijke rol speelt ook de korrelgrootte. Dit blijkt

uit een vergelijking van de typen 895, 883, en 55 A van G.E. welke allen 6%

kobalt bevatten en waarbij de gemiddelde geschatte korreldiameter respek­

tievelijk 3, 5 en 7 ~m bedraagt. De weerstand tegen abrasieve slijtage

van hardmetalen met een hoog percentage Tic (en ook de Ni-Mo gebonden ti­

taankarbide hardmetalen) is meestal een orde kleiner dan de beste WC-Co

- 23 -

kwaliteit zoals de typen 999 en 895. Ret is bekend dat het zogenaamde 'mi­

crograin' hardmetaal (korrelgrootte < I ~m) een hogere slijtageweerstand be­

zit dat een standaardkwaliteit met hetzelfde kobaltgehalte. De abrasieve

slijtage van hardmetalen door bewerking met aluminiumoxide straalprocessen

('zandstralen') vertoont dezelfde tendens als die geschetst is voor hard­

metaal in figuur 13 voor a1uminiumoxide in water. Overigens blijkt de para­

meter a2/2E een goede maatstaf voor slijtageprocessen op a1uminiumoxide te

zijn. Roe hager de waarden van a2/2E hoe minder het materiaal za1 slijten.

4. Lage lasbaarheid

Men tracht zo veel mogelijk te voorkomen dat tijdens het verspanen werkstuk­

materiaal en beitelmateriaal aan elkaar lassen. Ret aanhechten geeft veel­

a1 aanleiding tot de zogenaamde adhesieslijtage. Een sterke hechting voor­

komt afschuiving of breuk ter plaatse van het hechtv1ak doch stimuleert

breuk in de onmiddelijke omgeving. Deze vorm van slijtage manifesteert zich

door het uitbreken van relatief grote deeltjes van het beitelmateriaa1. Ret

optreden van opgebouwde snijkanten (BUE) wordt eveneens bevorderd door een

hoge lasbaarheid en kan tot breuk van de gehele snijkant leiden. Trillingen

(chatter) dragen meestal bij tot hoge lassterkte. Verder is adhesieslijta­

ge bijzonder funest voor beitelmaterialen met een sterk heterogene struk­

tuur.

Men probeert het aan1assen te voorkomen door een gepaste keuze van het bei­

telmateriaal te maken en tevens door vloeistoffen toe te passen welke een

direkt kontakt tussen spaan- en beite1materiaal voorkomen (smeren) of de

reaktie tussen beide materialen onmogelijk maken. Ret effect van dergelij­

ke vloeistoffen is in bepaalde gevallen duidelijk waarneembaar maar de re­

denen welke worden aangevoerd am de verbeteringen te verklaren, zijn nog

steeds zeer omstreden. Ret is verder mogelijk om bepaalde werkstukmateria­

len beter bewerkbaar te maken door toevoeging van bepaalde elementen zoals

lood in het geval van staal. Toevoeging van weer andere elementen zoals

bijvoorbee1d silicium maakt het materiaal brosser en voorkomt het aanlassen.

Ret silicium veroorzaakt tevens het ontstaan van een beschermende silicaat­

laag op hardmetalen met een hoog titanium of tantaalgehalte.

De mate van lasbaarheid zal meestal proefondervindelijk moeten worden vast­

gelegd. Ret bepalen van de waarde van de wrijvingskoefficient is dikwijls

- 24 -

de enige manier om tot een vergelijking van het gedrag voor verschillende

kombinaties te komen. Er is zeer weinig baanbrekend werk verricht op dit

gebied. Ret is belangrijk onderscheid te maken tussen lasbaarheid en che­

mische affiniteit (II - 2.). Ret optreden van beide verschijnselen tracht

men bij het verspanen zoveel mogelijk te beperken. Een lage chemische af­

finiteit betekent evenwel nog niet een a priori lage lasbaarheid en omge­

keerd.

'. Hoge stijfheid- lage deformatiefaktor

Bij een materiaal met een hoge stijfheid blijven de vervormingen onder

proceskondities klein en zal het vormen van scheuren of andere inhomoge­

niteiten die tot breuk kunnen leiden tot een minimum worden beperkt.

De stijfheid wordt uitgedruk in de waarde van de elasticiteitsmodulus (E).

Een hoge waarde van E betekent een hoge stijfheid. De weerstand tegen de­

formatie van een materiaal kan echter beter worden uitgedrukt in de ver­

houding tussen de elasticiteitsmodulus en de spanning bij maximale gelijk­

matige vervorming (yield stress). We zullen deze verhouding de deformatie­

faktor noemen.

S

E

Y

= =

S = ElY

deformatiefaktor

elasticiteitsmodulus

maximum haalbare spanning bij gelijkmatige vervorming.

Afhankelijk van het type test zal Y de trek- of druksterkte vertegenwoor­

digen maar in ieder geval die spanning waarbij relaxatie van de schuifspan­

ningen optreedt (yield stress). In hardheidsmetingen (kompressie) vormt

bijvoorbeeld Y de limiet van de druksterkte. De waarde van de deformatie­

faktor bedraagt voor metalen 300 - 1000, vaar de meeste keramische mate­

rialen ongeveer 100 en voor glas en polymeren ongeveer 25. Berekeningen

voor een serie hardmetalen geven waarden tussen 110 - 160. De lage waar­

den voar glas zijn een gevolg van een lage E-waarde, terwijl kristallijn

keramiek een relatief lage waarde bezit vanwege een zeer hoge Y. Een hoge

waarde van de deformatiefaktor is ongewenst als men vervorming wil voor-

komen. De 'effectieve' stijfheid dan laag. Dit wordt in het algemeen

- 25 -

bedongen door een lage Y-waarde. Het een en ander kan nog wat verder worden

uitgewerkt aan de hand van de volgende beschouwingen. De hardheid van een

materiaal kan, zoals a1 eerder werd aangetoond (II - t, hoge warmhardheid)

worden uitgedrukt door

H = CY

waaruit voIgt dat de druksterkte (hardheidsproef door indrukken zoals bij­

voorbeeld de Vickers' test)

Y = H/3

Deze verhouding geldt voor metalen. Bij zekere keramische stoffen (KBr, NaCI,

MgO en TiC) blijkt dat de yield stress beduidend lager ligt. Hier blijkt

dat

Y = H/35

Dit is een gevolg van het feit dat deze materialen anisotroop zijn, en/of

verstevigen, dan weI onregelmatigheden vertonen (verontreinigingen, poro­

siteit) die niet de hardheid maar weI de druksterkte verlagen. Een andere

faktor is de meetnauwkeurigheid van de beide grootheden die bij deze harde

materialen nogal te wens en overlaat. Bovendien treden bij deze material en

vaak faseveranderingen als gevolg van drukbelasting op, welke dan niet ver­

diskonteerd worden. Een bekend voorbeeld is het smelten van ijs onder een

schaats, hetgeen overigens het schaatsen mogelijk maakt. Nauwkeuriger on­

derzoekingen van de laatste tijd laten evenwel zien dat ook keramische ma­

terialen de uitdrukking Y = H/3 volgen en dat de waarde van Y meestal ont­

leend kan worden aan de maximale drukspanning (druksterkte). We verkrijgen

dan

s = 3E H

of aangezien Y ~ 2T (T = maximale schuifspanning)

E S ~ 2T

Er bestaat een duidelijk verband tussen de deformatiefaktor en de p1asti-

citeitsfaktor (eerder aangetoond in punt met NT) via de elasticiteitsmo-

- 26 -

dulus en de hardheid. Ais dit verband in de toekomst nauwkeurig kan worden

vastgelegd zou het dus in principe niet meer nodig zijn om hoge stijfheid

(elasticiteitsmodulus) en hardheid als gescheiden onafhankelijke parameters

te behandelen.

Er kan in deze samenhang verder nog geduid worden op het belang van de

waarde van de elasticiteitsmodulus in verband met taaiheid en de warmte­

schokvastheid (punten 6,8). Mogelijk is het ook beter om de rek als meest

belangrijke parameter aan te nemen. Als we E gelijk mogen stellen aan de

verhouding alE bij 0.2% rek en aannemen dat Y de sterkte is bij 8% rek,

zoals bij hardheidsproeven gevonden wordt, dan zal

Van belang wordt dus de verhouding van de haalbare spanningen bij karakte­

ristieke rekken. Overigens moet nog gewezen worden op de temperatuur-afhanke­

lijkheid van de elasticiteitsmodulus. V~~r A12

03

daalt de waarde van E met

ongeveer 1/3 1n het temperatuurinterval 250 + 16000 C. De afhankelijkheid

van de modulus van de porositeit kan in het algemeen uitgedrukt worden met

waarin

E o

P

=

O. Roge taaiheid

E = E (1 - 1.9 P) o

waarde elasticiteitsmodulus bij P = 0

volume aandeel porositeit.

De deformatiefaktor geeft ons een goede indruk van de mogelijkheid van op­

treden van plastische deformaties, terwijl de taaiheid meer een maat is

van de totale plastische deformatie die mogelijk is voordat breuk plaats­

vindt. Ret zal weI duidelijk zijn dat de parameters hardheid, stijfheid

en taaiheid eigenlijk niet onafhankelijk zijn. Ret zijn eigenlijk verschil­

lende vormen waarin we proefondervindelijk de gedragskarakteristieken van

een materiaal pogen vast te leggen. Totdat we in staat zijn, om het mate­

riaalgedrag in een parameter vast te leggen, heeft het toch zin ze afzon­

derlijk te behandelen.

- 27 -

Taaiheid is in principe het vervormings- (deformatie)vermogen van een mate­

riaal totdat het verbreken van de samenhang (breuk) optreedt. Als zodanig

kan dit een puur elastisch dan weI de kombinatie van elastisch en plastisch

(homogeen en inhomogeen) gedrag insluiten. Een maat voor de taaiheid is de

breukrek. Een materiaal wordt geacht bros te zijn als de rekkromme tot aan

breuk een lineair gedrag vertoont. De breukrek bij brosse materialen is

soms zelfs zo klein dat de meetbare breukrek niet als betrouwbare maat voor

de taaiheid kan worden aangewend. Bij volledig brosse materialen zullen we

onder bepaalde belastingen een plotseling optredende breuk waarnemen, ter­

wijl bij taaie materialen welke een grote mate van plastische deformatie

toelaten, geheel geen plotselinge breuk zal optreden. Een andere definitie

van taaiheid wordt gevonden in de energie die het materiaal kan opnemen

voordat breuk optreedt. Ret is duidelijk dat materialen die een grote breuk­

rek hebben ook een grot ere energie per volume-eenheid kunnen opnemen. Een

moeilijkheid zit in het proefondervindelijk vaststellen van vergelijkbare

waarden van deze energie. Ook zij opgemerkt dat er verschillende 'soorten'

taaiheid zijn; trektaaiheid, buigtaaiheid en kerfslagtaaiheid am de meest

bekende te noemen. Rierna voIgt een korte uiteenzetting.

De deformatieenergie per volumeeenheid wordt gegeven door het oppervlak

onder de trekkromme. Men kan stellen dat

waarin

Ed V = a cr = n E =

= V cr dE o n

deformatieenergie

het oorspronkelijke volume

de nominale spanning

de breukrek

Integratie van deze formule geeft

E V a

b

=/ o

cr dE

Voor het elastische gebied volgt hieruit:

- 28 -

E V

o = t • 0 2/E e

waarbij we opmerken dat meer energie kan worden opgenomen naarmate het mate­

riaal een kleinere E-modulus en een hogere breuksterkte bezit. Ret feit dat

deze taaiheidsdefinitie voldoet voor hardmetalen en keramische beitelmateri­

alen hangt samen met het feit dat geen of slechts weinig plastische deforma­

tie v66r breuk optreedt. Taaiheidswaarden die plastische deformatieenergieen

insluiten (zogenaamde geintegreerde waarden) zijn hoegenaamd niet bekend.

Verder wordt de uit het 'weakest link' model afgeleide kritische waarde van

de spanningsintensiteitsfaktor, K,

en

K(C) = 0 =

E =

Y =

c =

K = ofiT'C

K = IE· 2y c

(kritische) spanningsintensiteitsfaktor

(trek, buig) sterkte

elasticiteitsmodulus

oppervlakteenergie

halve scheurlengte

ook weI als taaiheidsmaat genomen. De faktor K is dan de 'fracture toughness' c

of de scheurtaaiheid. Voor material en waarbij in niet te verwaarlozen mate

plastische deformatie optreedt drukt men K liever uit als c

K IE· G c c

waarbij Gc ~ 2(y + yp) de kritische breukenergie is en yp = plastische defor­

matieenergie. Toepassingen van deze grootheden bij hardmetalen is ook weer

beperkt vanwege het ontbreken van gegevens hieromtrent. Metingen van buig­

taaiheid waarin

I = 'traagheidsmoment

- 29 -

en experimenteel bepaalde waarden van de kerfslagtaaiheid bieden nog verdere

mogelijkheden.

Om enige vergeIijking en schatting van de deformatieenergie mogelijk te maken

heeft men met bovengenoemde beperkingen dus eigenlijk aIleen de waarden van E . en I nodig. Het gedrag van E is al eerder besproken. De breeksterkte hangt

bij brosse materialen voornamelijk af van de korrelgrootte, de porositeit en

de hoeveelheid als weI de eigenschappen van de (sinter-) bijmengsels. Empi­

risch heeft men kunnen vaststellen dat voor wat betreft de bovengenoemde groot­

heden de volgende uitdrukkingen gebruikt mogen worden.

k) en a: konstanten cr = k G-a {

1 G korrelgrootte

-bP k2 en b: konstanten cr = k 2e {

P volumeaandeel .n por1en

v volumeaandeel bijmengsels dat G k3

r { de korrelgroei tegengaat = ~

v gemiddelde straal der korrels van r het bijmengsel

De waarde van a is voor vele materialen vrij nauwkeurig vastgesteld op onge­

veer 1/3 en dat van k) op rond 60.

In het algemeen geldt dus:

Zoals eerder is gebleken wil men materialen samenstellen met een zo klein

mogelijke korrelgrootte en porositeitsvolume (men ziet hierbij af van het

effect der bijmengsels). P.J. Gielisse heeft de taaiheid (deformatieener­

gie) voor polykristallijn aluminiumoxyde kunnen uitdrukken als

E = 100.5 G-0 . 664

waaruit men kan vaststellen dat aluminiumoxyde met een korrelgrootte van

2 ~m ongeveer zesmaal zoveel energie kan opnemen als een aluminiumoxyde met

een korrelgrootte van 40 ~m. De reden voor het succes van het zogenaamde

- 30 -

'micrograin carbide' (G ~ 1 ~m) blijkt uit het bovenvermelde.

Fig. 14.

A = korrelgrootte

A1>"-2 >"-3

Toaiheid

Invloed van samenstelling en korrelgrootte

op hardheid en taaiheid.

Voor wat hardmetalen betreft geeft figuur 14 globaal het verb and tussen taai­

heid en hardheid weer. Aangezien modulus en sterkte in grote mate afhankelijk

zijn van de temperatuur zal de mogelijkheid om ook deformatieenergie op te

nemen in sterke mate door de temperatuur bepaald worden. Als voorbeeld moge

dienen dat de waarde van de breukenergie van A12

03

bij 16000 C maar ongeveer

een vier de is van die bij 250 C.

7. Vermoeiingssterkte

Ook als de spanningen in de beitel tijdens het verspanen beneden de breukgrens

liggen zal men rekening moeten houden met de mogelijkheid van breuk als gevolg

van de periodiek optredende belastingveranderingen.(vermoeiingsbreuk). Een

lage vermoeiingssterkte kan de levensduur zeer nadelig beinvloeden. Er wordt

in het algemeen weinig aandacht besteed aan het vermoeiingsgedrag van gereed-

- 31 -

s chapp en , hetgeen mede te wijten is aan het feit dat slechts weinig kwanti­

tatieve gegevens van de vermoeiingssterkte van bijvoorbee1d hardmetalen be­

kend zijn. Bovendien 1igt bij het verspanen de aard van de be1asting niet

vast. De dynamische komponent van de snijkracht bevat meerdere frekwenties

en de samenstelling is afhankelijk van het te bewerken materiaal, het ge­

reedschap, het gereedschapwerktuig, de snijsnelheid en de aanzet. De voor­

komende frekwenties liggen tussen 0 en 20.000 Rz. Ret is normaal gesproken

ondoen1ijk en zeker ekonomisch niet haa1baar aandacht te besteden aan ver­

moeiingsinvloeden tijdens kontinue verspanen. Een uitzondering vormt misschien

het verspanen van materialen zoals titaan waarbij onder hoge snijkrachten

brokkelspanen optreden. Riervoor en voor processen met onderbroken snede kan

men de volgende aspekten beschouwen:

Een hoge verhouding tussen de hardheden van het beitelmateriaal en het

te bewerken materiaal vermindert de kans op vermoeiingsbreuk.

De vermoeiingssterkte onder een hoge belastingfrekwentie is in het a1-

gemeen groter dan bij lage frekwenties.

De vermoeiingssterkte bij een vaste belastingkarakteristiek kan een an­

dere waarde hebben dan die bij een veranderend spanningsbeeld. Verschil­

len in levensduur kunnen aIleen voor specifieke kondities proefondervin­

deIijk worden vastgesteld.

De opperviaktegesteldheid spee1t een zeer belangrijke rol. De vermoei­

ingssterkte onder aanwezigheid van ruwe oppervlakken is kleiner dan die

waarbij minder ruwe of 'gladder oppervlakken een rol spelen. Ret zou

aanbeveling verdienen om beiteloppervlakken te polijsten ware het niet dat

dit ekonomisch meestal niet haalbaar is. De kans op ve~oeiingsverschijn­

selen en/of scheurinitiatie aan het oppervlak wordt beinvloedt door re­

siduele spanningen welke bij het slijpen van het oppervlak worden gelntro­

duceerd.

Korrosie (voor en gedurende het gebruik van de beitel) kan de vermoeiings­

sterkte ongunstig belnvloeden. Ret schoonhouden van beitels, speciaal

veer gebruik is belangrijk. Ze1fs vingertranspiratie (zuur) kan nadelige

gevo1gen hebben.

a. Weerstand tegen thermoschok

Grote temperatuurverschillen tussen het spaan- c.q. vrijloopopperv1ak en de

bulk van een beitel zoals deze bijvoorbeeld voorkomen aan het begin en einde

- 32 -

van een snede, denk aan frezen, kunnen spanningen teweeg brengen die de sterk­

te van het materiaal te boven gaan. Deze invloed kan leiden tot afschilferen

en lokale scheurvorming welke uiteindelijk katastrofale breuk tot gevolg heeft.

De thermische spanningen kunnen worden berekend aan de hand van de volgende

formule:

waarin

E = AT = V

a

A

= A aE - V

elasticiteitsmodulus

temperatuurverschil

~ois.son konstante

AT

lineaire uitzettingskoefficient

funktie van het Biot getal.

De waarde van A ligt tussen 0 en 1, afhankelijk van de grootte van het

proefstuk, de waarde van de warmte-overdrachtskoefficient en de warmte­

geleidingskoefficient. In het geval van oneindig snelle afkoeling be­

reikt A de maximum waarde 1. Er bestaan twee definities van de weerstand

tegen thermoschok:

Gb

(I - v)

Ea

Gb

(1 - v)k

Ea

waarin Gb de breuksterkte is.

De grootheid Rt

kan (dan) gebruikt worden voor zeer snelle verschijnselen

(het warmtegeleidingsvermogen speelt dan geen rol meer) terwijl R2 van toe­

passing is onder omstandigheden waarin eerr warmtestroom het temperatuurver­

schil bepaalt. Indien we aanhemen dat de waarde van de Poisson konstante

voor de diverse soorten hardmetaal ongeveer gelijk is (~ 0,25) dan kan de

relatieve weerstand tegen thermospanningen als voIgt worden uitgedrukt ;

Dit is de formulering van de weerstand tegen thermoschok zoals deze in het

- 33 -

algemeen wordt toegepast. Een hoge weerstand kan het gevolg zijn van een

grote waarde van het mechanische gedeelte, (0:) en/of van het thermische

d 1 (k) d' d kk' h . d ECt d' d th ge ee te, a van e u~t ru ~ng. De groot e1 1: vertegenwoor ~gt e er-

mische spanningsgevoeligheid. R2 kan ook worden uitgedrukt als

met Eb als de breukrek.

k a

Deze wijze van formuleren houdt in dat R) en R2 in feite aIleen maar betrek­

king hebben op een aan de breuk voorafgaand zuiver elastisch gedrag en deze

definities zijn slechts zinvol in het geval van zich overwegend bros gedragende

materialen

Materialen welke een grote weerstand tegen thermoschok hebben zijn dus die

welke, vanwege hun samenstelling en struktuur, een hoge breukrek hebben, de

warmte Zeer goed geleiden en een lage uitzettingskoefficient hebben. De uit­

zettingskoefficient blijkt de meest invloedrijke parameter te zijn. Het SiC

is eigenlijk het enige materiaal onder de monokarbiden (B4C, ZrC, VC, HfC,

NbC, WC, W2C) dat een goede weerstand tegen thermoschok bezit. Dit is te

danken aan het feit dat de warmtegeleidingskoefficient van dit materiaal on­

geveer driemaal zo hoog is als die van de andere karbiden, gevoegd bij het

feit dat de uitzettingskoefficient klein is. Bij hardmetalen varieert de uit­

zettingskoefficient weinig. De soorten met een hoog TiC-TaC gehalte bezit-

ten de grootste waarden; deze kunnen tot 50 % boven die van WC-Co liggen. Het

warmtegeleidingsvermogen 1S daarentegen kleiner naarmate het gehalte aan TiC­

TaC groter is. Speciaal van belang bij de WC-Co komposieten is de betere

warmtegeleiding. De waarde hiervan neemt toe naarmate het WC-gehalte toeneemt.

In aanmerking nemend dat een hoog TiC gehalte gunstig is voor wat betreft de

breuktaaiheid (ob/E), kunnen we opmerken dat de invloed op de thermische span­

ningsversterking (a/k) ongunstig is. Voor een aantal kwaliteiten, gerangschikt

naar ISO-klassifikatie; wordt in de figuren 15 en 16 het gedrag van de genoem­

de grootheden geillustreerd.

De gevoeligheid voor thermoschok is bij~onder belangrijk bij keramische bei­

tels. Voor het polykristallijne A1 203

is deze gevoeligheid ongeveer tienmaal

zo hoog als voor de gemiddelde kwaliteit hardmetaal en honderd maal zo groot

als die van sneldraaistaal (dit alles bij kamertemperatuur). Een typisch ge­

drag van het witte keramiek is dat de sterkte van het materiaal abrupt ver-

- 34 -

I')

'0 -3 )( ... -w

" .,0' I

,f/ .75

/-'n- ~/ ~, " .... / Rt - / , / , /

" / , , , , 'II

.. _____ .. ~-~'t- _____ ~ -K20 M20

.50

.25

Fig. 15. Breukrek (efT)' thermische span-·

ningsgevoeligheid (St) e~ weerstand tegen

thermoschok (R) van een aantal (ISO) K-t

en M-kwaliteiten.

4

...,~

3 x l-

E -.... 'It

2 t 1ft

~ J(

..............

~I" ...!." ..

(I)

+ P01 P10 P2Q P30 P40

laagd wordt na warmteschok

boven een bepaalde tempe­

ratuur (rond 200 - 2500 C

voor A1 203

gekoeld in water).

Het zwarte keramiek daaren­

tegen laat een geleidelijke

verlaging van de sterkte na

warmteschok zien. Bovendien

ligt de temperatuur, waarbij

deze geleidelijke afname van

de,sterkte na warmteschok op­

treedt bij het zwarte keramiek

enkele honderden graden hoger

dan bij het witte keramiek.

Evenals de sterkte en de elas­

ticiteitsmodulus wordt de

warmtegeleidingskoefficient

sterk beinvloed door porosi­

teit. De tendens van dit ge­

drag wordt weergegeven in de

volgende relaties:

E = E (J-P) o

k = k (J -P) o

waarbij E ,k de waarden bij o 0

P = 0 zijn'en P = het volume-

aandeel der porieen.

Fig. 16. Breukrek (efT)' thermische spanningsgevoeligheid (St) en

weerstand tegen thermoschok (Rt

) van een aantal (ISO) P-kwaliteiten.

9. Weerstand tegen kruip

Bij toepassingen waarbij gedurende lange tijd en onder zware belasting met

dezelfde beitel verspaand wordt kan ook bij hardmetaal het optreden van kruip

- 35 -

een niet te verwaarlozen fenomeen zijn. In de meeste gevallen zal het even­

weI niet de meest belangrijke evaluatieparameter zijn. Er is zeer weinig

specifieke informatie omtrent het kruipgedrag van hardmetalen en de invloeds­

faktoren aanwezig. Ret zal dan ook hier weer moeten blijven bij wat algemene

richtlijnen. Als vuistregel mogen we aannemen dat koude kruip optreedt bij

waarden van T/T (T = smelttemperatuur) groter dan 0.25. Hoge termperatuur-s s

kruip treedt op vanaf T/T . = 0.4 - 0.5. Ret is zeer goed mogelijk dat bij de s

bekende verspaningstemperaturen be ide soorten kruip, gescheiden in de ver-

schillende fasen, in het komposiet hardmetaal optreden. De meest belangrijke

vervormingsmechanismen welke kontinue deformatie onder invloed van een min

of meer statische belasting (kruip) bewerkstelligen zijn: lokale slip, korrel­

grensglijden en materiaaltransport van gebieden onder drukspanning naar ge­

bieden waar trekspanningen optreden. Kruip kan dus worden tegengegaan door

onder anderen a) de formatie van een zeer fijn verdeelde karbidefase in

het bindmiddel te bewerkstelligen,

b) de keuze van een grofkorrelig hardmetaal (minder korrel­

grenzen) en

c) het gebruik van hardmetaal met een zo hoog mogelijke

smelt- of dekompositietemperatuur.

De gebruiker van het beitelmateriaal zal meestal genoegen moeten nemen met

het aangeboden produkt en zal bovendien weinigkwantitatieve informatie kun­

nen verkrijgen omtrent de weerstand tegen kruip.

10. Goedkoop en goed slijpbaar

Goedkoop betekent niet zondermeer voordelig in aankoop. Ret punt van de mini­

male kosten wordt in de produkten pas bereikt indien de laagst mogelijke kos­

ten met de daarmee verband houdende hoogst mogelijke produktiviteit bereikt

wordt. Dit houdt in dat het juiste gebruik van een beitel op zijn minst zo

belangrijk is als de prijs ervan. Ret zal duideIijk zijn dat de kwaliteit van

het gereedschap hierbij een belangrijke rol speelt. Omtrent de keuze van een

gereedschap trachten we in dit overzicht iets meer te zeggen.

Ook de slijpbaarheid van het beitelmateriaal kan van groot belang zijn met

betrekking tot de uiteindelijke produktiekosten. Dit aspekt komt echter ook

naar voren als men afgesleten hardmetaal gereedschappen wil slijpen (bijv.

bij frezen). Ook bij het onderzoek naar nieuwe beitelmaterialen vormt de

slijpbaarheid een belangrijk kriterium.

- 36 -

Ret zal inmiddels duidelijk zijn dat aIle goede of gewenste eigensehappen

niet verenigbaar zullen zijn in een materiaal. Er bestaat dus geen ideaal

beitelmateriaal. Er zal steeds een kompromis gesloten mo.eten worden waar­

bij de eigensehappen van een beitelmateriaal worden afgewogentegen die van

het werkstukmateriaal en waarbij de systeemparameters en externe invloeden

in de besehouwing worden betrokken. De meeste materialen welke de zo belang­

rijke hoge warmhardheid bezitten blijken zeer gevoelig te zijn voor thermo­

sehok. Materialen welke inderdaad een hoge abrasieve weerstand kombineren

met een lage ehemisehe affiniteit en lasbaarheid (zoals BN en Diamant) zijn

kostbaar. Andere samenstellingen zijn zeer hard, hebben een hoge elastiei­

teitsmodulus en vermoeiingssterkte (zoals bijvoorbeel B4C en SiC) maar blij­

ken een te lage ehemische stabiliteit (B4C) of een te geringe taaiheid (SiC)

te bezitten. Een bet ere keuze in dit geval zou dan bijvoorbeeld het eerder

genoemde Si3N4 of een van de Sialons* zijn. Weer andere materialen blijken

aan bijna aIle voorwaarden te voldoen behalve de zo belangrijke lage chemische

affiniteit. Zo reageren AlZ03

en BN tijdens het verspanen op een desastreuze

wijze met titanium, diamant met staal en blijkt WC boven bepaalde temperaturen

oplosbaar te zijn in ijzer.

Ret zal blijken dat de huidige ontwikkel ingen , zoals beschreven in het nu vol­

gende gedeelte, gebaseerd zijn op:

Een goede paring van beitel- en werkstukmateriaal

Ret verbeteren van beitelmaterialen of de ontwikkeling van nieuwe

materialen.

Ret gebruik van verschillende materialen voor verschillend belaste

delen van de beitel.

III DE ONTWIKKELING VAN BEITELMATERIALEN

Ret zeer brosse wolframkarbide (WC) kan niet zonder meer als beiteimateriaal

worden toegepast. Al in 1927 heeft Schroeter de brosse korrels met een Co­

binding tot een komposiet weten sam~n te stellen (WC-Co). De goede eigenschap­

pen van het komposiet zijn de hoge (warm)hardheid en een t.o.v. het WC zelf,

behoorlijke taaiheid. Bovendien bleek dat beide.samenstellende materialen

*) verbindingen tussen silicium, aluminium, zuurstof en stikstof.

- 37 -

zich inderdaad laten sinteren tot een komposiet van hoge dichtheid. In het

komposiet staan als gevolg van het sinterproces de WC korrels onder druk­

spanning terwijl in het verbindende Co een trekspanning heerst. De toepassing

van deze zogenaamde 'straight-carbides' ligt - zij het veel minder uitge­

sproken dan bij keramische materialen - in het gebied dat bepaald wordt door

kleine tot gemiddelde waarden van de aanzet en betrekkelijk hoge verspanings­

snelheden. Het WC-Co komposiet is bij uitstek geschikt voor toepassingen waar­

bij een hoge weerstand tegen abrasieve slijtage vereist is. Vandaar dat grote

hoeveelheden van dit materiaal worden gebruikt in boorkoppen toegepast bij

de delfstof-winning.

Gedurende de tweede wereldoorlog zocht men wegens een tekort aan zowel wolfram

als kobalt naar alternatieven voor het WC-Co. Deze ontwikkelingen leidden tot

de toepassing van Tic met speciale binders. Een van de eerste resultaten was

het TiC-(M02C-Ni)komposiet. Alhoewel dit materiaal vanwege zijn grotere bros­

heid (aanwezigheid van Mo 2C in de zachte fase) geen belangrijke opgang vond

was het duidelijk dat de toepassing van TiC bepaalde voordelen met zich mee­

bracht. Speciaal bij het verspanen van staalsoorten boden deze beitels belang­

rijk meer weerstand tegen kolkslijtage. Pas veel later, in de vijftiger en

zestiger jaren, kwam het TiC werkelijk tot zijn recht door de ontwikkeling

van het nu nog steeds toegepast Mo-Ni als bindmiddel. De zogenaamde titanium

kwaliteiten zijn gebaseerd op het brosse komposiet TiC(Mo-Ni). In vergelij­

king tot het WC-Co wordt dit type gekarakteriseerd door een redelijke sterkte,

een hoge uitzettingskoefficient en een lage warmtegeleiding, hetgeen resul­

teert in een grote thermische spanningsgevoeligheid. Ret TiC lost gedeeltelijk

op in het bindmiddel Mo-Ni; met het WC (in kobaltmatrix) is dat veel minder

het geval. In feite zijn de hier genoemde TiC kwaliteiten ook 'straights',

zij het gebaseerd op TiC. Wellicht om historische redenen is de uitdrukking

'straight! gereserveerd voor de (WC-Co)komposieten. Ret gebruik van de uit­

drukking 'straights' vindt zijn oorzaak in de ontwikkeling van de zogenaamde

intermediaire soorten waarin door toevoeging van verschillende (sub-) karbi­

den aan het basismateriaal WC-Co getracht wordt bepaalde eigenschappen aan

het beitelmateriaal te verlenen. Het is belangrijk op te merken dat de inter­

mediaire soorten kobalt gebonden komposieten zijn. De tot nu toe beschikbare

hardmetalen zijn onder te verdelen in drie groepen:

WC-Co, de kobaltgebonden wolframkarbiden, ook wel wolframkarbiden of

'straight carbides' genoemd.

{W, X)C-Co, of de intermediaire ~ardmeta~lsoorten waarin X = Ti, Nb, V,

Ta, of een mengsel daarvan.

- 38 -

Tic (Mo-Ni), of de werkelijke titanium kwaliteiten.

Deze eenvoudige indeling kan dienen als een eerste aanwijzing bij het kiezen

van kwaliteiten. Er dient op gewezen te worden dat grote verschillen in ei­

genschappen kunnen optreden voor materialen binnen eenzelfde groep

het een en ander afhankelijk van dichtheid, korrelgrootte, hoeveelheid bi~­

dermateriaal, zuiverheid van de uitgangsmateria1en, proceskondities etc.

(Zie ook Fig. 17 ).

Vooral met betrekking tot de intermediaire soorten kan worden gezegd dat ie­

der element of iedere verbinding een specifieke bijdrage Levert tot de eigen­

schappen van het komposiet. Ter orientering voIgt hieronder een beknopt over­

zicht van de invloed van de diverse karbiden op het gedrag van het hardmetaa1.

WC verhoogt de weerstand tegen abrasieve slijtage; bij het verspanen voora1

van belang met betrekking tot slijtage welke veroorzaakt wordt door

oxideins1uitingen in het werkstuk en geoxideerde spanen.

VC remt de korre1groei tijdens het sinteren en voorkomt een a1 te sne1le

daling van de hardheid van Tic met toenemende temperatuur. Het VC moet

opgelost zijn in het TiC om deze laatste rol te kunnen spelen.

(Ta, Nb)C aanwezig in de vorm van zeer fijne karbiden in het bindmiddel ver­

hoogt het de E-modu1us (stijfheid); toevoeging van deze karbiden

verhoogt eveneens de sterkte van WC-Co bij hoge temperaturen.

TaC werkt het ontstaan van oppervlaktescheuren als gevolg van thermische

belasting tegen; het verhoogt de breukrek en in het bijzonder de weer­

stand tegen thermoschok (NbC is hier veel minder effektief).

TiC biedt grote weerstand tegen diffusie en adhesie met a1s gevoig bij het

verspanen een relatief geringe kolkslijtage. Toevoeging aan het WC-Co­

komposiet verhoogt de druksterkte maar verlaagt de abrasieve weerstand.

Het verlaagt in belangrijke mate het warmtegeleidingsvermogen en ver~

hoogt daarmee de g~voeligheid voor thermische belasting.

In het algemeen kan men zeggen dat hardmetalen voor verspaningsdoeleinden nog

steeds voornamelijk gebaseerd zijn op het WC-Co komposiet vanwegen zijn unieke

kombinatie van hardheid en sterkte. Vooruitgang werd en wordt nog steeds be­

reikt middels veranderingen in samenstelling en struktuur, doch ook de fabri­

kagetechnieken en de produktiebeheersing zijn in dit verband van belang. Het

toevoegen van legeringselementen met het doel verbetering van eigenschappen

zoals diffusie en korrosieweerstand en weerstand tegen thermoschok, hebben

steeds een afname van de sterkte en de hardheid tot gevolg, wel1icht veroor-

- 39 -

zaakt door de kleinere E-waarden van TiC-TaC karbiden ten opzichte van we. De invloed van de samenstelling en de korreldiameter op de mechanische ei­

genschappen kan in zekere zin, ongeacht de aard van de betreffende karbiden,

worden beschreven in afhankelijkheid van de parameter d/A, waarin d de gemid­

delde korrel diameter en A een representatieve waarde voor de gemiddelde dik­

te van de kobaltlaag tussen de korrels vertengenwoordigt, zie tabel I en de

bijbehorende figuur 17. Ret blijkt eveneens dat deze-invloed via de elastici-

50

day ,,(0

Aay 30

t 20

15 0

A

• 10

* 0

Fig. 17.

'\

"- ,,-1111

'. '\

\. '.

'\

"-St raight grade '\

\. laag gelegeerd \.

\. Hoog " "-

'. MoNi binder

, , 3

2 3 ..( 5xl0- 3

---- Eft = CTfT E

De breukrek (££T) als funktie van de verhouding'

gemiddelde korreldiam./gemiddelde dikte kobaltlaag.

teitsmodulus in rekening kan worden gebracht. Ret gebruik van gemeten waarden

brengt dan tevens de invloed van porositeit kwantitatief tot uitdrukking.

Voor een groot aantal 'straights' is aangetoond dat de breukrek kan worden

berekend aan de hand van de formule:

efT = { 8,75 - J. 75 in [ (4 -5 1 _ 7.00 - E. 10

6.62

- 40 -

-I ]-1 ) - 1

...-:. "~ -OJ

"d ..... ' a - -~ N I . ......,.,

~ 0 O!) N til '!"l ~ ....... H ~

Z ~ .......

p z C"")

.... .... 0 .!"l

.!"l P V'I .... OJ 1-1

(1j 0 '-'" .... ~ .... '!"l

OJ '!"l - I-,...; ~ 1-1 4-(1j ~ UJ b

~ Z ~

OJ . "d ..... -a ~ - N I - ~ . N 0 O!)

~ ....... til H

.!"l Z ~ ~ .......

z C"")

.... I::l .... 0 .!"l .!"l g V'I .....

OJ 0 '-" ..... 1-1 ~ .... .!"l I

.!"l --- I-,...; 1-1 4-(1j ~ UJ b

~ Z ~

POl 1 A 4.50 0.70 K20 14 A 6.40 1.80

P10 2 A 4.90 1.50 15 B 6.48 2.00

3 D 4.27 loSS 16 C 6.61 1. 76

P20 4 A 5.30 1.60 17 D 6.48 1. 79

P30 5 A S.20 1. 70 18 0 6.48 1.66

P4a 6 A 5.50 2.10 K30 19 C 5.49 2.28

P50 7 A 5.05 2.20 20 D 6.07 2.07

KOI 8 A 6.65 1. 50 21 0 5.45 2.48

9 B 6.41 1.59 K40 22 B 5.44 2.69

10 0 6.62 1.38 H2O 23 A 6.10 1. 70

Kl0 11 A 5.80 1.40 24 B 6.48 1.86

12 A 6.50 1. 70 H40 2S A 6.20 2.20

13 D 6.52 1. 59 91/9 26 B 6.00 2.34

90/10 27 B 6.00 2.41

TABEL I

Specificaties van de in Fig. 17 vermelde hardmetalen.

- 41 -

IV RECENTE ONTWIKKELINGEN

De mechanische eigenschappen van hardmetaa1 hangen in sterke mate af van de

struktuur. Rierbij denken we aan de verde1ing van het bindmidde1 (Co); de

grootte van en de spreiding in de korre1grootte; het geha1te van verontrei­

nigingen en aan vrije koo1stof in het bindmateriaa1; en de dichtheid inver­

band met de aanwezigheid van ho1ten en porieen.

Een zeer be1angrijke ontwikke1ing op dit gebied vindt p1aats door het ver­

k1einen van de korre1grootte tot ver beneden I ~m. Er zijn a1 produkten ge­

rea1iseerd met korre1afmetingen tussen de 0.2 en I ~m. (Ret 'Baxtron' van

DuPont en een kwa1iteit van Ste11ram). Zulke materia1en welke in het a1gemeen

aangeduid worden met de naam 'micrograin carbides' b1ijken de vo1gende voor­

de1en te bieden. Een re1atief grote weerstand (200-300% hoger dan die van het

k1assieke WC-Co-komposiet) een grotere taaiheid (het koba1tgeha1te is meest­

a1 vrij hoog, 10 - 20%) en in het a1gemeen een betere verhouding tussen toe-

1aatbare snijsne1heden (slijtage) en de taaiheid (breuk).

A) Beite1materia1en voor het bewerken van hoog&e1egeerde staa1soorten

Bepaa1de materia1en welke technisch van zeer groot be1ang zijn zoa1s de samen­

ste11ingen bekend onder de namen Rene, Waspa110y en Incone1 kunnen hoegenaamd

niet efficient verspaand worden met de konventione1e hardmeta1en beite1s. De

moei1ijkheden bij het verspanen van deze materia1en welke overwegend met Ni en

Mo ge1egeerd zijn, zijn een gevo1g van:

de zeer hoge mate van adhesie tussen deze material en en het hardmetaa1

tijdens verspaningskondities, hetgeen resu1teert in grote wrijvingskrach­

ten.

de zeer hoge mechanische be1asting van de beite1punt a1s gevolg van voor­

noemde wrijving, tezamen met de voor deze materia1en karakteristiek zijn­

de hoge waarden van de afschuifspanning.

Ret is in het a1gemeen slechts moge1ijk om zeer 1angzaam en met vrij k1eine

aanzetten te verspanen hetgeen tot hoge kosten 1eidt.

A1hoewe1 het idea1e gereedschap voor deze materiaa1typen zeer zeker nog niet

ontwikke1d is heeft het materiaa1onderzoek op dit gebied toch zeer goede re­

su1taten mogen boeken. Ret een en ander wordt hieronder samengevat.

- 42 -

TABEL II

Verspaningskondities voor het bewerken van materialen met BN-beitelplaatjes (spaanhoeken van -5 ~ -100)

Materiaal Snijsnelheid Voeding Snedediepte Snijkantshoek Weglengte ;r;

Koelvloei-

(m/s) (em/omw) (em) (graden) (em) stof +

Waspalloy 1.5-2.5 0.015 0.375 45 7.5 geen

3 -4.5 0.015 0.250 45 7.5 geen

Waspalloy 3 0.015 0.225 45 1.875 geen AMS 5706

Waspalloy 4.4-4.5 0.015 0.250 45 1.0 water

PW 1007 3.5 0.020 0.063 45 1.0 olie

Waspalloy 5.5 0.008 0.088 45 13.3 water

AMS 5708 7.S 0.008 0.088 45 4.8 olie

Ineonel 600 2.5 0.015 0.150 15 4.4 olie

Hastelloy N 2.75 0.015 0.250 15 3.45 geen

PWA 1012 4 0.013 0.250 45 2.2 geen

Ineoloy 901 5 -6.5 0.015 0.250 45 2.5 geen

AMS 5660 7 -8.75 0.015 0.125 45 2.65 geen

K-Monel 4 0.020 0.063 45 120 water

Rene 77 2 0.015 0.038 - 8 water

2 -3 0.015 0.030 71 17.5 olie

+'olie' in water opgelost = olieemulsie * 1n aanzetriehting

1. Polykristallijn boriumnitride op hardmetaal

Tot de laatste ontwikkelingen behoren hardmetalen beitels met een op­

gesinterde bovenlaag bestaande uit boriumnitride (BN) kristallen,

figuur ]8. Deze laag (0.5 - 1 mm) bestaat evenwel niet uit zuiver bori-

05 mm Diamant 01 boriumnitride

~ .~ I , .. iol"d 1 ,t mm = Ho,dm.lool

DQ 90'

Fig. 18. Diamant- en boriumnitride-

'gecoate' beitelplaatjes.

nitride maar bevat een

metalen bindmiddel hetwelk

de verbinding vormt tussen

de kristallen onderling en

eveneens in de hechting met

het hardmetaal voorziet.

Vandaar dat de eigenschap­

pen van de opgebrachte

laag aanmerkelijk verschil­

len van de eigenschappen

van zuiver boriumnitride.

De hardheid van het opge­

sinterde komposiet ligt

tussen de 21000-27500 N/mm2

(gemeten volgens de Knoop

methode). De hardheid van zuiver boriumnitride ligt rond de 47000 N/mm2•

Proeven hebben aangetoond dat verschil in hardheid van de boriumnitride­

laag geen noemenswaardige invloed heeft op de verspaningsresultaten. Er

is weinig bekend over de fabrikageprocedure en de aard van het bindmiddel

behalve dat de fabrikage zeer hoge drukken en temperaturen vergt welke

enigszins vergelijkbaar zijn met die welke men gebruikt bij de synthese

van de boriumnitride kristallen (- 50 Kbar en 15000 C). Ret polykristal­

lijne (kubische) BN wordt met diamant geslepen. Ret verdient aanbeveling

om de aangebrachte laag daarna te polijsten met het doel de bij brosse

materialen gevreesde hoge koncentratie van oppervlaktescheurtjes te re­

duceren.

Tabel II geeft een indruk van de verspaningskondities welke mogelijk zijn

met boriumnitride plaatjes. De gegeven resultaten moeten met enige reser­

ve worden beschouwd; het produkt is nog niet algemeen ingeburgerd en de

ervaringen met dit gereedschap zijn dus nog beperkt. Zoals te verwachten

is hebben hog ere snijsnelheden een kleinere weglengte (zie tabel II) tot

gevolg. Koeling is zeer belangrijk alhoewel ook droog verspaand kan wor-

- 44 -

den. Verdere resultaten bij het verspanen van Inconel 718 en Rene 95

laten zien dat deze materialen nu bewerkt kunnen worden bij snel­

heden die gebruikelijk zijn voor het verspanen van normale staalsoor­

ten met hardmetaal. Voor hardmetaal,en BN-plaatjes liggen de mogelijke

snelheden ongeveer als voIgt:

Beitelmateriaal Snijsnelheid (m/s)

INCONEL 718 RENE 95

Rardmetaal 0.5 0.25

BN op hardmetaal 3-3.5 2-2.25

In het geval van BN bedroeg de voeding ongeveer 80% van die toegepast

bij het hardmetaal. Ret totale per tijdseenheid verspaand volume is

voor BN vijf keer zo groot. De levensduur van het BN-beitelplaatje is

korter maar de totale hoeveelheid per beitelkant verspaand materiaal

bedraagt het dubbele.

Ret succes van BN·is mede te danken aan de hoge temperatuurbestendig­

heid van het kubische boriumnitride. Ret hardmetaal zou het bij deze

temperatuur (1000 - 11500 C) slechts enkele seconden uithouden. De

ervaring is dat oak bij BN een niet te verwaarlozen ve~betering bereikt

kan worden indien een koel- of smeermiddel wordt toegepast. Een tweede

reden voor het goede gedrag van BN is de lage chemische affiniteit van

dit materiaal met betrekking tot gelegeerd staal o.a. resulterend in

een lagere 'wrijving'. De meest voorkomende vorm van slijtage is breuk

van de individuele BN-korrel. De tot op heden opgedane ervaring leert

dat het verspanen met onderbroken sneden met deze nieuwe beitels sterk

af te raden is.

2. Keramische materialen

Al een jaar of vijf voor de ontwikkeling van het BN als beitelmateriaal

heeft men roaterialen ontwikkeld welke geschikt zouden moeten zijn voor

het verspanen van hooggelegeerde staalsoorten. Een groot aantal samen­

stellingen zijn toen als beitelmateriaal gerealiseerd en als zodanig

toegepast. De beste resultaten werden geboekt met 'sinterlegeringen'

in het systeem ZrB2 - ZrN2' Ondanks dat heeft dit werk, verricht door

- 45 -

- "". --

Carborundum in deVer. Staten,·· niet tot coromerci~le exploitatie geleid.

Ret onderzoek naar geschikte keramische materialen voor bovengenoemde

toepassingen wordt in verschillende laboratoria voortgezet. Een van de

voornaamste onderzoekcentra is het Materials Research Laboratory van

de Pennsylvania State University in de Verenigde Staten. De samenstel­

lingen van bijzondere interesse zijn gebaseerd op de volgende binaire

of ternaire systemen: SiC + B4C, SiC + B + A12

03

, TiC + TiSi2 , LaB6 +

Co, LaB6 + Ni. De metaal-gebonden boriden van lanthaan blijken opmerke­

lijke goede resultaten op te leveren.

Ook wordt nog gewezen op de mogelijkheden welke materialen zoals Si3N4

en de z.g. 'Sialons' (verbindingen tussen silicium-aluminium, zuurstof

en stikstof) lijken te bieden. In het bijzonder met betrekking tot het

element ijzer, zoals in staal, vertonen deze materialen een zeer lage

reactiviteit. Bovendien bezitten deze siliciumverbindingen een hoge

weerstand tegen kruip, een hoge thermische schokbestendigheid en een

- voor keramische materialen - hoge sterkte (900 N/rom2).

B) Beitelmaterialen voor het bewerken van abrasieve materialen •

Rardmetaal is, wanneer het vergeleken wordt met b.v. keramisch materiaal niet

erg bestendig tegen abrasieve slijtage. In bepaalde gevallen is het vrijwel

onbruikbaar in toepassingen waar abrasieve slijtage belangrijk is. Diamant

is een bij uitstek geschikt materiaal indien het abrasieve slijtage betreft,

mits de (verspanings-) temperaturen beneden 600 tot 7000 C gehouden worden en

er geen katastrofale chemische reakties (opkolen) optreden. Tot voor kort werd

bij het verspanen het diamant uitsluitend als eenkristal gebruikt. De nieuwste

ontwikkelingen op dit gebied zijn de volgende:

I. Polykristallijn-diamant op hardmetaal

Evenals bij het boriumnitride-snijplaatje wordt het diamant in een laag

van tenminste 0,5 rom opgebracht op een hardmetalen onderplaat. Ook hier

is een metaalbinder aanwezig en vindt het opbrengen middels sinteren on­

der hoge druk plaats. De beitelplaatjes zijn verkrijgbaar in verschillen­

de vormen (Fig. 18). In het algemeen vertonen de polykristallijne plaat­

jes, in vergelijking met een eenkristal een langere levensduur. De

- 46 -

levensduur wordt hier voornamelijk bepaald door breukverschijnselen. De

polykristallijne plaatjes zijn taaier vanwege de metalen binder. Boven­

dien zal de voortplanting van een eenmaal geinitieerde scheur zich in

eerste instantie beperken tot een korrel en niet direct het uitbreken

van een zeer groot gedeelte van de snijkant tot gevolg hebben. Het poly­

kirstallijne snijgereedschap kan ook vaker nageslepen worden dan dit in

het algemeen bij een eenkristal het geval is. Bovendien zijn de ei­

genschappen van de compound goed te beheersen en is de levensduur als

snijgereedschap min of meer voorspelbaar (hetgeen zeer belangrijk is voor

toepassing als snijgereedschap in een produktieproces). Dit is overwegend

niet het geval voor het eenkristallijn natuurprodukt (synthetische dia­

mant is in het algemeen niet groot genoeg om als eenkristal te worden

toegepast). De korrelgrootte van het diamant bepaalt de eigenschappen en

dus ook het toepassingsgebied van de compound. Een fijnkorrelige laag

(1 - 3 ~m, Type 1) wordt gebruikt voor verspaning. Een grofkorrelige laag

(10 - 50 ~m, Type 2) wordt op hardmetalen aangebracht om als snijgereed­

schap bij olieboringen enz. te worden gebruikt. Op deze wijze kunnen bo­

ringen worden verricht waarbij het verwisselen van de boorkop (en het

omhoog halen van de boorpijp!) vrijwel niet meer voorkomt. Afhankelijk

van de aard van het gesteente kunnen gaten tot 1000 meter diepte of meer

zonder gereedschapwisseling worden geboord. Een typische toepassing van

het fijnkorrelig gesinterde plaatje wordt gevonden in het bewerken van

de buitenkant van zuigers van automotoren welke uit met silicium gele­

geerd aluminium zijn gemaakt (zeer abrasief). Het polykirstallijne bei­

telplaatje kan 45 maal zoveel zuigers per snijkant bewerken dan voorheen

met hardmetaal het geval was.

In het algemeen liggen de toepassingsmogelijkheden van polykristallijne

diamant bij het verspanen van: koper, messing, aluminium en andere niet

ijzerhoudende metalen, voorgesinterd wolfraamkarbide, fiberglas kompo­

sieten, bepaalde keramische materialen, glas, polymeren, koolstof en

grafiet (grafiet is zeer abrasief in de verspaning!). Ook vindt dit ma­

teriaal toepassing in het afritsen (dressen) van aluminiumoxide- en

siliciumkarbideslijpstenen (scherpen, vormgeven, rondmaken). Men heeft

getracht keramische materialen zoals SiC, B4C, Si3N4 , Al 20

3 te verspanen

met het polykristallijne diamant als snijgereedschap in plaats van te

slijpen; dit is echter onmogelijk gebleken.

De handelsnaam van het polykristallijn diamanten plaatje is 'Compax'

(General Electric, V.S.).

- 47 -

2. Polykristallijn-diamant

Diamant kan onder zeer hoge druk en temperatuur en in aanwezigheid van

soromige stoffen (van te voren aanwezig of tijdens het proces gevormd)

tot 'compacts' van hoge hardheid en sterkte worden gevormd. Sinds kort

verkrijgbaar is het zogenaamde 'Megadiamond' (Megadiamond Industries,

V.S.). Dit produkt wordt gesinterd onder hoge druk en temperatuur

(700.000 N/cm2, 20000 C), kondities die enigszins vergelijkbaar zijn met

die bij de diamantsynthese. Er wordt gesteld dat de eigenschappen van

dit produkt gelijk zijn aan die van carbonado (natuurlijk polykristal­

lijn diamant). Het feit dat het materiaal in principe in verschillende

vormen kan worden gesinterd zou een meer universele toepassing als ge­

reedschapsmateriaal (matrijzen, dress-stenen, draadtrekstenen, kleine

naalden, lagers, hogedruk spuitmonden, kleine diamantslijpschijven) moge­

lijk moeten maken. Over ervaringen met megadiamant als snijgereedschap

is slechts weinig bekend. WeI zijn gegevens bekend omtrent het verspanen

van met silicium verhard aluminium. V~~r verschillende snelheden werd

een levensduur (ontstaan van 0.4 rom vrijloopvlakslijtage) bereikt zoals hier­

onder en in vergelijking met hardmetaal is weergegeven.

Snijsnelheid Levensduur (minuten) (m/s) Hardmetaal Megadiamond

5,0 37 -5,6 18 -6,7 8 -6,9 - 181

8,3 - 65

) J , 1 - 1 J

Voor beide produkten, 'Compax' en 'Megadiamond', heeft het gebruik van

een koelvloeistof een zeer gunstige invloed op de levensduur. Er wordt

verder op gewezen dat voor beide produkten de. scherpte van de snijkant

in geen geval zo goed kan zijn als met een eenkristallijn-diamant moge­

lijk is. De bereikbare oppervlakteruwheden van het werkstuk worden be­

grensd door de afmetingen van de korrel.

- 48 -

C) Beitelmaterialen voor het bewerken van konventionele materialen

Een aantal ontwikkelingen op gebied van gereedschapmaterialen hebben voor­

namelijk ten doel om hogere prestaties mogelijk te maken bij het verspanen

van de meer klassieke staalsoorten en gietijzersoorten. Ret bewerken van de­

ze materialen komt uiteraard het meest frequent v~~r. De ontwikkelingen kun­

nen worden onderverdeeld naar de toepassing van: 'coatings', oppervlaktebe­

handelingen en keramische materialen.

1. Gecoate beitelplaatjes

Voornamelijk am kolkslijtage tegen te gaan heeft men al sinds jaren ge­

probeerd om beschermlagen op hardmetalen beitelplaatjes aan te breng-

en. Een van de eerste pogingen betrof het opsinteren van een (TiC-WC)-

Co legering op het WC-Co grondma~eriaal. Vanwege de brosheid van de laag

en de slechte verhouding tussen de thermische eigenschappen van het laag­

Je en de bulk hebben deze pogingen niet tot goede resultaten geleid.

Zeer goede resuitaten worden bereikt met het direkt op het hardmetaal

aanbrengen v~n e,en laagje (5-20 ]lm) . zuiver (ongebonden) TiC. Er best~an ver­

schillende methoden voor het aanbrengen van deze dunne Iaagjes zoals het

sputteren,' elketronenstraal depositie en het opdampen gekombineerd met

een chemische reaktie. De laatste methode wordt toegepast bij vrijwel l.

aIle in de handel verkrijgbare gecoate beitelplaatjes. Ret opdampen van

TiC wordt uitgevoerd onder gebruikmaking van Titanium-chloride (TiC14)

en methaan (CR4) bij ongeveer 9000 C. Een goede beheersing van het op­

dampproces en een juiste keuze van het bulkmateriaal is van belang in

verband met de eventuele vorming van een ontkoolde tussenzone (1-2 ~m,

W3C03C' eta fase) welke zeer bros is. Ret toepassingsgebied van gecoate

hardmetalen ligt voornamelijk bij de minder zware verspaningsprocessen

en bij die werkstukmaterialen die met betrekking tot hardmetaal in ster-

ke mate adhesie (aanlassen) vertonen en die slechts weinig aanleiding

geven tot abrasieve slijtage. In vergelijking met de ongecoate kwalitei­

ten kan men met de gecoate plaatjes hogere snijsnelheden en/of voedings­

snelheden toelaten en dus meer materiaal per tijdseenheid verspanen.

Door het TiC-laagje is een reductie van ongeveer 15 to 25% in snijkracht

en een verlaging van de verspaningstemperatuur van 150-2000 C het gevolg.

Dit leidt tot de mogelijkheid om bij gelijkblijvende standtijd de snel-

- 49 -

heid te verdubbelen of, omgekeerd, bij dezelfde snijsnelheid tot een

meervoudige standtijd te komen.

Alhoewel in mindere mate, wordt ook TiN als coating aangebracht. Ook

hier wordt van opdampmethoden gebruik gemaakt, (TiCL4 + H2 + N2 of NH3,

900 - 12000 C). Het laagje is doorgaans dikker dan voor het TiC gebrui­

kelijk is. Het TiN vormt een nog betere anti-diffusielaag aangezien de

vrije vormingsenergie bijna tweemaal zo hoog is als die van TiC (zie

Fig. 11). De hardheid is evenwel lager dan die van TiC en TiN is dus

minder bestand tegen abrasieve slijtage. Aangezien TiN volledig meng­

baar is met TiC is het mogelijk om verschillende lagen met overgangs­

gebieden aan te brengen (zie Fig. 19). Op deze wijze ontstaat nabij het

5 20 pm

5jJm Ti (N,C I

t:t~=1;Z2+~~~ 31J m Ti (C,N I 2 pm TiC

Fig. 19. Titaankarbide-/titaannitride- en gekombineerd

gecoate hardmetalen beitelplaatjes.

hardmetalen oppervlak een laagje zuiver TiC waarna met toenemende af­

stand tot het hardmetalen oppervlak mengverbindingen volgen welke een

steeds hoger stikstofgehalte bezitten. Het uiteindelijke oppervlak be­

staat tenslotte uit zuiver TiN. Men verkrijgt hierdoor een meer gelei­

delijke overgang van TiC naar TiN, hetgeen van belang is in verband met

het verschil in uitzettingskoefficient van beide lagen. Ter illustratie

volgen hieronder de uitzettingskoefficienten voor de betreffende samen­

stellingen.

- 50 -

Materiaal Uitzettingskoefficient

(/oc)

Wc-co 5 - 7 x 10-6

TiC 7,42 x 10-6

TiN 9,35 x 10-6

Noemenswaard zijn ook de pogingen om oppervlaktelaagjes van zuiver

titanium aan te brengen. Ret titanium kan worden aangebracht met be­

hulp van elektronen-depositie in een zoutbad (KI + KF) met het titaan

als anode en het te bewerken plaatje als kathode. Een andere mogelijk­

heid wordt gevonden in het opdampen in een gasvormige atmosfeer van TiI4

ontstaan als gevolg van een reactie tussen titaan en jodium. In,beide

gevallen wordt het substraat apart verhit met behulp van een inductie­

verhitting. Rontgendiffraktie toont aan dat de opgebrachte laag uit TiC

en vrij wolfram ,bestaat. Direkt daaronder bevindt zich een kobaltrijke

laag. Er wordt dus Tic gevormd ten koste van het WC en het resterende

kobalt wordt naar beneden in de bulk gedwongen. Proefnemingen met deze

met titanium gecoate plaatjes (in feite TiC gecoat) geven een twee tot

viermaal zo lange levensduur als met ongecoate kwaliteiten onder dezelf­

de omstandigheden bereikt kan worden. Ret opdampen van aluminium tot een

dikte van slechts 750Xngstrom endaaropvolgendeen warmtebehand~-ling (13500 C) in vacuum gedurende drie uur (vorming van aluminiumkar­

bide?) geeft een verbetering van 35% in'de levensduur. Ret aanbrengen

van Zr, Rf en B met behulp van bovengenoemde processen en het effect van

deze coatings op het ~erspaningsproces is op het ogenblik in studie.

Behalve karbiden en nitriden worden ook oxyden en boriden als beschermen­

de lagen toegepast. De met oxyden behandelde plaatjes, voornamelijk het

aluminium-oxyde zijn in de handel verkrijgbaar. De laagdikte is ongeveer

8-10 ~m en wordt middels opdampen (General Electric grade 545) of met

behulp van 'ionplating' (Endurex Corp., V.S.) aangebracht op speciaal

daarvoor geschikte hardmetalen onderlagen. Ret met aluminium-oxyde gecoa­

te plaatje laat het draaien van gietijzer toe met snelheden van rond de

6,5 m/s (voeding van 0,75 rom/omw. en een snedediepte van 4,5 rom). Ret

ligt niet in de verwachting dat dit gereedschap de puur keramische beitel

zal vervangen. De slijtageeigenschappen van het aluminium 'gecdate' plaat-

- 51 -

je benaderen die van het keramische beitelmateriaal; de eerst genoemde

kwaliteiten zijn daarenboven taaier doch ook duurder, Boride Iagen, in

een experimenteel stadium verkerend, worden gevormd uit boriden van Zr,

Ti, Hf en Vd evenals LaB6

, LaB 12 , CeB6

, GdB6' Verder worden nog kerami­

sche Iagen van B4C, BN, SiC en diamant, opgebracht met behuip van ionen

sputteren, onderzocht.

2. Opperviak-behandeide beitelplaatjes

De behandeling betreft hardmetalen beitelplaatjes waarvan de oppervlak­

ken met bepaalde oxyden in pastavorm (watermengsel met fijn poeder) wor­

den bestreken, waarna een behandeling in vacuum (10-4mm Hg) gedurende

3 uur bij 1200 - ]4000 C voIgt. Als eindbehandeling wordt het o~ertol­

lige materiaal weer weggeslepen. Op deze wijze wordt het hardmetaal tot

een diepte van 8 - 10 ~m onder het oppervlak van samenstelling veranderd

Toepassing van sommige oxyden leidt tot een verharding van het beitelop­

pervIak, andere oxyden hebben geen hardheidsverandering tot gevolg.

De oxyden weZke een hardheidsverhoging van het oppervZak tot gevoZg heb­

ben bezitten een kationradius weZke ongeveer geZijk is aan die van kooZ­

stof in de verbinding WC~ terwijZ de ajmeting van het anion overeenkomt

met die van W in WC. Rontgendiffractie Zaat geen struktuurveranderingen

zien waar het oxyden zoaZs AZ203 en Zr02 betreft. Bij het gebruik van

Ti02 en Cr20

3 zijn weZ enkeZe nieuwe~ niet ge~dentificeerde diffractie­

Zijnen waargenomen. In het gevaZ van Zr02

wordt gedacht aan de mogeZijk­

heid van reacties van het type

2 WC -+ W2

C + C

Zr02 + 2C -+ Zr + 2CO

Zr + W2

C -+ ZrC + 2W

Op geZijke wijze zou men zich de vorming van AZ4C3 kunnen voorsteZZen

Wanneer de behandeZing met AZ203 pZaatsvindt.

De behandelde beitels Iaten een aanmerkelijk geringere kolkslijtage zien;

bij het bewerken van staal resulterend in een verlenging van de levens­

duur met 80%.

- 52 -

Met betrekking tot de toepassing van gecoate beitelmaterialen, van welk

type dan ook, is het van belang op te merken:

I. de voordelen van de gecoate kwaliteiten beperken zich tot het zoge­

naamde wisselplaatje, aangezien herslijpen onmogelijk is.

2. de voordelen van gecoate plaatjes blijven in het algemeen bepe!kt

tot die toepassingen waar diffusie en adhesie tussen beitel en werk­

stukmateriaal een grote rol spelen.

3. voor bewerkingen waar in sterke mate abrasieve slijtage optreedt

zal een coating geen voordeel opleveren als gevolg van het vroeg­

tijdig afslijten van de opgebrachtelaag.

4. bij geringe gereedschapsbelastingen (vooral bij lage snijsnelheden)

is de toepassing van abrasief slijtage-bestendige hardmetaalsoorten

mogelijk. Ret gecoate plaatje biedt hier weinig of geen voordelen.

3. Ketamischematerialen

De in de handel zijnde puur keramische beitelplaatjes zijn aIle gebaseerd

op het polykristallijne aluminiumoxyde. Men onderscheidt twee typen: het

witte en het zwarte keramiek. Ret witte keramiek bevat gesinterd Al203 met bijmengsels van andere oxyden welke het sinteren bevorderen en/of

het optreden van korrelgroei tijdens het sinteren tegengaan. Bij de fa­

brikage streeft men naar een zo groot mogelijke dichtheid (minimale po­

rositeit} en een zo klein mogelijke korrelgrootte (1 - 2 ~m of minder)

in verband met de sterkte. Ret zwarte keramiek is meestal een verbinding

tussen Al 203 en TiC met korrelafmetingen van J - 3 ~m. De toevoeging van

TiC maakt de beitel taaier en beter bestand tegen thermoschok. Als ge­

volg van de betere thermische eigenschappen kan eventueel koeling worden

toegepast. Ret zwarte keramiek wordt veelal gesinterd onder druk.

De voordelen van keramiek zijn een gevolg van materiaaleigenschappen zo­

als een zeer hoog smeltpunt, een uitstekende chemische stabiliteit, een

hoge warmhardheid en een hoge weerstand tegen abrasieve slijtage. Als

belangrijke nadelen moeten vermeld worden een vrij hoge brosheid, een

hoge thermoschokgevoeligheid en het zeer plaatselijk optreden van in­

vloedrijke vermoeiingsverschijnselen. Ret laatstgenoemde verschijnsel

leidt tot korrelgrens-afglijden waardoor gehele korrels uit de bulk ver­

wijderd worden. De levensduur van de keramische beitel wordt dan ook

- 53 -

meestal bepaald door breukverschijnselen, al of niet waa~~eembaar als

slijtage. In het andere geval (globale breuk) treedt meestal een afbrok­

keling op van een deel van de snijkant of van de neus als geheel. Dit

verschijnsel kan worden tegengegaan door het aanbrengen van een fase en

het voorkomen van grote belastingwisselingen (onderbroken sneden, grove

giethuiden etc.). Onder de juiste omstandigheden toegepast, zijn in ver­

gelijking met hardmetaal aanmerkelijk hogere bewerkingssnelheden (korte­

re bewerkingstijd per produkt) en langere standtijden (minder gereed­

schapskosten, minder gereedschapwisselingen) mogelijk. In verband hier­

mee is het belangrijk op te merken dat lang niet aIle gereedschapswerk­

tuigen geschikt zijn voor de toepassing van keramiek; een hoge dynami­

sche stijfheid (am breukverschijnselen tegen te gaan) en een hoog be­

schikbaar vermogen (am de hoge bewerkingssnelheden te kunnen realiseren)

zijn vereist. De toepassing van keramische beitels vindt vooral plaats

bij gietijzer en bepaalde staalsoorten. Ais vuistregel geIdt:

Toepassing Hardheid van werkstuk Type keramiek

Gietijzer tot 300 - 350 Brinell wit

300 - 360 Brinell zwart

Staal R 40 wit c R = 40 - 65 zwart c

2 (130-220 kg/mm )

Alhoewel onder vergelijkbare omstandigheden de kolkslijtage in de regel

aanmerkelijk geringer is dan bij hardmetaal, speelt deze slijtagevorm

bij het bewerken van bepaalde staalsoorten weI degelijk een rol. Zo is

bekend dat Si en Ca, elementen die veelvuldig in werkstukmaterialen

voorkomen, reageren met Al 203

waarbij een glasvormige verbinding met een

laag smeltpunt ontstaat. Deze verbinding kan vrij gemakkelijk door de

spaan worden afgevoerd. Er bestaat een correlatie tussen kolkslijtage en

mikrohardheid zoals Fig. 20 laat zien; uitgezonderd de vijf A1 203

-

Cr203 legeringen zijn aIle kwaliteiten in de handel verkrijgbaar. Andere

relaties zijn niet bekend.

- 54 -

BIBLIOGRAFIE

Aangezien het opstellen van een gedetailleerdeliteratuurlijst

voor een rapport als dit, waarin een groot aantal onderwerpen aan

de orde komen, bijna onmogelijk is, wordt hieronder volstaan met een

opsomming van de belangrijkste en meest recente literatuurbronnen.

Een aantal van de genoemde referenties zijn verzamelwerken; zij be­

vatten meerdere verslagen van verschillende schrijvers,waarvan een

dankbaar gebruik is gemaakt.

J) 'Materials for Metal Cutting', lSI preprint 126, BISRA - lSI

conference, Scarborough England, april 14-16 (1970).

2) 'National Science Foundation (NSF) Hard Materials Research',

National Science Foundation, Division of Materials Research,

Washington, D.C., U.S.A.

volume 1 - compiled by the Pennsylvania State University (1972)

University Park Pe.nnsylvania.

volume 2 - compiled by the Massachusetts Institute of Technology

(1973) Cambridge, Massachusetts.

volume 3 - compiled by Lehigh University (1974) Bethlehem,

Pennsylvania.

3) 'Materials Selection Handbook', report RTD-TDR-63-4102, Wright

Patterson Air Force Base Ohio, U.S.A. (1964).

4) 'The Science of Hardness Testing and its Research Applications' ,

J.H. Westbrook and H. Conrad (editors), American Society for Metals,

Metals Park, Ohio, U.S.A.

5) 'Micrograin' een nieuw stellramrhardmetaal, D. Gonseth en E. Freudiger,

Metaalbewerking, 40, no. 5 (1974).

6) 'Diamond and Borazon Compact Cutting Tool Technology Program',

L.E. Hibbs Jr. en R.E. Hanneman, Interim technical report,

november (1973). Te bevragen: Metals Branch, AFML/LTM, Manufac­

turing Technology Division, Air Force Materials Laboratory,

Wright Patterson Air Force Base, Ohio, U.S.A.

7) 'Tribology of Metal Cutting helps to create New Effective Tool

Materials', T.N. Loladze, rapport van Mechanical Engineering

Department, Georgian Polytechnic Institute, Leninstreet 77,

Tbilisi 75, USSR.

8) 'Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Nitridechemie der Ueber­

gangsmetalle', R. Kieffer en P. Ettmayer, Institut fuer Chemische

TechnologieAnorganischerStoffe der Technische Hochschule Wien.

Achtste Plansee Seminar (27-30 mei 1974), Reutte Oostenrijk,

Deel II, pp. I - I 1 •

9) lGolfballs' in Steel Swarf as an Indication of the Grinding Tem­

perature, F.H. Hughes, Industrial Diamond Review, June (1974)

pp • 21 0 - 21 8 •

10) 'Nieuwe ontwikkelingen aan het verspaningsfront', W.F. Bladergroen,

Werktuigbouw, 30 (6) (1975) pp. 193 - 198.

II) 'Contribution of the Discussion of Brittle Failure of Cemented

Carbide Tool Materials', H.J.J. Kals, rapport WI 0328, Technische

Hogeschool Eindhoven, Discussie-rapport C.LR.P. Parijs, January

(1974).

12)~ 'The Significance of Structural Parameters in Failure of Cemented

Carbides', H.J.J. Kals en P.J. Gielisse, Annals C.I.R.P. 24 (1975)

65.