Stanford Advanced Materials treibt die Präzisionsbearbeitung mit WBN voran
Einführung
Stanford Advanced Materials (SAM) freut sich, über eine Erfolgsgeschichte in der Anwendung von Wurtzit-Bornitrid (WBN) berichten zu können. Dieses superharte Material wird für seine extreme Härte, thermische Stabilität und Stoßfestigkeit geschätzt. Die auf WBN basierenden Werkzeuglösungen von SAMhalfen einem Präzisionsbearbeitungsunternehmen bei der Überwindung anhaltender Probleme mit dem Werkzeugverschleiß während des intermittierenden Drehens von gehärteten Stählen.
Lisa Ross, Senior Ceramics Engineer bei SAM, erklärt:
"Wurtzit-BN-Verbundwerkstoffe - insbesondere wenn sie mit feinen Diamantpartikeln verstärkt sind - bieten eine einzigartige Kombination aus Zähigkeit und Hitzebeständigkeit, die herkömmliche superharte Materialien übertrifft. Das ist ein entscheidender Vorteil für fortschrittliche Bearbeitungsaufgaben."
Abb. 1 Kundenspezifische Teile aus Bornitrid
Fallstudie über Wurtzit-Bornitrid
-Die Herausforderung: Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung unter Stoßbelastung
Ein Präzisionsbearbeitungsunternehmen, das sich auf Komponenten aus gehärtetem Stahl spezialisiert hat, sah sich bei intermittierenden Hochgeschwindigkeits-Drehbearbeitungen mit ernsthaften Problemen konfrontiert. Die vorhandenen Werkzeuge litten unter schnellen Kantenausbrüchen und thermischem Verschleiß, insbesondere bei Anwendungen mit Lagerstahl 100Cr6 mit einer Härte von 61-63 HRC. Zu den Hauptproblemen gehörten:
- Vorzeitiges Versagen des Werkzeugs aufgrund von Kantenbruch bei unterbrochenem Schnitt.
- Übermäßiger Wärmestau in der Schneidzone.
- Inkonsistente Maßhaltigkeit durch ungleichmäßige Abnutzung.
- Erhöhte Produktionsausfallzeiten aufgrund häufiger Werkzeugwechsel.
Das Unternehmen benötigte einen Werkzeugwerkstoff, der gleichzeitig der thermischen Zersetzung widerstehen und die mechanischen Stöße bei unterbrochenen Schnitten überstehen konnte.
Weitere Lektüre: HBN, CBN und WBN: Eine vergleichende Analyse von Bornitrid-Polymorphen
-SAMsLösung: WBN-Diamant-Verbundeinsätze
Nach eingehender Prüfung der Anwendung des Kunden empfahl SAM eine spezielle Schneidplatte aus polykristallinem Wurtzit-Bornitrid (WBN), das mit Nano-Diamantpartikeln verstärkt ist. Dieser Werkstoff wurde ausgewählt, weil er die Wärmeleitfähigkeit von Diamant mit der Schlagzähigkeit von WBN kombiniert.
Zu den wichtigsten Vorteilen des WBN-Diamant-Verbundwerkstoffs gehörte ein deutlich verbessertes Wärmemanagement, da die Diamantphase dazu beitrug, die Wärme von der Schneidkante wegzuleiten und so die lokale Temperaturentwicklung zu verringern. Das Material wies auch eine außergewöhnliche Härte auf, wobei das verstärkte polykristalline WBN Werte von bis zu 54 GPa erreichte. Darüber hinaus wies es eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß und Mikroausbrüche an der Schneide auf, selbst unter aggressiven Schneidbedingungen mit hoher Schlagwirkung.
SAM leistete technische Unterstützung bei den Schnittparametern, den empfohlenen Sintertemperaturen und dem optimierten Diamantgehalt der Wendeschneidplatten, um eine zuverlässige Integration in die CNC-Arbeitsabläufe des Kunden zu gewährleisten.
-Implementierung und Ergebnisse
Die WBN-Diamantwerkzeuge wurden bei Schlichtbearbeitungen von gehärtetem Wälzlagerstahl getestet. Die Ergebnisse waren signifikant:
- Die Standzeit der Werkzeuge erhöhte sich um mehr als 300 % und überstand mehrere Zyklen mit unterbrochenem Schnitt ohne Kantenbruch.
- Die Bearbeitungstemperatur an der Schnittfläche wurde um ca. 20 % gesenkt, was die Leistung der Wendeschneidplatte erhöhte.
- Die Oberflächengüte verbesserte sich von Ra 0,6 µm auf Ra 0,3 µm und erfüllte damit die Toleranzen des Kunden für die Luft- und Raumfahrt.
- Die Gesamtkosten für die Werkzeuge wurden über einen Zeitraum von 3 Monaten um 27 % gesenkt, da sie seltener ausgetauscht werden mussten und weniger Ausschuss anfiel.
Was ist Wurtzit-Bornitrid?
Wurtzit-Bornitrid ist ein polymorphes Hochdruck- und Hochtemperatur-Bornitrid mit hexagonaler Kristallstruktur, das sich unter extremen Bedingungen in eine Wurtzit-Form umwandelt. Es ist einer der härtesten bekannten synthetischen Werkstoffe mit Vickershärtewerten von 24 GPa bis über 50 GPa in Verbundform.
Zu den wichtigsten Eigenschaften von WBN gehören:
Eigenschaft |
Wert |
Härte |
~24-54 GPa (je nach Phase und Zusammensetzung) |
Thermische Stabilität |
Bis zu 1400 °C in inerten Atmosphären |
Chemische Beständigkeit |
Inert gegenüber Eisen, Stahl und Nickellegierungen |
Bruchzähigkeit |
Höher als bei Diamant oder cBN |
Elektrischer spezifischer Widerstand |
>10⁶ Ω-cm |
WBN wird in der Regel als Pulver oder gesinterte Wendeschneidplatten hergestellt und wird zunehmend bei hochpräzisen Bearbeitungen mit hoher Schlagbeanspruchung eingesetzt, bei denen herkömmliche Werkzeugmaterialien versagen.
Lesen Sie weiter: Wurtzit-Bornitrid (w-BN): Struktur, Eigenschaften und Anwendungen
Abb. 2 Kristallstruktur von BN in ͑ a ͒ der kubischen Zinkblendephase, ͑ b ͒ der Wurtzitphase und ͑ c ͒ der hexagonalen Phase[1]
WBN vs. Diamant
Obwohl sowohl Wurtzit-Bornitrid als auch Diamant als superharte Werkstoffe gelten, unterscheiden sie sich erheblich in ihrer industriellen Verwendbarkeit. Diamant ist zwar das härteste bekannte Material, reagiert aber bei hohen Temperaturen chemisch mit Eisenmetallen, was seine Verwendung bei der Bearbeitung von Stählen und Eisenlegierungen einschränkt. Außerdem ist er spröde und neigt bei Stößen oder unterbrochenen Schnitten eher zu Kantenabplatzungen.
Im Gegensatz dazu weist WBN eine ausgezeichnete chemische Stabilität mit Eisenwerkstoffen und eine höhere Bruchzähigkeit auf. Dadurch eignet sich WBN besonders für anspruchsvolle Anwendungen, bei denen es zu Temperaturschwankungen oder intermittierendem Kontakt kommt. Wenn WBN-Werkzeuge mit Diamant in Verbundstrukturen kombiniert werden, profitieren sie von den thermischen Vorteilen von Diamant und behalten gleichzeitig ihre mechanische Zuverlässigkeit - eine ausgewogene Hochleistungslösung.
Fazit
Stanford Advanced Materials half einem Kunden aus dem Bereich der Präzisionsbearbeitung, die Herausforderungen der Werkzeugdegradation mit modernem Wurtzit-Bornitrid erfolgreich zu meistern. Durch die Bereitstellung technischer WBN-Diamant-Verbundwerkstoffe und anwendungsspezifischer Anleitungen ermöglichte SAM eine längere Werkzeuglebensdauer, eine höhere Prozesssicherheit und eine verbesserte Oberflächenqualität.
Um mehr über WBN-Werkzeuge zu erfahren oder eine kundenspezifische Lösung anzufordern, besuchen Sie www.samaterials.com.
Referenz:
[1] Janotti, Anderson & Wei, Su-Huai & Singh, Dr. (2001). First-principles study of the stability of BN and C. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 64. 1741071-1741075.