DD273315A1 - Einrichtung zur untersuchung der festkoerperdiffusion zwischen werkzeug- und werkstueckwerkstoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Untersuchung der Festkoerperdiffusion zwischen Werkzeug- und Werkstueckwerkstoffen durch Simulation der beim Zerspanungsprozess im Bereich des ablaufenden Spanes auftretenden Druecke und Temperaturen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion des Rohrofens hinsichtlich der Einfuehrung unterschiedlicher Untersuchungsatmosphaeren und die Spannvorrichtung in ihrer Anordnung hinsichtlich der Messbarkeit sowie Justierbarkeit der Untersuchungsbedingungen zu verbessern. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass ein aeusserer, durch eine Deckplatte und eine Bodenplatte beidseitig verschlossener vorzugsweise rohrfoermiger Ofen im Inneren durch eine Isolationswand in einen Atmosphaerenschutzraum und einen Isolierraum unterteilt ist, wobei sich im Atmosphaerenschutzraum eine Elektroheizung, ein Gaseinlassrohr sowie ein Unterstempel mit dem aufeinanderliegenden Untersuchungsmaterial in Form einer Schneidplatte und einer Werkstueckprobe befinden, zu dem zentrisch ein die Deckplatte des Ofens durchragender Oberstempel angeordnet ist, an dem eine in einer Gewindebohrung einer Spannbruecke gefuehrte in Verbindung mit Zugsaeulen gegenueber dem Ofen abgestuetzte Druckspindel angreift. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgeblot der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Untersuchung der Festkörperdiffusion zwischen Werkzeug- und Werkstückwerkstoffen durch Simulation der beim Zerspanungsprozeß im Bereich des ablaufenden Spanes auftretenden Drücke und Temperaturen mit Hilfe einer in einem Rohrofon befindlichen, das Untersuchungsmaterial zwischen zwei Stempeln aufeinander pressenden Preßvorrichtung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der spanenden Werkstückbearbeitung dringt die keilförmige Werkzeugschneide unter hohen Schub- und Druckspannungen in den Werkstoff ein und schert lamellenförmige Spanelemente ab, die einen fortlaufenden Span bilden. Die Geschwindigkeit der Spanbildung, der Querschnitt des Spanes und die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Werkzeug- und Werkstückwerkstoffe sind die Hauptfaktoren des Spanungsvorganges bezogen auf eine gleiche Schneidengeometrie. Die hohen Schub- und Druckkräfte an der Werkzeugschneide, die Vorschub- und Schnittgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück sowie der ablaufende Span erzeugen große Reibungskräfte an der Spanflächo und an der Freifläche der Werkzeugschneide, wodurch sehr hohe Temperaturen im Bereich der Werkzeugschneide entstehen, die infolge der dabei auftretenden physikalischen und chemischen Beanspruchung abgetragen wird. Für die Optimierung der Ökonomie des Spanungsvorganges ist die Kenntnis des Verschleißverhaltens der Werkzeugschneide unter den verschiedenen Spanungsbedingungen und Werkzeug-Werkstückwerkstoff-Paarungen von großer Bedeutung. Bei den Werkzeug-Werkstückwerkstoff-Paarungen hat die unter Spanungsbedingungen auftretende Festkörperdiffusion besondere Bedeutung. Über eine Möglichkeit zur Untersetzung der Festkörperdiffusion haben Ch-Lesniak und E. Bryjak in dem Artikel „Eine Hilfsmethode zur Bestimmung der Diffusionserscheinungen zwischen beschichtetem Hartmetall und Stahl" in Planseeberichte für Pulvermetallurgie, Nr.2,1977, S. 112 bis 117 berichtet. Es wird eine in einem Rohrofen angeordnete Preßeinrichtung verwendet, die aus einer hohlzylindrischen Graphitmatrize besteht, in deren Bohrung ein Oberstempel und ein Unterstempel gegeneinander preßbar eingeführt sind. Die Probenkörper, ein Stahlplättchen und eine Hartmetallplatte, befinden sich in einer Packung aus Eisen- und Getterpulver zwischen den beiden Stempeln, die folglich nicht unmittelbar an den Proben eingreifen, sondern über die Pulverpackung. Durch die Pulverpackung soll eine Ent- oder Aufkohlung der Plättchenpaare verhindert werden. Die Pulverpackung der Plättchenpaare hat aber den Nachteil, daß die Untersuchung der Diffusionserscheinungen in einem Medium durchgeführt wird, das nicht der Atmosphäre entspricht, in der der Spanungsvorgang abläuft. In der japanischen Fachzeitschrift „Pulver und Pulvermetallurgie", Pand 32, Nr. 1 ,Januar 1985, S. 27-34 wird sich unter dem Titel „Eine Untersuchung zur ruhenden Diffusion beim Kolkverschleiß von Cermet-Werkzeugen" mit der gleichen Problematik befaßt. Bei der Diffusionsuntersuchung wurde eine Cermet-Schneidplatte und eine Platte aus dem Werkstückwerkstoff mit einer einfachen Klemmvorrichtung gegeneinander gespannt und in einem Vakuumofen auf eine Temperatur zwischen 1300 und 1380K aufgeheizt und bis zu 6 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Der Kontaktdruck zwischen den beiden Platten wird mit 490MPa angegeben.

Der Nachteil dieser Untersuchungseinrichtung besteht darin, daß deren Einsatz in einem Vakuumofen eine Kontrolle des Anlagedruckes zwischen den beiden Platten während der Temperaturbehandlung nicht erlaubt. Unter den erforderlichen ' Temperaturen bleibt die Spannkraft der verwendeten Schraubenspannung nicht konstant, weil sich die Spannschrauben ausdehnen und die Spannbrücken verbiegen. Außerdem entspricht die Untersuchung unter Vakuum nicht den realen Spanungsbedingungen.

Ziel der Erfindung Es Ist das Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zur Untersuchung der Festkörperdiffusion zwischen Werkzeug- und ^f"^x

Werkstückv erkstoffon zu entwickeln, die einen verhältnismäßig niedrigen Herstellungcaufwand erfordert, eine genaue Einstellung aowie Konstanthaltung verschiedener Untersuchungsbedingungen ermöglicht und meßbare Untersuchungsergebnlcse liefert, die den beim Spanungsprozeß auftretenden Diffusionsvorgängen entsprechen, wodurch Zerspanungsmaterial, Arbeite· und Maschinenzeit für Spanungsversuche eingespart werden.

Darlegung des Wesens der Erfindunp

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der in einem Pohrofen befindlichen, das Untersuchungsmaterial zwischen zwei Stempeln aufeinander pressenden Preßvorrichtung, die Konstruktion des Rohrofens hinsichtlich der Einführung unterschiedlicher Untersuchungsatmosphären und die Spannvorrichtung In Ihrer Anordnung hinsichtlich der Meßbarkeit sowie Justierbarkeit der Untersuchungsbedingungen zu verbessern und die Ausführung der Einrichtung zu vereinfachen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein äußerer, durch eine Deckplatte und oine Bodenplatte beidseitig verschlossener vorzugsweise rohrförmiger Ofen im Inneren durch eine Isolationswand in einen Atmosphärenschutzraum und einen Isolierraum unterteilt ist, wobei sich im Atmosphärenschutzraum eine Elektroheizung, ein Gaseinlaßrohr sowie ein Unterstempel mit dem aufeinanderlegenden Untersuchungsmaterial in Form einer Schneidplatte und einer Werkstückprobe befinden, zu dem zentrisch ein die Deckplatte des Ofens durchragender Oberstempel angeordnet ist, an dem eine in einer Gewindebohrung einer Spannbrücke geführte in Verbindung mit Zugsäulen gegenüber dem Ofen abgestützte Druckspindel angreift.

Zur Messung des auf das Untersuchungsmaterial einwirkenden Druckes ist es zweckmäßig, daß zwischen der Druckspindel und dem Oberstempel ein Manometer angebracht ist.

Zur Messung der Temperatur des Untersuchungsmaterials ist es zweckmäßig, daß unmittelbar neben dem Untersuchungsmaterial ein Thermoelement eingebaut ist.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Untersuchung der Festkörperdiffusion zwischen Werkzeug- und WerkstückwerksViffen ist folgende:

Zuerst werde ι die Kontaktflächen des Untersuchungsmaterials, entsprechend den Bedingungen des In Betracht kommenden Spanungsprozesses, durch Schleifen, Polieren oder Beschichten vorbereitet, erforderlichenfalls gereinigt und entfettet. Es muß jedenfalls eine innige Kontaktzone zwischen der Schneidplatte und der Werkstückprobe vorhanden sein. Das so vor bereitete Untersuchungsmaterial wird dann mit aufeinanderliegenden Kontaktflächen auf den Unterstempel aufgelegt und der Oberstempel auf das Untersuchu'igsmaterial aufgesetzt. Durch Betätigung der Druckspindel erhält der Oberstempel die erforderliche Druckkraft und proßt das Untersuchungsmaterial gegeneinander. Der Preßdruck kann stufenlos zwischen 0-15 N.mm"² eingestellt werden, was einer Druckkraft von max. 30000 N bezogen auf die Fläche des Druckstempels entspricht. Die aufgebrachte Druckkraft kann vom Spindeldrehmoment abgeleitet oder durch ein zwischen der Druckspindel und dem Oberstempel eingelegtes Manometer gemessen werden. Jetzt sollte zunächst der Ofen mit einem Inertgas, z. B. N2 oder Ar, 5 Minuten lang eine Gasspülung erhalten. Dann sind über eine Gasdosierung die gewünschten Ofenatmosphären, z. B. H₂, N₂, CO₂, Ar, NH₃ oder HCI einzubringen. Wenn Unter- und Oberstempel der Einrichtung aus Graphit bestehen, ist auch die Untersuchung der Festkörperdiffusion in oxidierender Atmosphäre möglich. Die strömenden Gase der Ofenatmosphäre entweichen durch einen Spalt zwischen dem Oberstempel und der Deckplatte des Ofens, wo sie abgesaugt werden können, so daß eine Erneuerung der Ofenatmosphäre gewährleistet Ist. Nach Stabilisierung der Ofenatmosphäre ist die Elektroheizung auf die vorgesehene Untersuchungstemperatur einzustellen, die unmittelbar neben dem Untersuchungsmaterial mit einem entsprechenden Thermoelement gsmessen werden kann. Mit einer elektrischen Widerstandsbeheizung ist es möglich, die Ofenatmosphäre in 3 bis 5 Minutenauf 1273 K aufzuheizen. Bei der Widerstandsbeheizung ist cias Maximum der Untersuchungstemperatur von dem verwendeten Werkstoff der Heizwendel abhängig. Sie würde beispielsweise bei Kanthal bis zu 1473K betragen können. Die Simulation der Bedingungen, die zu Festkörperdiffusionen führen, werden nun nach entsprechenden Temperatur-Zeit-Regimen und spezieller Ofenatmosphäre durchgeführt, wodurch ein rasches Abkühlen des Ofens erreicht wird. Das Untersuchungsmaterial kann so innerhalb kürzester Zeit der Einrichtung entnommen und nach entsprechender Präparation mittels geeigneter Analyseverfahren, wie Phasenstrukturanalyse, Mikrosonde oder Metallmikroskopie, untersucht werden. Mit dieser Einrichtung zur Untersuchung der Festkörperdiffusion können die Diffusionserscheinungen zwischen Werkzeug- und Werkstückwerkstoff einfach und schnell aufgeklärt werden. Die Variation der Untersuchungsbedingungen, wie Ofenatmosphäre, Druck und Temperatur ermöglichen ein breites Untersuchungsfeld, was für die Entwicklung neuer Werkzeugwerkstoffe und insbesondere neuer Verschleißschutzschichten sehr vorteilhaft ist.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Eine Seitenansicht einer schematisch dargestellten Einrichtung zur Untersuchung der Festkörperdiffusion Im Längsschnitt.

Der Grundkörper der Einrichtung ist ein zylindrischer Ofon 1, der durch eine Deckplatte 1 a und eine Bodenplatte 1 b an beiden Stirnseiten verschlossen ist. Zentral im Ofen 1 befindet sich ein auf die Grundplatte 1 c aufgesetzter Unterstempel 2, der das · · Untersuchungsmaterial in der Form einer Schneidplatte 3a und einer Werkstückprobe 3b aufnimmt/Der Oberstempel 4 ist in einer Bohrung der Deckplatte 1 a geführt und liegt in der Achse des Unterstempels 2 auf dem Untersuchungsmaterial 3. Die Druckspindel 5, welche in einer Spannbrücke 7 in deren Gewindebohrung geführt und durch zwei Zugsäulen 8 am Ofen 1 abgestützt ist, erzeugt bei Einwirkung eines entsprechenden Drehmoments einen den Oberstempel 4 in Preßrichtung

bewegende Druckkraft, die einen proportionalen Preßdruck an den Kontaktflächen der Schneidplatte 3 a und dar Werkstückprobe 3 D zuf Folge hat. Zwischen der Druckspindel 6 und dem Oberstempel 4 ist ein Manometer β angebracht. Im Inneren des Ofens befinden sich konzentrisch zum Unterstempel 2 eine Elektroheizung 9, die im Bereich des Untersuchungsmaterials 3 von einem Thermoelement 10 durchragt wird, dessen empfindlicher Temperaturfühler unmittelbar neben dem Untersuchungsmaterial 3 liegt. Ein Gaseinlaßrohr 11 mündet von außen in don Atmosphärenechutzraum 12, der im Inneren des Ofens 1 durch eine Isolierwand 13a und eine Isolierplatte 13b gebildet ist. Der verbleibende Raum zwischen der Isolierwand 13a und der Außenwand des Ofens 1 stellt einen Isolationsraum 14 dar.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Untersuchung der Festkörperdiffusion zwischen Werkzeug- und Werkstückwerkstoffen durch Simulation der beim Zerspanungsprozeß im Bereich des ablaufenden Spanes auftretenden Drücke und Temperaturen mit Hilfe einer in einem Rohrofen befindlichen, das Untersuchungsmaterial zwischen zwei Stempeln aufeinander pressenden Preßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerer, durch eine Deckplatte (1 a) und eine Bodenplatte (1 b) beidseitig verschlossener vorzugsweise rohrförmiger Ofen (1) im Inneren durch eine Isolationswand (13a) und eine Isolationsplatte (13b) in einen Atmosphärenschutzraum (12) und einen Isolationsraum (14) unterteilt ist, wobei sich im Atmosphärenschutzraum (12) eine Elektroheizung (9), ein Gaseinlaßrohr (11) sowie ein Unterstempel (2) mit dem aufeinanderlegenden Untersuchungsmaterial (3) in Form einer Schneidplatte (3a) und einer Werkstückprobe (3b) befinden, zu dem zentrisch ein die Deckplatte (1 a) des Ofens (1) durchragender Oberstempel (4) angeordnet ist, an dem eine in einer Gewindebohrung einer Spannbrücke (7) geführte in Verbindung mit Zugsäulen (8) gegenüber dem Ofen (1) abgestützte Druckspindel (5) angreift.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckspindel (5) und dem Oberstempel (4) ein Manometer (6) angebracht ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar neben dem Untersuchungsmaterial (3) ein Thermoelement (10) eingebaut ist.