La Stanford Advanced Materials progredisce nella lavorazione di precisione con WBN

Introduzione

Stanford Advanced Materials (SAM) è lieta di condividere una storia di successo nell'applicazione del nitruro di boro wurtzite (WBN). Questo materiale superduro è apprezzato per la sua estrema durezza, stabilità termica e resistenza agli urti. Le soluzioni SAMper utensili a base di WBN hanno aiutato un'azienda di lavorazione di precisione a superare i persistenti problemi di degrado degli utensili durante la tornitura intermittente di acciai temprati.

Come spiega Lisa Ross, Senior Ceramics Engineer di SAM:

"I compositi di BN wurtzite, soprattutto se rinforzati con particelle di diamante, offrono una combinazione unica di tenacità e resistenza al calore che supera i materiali superduri convenzionali. Si tratta di una svolta per le sfide di lavorazione avanzate".

Fig. 1 Parti personalizzate in nitruro di boro

Caso di studio sul nitruro di boro wurtzite

-La sfida: l'usura degli utensili durante la lavorazione con carichi d'urto

Un'azienda di lavorazione di precisione specializzata in componenti in acciaio temprato ha incontrato seri problemi durante le operazioni di tornitura ad alta velocità e ad intermittenza. Gli utensili esistenti soffrivano di una rapida scheggiatura dei bordi e di usura termica, in particolare nelle applicazioni con acciaio per cuscinetti 100Cr6 con una durezza di 61-63 HRC. I problemi principali erano:

• Cedimento prematuro dell'utensile a causa della frattura del bordo durante il taglio interrotto.
• Eccessivo accumulo di calore nella zona di taglio.
• Controllo dimensionale incoerente causato da un'usura non uniforme.
• Aumento dei tempi di fermo della produzione a causa della frequente sostituzione degli utensili.

L'azienda aveva bisogno di un materiale per utensili in grado di resistere contemporaneamente alla degradazione termica e agli shock meccanici associati ai tagli interrotti.

Ulteriori letture: HBN, CBN e WBN: Un'analisi comparativa dei polimorfi del nitruro di boro

-La soluzionediSAM: Inserti compositi WBN-Diamante

Dopo aver valutato in dettaglio l'applicazione del cliente, SAM ha consigliato un inserto da taglio specializzato in nitruro di boro Wurtzite policristallino (WBN) rinforzato con nano particelle di diamante. Questo materiale è stato scelto per la sua capacità di combinare la conduttività termica del diamante con la tenacità all'impatto del WBN.

I vantaggi principali del composito WBN-diamante comprendono una gestione termica notevolmente migliorata, in quanto la fase diamantata aiuta a dissipare il calore lontano dal tagliente, riducendo l'accumulo di temperatura localizzato. Il materiale ha anche mostrato una durezza eccezionale, con il WBN policristallino rinforzato che ha raggiunto valori di 54 GPa. Inoltre, ha dimostrato un'eccellente resistenza all'usura abrasiva e alla microfrattura del bordo, anche in condizioni di taglio aggressive e ad alto impatto.

SAM ha fornito assistenza tecnica sui parametri di taglio, sulle temperature di sinterizzazione consigliate e sul contenuto di diamante ottimizzato per gli inserti, garantendo un'integrazione affidabile nelle operazioni CNC del cliente.

--Implementazione e risultati

Gli utensili in diamante WBN sono stati testati in operazioni di finitura su acciaio per cuscinetti temprato. I risultati sono stati significativi:

• La durata dell'utensile è aumentata di oltre il 300%, resistendo a più cicli di taglio interrotto senza cedimenti del tagliente.
• La temperatura di lavorazione all'interfaccia di taglio è stata ridotta di circa il 20%, prolungando le prestazioni dell'inserto.
• La finitura superficiale è migliorata da Ra 0,6 µm a Ra 0,3 µm, rispettando le tolleranze di grado aerospaziale del cliente.
• Il costo totale dell'utensileria è stato ridotto del 27% in un periodo di 3 mesi, grazie al minor numero di sostituzioni e di scarti.

Che cos'è il nitruro di boro wurtzite?

Il nitruro di boro wurtzite è un polimorfo del nitruro di boro ad alta pressione e ad alta temperatura con una struttura cristallina esagonale che si trasforma in wurtzite in condizioni estreme. È uno dei materiali sintetici più duri conosciuti, con valori di durezza Vickers che vanno da 24 GPa a oltre 50 GPa in forma composita.

Le proprietà principali del WBN includono:

Il WBN è tipicamente prodotto sotto forma di polveri o inserti sinterizzati ed è sempre più utilizzato nelle operazioni di lavorazione ad alta precisione e ad alto impatto dove i materiali tradizionali per utensili falliscono.

Ulteriori informazioni: Nitruro di boro wurtzite (w-BN): Struttura, proprietà e applicazioni

Fig. 2 Struttura cristallina del BN in ͑ a ͒ fase cubica di zinco-blenda, ͑ b ͒ fase wurtzite e ͑ c ͒ fase esagonale.[1]

WBN vs diamante

Sebbene sia il nitruro di boro wurtzite che il diamante siano considerati materiali superduri, essi differiscono in modo significativo nella loro utilità industriale. Il diamante, pur essendo il materiale più duro conosciuto, reagisce chimicamente con i metalli ferrosi a temperature elevate, limitandone l'uso nella lavorazione di acciai e leghe a base di ferro. Inoltre, è fragile e più incline alla scheggiatura dei bordi in caso di impatto o di taglio interrotto.

Il WBN, invece, mantiene un'eccellente stabilità chimica con i materiali ferrosi e presenta una maggiore tenacità alla frattura. Ciò rende il WBN particolarmente adatto ad applicazioni impegnative che comportano cicli termici o contatti intermittenti. Se combinati con il diamante in strutture composite, gli utensili in WBN ottengono i vantaggi termici del diamante pur mantenendo la loro affidabilità meccanica, offrendo una soluzione equilibrata e ad alte prestazioni.

Conclusione

Stanford Advanced Materials ha aiutato un cliente che si occupa di lavorazioni di precisione a superare con successo i problemi di degrado degli utensili con il nitruro di boro Wurtzite avanzato. Fornendo compositi ingegnerizzati di WBN-diamante, insieme a una guida specifica per l'applicazione, SAM ha permesso di prolungare la durata degli utensili, aumentare l'affidabilità del processo e migliorare la qualità della superficie.

Per saperne di più sugli utensili WBN o per richiedere una soluzione personalizzata, visitate il sito www.samaterials.com.

Riferimenti:

[1] Janotti, Anderson & Wei, Su-Huai & Singh, Dr. (2001). Studio di primo principio della stabilità di BN e C. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 64. 1741071-1741075.