Abrasiver Verschleiß

Abrasiver Verschleiß entsteht, wenn harte Partikel, Werkstoffbestandteile oder raue Oberflächen über einen anderen Werkstoff gleiten und dabei Material abtragen. Die härteren Bestandteile wirken ähnlich wie kleine Schneidkanten oder Schleifkörner.

In der Zerspanung ist abrasiver Verschleiß eine der häufigsten Ursachen für den fortschreitenden Verschleiß von Werkzeugschneiden. Er tritt besonders bei Werkstoffen auf, die harte Karbide, Oxide, Siliziumbestandteile, Zunder oder andere verschleißfördernde Partikel enthalten.

Kurz gesagt:

Abrasiver Verschleiß ist Materialabtrag durch harte Partikel oder Oberflächen.

Wie entsteht abrasiver Verschleiß?

Abrasiver Verschleiß entsteht, wenn zwei Werkstoffe mit unterschiedlicher Härte unter Druck gegeneinander bewegt werden. Der härtere Werkstoff dringt dabei in die Oberfläche des weicheren Werkstoffs ein.

Durch die Relativbewegung können folgende Vorgänge auftreten:

• Mikroschneiden
• Mikropflügen
• Riefenbildung
• Herausbrechen kleiner Materialteilchen
• Abtragen einer Beschichtung
• Freilegen des Werkzeuggrundmaterials

Die Intensität des Verschleißes hängt davon ab, wie hart, scharf und fest eingebunden die abrasiven Partikel sind.

Zweikörperabrasion

Bei der Zweikörperabrasion sind die verschleißverursachenden harten Bestandteile fest mit einer der beiden Kontaktflächen verbunden.

Beispiele:

• harte Karbide im Werkstückwerkstoff
• Siliziumpartikel in einer Aluminiumlegierung
• harte Zunderschicht auf einem Schmiedeteil
• raue Werkstückoberfläche
• harte Verstärkungsfasern in einem Verbundwerkstoff

Die fest eingebundenen Partikel gleiten über die Werkzeugoberfläche und ziehen dabei Riefen beziehungsweise Verschleißspuren.

Diese Form ähnelt der Wirkung eines Schleifkorns, das fest in einer Schleifscheibe eingebunden ist.

Dreikörperabrasion

Bei der Dreikörperabrasion befinden sich lose Partikel zwischen zwei Kontaktflächen.

Diese Partikel können:

• gleiten
• rollen
• eingeklemmt werden
• mehrfach über eine Oberfläche bewegt werden
• sich in eine weichere Oberfläche eindrücken

Typische lose Partikel sind:

• Späne
• abgelöste Hartstoffteilchen
• Abrieb
• Schleifstaub
• Oxidpartikel
• Verunreinigungen im Kühlschmierstoff

In einer Werkzeugmaschine können solche Partikel beispielsweise zwischen Führungsflächen, Dichtungen oder gleitenden Maschinenelementen abrasiven Verschleiß verursachen.

Abrasiver Verschleiß an Zerspanungswerkzeugen

Während der Zerspanung gleiten Werkstück und Span mit hoher Geschwindigkeit und unter großem Druck über die Werkzeugflächen.

Abrasiver Verschleiß tritt vor allem auf:

• an der Freifläche
• auf der Spanfläche
• an der Schneidkante
• im Bereich der Schnitttiefenlinie
• an Führungsfasen
• an Nebenschneiden
• an Werkzeugbeschichtungen

Die harten Bestandteile des Werkstückmaterials wirken dabei wie mikroskopisch kleine Schleifkörper.

Freiflächenverschleiß

Der Freiflächenverschleiß ist eine typische Erscheinungsform des abrasiven Verschleißes.

Die Freifläche des Werkzeugs steht in Kontakt mit der neu erzeugten Werkstückoberfläche. Harte Bestandteile im Werkstoff reiben über die Werkzeugoberfläche und tragen dort kontinuierlich Material ab.

Dadurch entsteht eine Verschleißmarke, die als Verschleißbreite bezeichnet wird. Als Kennwert wird häufig VB verwendet.

Mit zunehmendem Freiflächenverschleiß können folgende Probleme auftreten:

• steigende Schnittkräfte
• zunehmende Wärmeentwicklung
• schlechtere Maßhaltigkeit
• größere Oberflächenrauheit
• Gratbildung
• Veränderung der Werkzeuggeometrie
• Werkzeugbruch

Ein gleichmäßiger Freiflächenverschleiß ist häufig besser kontrollierbar als plötzliche Schneidkantenausbrüche.

Kolkverschleiß

Auch der Kolkverschleiß auf der Spanfläche kann teilweise durch abrasive Vorgänge beeinflusst werden.

Der ablaufende Span gleitet unter hohem Druck und bei hoher Temperatur über die Spanfläche. Harte Bestandteile im Span können dabei Material aus der Werkzeugoberfläche abtragen.

Beim Kolkverschleiß wirken häufig mehrere Verschleißmechanismen gleichzeitig:

• Abrasion
• Adhäsion
• Diffusion
• Oxidation
• thermische Beanspruchung

Deshalb kann ein Verschleißbild nicht immer ausschließlich einer einzigen Ursache zugeordnet werden.

Kerbverschleiß

An der Schnitttiefenlinie kann ein örtlich begrenzter Kerbverschleiß entstehen. In diesem Bereich trifft die Schneide häufig auf:

• Zunder
• Gusshaut
• Kaltverfestigungen
• Grate
• harte Oberflächenschichten
• Oxidpartikel

Neben Abrasion können auch Adhäsion, Oxidation und wechselnde mechanische Belastungen zum Kerbverschleiß beitragen.

Besonders abrasive Werkstoffe

Einige Werkstoffe verursachen aufgrund ihrer Bestandteile einen besonders hohen abrasiven Werkzeugverschleiß.

Dazu gehören:

• Gusseisen
• hochsiliziumhaltige Aluminiumlegierungen
• glasfaserverstärkte Kunststoffe
• kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe
• Hartmetall-Grünlinge
• Keramik
• Graphit
• Sinterwerkstoffe
• verschleißfeste Stähle
• Werkstoffe mit harten Karbiden
• Gussteile mit Sandresten
• Werkstücke mit Zunder oder harter Randschicht

Die Härte des Werkstücks allein bestimmt nicht die Abrasivität. Auch ein vergleichsweise weicher Grundwerkstoff kann sehr abrasiv sein, wenn er harte Partikel enthält.

Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumanteil

Reines Aluminium und viele Aluminiumlegierungen gelten grundsätzlich als gut zerspanbar. Ein hoher Anteil an harten Siliziumpartikeln kann den Werkzeugverschleiß jedoch deutlich erhöhen.

Die Siliziumbestandteile wirken abrasiv auf die Schneidkante. Geeignete Schneidstoffe und Beschichtungen sind deshalb besonders wichtig.

Für hochsiliziumhaltige Aluminiumlegierungen werden abhängig von der Anwendung unter anderem eingesetzt:

• verschleißfestes Hartmetall
• diamantbeschichtete Werkzeuge
• polykristalliner Diamant
• geeignete Hartstoffbeschichtungen

DLC-Beschichtungen können bei bestimmten Aluminium- und Nichteisenanwendungen Reibung und Materialanhaftungen reduzieren. Für sehr stark abrasive, hochsiliziumhaltige Legierungen sind diamantbasierte Schneidstoffe häufig verschleißbeständiger.

Faserverstärkte Kunststoffe

Glas- und Kohlenstofffasern besitzen eine hohe Härte und wirken bei der Bearbeitung stark abrasiv.

Typische Folgen sind:

• schneller Schneidkantenverschleiß
• Verrundung der Schneide
• Faserausrisse
• Delamination
• schlechte Schnittkanten
• erhöhte Wärmeentwicklung

Für die Bearbeitung solcher Werkstoffe werden häufig diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge oder PKD-Werkzeuge eingesetzt.

Gusseisen

Gusseisen kann durch harte Gefügebestandteile, Karbide und eine verschleißfördernde Gusshaut abrasiv wirken.

Die Gusshaut ist häufig härter und ungleichmäßiger als das darunterliegende Material. Beim ersten Schnitt kann sie die Werkzeugschneide deshalb besonders stark beanspruchen.

Geeignete Schneidstoffe sind abhängig von Gussart und Bearbeitung beispielsweise:

• beschichtetes Hartmetall
• unbeschichtetes Hartmetall
• Schneidkeramik
• polykristallines kubisches Bornitrid

Einfluss der Werkzeughärte

Die Verschleißbeständigkeit eines Werkzeugs hängt wesentlich von seiner Härte ab. Der Schneidstoff sollte deutlich härter sein als die abrasiven Bestandteile des Werkstücks.

Eine hohe Härte allein reicht jedoch nicht aus. Sehr harte Schneidstoffe können spröde sein und bei unterbrochenen Schnitten oder instabilen Bedingungen ausbrechen.

Bei der Werkzeugauswahl muss deshalb ein geeigneter Kompromiss gefunden werden zwischen:

• Härte
• Zähigkeit
• Warmhärte
• Druckfestigkeit
• Verschleißbeständigkeit
• Schneidkantenstabilität

Einfluss der Beschichtung

Hartstoffbeschichtungen schützen das Werkzeuggrundmaterial vor direktem Kontakt mit Werkstück und Span.

Typische Beschichtungen sind:

• TiN
• TiCN
• TiAlN
• AlTiN
• AlCrN
• DLC
• CVD-Diamant

Eine geeignete Beschichtung kann:

• Oberflächenhärte erhöhen
• Reibung reduzieren
• Wärme abschirmen
• Materialanhaftungen verringern
• abrasiven Verschleiß verzögern

Wird die Beschichtung durchgeschliffen oder abgeplatzt, liegt das weichere Werkzeuggrundmaterial frei. Der Verschleiß kann sich anschließend deutlich beschleunigen.

Einfluss der Schnittgeschwindigkeit

Mit steigender Schnittgeschwindigkeit nimmt die Gleitstrecke zwischen Werkzeug, Span und Werkstück pro Zeit zu. Gleichzeitig steigt häufig die Temperatur in der Schneidzone.

Dadurch können mehrere Verschleißmechanismen verstärkt werden.

Bei zu hoher Schnittgeschwindigkeit können auftreten:

• schneller Freiflächenverschleiß
• verstärkter Kolkverschleiß
• Verlust der Beschichtung
• thermische Erweichung des Schneidstoffs
• plastische Verformung
• Diffusionsverschleiß

Eine reduzierte Schnittgeschwindigkeit kann abrasiven Verschleiß verlangsamen. Sie darf jedoch nicht so niedrig gewählt werden, dass Aufbauschneiden oder instabile Schnittbedingungen entstehen.

Einfluss des Vorschubs

Ein höherer Vorschub vergrößert die Spanungsdicke und erhöht die mechanische Belastung der Schneidkante.

Gleichzeitig verkürzt ein höherer Vorschub die Kontaktzeit für eine bestimmte Bearbeitungslänge. Ein extrem kleiner Vorschub kann dazu führen, dass die Schneide stärker reibt als schneidet.

Deshalb ist ein zu niedriger Vorschub nicht automatisch verschleißärmer.

Der Vorschub muss ausreichend groß sein, damit:

• ein definierter Span entsteht
• die Schneide unter die verhärtete Oberfläche gelangt
• Reiben vermieden wird
• das Werkzeug wirtschaftlich arbeitet

Einfluss der Kühlschmierung

Ein geeigneter Kühlschmierstoff kann Reibung, Temperatur und den Transport loser Partikel beeinflussen.

Mögliche Wirkungen sind:

• Schmierung der Kontaktzone
• Abtransport von Abrieb
• Kühlung der Schneide
• Verringerung von Materialanhaftungen
• Verbesserung der Spanabfuhr

Abrasiver Verschleiß lässt sich durch Kühlschmierstoff jedoch nicht vollständig verhindern, weil harte Werkstoffbestandteile weiterhin über die Werkzeugoberfläche gleiten.

Verunreinigter Kühlschmierstoff kann selbst abrasive Partikel enthalten. Eine wirksame Filterung schützt deshalb Werkzeuge, Führungen, Pumpen und Dichtungen.

Abrasiver Verschleiß an Maschinenkomponenten

Abrasiver Verschleiß betrifft nicht nur Zerspanungswerkzeuge. Er kann auch an Maschinenelementen auftreten.

Gefährdet sind beispielsweise:

• Führungsbahnen
• Kugelgewindetriebe
• Spindeln
• Lager
• Dichtungen
• Hydraulikkomponenten
• Pumpen
• Spannmittel
• Werkzeugaufnahmen
• Teleskopabdeckungen

Späne und Schleifstaub können zwischen bewegte Flächen gelangen und dort Riefen oder Materialabtrag verursachen.

Schutzmaßnahmen sind:

• Abdeckungen
• Dichtungen
• Abstreifer
• Filter
• regelmäßige Reinigung
• saubere Schmierstoffe
• kontrollierte Kühlschmierstoffpflege

Erkennen von abrasivem Verschleiß

Typische Merkmale sind:

• gleichmäßige Verschleißmarken
• feine Riefen in Bewegungsrichtung
• polierte oder matt geschliffene Flächen
• zunehmende Schneidkantenverrundung
• freigelegtes Werkzeuggrundmaterial
• kontinuierlich steigende Schnittkräfte
• langsam schlechter werdende Maßhaltigkeit
• zunehmende Oberflächenrauheit

Eine mikroskopische Untersuchung kann helfen, Riefen, Beschichtungsabrieb und die Richtung des Materialabtrags zu erkennen.

Abgrenzung zu adhäsivem Verschleiß

Beim abrasiven Verschleiß tragen harte Partikel oder Oberflächen Material mechanisch ab.

Beim adhäsiven Verschleiß haften Werkstoffbereiche kurzzeitig aneinander. Beim anschließenden Trennen werden Teilchen aus einer Oberfläche herausgerissen oder auf die andere Oberfläche übertragen.

Typische Hinweise auf Adhäsion sind:

• Materialaufschweißungen
• Aufbauschneiden
• verschmierte Oberflächen
• Werkstoffübertragungen

Beide Mechanismen können gleichzeitig auftreten.

Abgrenzung zu Diffusionsverschleiß

Diffusionsverschleiß entsteht bei hohen Temperaturen durch die Wanderung von Atomen zwischen Werkzeug und Werkstoff.

Er tritt besonders in der heißen Kontaktzone auf der Spanfläche auf und kann den Schneidstoff chemisch verändern oder schwächen.

Abrasiver Verschleiß ist dagegen überwiegend ein mechanischer Materialabtrag.

Abgrenzung zu oxidativem Verschleiß

Oxidativer Verschleiß entsteht durch chemische Reaktionen mit Sauerstoff. Es bilden sich Oxidschichten, die anschließend abgetragen werden können.

Auch hierbei können sich Mechanismen überlagern: Eine Oxidschicht entsteht chemisch und wird danach abrasiv entfernt.

Abgrenzung zu Schneidkantenausbrüchen

Ein Schneidkantenausbruch ist ein plötzliches Abbrechen eines größeren Werkzeugbereichs. Abrasiver Verschleiß entwickelt sich dagegen meist kontinuierlich.

Starker abrasiver Verschleiß kann die Schneidkante jedoch so weit schwächen, dass anschließend Ausbrüche auftreten.

Maßnahmen gegen abrasiven Verschleiß

Abrasiver Verschleiß kann reduziert werden durch:

• härteren Schneidstoff wählen
• verschleißfeste Beschichtung einsetzen
• Schnittgeschwindigkeit anpassen
• ausreichenden Vorschub verwenden
• Werkzeugauskragung reduzieren
• Prozess stabilisieren
• Werkzeugrundlauf verbessern
• Spanabfuhr optimieren
• Kühlschmierstoff filtern
• Zunder oder Gusshaut vorbearbeiten
• Werkzeuge rechtzeitig wechseln
• Werkzeug speziell auf den Werkstoff abstimmen

Bei stark abrasiven Werkstoffen können PKD, CVD-Diamant, Schneidkeramik oder CBN erforderlich sein. Die Eignung hängt von Werkstoff und Bearbeitungsbedingungen ab.

Überwachung des Verschleißes

Für eine sichere Serienbearbeitung sollte der Werkzeugverschleiß regelmäßig kontrolliert werden.

Mögliche Überwachungsgrößen sind:

• Freiflächenverschleißbreite
• Werkstückmaß
• Oberflächenrauheit
• Spindelleistung
• Schnittkraft
• Geräusch
• Schwingungen
• Werkzeugstandzeit
• Anzahl bearbeiteter Werkstücke

Ein geplanter Werkzeugwechsel sollte erfolgen, bevor Verschleiß zu Maßfehlern, Ausschuss oder Werkzeugbruch führt.

Typische Folgen

Unkontrollierter abrasiver Verschleiß kann verursachen:

• Maßabweichungen
• schlechte Oberflächen
• Gratbildung
• steigende Bearbeitungskräfte
• höhere Temperaturen
• geringere Werkzeugstandzeit
• Beschädigung der Beschichtung
• Schneidkantenausbrüche
• Werkzeugbruch
• Ausschuss

Kurz erklärt

Abrasiver Verschleiß entsteht, wenn harte Partikel oder Oberflächen über einen weicheren Werkstoff gleiten und dabei Material abtragen.

In der Zerspanung zeigt er sich häufig als gleichmäßiger Freiflächenverschleiß und feine Riefen. Besonders abrasive Werkstoffe sind unter anderem hochsiliziumhaltige Aluminiumlegierungen, Gusseisen, Graphit sowie glas- und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe.