Erodieren von keramischen Werkstoffen

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1 Erodieren von keramischen Werkstoffen Werkzeugbau-Institut Südwestfalen Fachtagung 10. Oktober 2013,Lüdenscheid M. Boccadoro Head of EDM Research & Innovation AgieCharmilles SA

2 Inhaltsübersicht Werkstoffe Kritische Eigenschaften für den Funkenerosiven Prozess Anwendungsbeispiele

3 Electrical conductivity (W -1 cm -1 ) Erodierbare Werkstoffe TiN Insulator Elektrische Leitfähigkeit: r < 10 2 W cm

4 El. conductivity Vorteile der leitenden technischen Keramiken ZrO 2 -TiN Hohe Leitfähigkeit B 4 C-TiB 2 SSiC B 4 C Niedrige Leitfähigkeit Dimensionale Stabilität Mechanische Verschleissbeständigkeit Chemische und Gas- chemische Korrosionsbeständigkeit Bio- Kompatibilität Thermische Isolierung oder Wärmeleitfähigkeit Dichtung von Hochvakuum bis zu Ultrahochvakuum

5 Eigenschaften einiger Keramiken Keramiktyp TiN, Si3N4-TiN, TiB2 Eigenschaften Härte und Verschleissfestigkeit ZrO2-TiN, -TiCN Hohe Zähigkeit, Querkraftwiderstand, hohe Schlagzähigkeit WC-ZrO 2 Hohe Verschleissfestigkeitt B 4 C, B 4 C-TiB 2 Härte, tribologische Anwendungen ZrB 2, NbB 2, TiB 2 and HfB 2 Sehr hoher Schelzpunkt, tribologische Anwendungen (Luft- und Raumfahrt)

6 Anforderungen Die Anforderungen sind von der spezifischen Anwendung abhängig 1) Hohe Härte für Verschleissbeständigkeit Potential Keramik/cermets Cemented carbides (WC/Co), Silicon nitride (Si 3 N 4 ), Borides, carbides and nitrides Cermets (TiCN/Ni, HfC/TiC/Co) INSA, LCP Nitrides (TiN, Si 3 N 4 -TiN) INSA, ESK Carbo-Nitrides (TiCN, TiN-HfC-TiC) INSA, LCP > 0.5 GPa K IC > 4 MPa m 1/2 HV 10 > 16 MPa Borides (TiB 2, TiB 2 /Ni 3 Al, B 4 C and B 4 C-TiB 2 ) INSA, ESK

7 Anforderungen 2) Hohe Kerbschlagzähigkeit > 1 GPa K IC > 6 MPa m 1/2 HV 10 > 14 MPa Potential Keramic/cermets Cemented carbides (WC/Co), Silicon nitride (Si 3 N 4 ), Zirconia (ZrO 2 ) Cermets (TiCN/Ni, HfC/TiC/Co) INSA, LCP Silicon nitride based composites (Si 3 N 4 -TiN) ESK Zirconia based composites (ZrO 2 -TiN, -TiCN, -WC, -NbC) KULeuven

8 EDM isolierender Werkstoffen Nicht leitende Keramik: Si3N4, SiC, ZrO2 Hilfselektrode

9 MRR, mm 2 /min MRR, mm 2 /min Neue keramische Werkstoffe werden ständig entwickelt Materialabtrag von ZrO 2 -basierte Keramik TM1.75-TiCN-SM8 60/ TM2.5-TiB2-SM8 60/40 TM1.75-TiC 60/ DM2-WC-nano 60/ DM2-WC-OMG 60/ TM1.75-TiN 60/ DM2-WC-MBN 60/ ZrO2-TiN TM1.75-TiCN-SM8 60/ TM1.75-TiC 60/ DM2-WC-nano 60/ DM2-WC-OMG 60/ TM1.75-TiN 60/ DM2-WC-MBN 60/ ZrO2-TiN Pulse duration, ms Pulse interval, ms 9/59

10 Kritische Punkte für den EDM Prozess Zündspannung : Das wirksame Potential im Spalt ist niedriger, wegen des Spannungsabfalls in der Keramik, die Entladung wird nur bei einem kleinen und gefährlichen Spalt erreicht. Metallisches Werkstück Wirksame Spannung ~ 200V Schlecht leitendes Werkstück(SSiC) Wirksame Spannung ~ 40V

11 Kritische Punkte für den EDM Prozess Brennspannung bei SSiC Begrenzter Strom I (1A/div) V (50 V/div) Kurze Zündverögerungszeit 90 V Brennspannung (25 V für Stahl)

12 Kritische Punkte für den EDM Prozess Das Brechen von Keramikteilchen macht die Evakuierung aus dem Spalt schwieriger Verdampfen Brechen B 4 C

13 Fortschritte dank moderner Generatortechnik Material removal rate improvement Höhere Zündspannung Stromquellen Verbessertes Servosystem Gezielte Prozessüberwachung Removal 6 (mm 3 /min) 4 2 Standard system New system Surface roughness improvement Standard system New system 0 SSiC B4C B4C- TiB2 Ceramic ZrO2-TiN 0.5 Ra (mm) SSiC B4C B4C- TiB2 ZrO2-TiN Elektrische Leitfähigkeit Ceramic material

14 Oberflächenqualität des ZrO2-TiN Ra 0.21 mm Die Regelmässige Struktur zeigt Schmelz Verdampfmechanismen

15 Oberflächenqualität des B 4 C-TiB 2 Ra 0.25 mm

16 Drahterosion von Keramik Mechanismen abhängig vom Werkstofftyp! Schmelzen /Verdampfen Brechen Oxydation Thermo-shock ZrO 2 -TiN Hauptsächlich Schmelzen Werkstoffverhalten ähnlich wie WC-Co Al 2 O 3 -SiCw-TiC Schmelzen Wenn hochenergetische Impulse brechen! Spalling 16/59

17 Drahterosion von Keramik Si 3 N 4 -TiN Verschiedene Abtragsmechanismen: Schmelzen, Brechen,chemische Dekomposition (bei hochtemperaturen, 1700º), Si 3 N 4 zerlegt bei erzeugung von Stickstoff poröse Schicht Bei EDM in Wasserbad Oxydation (Si to SiO 2, Isolator!) Alle Oxydkeramiken sollten im Oelbad bearbeitet werden! Glasförmige Struktur 17/59

18 WEDM neuer Keramiktypen ZrO 2 -WC ZrO 2 -TiCN ZrO 2 -TiN 0.48mmRa, 4.28mmRt 0.70mmRa, 6.37mmRt 0.84mmRa, 7.59mmRt 18/59

19 Anwendungsbeispiele

20 Senkerosion : Beispiel Elektrode: Kupfer (7x20mm) Werkstück: Leroxyd Keramik Rauheit: VDI 18 Tiefe: 20 mm Zeit: 4 Stunden 30 Minuten Verschleiss: 2.5 %

21 Drahterosion: Beispiel IY2 EY IY1 X2 +Y +X X1 Y2 7x3mm Y1 TEC Hs+4Ns Ra 1.3µm Hs 10 Ns1 6 Ns2 7 Ns3 22 Ns4 22 Total 67 min Toleranzband 5µm Schneidhöhe: Angewandter Draht: 12 mm CCA Ø0.10 mm (Zink beschichtet)

22 Bearbeitung von Keramik durch EDM - Fräsen EDM Fräsen ist sehr leistungsfähig für schlecht leitenden Werkstoffe (B4C, SiC, ), die hingegen schwer bearbeitbar durch EDM Senken sind. Schlitzförmige Einsenkungen Komplexe Formen Die bessere Spülung ermöglicht die Evakuierung der erodierten Teilchen

23 Fallstudie 1: Zahnräder Die Getriebszahnräder werden durch WEDM aus ZrO 2 -TiN hergestellt (Prototypen)

24 Getriebe Dauertest bei max Belastung Resultate Erstes Versagen nach 1450 Stunden

25 Fallstudie 2: Extrusionsmatrize Standardlösung: Extrusionsmatrize aus WC-Co für Rohren Probleme mit Haftung des Materials Redesign der Matrize aus B 4 C-TiB 2 Lebensdauer der Keramikmatrize Faktor 4 besser als WC-Co

26 Bearbeitung einer Turbinenschaufel aus Kersit Versuche mit Si 3 N 4 -TiN (Kersit 601) Milling EDM SARIX SX-100-HPM Relaxationstyp Generator Entladungen niedriger Energie t e 20 ns, i e < 0.5 A Senken EDM Roboform 350 Variable Impulsform 26

27 Mikro EDM Bearbeitung von SiC (Si/SiC and SSiC) SiC Brechen bei hoher Energie Schmelzen und Verdampfen bei reduzierter Energie Si/SiC hat eine höhere elektrische Leitfähigkeit 20 µm 20 µm Höherer Abtrag größere Ra Höherer Spannungsabfall für SSiC: Geringerer Abtrag Elektrodenverschleiss ca 20% 200 µm Mikrobearbeitung von SSiC 20 µm 20 µm SSiC Si/SiC 27

28 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!