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 be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI 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 page numbers. Link to publication General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and 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, please follow below link for the End User Agreement: www.tue.nl/taverne Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us at: [email protected]providing details and we will investigate your claim. Download date: 10. Oct. 2021
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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:[email protected] details and we will investigate your claim.
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-