Keramik- und Cermet-Schneidplatten: Grundlagen für Hochgeschwindigkeits-Finishbearbeitung von gehärteten Werkstoffen

Was dieses Material ist: Eigenschaften, die für die Zerspanung relevant sind

Keramik- und Cermet-Schneidplatten gehören zu den Hochleistungswerkstoffen für die Zerspanung, die sich von gängigen Hartmetallplatten durch ihre Zusammensetzung und Eigenschaften unterscheiden. Zuerst die Begriffsdefinitionen:

• Keramik-Schneidplatten: Bestehend aus rein anorganischen, nichtmetallischen Materialien wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Zirkonoxid (ZrO₂). Sie werden bei hohen Temperaturen gesintert, um eine hohe Dichte und Härte zu erreichen.
• Cermet-Schneidplatten: Eine Kombination aus Keramik und Metall (daher der Name: Ceramic + Metal). Typische Zusammensetzungen sind Titancarbid (TiC) oder Titannitrid (TiN) als Keramikphase, gebunden durch ein Metallbindemittel wie Nickel oder Kobalt.

Für die Zerspanung sind vor allem drei Eigenschaften entscheidend:

1. Hohe Warmhärte: Im Gegensatz zu Hartmetall, das ab ca. 600 °C an Härte verliert, behalten Keramik- und Cermet-Platten ihre Härte bis zu Temperaturen von 1200 °C (Keramik) bzw. 1000 °C (Cermet). Das macht sie ideal für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, bei der hohe Schnittgeschwindigkeiten zu starken Wärmeentwicklungen führen.
2. Geringe Wärmeleitfähigkeit: Keramik leitet Wärme deutlich schlechter als Hartmetall. Dadurch wird ein großer Teil der Schnittwärme nicht in das Werkzeug, sondern in den Span abgeführt – das schützt die Schneidkante vor Überhitzung. Cermet hat eine etwas höhere Wärmeleitfähigkeit als reine Keramik, aber immer noch niedriger als Hartmetall.
3. Hohe Sprödigkeit: Beide Materialien sind deutlich spröder als Hartmetall. Sie können keine plastische Verformung aufnehmen und reagieren empfindlich auf Stöße, Vibrationen oder ungleichmäßige Belastungen.

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält: Schnittkräfte, Wärme, Spanbildung und Verschleißmechanismen

Das Verhalten von Keramik- und Cermet-Platten im Schnitt unterscheidet sich stark von Hartmetall, was vor allem auf ihre Eigenschaften zurückgeht:

Schnittkräfte

Aufgrund ihrer hohen Härte erfordern Keramik- und Cermet-Platten höhere spezifische Schnittkräfte als Hartmetall bei gleichen Schnittbedingungen. Da sie aber für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ausgelegt sind, sinken die Kräfte bei hohen Geschwindigkeiten aufgrund der thermischen Erweichung des Werkstoffs. Ein weiterer Vorteil: Die geringe Wärmeleitfähigkeit führt dazu, dass die Werkstückoberfläche lokal stark erwärmt wird, was die Zerspanbarkeit zusätzlich verbessert.

Wärmeentwicklung

Bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Keramik- oder Cermet-Platten entsteht im Schnittbereich Temperaturen von bis zu 1500 °C. Da die Wärme hauptsächlich in den Span abgeführt wird, bleibt die Schneidkante vergleichsweise kühl – ein Grund, warum die Platten auch bei extremer Geschwindigkeit nicht weich werden.

Spanbildung

Keramik- und Cermet-Platten erzeugen typischerweise kurze, brüchige Späne, besonders bei gehärteten Werkstoffen. Das ist vorteilhaft, weil lange Späne nicht um die Schneidkante gewickelt werden und so die Oberflächenqualität beeinträchtigen. Bei weicheren Werkstoffen können die Späne aber auch zu feinen Partikeln zerschellen, die die Schneidkante beschädigen.

Verschleißmechanismen

Der Verschleiß von Keramik- und Cermet-Platten verläuft anders als bei Hartmetall:

• Abriebverschleiß: Bei gehärteten Werkstoffen ist der Abrieb der Hauptverschleißart. Die hohe Härte der Platten reduziert diesen Verschleiß stark, sodass die Schneidkante lange scharf bleibt.
• Thermische Risse: Wenn die Schneidkante starken Temperaturschwankungen ausgesetzt ist (z. B. bei intermittierender Bearbeitung), können feine Risse entstehen, die im Laufe der Zeit zu einem Bruch der Schneidkante führen.
• Kantennachbruch: Aufgrund der Sprödigkeit können Stöße oder Vibrationen dazu führen, dass kleine Teile der Schneidkante abbrechen.
• Diffusionsverschleiß: Bei sehr hohen Temperaturen können Atome des Werkstoffs in die Schneidkante eindringen und deren Struktur verändern. Dieser Verschleiß ist bei Keramik geringer als bei Hartmetall, bei Cermet etwas höher als bei reiner Keramik.

Praktische Parameter: Geschwindigkeiten, Vorschübe, Werkzeuggeometrie und Abwägungen

Die Parameter für Keramik- und Cermet-Platten hängen stark von dem zu bearbeitenden Werkstoff und der Maschinenleistung ab. Im Folgenden finden Sie praxisnahe Bereiche und die dahinterliegenden Abwägungen:

Schnittgeschwindigkeit (vc)

Keramik- und Cermet-Platten sind für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ausgelegt, daher liegen die Schnittgeschwindigkeiten deutlich über denen von Hartmetall:

• Gehärtete Stähle (45–65 HRC): 200–600 m/min (Keramik) bzw. 150–400 m/min (Cermet)
• Gusseisen: 500–1200 m/min (Keramik) bzw. 300–700 m/min (Cermet)
• Superlegierungen (z. B. Inconel): 100–300 m/min (Keramik)

Abwägung: Höhere Geschwindigkeiten führen zu höherer Produktivität und besserer Oberflächenqualität, erfordern aber eine ausreichende Maschinenleistung und Spindeldrehzahl. Für die oben genannten Geschwindigkeiten eignen sich Gree CNC-Maschinen mit Hochgeschwindigkeitsspindeln:

• Das GA-DV750 (Vertikal-Bearbeitungszentrum) erreicht bis zu 30.000 U/min, sodass auch Geschwindigkeiten von 600 m/min bei Werkstücken mit einem Durchmesser von 32 mm oder weniger problemlos erreicht werden.
• Das GA-VT540 (Bohr- und Gewindeschneidzentrum) mit 20.000 U/min eignet sich für kleinere Werkstücke.

Vorschub (f)

Der Vorschub ist deutlich niedriger als bei Hartmetall, um die Sprödigkeit der Platten zu berücksichtigen:

• Finishbearbeitung: 0,05–0,2 mm/U (Keramik) bzw. 0,08–0,25 mm/U (Cermet)
• Schruppbearbeitung: 0,1–0,3 mm/U (Keramik) bzw. 0,15–0,35 mm/U (Cermet)

Abwägung: Höhere Vorschübe erhöhen die Produktivität, aber auch die Belastung der Schneidkante. Bei zu hohen Vorschüben steigt das Risiko von Kantennachbrüchen stark an.

Schnitttiefe (ap)

Keramik- und Cermet-Platten eignen sich hauptsächlich für Finish- und Leichtschruppbearbeitung:

• Finishbearbeitung: 0,1–0,5 mm (Keramik) bzw. 0,2–0,8 mm (Cermet)
• Leichtschruppbearbeitung: 0,5–2 mm (Keramik) bzw. 0,8–3 mm (Cermet)

Abwägung: Größere Schnitttiefen führen zu höheren Schnittkräften und Vibrationen, die die spröden Platten beschädigen können. Für Schruppbearbeitung mit größeren Tiefen sind Hartmetallplatten besser geeignet.

Werkzeuggeometrie

Die Geometrie von Keramik- und Cermet-Platten ist an ihre Eigenschaften angepasst:

• Positive Spanwinkel: Kleine positive Spanwinkel (0–5°) reduzieren die Schnittkräfte und schonen die Schneidkante. Größere positive Winkel würden die Schneidkante zu dünn und empfindlich machen.
• Stabile Schneidkanten: Abgerundete oder verstärkte Schneidkanten (Rundung von 0,02–0,05 mm) reduzieren das Risiko von Kantennachbrüchen.
• Hohe Schneidkantenwinkel: Hohe Schneidkantenwinkel (90–95°) sorgen für eine stabile Belastung der Platte.

Was geht schief: Fehlerarten, Erkennung und Behebung

Keramik- und Cermet-Platten sind empfindlich gegen falsche Bedingungen. Die häufigsten Fehler und deren Lösungen sind:

1. Kantennachbruch
   • Erkennung: Kleine Ausbrüche an der Schneidkante, unregelmäßige Oberflächenqualität des Werkstücks.
   • Ursachen: Zu hohe Vorschübe, zu große Schnitttiefen, Vibrationen, falsche Werkzeuggeometrie.
   • Behebung: Vorschub um 20–30 % reduzieren, Schnitttiefe verringern, auf eine stabilere Werkzeugaufnahme wechseln (z. B. HSK-E40 statt BT30), Platten mit verstärkter Schneidkante verwenden.
2. Thermische Risse
   • Erkennung: Feine, parallele Risse entlang der Schneidkante, plötzlicher Verschleißanstieg.
   • Ursachen: Intermittierende Bearbeitung (z. B. bei Werkstücken mit Löchern oder Kanten), unregelmäßige Wärmeentwicklung, zu hohe Schnittgeschwindigkeiten.
   • Behebung: Schnittgeschwindigkeit um 15–25 % reduzieren, Platten mit höherer Wärmeleitfähigkeit (z. B. Cermet statt Keramik) verwenden, Kühlmittel anpassen (bei intermittierender Bearbeitung kann trockene Bearbeitung vorteilhaft sein, um Temperaturschwankungen zu reduzieren).
3. Schneller Abriebverschleiß
   • Erkennung: Glatte Abnutzung der Schneidkante, zunehmende Maßabweichungen des Werkstücks.
   • Ursachen: Zu niedrige Schnittgeschwindigkeiten, zu weiche Platten für den Werkstoff, falsche Kühlmittel.
   • Behebung: Schnittgeschwindigkeit erhöhen, Platten mit höherer Härte verwenden, Kühlmittel mit hohem Schmieranteil einsetzen.
4. Vibrationen
   • Erkennung: Rattermarken auf dem Werkstück, unregelmäßiger Verschleiß der Platte.
   • Ursachen: Ungenaue Werkzeugaufnahme, zu lange Werkzeuge, unzureichende Maschinensteifigkeit, falsche Parameter.
   • Behebung: Werkzeuglänge reduzieren, auf eine stabilere Maschinenaufnahme wechseln, Vorschub und Schnittgeschwindigkeit anpassen, Werkstückspannung verbessern.

Ehrliche Einschränkungen: Wo dieses Material eine schlechte Wahl ist

Keramik- und Cermet-Platten haben klare Grenzen, die Sie unbedingt berücksichtigen sollten:

1. Schruppbearbeitung mit großen Schnitttiefen: Aufgrund ihrer Sprödigkeit eignen sie sich nicht für Schruppbearbeitung mit Schnitttiefen über 3 mm. Für solche Anwendungen sind Hartmetall- oder CBN-Platten besser geeignet.
2. Intermittierende Bearbeitung mit starken Stößen: Bei Werkstücken mit vielen Löchern, Kanten oder unregelmäßigen Konturen sind Keramik- und Cermet-Platten empfindlich gegen Stöße. Hier sollten Sie auf Hartmetallplatten mit Beschichtung wechseln.
3. Weiche Werkstoffe (unter 30 HRC): Bei weichen Werkstoffen wie Aluminium oder unlegierten Stählen unter 30 HRC können Keramik- und Cermet-Platten zu Aufbauschneiden führen. Die hohe Härte der Platten führt dazu, dass Werkstoffpartikel an der Schneidkante haften bleiben und die Oberflächenqualität beeinträchtigen.
4. Maschinen mit geringer Steifigkeit oder niedriger Spindeldrehzahl: Keramik- und Cermet-Platten erfordern hohe Schnittgeschwindigkeiten und stabile Bedingungen. Maschinen mit einer maximalen Spindeldrehzahl unter 10.000 U/min oder geringer Steifigkeit sind nicht geeignet. Beispielsweise eignet sich das GA-GF4028 (Gantry-Bearbeitungszentrum mit maximal 6.000 U/min) nicht für die Bearbeitung mit Keramik- oder Cermet-Platten.
5. Kleine Werkstücke mit komplexen Konturen: Bei sehr kleinen Werkstücken mit engen Radien können die stabilen Geometrien von Keramik- und Cermet-Platten nicht ausreichend eingesetzt werden. Hier sind kleinere Hartmetallplatten besser geeignet.

Parameter- und Troubleshooting-Tabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Arbeitsgangs

Bevor Sie mit der Bearbeitung mit Keramik- oder Cermet-Platten beginnen, gehen Sie diese Checkliste durch:

1. Werkstoffprüfung: Überprüfen Sie die Härte und Zusammensetzung des Werkstoffs. Keramik- und Cermet-Platten eignen sich am besten für Werkstoffe über 45 HRC.
2. Maschinenprüfung: Stellen Sie sicher, dass die Maschine die erforderliche Spindeldrehzahl und Steifigkeit hat. Für Geschwindigkeiten über 300 m/min benötigen Sie eine Maschine mit mindestens 15.000 U/min.
3. Werkzeugauswahl: Wählen Sie Platten mit verstärkter Schneidkante und passender Geometrie für den Werkstoff. Verwenden Sie eine hochpräzise Werkzeugaufnahme (z. B. HSK-E40 oder BBT30).
4. Parameterfestlegung: Beginnen Sie mit den unteren Grenzen der Parameterbereiche und passen Sie sie schrittweise an. Reduzieren Sie Vorschub und Schnitttiefe bei intermittierender Bearbeitung.
5. Spannungsprüfung: Stellen Sie sicher, dass das Werkstück fest und stabil gespannt ist. Vermeiden Sie lange, dünne Werkstücke ohne zusätzliche Unterstützung.
6. Kühlmittelprüfung: Entscheiden Sie sich für eine Kühlstrategie: Bei kontinuierlicher Bearbeitung eignet sich Kühlmittel mit hohem Schmieranteil, bei intermittierender Bearbeitung kann trockene Bearbeitung vorteilhaft sein.
7. Erster Testlauf: Führen Sie einen kurzen Testlauf mit reduzierter Geschwindigkeit durch, um Vibrationen oder Fehler zu erkennen, bevor Sie den vollständigen Arbeitsgang starten.

FAQ

1. Kann ich Keramik- und Cermet-Platten auf jeder CNC-Maschine verwenden? Nein. Sie benötigen eine Maschine mit ausreichender Spindeldrehzahl (mindestens 10.000 U/min, besser 15.000 U/min oder mehr) und guter Steifigkeit. Maschinen mit niedriger Drehzahl oder geringer Steifigkeit führen zu übermäßigem Verschleiß oder Bruch der Platten.

2. Sind Cermet-Platten besser als Keramik-Platten für alle Anwendungen? Nein. Cermet-Platten sind weniger spröde als reine Keramik, aber auch weniger warmhart. Für sehr hohe Geschwindigkeiten oder extrem harte Werkstoffe (über 60 HRC) sind Keramik-Platten besser geeignet. Cermet eignet sich für Anwendungen mit geringeren Geschwindigkeiten oder leicht intermittierender Bearbeitung.

3. Kann ich Kühlmittel bei der Bearbeitung mit Keramik-Platten verwenden? Ja, aber mit Vorsicht. Bei kontinuierlicher Bearbeitung reduziert Kühlmittel den Verschleiß. Bei intermittierender Bearbeitung können Temperaturschwankungen durch Kühlmittel zu thermischen Rissen führen – hier ist trockene Bearbeitung oft besser.

4. Wie lange halten Keramik- und Cermet-Platten im Vergleich zu Hartmetall? Unter optimalen Bedingungen halten Keramik- und Cermet-Platten 2–5 Mal länger als Hartmetall-Platten bei der Bearbeitung von gehärteten Werkstoffen. Bei falschen Bedingungen oder intermittierender Bearbeitung kann ihre Lebensdauer aber deutlich kürzer sein.

5. Kann ich Keramik- und Cermet-Platten für die Bearbeitung von Aluminium verwenden? Es ist möglich, aber nicht empfehlenswert. Aluminium ist weich und neigt dazu, an der harten Schneidkante von Keramik- oder Cermet-Platten zu haften (Aufbauschneide). Das führt zu schlechter Oberflächenqualität und schnellerem Verschleiß. Für Aluminium sind Hartmetallplatten mit Diamantbeschichtung besser geeignet.

← Zurück zur Startseite