geschiedenis/ontwikkeling van verspanend staal

[tiho]

Ik heb een interressant stuk gevonden dat hier naar mijn idee niet zou misstaan.

Hardmetaal

1. Het begin
Al in 1781 ontdekte een zekere meneer Scheele “Tungsten”. Het duurde echter nog zo’n 150 jaar eer zijn “opvolgers” het Tungsten Carbide (voorloper genoemd van het huidige hardmetaal) ontwikkelden en er industriële toepassingen voor vonden.

We starten daarom in de 19e eeuw, waarin diverse processen werden ontwikkeld om gereedschappen te produceren.
De tot die tijd meest geschikte “snijdende” gereedschappen waren hoog koolstofhoudend staal en gelegeerd koolstofstaal.
Dankzij de warmtebehandelingen die de toenmalige smeden toepasten, waren deze in de vorm van beitels gesmede gereedschappen geschikt om bij snijsnelheden van (slechts) enkele meters per minuut metaal te “verspanen”.
De standtijd was extreem kort omdat door de warmteontwikkeling de gereedschappen zeer snel gingen ontlaten en dus snel bot werden.
De eerste echte verbetering m.b.t. gereedschapmateriaal (vergelijkbaar met het huidige HSS), was het  Mushet staal, het resultaat van een toevallige vondst.
Experimenten met mangaan leidden tot een luchtharding van staal en de vondst van Wolfram in staal.
Kortom, de eerste verbetering was daar en de mogelijkheid om de snijsnelheid te verhogen tot wel zo’n 10 meter per minuut kwam in zicht.

1900
De grote ommekeer vond plaats aan het begin van deze eeuw en wel dankzij Frederick Taylor die op de tentoonstelling in Parijs van dat jaar demonstreerde dat het mogelijk was om met een snijsnelheid van maar liefst 40M/min. en een aanzet van 1,6mm alsmede een snedediepte van 4,8mm te draaien.
Hij introduceerde hiermee het High Speed Steel (HSS), wat dan ook dusdanig aansloeg dat het vele jaren het meest gebruikte snijmateriaal voor de metaalbewerking bleef, tot het werd overtroffen.
Ook nu nog is het snelstaal (in sterk verbeterde vorm) niet weg te denken.
Overigens deed Taylor in nauwe samenwerking met Maunsel White veel onderzoek op het gebied van metaalverspaning.
Wat Taylor en White mogelijk maakten was, behalve verhoging van de snijsnelheid, ook een verbetering van de standtijden, wat misschien in die tijd nog veel belangrijker was.
Praktisch gezien betekende e.e.a. dat een draaibewerking (van hoog gelegeerd koolstofstaal) tijdens de 19e eeuw b.v. 100 minuten in beslag nam en aan het begin van de 20e eeuw nog maar 26 minuten.
Een verbetering van bijna 400% !!!  
  
Taylor White
Een volgende stap voorwaarts (omstreeks 1915) was de introductie van gietlegeringen op basis van Kobalt, Chroom, Wolfram, enzovoort.
Deze legeringen bevatten ongeveer 50% harde carbiden en hadden verschillende benamingen als Stelliet, Speedalloy en Tungalloy, welke de meest bekende zijn.
De legeringen waren zeer hard, met een grote weerstand tegen mechanische slijtage, echter zeer bros en moeilijk om te vormen tot gereedschappen.
Vanwege hun samenstelling worden genoemde legeringen als voorlopers gezien van de huidige gesinterde hardmetalen.
Stelliet b.v. werd al op stalen schachten gesoldeerd en als draaibeitel toegepast.
Ook frezen in gesoldeerde uitvoering werden in deze vorm toegepast.
T.o.v. HSS was de taaiheid aanzienlijk minder maar de verspanings snelheid kon wederom behoorlijk worden opgeschroefd.
Was de verspaningstijd met HSS ca. 26 minuten, met genoemde legering(en) kon een zelfde weg worden verspaand in “slechts” 15 minuten. Wederom dus een stap voorwaarts.
De ontwikkeling van m.n. het HSS ging uiteraard gewoon door, wat resulteerde in betere verspanende gereedschappen, waar heden ten dage nog van wordt geprofiteerd.
Het wachten was echter op DE grote doorbraak op het gebied van zeer slijtvaste snijmaterialen.

2.De doorbraak
Begin 20er jaren was het de Fa. Osram die, op zoek naar een verbeterde methode om gloeilampdraden uit tungsten te produceren en daarmee dure diamanten trekstenen te vervangen, eigenlijk het hardmetaal ontwikkelde. Voor het eerst werd dan ook hardmetaal geproduceerd en op de markt gebracht onder de naam “Widia”, wat zoveel betekend als: “Wie Diamant” ofwel in goed Nederlands: “Hard als diamant”.
In 1927 werd op een tentoonstelling te Leipzig aangetoond dat wederom een stap voorwaarts was gezet in het verspanen.
De demonstraties toonden aan dat snijsnelheden konden worden bereikt die een veelvoud bedroegen van wat tot op dat moment met HSS gereedschappen mogelijk was.
Was de verspaningstijd van HSS 26 minuten, van Stelliet e.d. 15 minuten, dat van “Widia” nog maar slechts 6 minuten over een gelijke afstand!
In het begin van de jaren ‘30 was daar dan eindelijk de doorbraak in de ontwikkeling van snijmaterialen. Gebonden carbiden, ook wel bekend als gesinterde carbiden, Wolfram-carbide en nog meer als hardmetaal, deed zijn intrede in de wereld van de verspanings-technologie. Eerst nog en vooral voor het draaien en frezen van gietijzer, maar al snel na het ontwikkelen van z.g. cementeermethodes (samenvoegen en “versmelten” van carbiden) kwam ook het draaien en frezen van staalsoorten in beeld.
Primair bestond het hardmetaal uit Wolfram-carbide als harde en slijtvaste basis, gebonden met Kobalt. De uit hardmetaal vervaardigde tips, werden gesoldeerd op een stalen schacht die gebaseerd was op de vorm van de toen bekende HSS beitels.
Het succes van het op WC-Co basis ontwikkelde hardmetaal was zo groot, dat velen zich stortten op de verdere ontwikkeling en verbetering van het hardmetaal. Medio 1934 waren er al meer dan honderd patenten verstrekt op de verschillende soorten hardmetaal en methodes van vervaardiging.
Toevoegingen met andere carbiden (TiC, TaC, NbC, enz.) resulteerden in verbeteringen t.a.v. de slijtvastheid alsmede de taaiheid.
(Er was duidelijk geld te verdienen aan goede slijtvaste snijgereedschappen).
De ontwikkeling van de z.g. poedermetalurgie maakte het mogelijk materiaal poeders met meer dan 90% harde carbiden met gespecificeerde korrelgrootte in een vooraf bepaalde vorm te persen en te sinteren, waarbij alleen het bindermateriaal (hoofdzakelijk Kobalt [Co]) smelt. Over dit z.g. sinterproces later meer.
De ontwikkelingen gingen hierna heel snel en gesoldeerde beitels (maar ook gesoldeerde frezen) werden gemeengoed in het verspaningsproces.
Met name in de jaren 1940 – 1950 steeg het verbruik van deze gereedschappen enorm.
Opgemerkt zij, dat de Tweede wereldoorlog en de daarop volgende wederopbouw hier veel invloed op heeft gehad, zoals dit met vele andere ontwikkelingen in die tijd ook het geval is geweest.
Gesoldeerde beitels echter waren duur vanwege de aanmaakkosten, ook het (her)slijpen en andere factoren speelden een rol.
In het midden van de 50er jaren kwam de ontwikkeling op gang van houders die hardmetalen tips d.m.v. een mechanische bevestiging
klemden. In feite dus de “geboorte” van de huidige klemsystemen.

3.De reacties
Het introduceren van de klemsystemen had overigens heel wat voeten in de aarde.
De weerstand was betrekkelijk groot omdat de algemene gedachtegang was, dat men een “snijkant” niet zomaar van de hand deed maar, nadat deze bot was geworden, weer werd herslepen en opnieuw gebruikt en wederom na het bot worden het proces herhalend totdat er niets meer te herslijpen viel. “Hardmetaal diende helemaal opgebruikt te worden”!
Wat daarnaast een grote rol speelde was dat iedere draaier m.n. zo zijn eigen manier had ontwikkeld om zijn beitel te slijpen en daaraan een “spaanbreker” in te slijpen naar eigen inzicht en ervaringen zo iets creëerde wat hij beschouwde als de beitel waar een “lekker lopend sneetje” mee kon worden gemaakt.
“Snijgereedschappen werden niet weggegooid”!
Gelukkig is men in de loop der tijden tot een beter kostenbesef gekomen en heeft men de klemsystemen alom geaccepteerd. Deze zijn dan ook niet meer weg te denken in de huidige verspaningsindustrie.
We laten het hierbij voor wat betreft de beknopte geschiedenis van de ontwikkeling(en) in het hardmetaal als snijgereedschap en de daarmee verband houdende gereedschappen, wel met de opmerking dat het bovenstaande dat veelal gebaseerd is op draaien natuurlijk ook geldt voor het frezen.
Een zekerheid is dat ook de ontwikkeling anno nu, begin 21ste eeuw, zullen doorgaan en we verwonderd zullen blijven omtrent de huidige en toekomstige mogelijkheden van de verschillende snijmaterialen.
Sintertechnieken ontwikkelen zich nog altijd, en wat te denken van de geometrieën en coatings! Maar ook snijmaterialen als keramiek en CBN (cubic boron nitride) ontwikkelen zich sterk. Vooral de ontwikkeling van Cermet (een samenstelling van Ceramics metals) moeten we goed in de gaten houden. Hier gaat zeker nog veel in gebeuren. Vooral Japanse fabrikanten zijn hier uiterst ver in. Voorspeld is (door Mitsubishi Carbide) dat medio jaren ‘20 van deze eeuw het waarschijnlijk mogelijk zal zijn om “zwaar” te verspanen met Cermet!  Nu al is deze leverancier hier heel ver in.
Als “vakidioot” blijft ondergetekende van mening dat verspanen interessant zal blijven, alhoewel de technieken van het verspanen als zodanig wel zullen veranderen. Hoe en op welke wijze? Ook dat zal interessant zijn om te blijven volgen.

Hoe hardmetaal (in vogelvlucht) wordt gemaakt:
1.Het hardmetaal
Waaruit bestaat hardmetaal nu eigenlijk, welke elementen zijn er in verwerkt?
Welnu, de hoofdbestanddelen zijn : Wolfram-carbide / Titanium-carbide / Tantalium-carbide / Niobium-carbide en Cobalt.
Wolfram-carbide (WC) is in feite het hoofdbestanddeel en Cobalt (Co) is in deze het bindmiddel.
Deze bestanddelen (in poedervorm) worden gemengd, samengeperst en ten slotte gesinterd.
Dit is in het kort wat er gebeurt.

Hardmetaalpoeders
Schematisch ziet het proces er als volgt uit:
1.) Mengen van poeders en drogen 2.) Persen van de (hardmetaal) vorm 3.) Sinteren
4.) Nabehandeling bijv. slijpen (optioneel) 5.) Coatingproces (Optioneel)
(zowel de nabehandeling alsmede het coaten zijn dus optionele bewerkingen)

2.Hardmetaalproductie
Allereerst worden de ruwe materialen vermalen (verpulverd) tot een poedervorm waarvan de korrelgrootte zeer gespecificeerd is en mede afhankelijk van welke hardheid en/of taaiheid het hardmetaal  dient te krijgen. De (hoofd)elementen die daarvoor worden gebruikt zijn reeds eerder genoemd
Afhankelijk dus van de samenstelling die het hardmetaal moet krijgen, worden de poeders (nat) gemengd en daarna, eenvoudig gezegd, (lucht) gedroogd.
Na deze processen, waar tussendoor zeer strenge analyses worden uitgevoerd, volgt het persen van de gewenste vorm(en). De matrijzen die hiervoor worden vervaardigd voldoen aan zeer nauwe toleranties en gaan ongeveer 1 miljoen persingen mee. Deze worden daarna (voor zover mogelijk) hersteld en weer ingezet. Het persen geeft wel de vorm aan het hardmetaal, maar niet de uiteindelijk gewenste maatvoering. Dit komt omdat de geperste poeders voor ongeveer 50% poreus zijn. Dit is dan ook het stadium waarin het hardmetaal (wat het dan eigenlijk nog niet echt is), nog gemakkelijk bewerkbaar is.
Nu volgt uiteindelijk het sinteren, wat de dan gewenste afmetingen doet ontstaan, de porositeit doet verdwijnen en een (lineaire) krimp veroorzaakt van 17 – 20%. Het sinterproces is een warmtebehandeling en gebeurt bij zeer hoge (precieze) temperaturen, het afkoelen hierna gebeurt in een gecontroleerd proces.
Als laatste vinden dan nog processen plaats die omschreven dienen te worden als nabehandeling. Hierbij valt te denken aan b.v. het aanbrengen van een kanten verronding, het omtrek slijpen, het eventueel slijpen van een spaanbreker of, indien gewenst, het coaten van het hardmetaal.