Werkstoffe keit des
Werkstoffe keit des Verbundes mit dem Kornanteil ansteigt. Dies ist auf die erhöhte Wärmeleitfähigkeit des cBN-Korns von bis zu 1.300 W/(m*K) [5] gegenüber der von Bronze (< 50 W/(m*K) [6] ) zurückzuführen. Der Verlauf der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur weist für alle untersuchten Kornkonzentrationen im betrachteten Temperaturbereich eine lineare Abhängigkeit auf. Auffällig ist, dass sich die Steigung mit zunehmendem Kornanteil verringert. Während die Temperaturleitfähigkeit für niedrige Kornkonzentrationen mit der Temperatur zunimmt, ist für Konzentrationen oberhalb von C100 eine Abnahme der Temperaturleitfähigkeit bei Erhöhung der Temperatur zu beobachten. Grund hierfür ist die deutliche Zunahme der Wärmekapazität des cBN-Korns. Das cBN verhält sich bei hohen Temperaturen wie eine Wärmesenke. Das bedeutet, es ist eine größere Wärmemenge nötig, um denselben Temperaturanstieg zu erzielen wie bei Raumtemperatur. Dementsprechend sinkt die Temperaturleitfähigkeit von cBN bei hohen Temperaturen und aufgrund des hohen Korngehaltes auch die des Verbundes für größere Konzentrationen als C100. Aus diesen Ergebnissen kann unter Verwendung von Formel 2 die Wärmeleitfähigkeit für die untersuchten Zusammensetzungen in Abhängigkeit von der Temperatur berechnet werden. Es zeigt sich, dass die Wärmeleitfähigkeit des Schleifbelages im Bereich zwischen 45 und 75 W/(m*K) liegt (Bild 4). Damit liegt die Wärmeleitfähigkeit des Verbundes unter der von reinem cBN, aber höher als die Wärmeleitfähigkeit von Bronze. Sie verhält sich dabei proportional sowohl zur Temperatur (Bild 4 links) als auch zur Kornkonzentration (Bild 4 rechts). Pro Volumenprozent Schleifkorn in der Bindung nimmt die Wärmeleitfähigkeit um ca. 1 W/(m*K) zu. Die zuvor diskutierte Abnahme der Temperaturleitfähigkeit mit zunehmender Temperatur bei hohen Kornkonzentrationen, ist für die Wärmeleitfähigkeit nicht zu beobachten. Es ist davon auszugehen, dass dieser Effekt durch den Anstieg der Wärmekapazität des Bornitrids im untersuchten Temperaturbereich kompensiert wird. Die Eigenschaft des cBN, bei hohen Temperaturen mehr Wärme aufnehmen zu können, ist äußerst vorteilhaft für den Schleifprozess. Der größte Teil der Wärmeenergie wird beim Schleifen durch die Reibung und die Umformprozesse während des Korneingriffs erzeugt. Ein Großteil dieser Energie kann direkt durch das Korn aufgenommen werden und gelangt somit nicht ins Werkstück. Im untersuchten Temperaturbereich wirkt sich die Erhöhung der Kornkonzentration dementsprechend immer positiv auf die Wärmeleitfähigkeit aus. Je mehr Körner in der Bindung sind, desto mehr Wärmeenergie kann über das Werkzeug aus der Kontaktzone abgeführt werden, da die Wärmeleitfähigkeit des reinen Korns die der Bindung deutlich übersteigt. Allerdings steigt mit der Kornkonzentration auch die Anzahl aktiver Schneiden. Dies resultiert im Allgemeinen in einer erhöhten Prozessreibung, wodurch mehr Reibungswärme beim Schleifen erzeugt wird. Ob die erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs ausreicht, um die zusätzlich erzeugte Wärme abzuführen und eine Nettotemperaturverringerung für das Werkstück zu erreichen, ist Gegenstand zukünftiger Untersuchungen. Die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften hat gezeigt, dass mit dem Anstieg des Kornanteils eine Schwächung der Stabilität des Verbundes aus Korn und Bindung einhergeht. Bei der Zusammensetzung des Schleifbelags muss demzufolge zwischen mechanischer Stabilität und Wärmeleitung abgewogen werden. Aufgrund der dargestellten Bild 4 links: Wärmeleitfähigkeit des Schleifbelages für drei Zusammensetzungen in Abhängigkeit von der Temperatur. rechts: Wärmeleitfähigkeit des Schleifbelages für drei ausgewählte Temperaturen in Abhängigkeit von der Kornkonzentration. 22 dihw 13 · 2 2021
Werkstoffe Eigenschaften eignen sich die untersuchten CBN-Schleifwerkzeuge zukünftig gegebenenfalls für den Einsatz in Hochleistungs- Tiefschleifprozessen. In diesem Fall werden durch die hohe Vorschubgeschwindigkeit und eine hohe Zustellung große Einzelkornspanungsdicken hervorgerufen. Somit würde durch die Erhöhung der Kornkonzentration in der Schleifscheibe nicht nur die Wärmeleitfähigkeit erhöht, sondern auch die Einzelkornspanungsdicke gesenkt werden. Dies wiederum sorgt für eine Reduktion der auftretenden Ein- zelkornkräfte und verringert somit die auf den Schleifbelag wirkende mechanische Last. Zusammenfassung Die hier vorgestellten Untersuchungen zeigen, dass die Anteile von Schleifkorn und Bindung einen maßgeblichen Einfluss auf die kritische Bruchspannung und die Wärmeleitfähigkeit des Schleifbelages haben. Die Erhöhung der Schleifkornkonzentration führt einerseits zu einer Schwächung des Verbundes aus Bindung und Korn und damit einhergehend zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Andererseits erhöht sich mit der Kornkonzentration die Wärmeleitfähigkeit des Schleifbelags. Daher gilt es, bei der Auswahl der Schleifscheibenzusammensetzung zwischen mechanischer Stabilität und Wärmeleitung abzuwägen. Zukünftig wird am IFW daher eine weiterführende Analyse der resultierenden Temperaturen im Schleifprozess in Abhängigkeit der eingesetzten Kornkonzentration durchgeführt. Weitere Infos: www.ifw.uni-hannover.de Bildnachweis: Verfasser Danksagung: Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Förderung des Forschungsprojektes „Leistungssteigerung metallisch gebundener CBN-Werkzeuge durch kryogene Kühlung“ (GR 4878/8-1). Literaturverzeichnis: [1] Denkena, B.; Grove, Th.; Kempf, F.; Dzierzawa, P.; Bouabid, A.; Liu, Y.: (2019) Model-based manufacturing and application of metal-bonded grinding wheels, In: CIRP Annals 68 (1), S. 321 – 324, DOI: 10.1016/j. cirp.2019.04.088 [2] Denkena, B.; Krödel, A.; Kempf, F.: (2020) Herstellung und Charakterisierung von Schleifbelägen mit Diamantkorn, dihw MAGAZIN – DIAMANT HOCHLEISTUNGSWERKZEUGE 12 2|2020 S. 18 – 22 [3] Denkena, B.; Grove, T.; Bremer, I.; Behrens, L.: (2016) Design of bronze-bonded grinding wheel properties. CIRP Annals 65(1):333 – 336 [4] Kempf, F.; Bouabid, A.; Dzierzawa, P.; Grove, T.; Denkena, B.: Methods for the analysis of grinding wheel properties, In: 7. WGP- Jahreskongress, 05. – 06.10.2017, Aachen, S. 87 – 96 [5] Zhang, X.; Meng, J.: (2019) Recent progress of boron nitrides, In: Ultra-Wide Bandgap Semiconductor Materials: Elsevier, S. 347 – 419 [6] Deutsches Kupferinstitut (2004): Kupfer-Zinnund Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungen (Zinnbronzen). Hg. v. International Copper Association. Online verfügbar unter https://www.kupferinstitut.de/wp-content/uploads/2019/09/Infodruck-i.-25.pdf, zuletzt geprüft am 05.11.2020. KREBS & RIEDEL Schleifscheibenfabrik GmbH & Co. KG • Neu im Programm: Abrichtwerkzeuge und Honringe • CBN- und Diamantwerkzeuge in keramischer Bindung • Schleifscheiben in keramischer Bindung • Schleifscheiben in Kunstharzbindung • Faserstoffverstärkte Trenn- und Schleifscheiben Innovative Schleiftechnik seit 1895! Wir beraten Sie bei jeder Schleifaufgabe und entwickeln gemeinsam mit Ihnen Ihre individuelle Schleifscheibe. KREBS & RIEDEL Schleifscheibenfabrik GmbH & Co. KG Bremer Str. 44 • 34385 Bad Karlshafen Tel.: +49 5672 184-0 E-Mail: mail@krebs-riedel.de Web: www.krebs-riedel.de hv05di21 dihw 13 · 2 2021 23
