Die richtigen Abrasivkörner für Schleifscheiben wählen: Natürliche vs. künstliche Lösungen

Abrasivkörner für Schleifscheiben gibt es in zwei Typen: 1. Natürliche Abrasive und 2. Künstliche Abrasive. Für die meisten Zwecke werden natürliche Abrasive aufgrund gewisser Vorteile künstlicher (hergestellter) Abrasive nicht mehr verwendet.

Natürliche Abrasive:

Diese entstehen durch unkontrollierte Naturkräfte.

Allgemein bekannte und verwendete natürliche Abrasive:

• (a) Sandstein oder massiver Quarz
• (b) Emery (50–60 % kristallines Al₂O₃ + Eisenoxid)
• (c) Korund (75–90 % kristallines Al₂O₃ + Eisenoxid)
• (d) Diamanten
• (e) Granat

Wirkungsgrad von Abrasivpartikeln:

Der Wirkungsgrad hängt ab von:

• (i) Reinheit
• (ii) Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung
• (iii) Härte – Grundregel: Härte des Abrasivs sollte höher sein als die des Werkstücks
• (iv) Zähigkeit – Wenn das Rad nicht zäh ist, brechen die Abrasivpartikel leicht und der Radverschleiß ist übermäßig
• (v) Schärfe des Bruchs – Bessere Schneidwirkung durch scharfkantige Abrasive. Natürliche Abrasive geben abgerundete Kanten und sind daher im Schneiden weniger effizient.

Fortschritte bei Abrasivpartikeln:

Es gab einen signifikanten Wandel beim Werkstofftyp von weich zu schwer zerspanbaren Materialien für diverse Anwendungen. Jedes harte Material kann nur noch durch Schleifen weiter bearbeitet oder fertig bearbeitet werden. Diese neueren, härteren Materialien stellen eine klare Herausforderung für das Schleifrad dar.

Dies erfordert erhebliche Verbesserungen bei Schleifrädern – sowohl in der Rad-Spezifikation als auch in den Fertigungstechniken.

Einige dieser Verbesserungen sind:

• i. Zähere Abrasive, die länger scharf bleiben
• ii. Zerbrechliche Abrasive, die kontinuierlich nachschärfen und neue, schärfere Schneidkanten freilegen
• iii. Räder, die bei höheren Drehzahlen niedrige Vibrationspegel erzeugen
• iv. Engere geometrische Toleranzen an Rädern

Abrasivhersteller haben verschiedene Lösungen entwickelt, um diese Anforderungen zu erfüllen, einige nutzen Kombinationen neuerer Abrasive (ein solches Produkt ist der 86A-Bereich), verbesserte Bindungssysteme und engere Fertigungstoleranzen – resultierend in einem signifikant überlegenen Produkt für Präzisionsschleifanwendungen.

86A-Abrasiv ist ein revolutionäres Abrasiv für Präzisionsschleifanwendungen. Es gibt grundsätzlich zwei Abrasivfamilien: Aluminiumoxid (AlO) und Siliciumcarbid (SiC).

Aluminiumoxid-Abrasive werden für ferritische Schleifanwendungen, Siliciumcarbid für nicht-ferritische verwendet. Innerhalb der AlO-Familie gibt es verschiedene Abrasivtypen basierend auf chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur.

Monokristallines AlO (bezeichnet als 32A) und Weißes Aluminiumoxid (38A) sind zwei der gängigsten AlO-Abrasivtypen. 32A ist ein schnell schneidendes Abrasiv für schwere Präzisionsschleifanwendungen. 38A ist ein zerbrechlicher Abrasivtyp für Präzisionsschleifen.

Die Eigenschaften beider Abrasive wurden kombiniert, um das revolutionäre neue konventionelle Abrasiv 86A zu erhalten. Dieses Korn behält seine Schneidkante länger bei, was kühleres Schneiden und weniger metallurgische Schäden an der Werkstückoberfläche bewirkt. Die länger haltende Schneidkante bedeutet mehr Werkstücke zwischen Abrichtvorgängen – was Schleifkosten senkt.

Das 86A-Abrasiv eignet sich am besten für Hochproduktivitätsanwendungen aufgrund seiner hohen Materialabtragsrate. Es hat sich auch bei schwer zerspanbaren Materialien bewährt. 86A ist optimal für das Schleifen von Hochgeschwindigkeitsstählen, Gusslegierungen und Fräsern, Nickel-Legierungen und hochchromhaltigen Stählen. Die Härte von 86A-Abrasiven liegt bei 2150–2250 Knoop, die von 38A bei ca. 1900–2100 Knoop.

Ein vergleichender Leistungsvergleich von 86A vs. 38A ist in Abb. 20.4 (a) und (b) dargestellt. Deutlich ist das Schleifverhältnis (Volumen abgetragenes Material / Volumen Radverschleiß) für das 86A-Rad über einen Bereich von Materialabtragsraten höher als beim 38A-Abrasiv.

Die spezifische Korntoughness ist bei 86A höher als bei 38A. Auch die spezifische Schleifenergie ist beim 86A-Rad niedriger, da bei gleicher aufgenommener Leistung der Materialabtrag beim 86A-Rad wesentlich höher ist. Letztlich ist die Schleifbarkeit (Verhältnis aus Schleifverhältnis und spezifischem Schleifverhältnis) der 86A-Räder höher als die der 38A-Räder.

Anwendungen, in denen 86A-Abrasive signifikante Überlegenheit gezeigt haben: Werkzeugschleifen, Planschleifen, Verzahnschleifen, Innenrundschleifen, Wälzlagerschleifen und andere Formschleifanwendungen.

Künstliche oder hergestellte Abrasive:

Qualität und Zusammensetzung dieser Partikel lassen sich leicht kontrollieren, ihre Effizienz ist weit besser als die natürlicher Abrasive.

Am häufigsten verwendete hergestellte Abrasive:

• (a) Siliciumcarbid (SiC): In verschiedenen Farben erhältlich. Eine spezielle bläulich-grüne Variante eignet sich hervorragend zum Schleifen von Spitzenwerkzeugen. Handelsnamen: ‚Carborundum‘, ‚Crystolon‘, ‚Electron‘ u. a.
• (b) Aluminiumoxid (Al₂O₃): Handelsnamen für geschmolzenes Aluminiumoxid: ‚Aloxite‘, ‚Alundum‘, ‚Borolon‘. Seine Sonderform ist weißes Al₂O₃, das rein als brillanter weißer Kristall erscheint. Am besten geeignet für Werkzeugstähle, wo die durch Schleifen erzeugte Wärme gering ist.
• (c) Borcarbid.
• (d) Bornitrid (CBN): CBN-Schleifräder werden zum Schleifen gehärteter und schwer zerspanbarer Stähle eingesetzt. Sie haben lange Lebensdauer und hohe Schleifverhältnisse. Die beim Schleifen auftretende Temperatur ist deutlich niedriger – daher bessere Oberflächengüte und -qualität.

Herstellung künstlicher Abrasive:

(a) Siliciumcarbid:

Bei der Herstellung werden folgende Zutaten gründlich gemischt und im Elektroofen bei ca. 2320 °C rund 36 Stunden erhitzt. Die gesamte feste Masse wird dann zerkleinert, gewaschen und mit Alkalien behandelt. Erneut gewaschen und schließlich zu feinen Partikeln gemahlen. Diese werden in Sieben verschiedener Maschenweite gesiebt. Für Feinschleifen werden Partikel (180–200 Mesh) entnommen.

Die Zutaten sind:

• (i) Quarzsand — 25 Teile
• (ii) Petrolkoks (durch nicht-destruktive Destillation, sehr rein) — 34 Teile
• (iii) Kochsalz — 2 Teile
• (iv) Sägemehl (Holzpulver) — 12 Teile

Quarzsand liefert Silicium, Petrolkoks den Kohlenstoff, Sägemehl verbrennt bei hoher Temperatur und erzeugt die poröse Struktur. Die Farbe ist meist grünlich-schwarz.

(b) Aluminiumoxid (Al₂O₃):

Es wird durch Verschmelzen von Mineralbauxit (hydratisiertes Al₂O₃ + Si₂O₃ + Titanoxid) mit gemahlenem Koks und Eisenschrott hergestellt. Dies wird im Elektroofen verschmolzen, nach Abschluss zerkleinert, gewaschen, mit Alkalien behandelt, erneut gewaschen und schließlich gemahlen und klassiert. Es ist rötlich-braun, zäh und scharf, neigt zum leichten Brechen und wird daher für Werkzeugstähle verwendet.

Vergleich SiC und Al₂O₃:

(i) Al₂O₃ ist zäher als SiC, aber weniger hart. Al₂O₃ eignet sich daher sehr gut für Materialien mit hoher Zugfestigkeit (2700 kgf/cm²). Wird Al₂O₃ bei niedriger Zugfestigkeit eingesetzt, bietet der Werkstoff weniger Widerstand am Schleifrad – die Abrasivpartikel brechen nicht ab und werden stumpf, das Schleifen ist schlecht. Daher müssen alle zähen Materialien wie HSS, zähe Bronze und Kupfer mit Al₂O₃ und nicht mit anderen geschliffen werden.

(ii) SiC ist härter und spröder. Wird es bei hoher Zugfestigkeit eingesetzt, bietet das Werkstück mehr Widerstand am Rad, die Abrasivpartikel brechen schnell ab – schnelles Selbstschärfen. Hauptsächlich für Materialien mit niedriger Zugfestigkeit: Gusseisen, Hartmetallspitzen, Wolframwerkzeuge und alle nicht-metallischen Materialien wie Marmor, Hartgummi, Kunststoff, Leder etc. Bei diesen Materialien unterliegen zähere Al₂O₃-Partikel weniger Brüchen. Die Kratzhärte von SiC-Partikeln ist höher. Eine spezielle SiC-Form wird zum Schleifen und Nachschärfen von Hartmetall-bestückten Werkzeugen verwendet.