naar top
Menu
Logo Print

HOE EFFICIËNT KERAMISCHE MATERIALEN VONKEN?

 

In principe zijn alle elektrisch geleidende keramische materialen vonkbaar. De praktijk leert echter dat het niet steeds evident is om met een gegeven machine aanvaardbare resultaten te bereiken (lage afnamesnelheden, onstabiel proces ...). Het efficiënt vonken van keramische materialen vereist echter een goede kennis van de 'proces-materiaal- interactie'. Op welke manier materiaal verwijderd wordt door het vonkproces en wat de invloedsfactoren zijn. Bij het vonken van metallische materialen gebeurt de materiaalverwijdering door het smelten en verdampen van het werkstukmateriaal. In het algemeen kan er aangenomen worden dat een grotere energie-input per puls (vooral gekarakteriseerd door de pulsstroom en de pulsduur) een grotere materiaalafname tot gevolg heeft. Bij het vonkeroderen van keramische materialen kunnen er echter andere fenomenen optreden, met een lagere procesefficiëntie tot gevolg.


Hoge elektrische weerstand

Een eerste probleem is de hogere elektrische weerstand van bepaalde vonkbare keramische materialen. Bijvoorbeeld de verkregen stroompuls bij het draadvonken van enerzijds staal en anderzijds SiC, en dat voor dezelfde generatorinstellingen. De bekomen stroompiek is voor SiC veel kleiner, resulterend in een lagere energie-input. Dat heeft te maken met het type gebruikte generator, die in dit geval spanningsgestuurd is. Niettegenstaande de ingestelde stroomwaarde kan de generator deze stroom niet leveren omdat er een niet verwaarloosbare spanningsval (Uspanningsval=Rkeramiek*Istroom) optreedt in het keramisch materiaal. Om keramische materialen toch efficiënt te kunnen bewerken, zijn er de laatste jaren nieuwe generatoren ontwikkeld met een verhoogd spanningsniveau tijdens vonkdoorslag.


Spalling en chemische reactie

Een tweede fenomeen/probleem is dat naast het 'smelten en verdampen', typisch bij metallische materialen, andere materiaalafnamemechanismen, zoals 'spalling' en chemische reacties kunnen optreden bij het bewerken van keramische materialen. 'Spalling' (uitbrokkeling) is vooral te wijten aan het feit dat er tijdens het proces scheuren ontstaan, waardoor bij volgende vonkdoorslagen grotere stukken materiaal verwijderd worden. Verder kunnen tijdens het vonkproces chemische reacties ook verantwoordelijk zijn voor een aanzienlijke materiaalafname. Zo bijvoorbeeld kan tijdens het bewerken van Si3N4-TiN de Si3N4-fase decomposeren ten gevolge van een te hoge temperatuur.
  • Si3N4 => 3 Si (l) + 2 N2(g)Het ontstane vloeibare Si zal oxideren ter vorming van SiO2-glas en opgeschuimd worden door het vrijgekomen N2-gas tot een poreuze oppervlaktelaag met grote ruwheid (zie figuur). Deze chemische reactie treedt vooral op bij een kleine pulsduur (een kleinere energie-input dus).

Dat betekent dat het niet vanzelfsprekend is dat een hogere energie-input steeds resulteert in een hogere materiaalafname en dat een lagere energie-input (bv. korte pulsduur en lage pulsstroom) resulteert in een lagere oppervlaktekwaliteit. Een korte pulsduur heeft een relatief grote ruwheid (te wijten aan de poreuze structuur), terwijl een optimale waarde gevonden wordt bij een iets grotere pulsduur. Het is zo dat bij een iets grotere pulsduur (grotere energie-input) het smelten en verdampen als materiaalafname mechanisme terug dominant wordt. Het smelten geeft steeds aanleiding tot een betere oppervlakteruwheid. Het is dan ook van belang te weten welke procesparameters gekozen dienen te worden om een aanvaardbare oppervlaktekwaliteit te bekomen. De bovenstaande chemische reacties treden niet alleen op bij Si3N4-TiN, maar ook bij ander keramische materialen zoals ZrO2-WC kunnen in functie van de generatorparameters zowel 'smelten en verdampen' als chemische reacties optreden. Ook de exacte samenstelling van een keramisch materiaal is van belang. Zo worden bv. elektrisch geleidende fasen zoals TiCN, TiB2, WC, TiCN en NbC toegevoegd aan ZrO2-, Al2O3- of Si3N4-basismaterialen om het composietmateriaal geschikt te maken voor draadvonkoperaties. Het type, de hoeveelheid, de vorm en de kristalgrootte van de secundaire fase bepalen daarbij in grote mate de materiaalafnamesnelheid bij het ruwvonken alsook de oppervlakteruwheid en kwaliteit van het oppervlak na finisseren. Het spreekt daarbij voor zich dat de toevoeging van de tweede fase niet enkel en alleen voor elektrische geleidbaarheid dient te zorgen, maar bovendien ook een verhoging van de performantie van de composiet dient na te streven. Dat betekent dat het materiaal aangepast kan worden aan het vonkproces om zo een efficiënte en optimale bewerking te verkrijgen en bovendien een betere slijtageweerstand kan opleveren. Dat alles toont aan dat bij het bewerken van keramische materialen niet alleen het vonkproces (andere generatoren), maar ook het materiaal meestal aangepast dient te worden.