Stanford Advanced Materials продвигает прецизионную обработку с помощью WBN

Введение

КомпанияStanford Advanced Materials (SAM) рада поделиться историей успеха в применении вюрцитного нитрида бора (Wurtzite Boron Nitride, WBN). Этот сверхтвердый материал ценится за свою чрезвычайную твердость, термостойкость и ударопрочность. Инструментальные решения SAMна основе WBN помогли компании, занимающейся прецизионной обработкой, преодолеть постоянные проблемы с разрушением инструмента при прерывистом точении закаленных сталей.

Лиза Росс, старший инженер по керамике компании SAM, объясняет:

"Вюртцитовые BN-композиты - особенно если они армированы мелкими алмазными частицами - обеспечивают уникальное сочетание прочности и жаростойкости, превосходящее обычные сверхтвердые материалы. Это - переломный момент в решении сложных задач механической обработки".

Рис. 1 Изготовленные на заказ детали из нитрида бора

Пример применения вюрцитного нитрида бора

-Проблема: износ инструмента при обработке с ударной нагрузкой

Фирма, специализирующаяся на прецизионной обработке деталей из закаленной стали, столкнулась с серьезными проблемами при высокоскоростной токарной обработке с перерывами. Имеющиеся у них инструменты страдали от быстрого скалывания кромок и термического износа, особенно при работе с подшипниковой сталью 100Cr6 с твердостью 61-63 HRC. Основные проблемы включали в себя:

• Преждевременный выход инструмента из строя из-за разрушения кромки при прерывистом резании.
• Чрезмерное нагревание в зоне резания.
• Непостоянный контроль размеров из-за неравномерного износа.
• Увеличение времени простоя производства из-за частой смены инструмента.

Компании требовался инструментальный материал, который мог бы одновременно противостоять термической деградации и выдерживать механические удары, связанные с прерывистым резанием.

Дополнительная информация: HBN, CBN и WBN: Сравнительный анализ полиморфов нитрида бора

-РешениеSAM: Композитные пластины из WBN-алмаза

После детальной оценки задачи клиента компания SAM рекомендовала специализированную режущую пластину из поликристаллического вюрцитного нитрида бора (WBN), армированного наноалмазными частицами. Этот материал был выбран за его способность сочетать теплопроводность алмаза с ударной вязкостью WBN.

Основные преимущества композита WBN-алмаз включали в себя значительное улучшение терморегулирования, так как алмазная фаза помогала отводить тепло от режущей кромки, снижая локальное повышение температуры. Материал также продемонстрировал исключительную твердость: усиленный поликристаллический WBN достиг значения 54 ГПа. Кроме того, он продемонстрировал отличную стойкость к абразивному износу и микросколам кромки, даже в условиях агрессивного и высокоударного резания.

КомпанияSAM предоставила техническую поддержку по параметрам резания, рекомендуемым температурам спекания и оптимизированному содержанию алмазов в пластинах, обеспечив надежную интеграцию в систему ЧПУ заказчика.

--Внедрение и результаты

Инструменты с алмазами WBN были протестированы на операциях чистовой обработки закаленной подшипниковой стали. Результаты были значительными:

• Срок службы инструмента увеличился более чем на 300 %, он выдержал несколько циклов прерывистого резания без разрушения кромки.
• Температура обработки на границе резания снизилась примерно на 20 %, что увеличило производительность пластины.
• Шероховатость поверхности улучшилась с Ra 0,6 мкм до Ra 0,3 мкм, что соответствует допускам заказчика аэрокосмического класса.
• Общая стоимость инструмента сократилась на 27 % за 3 месяца благодаря меньшему количеству замен и меньшему количеству брака.

Что такое вюрцитный нитрид бора?

Вюртцитовый нитрид бора - это высокотемпературный полиморф нитрида бора под высоким давлением, имеющий гексагональную кристаллическую структуру, которая в экстремальных условиях переходит в вюртцитовую форму. Это один из самых твердых известных синтетических материалов, с заявленными значениями твердости по Виккерсу от 24 ГПа до более 50 ГПа в композитной форме.

Основные свойства WBN включают:

WBN обычно производится в виде порошков или спеченных вставок и все чаще используется в высокоточных, ударных операциях обработки, где традиционные инструментальные материалы не справляются.

Дополнительная информация: Вюртцитный нитрид бора (w-BN): Структура, свойства и применение

Рис. 2 Кристаллическая структура BN в ͑ a ͒ кубической фазе цинк-бленде, ͑ b ͒ вюртцитной фазе и ͑ c ͒ гексагональной фазе[1].

WBN в сравнении с алмазом

Хотя и вюртцитный нитрид бора, и алмаз считаются сверхтвердыми материалами, они существенно отличаются по своему промышленному применению. Алмаз, хотя и является самым твердым из известных материалов, вступает в химическую реакцию с черными металлами при повышенных температурах, что ограничивает его применение для обработки сталей и сплавов на основе железа. Кроме того, он хрупок и более склонен к сколам кромок при ударах или прерывистом резании.

WBN, напротив, сохраняет отличную химическую стабильность с черными материалами и демонстрирует большую вязкость разрушения. Это делает WBN особенно подходящим для сложных применений, связанных с термоциклированием или прерывистым контактом. В сочетании с алмазом в композитных структурах инструменты из WBN получают термические преимущества алмаза, сохраняя при этом свою механическую надежность - сбалансированное, высокопроизводительное решение.

Заключение

Stanford Advanced Materials помогла клиенту, занимающемуся прецизионной обработкой, успешно преодолеть проблемы деградации инструмента с помощью усовершенствованного вюртцитного нитрида бора. Предоставив разработанные композиты WBN-алмаз, а также рекомендации по применению, SAM обеспечил увеличение срока службы инструмента, повышение надежности процесса и улучшение качества поверхности.

Чтобы узнать больше об инструментах из WBN или запросить индивидуальное решение, посетите сайт www.samaterials.com.

Ссылки:

[1] Janotti, Anderson & Wei, Su-Huai & Singh, Dr. (2001). Первопринципное исследование стабильности BN и C. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 64. 1741071-1741075.