Prozesssichere Feinbearbeitung harter Verschleißschutzschichten

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Diamantwerkzeuge glätten und halten Schutzschicht intakt

Allerdings stellt eine mechanische Endbearbeitung von Bauteilen mit thermisch gespritzten Verschleißschutzschichten hohe Anforderungen an den Prozess. Um die Schichthaftung nicht zu beeinträchtigen, dürfen die Kräfte, die das Werkzeug auf das Bauteil ausübt, nicht zu hoch sein. Sie müssen „dosiert“ werden (Bild 2). Ansonsten droht die Beschädigung oder gar Ablösung der Schicht.

Diese Gefahr wird beim Glätten mit Diamantwerkzeugen vermieden. Bereits vor vier Jahren wurde das Leistungspotenzial des Verfahrens an der TU Chemnitz eruiert. Dabei rückten schon Effekte wie die Reduzierung der Oberflächenrauheit und die Verbesserung des Randzonenverhaltens bei beschichteten Bauteilen in den Fokus. Nun wurde die Prozesseignung bei thermisch gespritzten Manganhartstahl-Schichten (X120Mn12) geprüft.

Drehen mit keramischer Schneide zur Vorbearbeitung der Schichten

In einem ersten Schritt wurden die Oberflächen der Bauteile aus zwei unterschiedlichen Spritzchargen durch Drehen bearbeitet. Für diesen Prozess kam als Schneidstoff eine Mischkeramik auf Basis von Aluminiumoxid zum Einsatz, die eine Titancarbonitrid-Beschichtung besaß. Nach dem Drehen folgte das Glätten mit Diamantwerkzeugen. Dabei wurde die Glättgeschwindigkeit v_g, der Vorschub f_g und die Werkzeugzustellung a_g variiert. Aufgrund des federnd aufgenommenen Diamantkopfes (Federkonstanten 96 N/mm) gelang es, über die Zustellung eine differierende Anpresskraft zu erreichen.

Die Prüfergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität. Allerdings hängt der Grad der Verbesserung vom Vorprozess ab. So beeinflusste der Oberflächenzustand nach dem Drehen die Rauheitsergebnisse. Bei den geprüften Bauteilen aus den beiden Spritzchargen war die Oberflächenrauheit nach dem Glätten bei gleichen Prozessparametern verschieden. Der Grund dafür lag in den beiden Spritzchargen: in der Varianz der chemischen Zusammensetzung des Spritzpulvers.

Randzonenverfestigung der gespritzten Schichten nach dem Glätten

Kennzeichnend für den Schichtwerkstoff Manganhartstahl (X120Mn12) ist die gute Kaltverfestigung. Bei den gespritzten Schichten wurde nach dem Drehen und Glätten eine Randzonenverfestigung nachgewiesen. Dabei hatte die Werkzeugzustellung im Vergleich zur Glättgeschwindigkeit und zum Vorschub den größten Einfluss. Bei Zustellungen von 0,5 mm (a_g) wurden stabile Härtewerte von über 700 HV 0,3 und teilweise sogar bis 750 HV 0,3 erzielt (Bild 3).

Die Resultate zeigen, dass die Kombination Drehen und Glätten eine qualitativ hochwertige Endbearbeitung bei Bauteilen mit thermisch gespritzten Manganhartstahl-Schichten bietet. So wurde teilweise die mittlere Rautiefe halbiert und die Randzonenhärte um bis zu 50 % gesteigert. Derzeit forscht die TU Chemnitz daran, allgemein gültige Bearbeitungsparameter zu finden. Auch der Grenzbereich für das Drehen und das Glätten mit Diamantwerkzeugen soll ermittelt werden, sodass am Ende eine noch ökonomischere Prozesskette steht.

* Dipl.-Ing. Danny Hösel ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP) der TU Chemnitz. Thomas Kappel ist Leiter Technik/Entwicklung bei der Baublies AG in 71272 Renningen. Andreas Hadler ist Vorstandsmitglied des Unternehmens

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