Standfest weil „binderlos“

01. Oktober 2019
Sumitomo CBN Anwendung
Sumitomo Electric Hartmetall ist seit vielen Jahren anerkannt für seine hochwertigen und langlebigen, super harten PKD- und CBN-Schneiden.

Viele Sorten ermöglichen die optimale Auswahl für nahezu jeden Anwendungsfall. Um aber technisch führend zu bleiben, wurde die aufwändige Fertigung im japanischen Itami in den letzten Jahren kontinuierlich modernisiert und ausgebaut. Gleichzeitig haben die dortigen Entwickler die Leistungsbreite der Schneidstoffe weiter vorangetrieben. Mit neuen, binderlosen CBN-Sorten baut Sumitomo nun seine technologische Führung in diesem Markt weiter aus und setzt damit neue Maßstäbe in der Präzisionszerspanung und bei den Standzeiten von Schneidplatten. Im Sumitomo-Stammwerk wird in großen Anlagen unter hohem Druck und bei extremer Temperatur graphitisches Kohlenstoffmaterial zu hoch reinen Diamanten umgewandelt. Mittels verschiedener Prozessparameter und durch die Dauer des Prozesses kann die Größe der entstehenden Diamanten gesteuert werden.

Sie richtet sich unter anderem nach der gewünschten Eignung für verschiedene Aufgaben der Zerspanung bzw. für die Verwendung in zerspanenden Werkzeugen. Beispielsweise werden große, monokristalline Diamanten von Sumitomo sehr häufig in Abrichtwerkzeugen beispielsweise für Schleifscheiben eingesetzt. Hier benötigt man in der Regel Einkristalle, die stirnseitig auf die Schleifscheiben zu geführt werden und dort den Schleifbelag schärfen und in die gewünschte Form bringen. Aufgebracht auf Wendeschneidplatten werden sogenannte monokristalline Diamanten zum Beispiel in der Medizinindustrie oder der optischen Industrie zur Erzeugung hochglänzender Oberflächen eingesetzt. Dabei werden Sie in der Regel nicht stirnseitig, sondern meist an einer Außenkante beansprucht.

Gibt es binderloses PKD? – Ja!

Abhängig von den Prozessparametern entstehen entweder Einzeldiamanten oder aber viele kleine Kristalle. Mit neu entwickelten Prozessen ist es den Entwicklern bei Sumitomo gelungen, jederzeit reproduzierbar kleine Einzelkristalle in einem direkt gebundenen Diamant-Konglomerat zu erzeugen. Hierbei liegen die Diamanten mit Korngrößen unter 0,05µm unmittelbar aneinander, ohne zwischenliegende Binder, und bilden eine polykristalline Diamantmasse mit glatter Oberfläche. Dieses binderlose NPD (Nano-Polykristalliner Diamant) erweist sich als hoch hart und noch standfester als Einzeldiamanten, weil deren Standfestigkeit stark von der Kristallorientierung abhängt. Ihren Einsatz finden diese Werkzeuge vor allem bei der Bearbeitung von besonders harten Materialien wie Keramik, hochfeste Al-Si-Legierungen, Cermet und Hartmetallen.

Seit etwa zwei Jahren haben viele Sumitomo-Kunden schon Wendeschneidplatten (37 verschiedene Geometrien), Vollradiusfräser und Sonderwerkzeuge mit Schneidkanten aus binderlosem NPD im täglichen Einsatz. Sie erweisen sich als sehr präzise und ermöglichen bislang unerreichbare Standzeiten, weit jenseits der üblichen PKD-Schneiden. Sie erzeugen besonders gute Oberflächenqualitäten, was sie vor allem bei der optischen Industrie und bei der Elektronikindustrie beliebt macht. Verschiedene Sorten mit unterschiedlichen Korngrößen ermöglichen sogar die Optimierung auf den jeweiligen Einsatzfall und empfehlen sich einerseits für Schrupparbeiten mit hohen Standzeiten und andererseits für das Schlichten mit optimaler Oberflächengüte.

Sumitomo binderloses PKD Sumidia

Was beim Diamant geht, geht auch bei CBN!

Aufbauend auf diesen Erfahrungen in der Herstellung binderloser PKD-Platten, haben die Ingenieure bei Sumitomo alles darangesetzt, auch ein binderloses CBN zu schaffen. Mit neuen Herstellungsverfahren auch für das kubische Bornitrid, wurden CBN-Körner in Nano-Größe erzeugt, die sich ohne Binder zu einem ungeordneten Kornverbund zusammenlegen. Unter Hitze und Druck entsteht in einem langwierigen Fertigungsprozess ein binderloses CBN-Substrat, das einen sehr dichten, unmittelbaren Kornverbund bildet.

Mit einer Härte von 51 – 54GPa ist dieses Substrat deutlich härter als herkömmliches CBN mit etwa 41 – 44GPa.
Für die Zerspanung bietet der besonders dichte Verbund vieler CBN-Körner in Nano-Größe sehr viele Vorteile. So kommen an der Schneidkante viel mehr Schneidkörner aus CBN zum aktiven Schneideinsatz, was dieser CBN-Sorte besondere und langanhaltende Schärfe verleiht. Die hohe Dichte des Substrats führt auch zu einer ungewöhnlich guten Wärmeleitfähigkeit (W/m*K) von 180 – 200 gegenüber 100 – 120 bei herkömmlichem CBN. Diese Wärmeleitfähigkeit führt zu wesentlich besseren Schnittbedingungen und einer effizienten Zerspanung. Dank des fehlenden Binders zeigt das neue CBN-Substrat außerdem eine deutlich verminderte Reaktionsaffinität mit den zu bearbeitenden Werkstoffen. Das führt wiederum zu langanhaltender Präzision, vermindert Aufbauschneiden und sorgt für sehr gute Oberflächenqualitäten an den Werkstücken. Das binderlose NCB (Nano-Kristallines Bor-Nitrid) genannte CBN eignet sich besonders für die Bearbeitung von Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Hartmetallen und Cermets. Die Werkzeuge werden bereits im Fahrzeugbau, der Energietechnik und in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt. Auch in der Fertigung von künstlichen Gelenken mit hochglänzenden Oberflächen finden diese Schneidplatten zunehmend Verwendung.

Manchmal ist alle Theorie grau

Wer nun glaubt, es gäbe zukünftig nur noch binderloses CBN für alle Einsatzfälle, sieht sich in etlichen Anwendungsfällen von der vielfältigen Praxis getäuscht. Insbesondere bei der Bearbeitung hochlegierter Stähle zeigt CBN zwar einerseits seine hohe Festigkeit und damit oft ungeahnte Standzeiten. Aber gerade hier gibt es Einflüsse, die der Verwendung reinen Bornitrids ohne Binder entgegenstehen. Bei der Zerspanung reagieren manche Stahlsorten chemisch mit Bornitrid. Da erweist sich der meist keramische Binder durchaus hilfreich, weil überall, wo die CBN-Korn bindende Keramikoberfläche in Kontakt mit dem Werkstückmaterial tritt, keine chemische Reaktion mit CBN stattfinden kann. Genau aus diesem Grund haben die CBN-Sorten von Sumitomo von jeher differierende Binderanteile.

Diese Binder sind sehr verschleißfest und sorgen, je nach zu bearbeitender Stahlsorte und CBN-Sorte, für durchaus unterschiedliche Standzeiten der Schneidplatten, je nach Einsatzfall. Insofern muss man jede Aufgabenstellung genau anschauen und die jeweils optimal passende Sorte aus der Sumitomo- Vielfalt wählen. Dennoch ist der neue Stand der Technik dabei, die Grenzen des Machbaren weiter hinaus zu schieben. In etlichen Einsatzfällen konnten die schon guten Standzeiten herkömmlicher PKD- und CBN-Werkzeuge nicht nur übertroffen, sondern gleich um ein Vielfaches verlängert werden. Ein wirklicher Quantensprung also.

Das Zauberwort heißt: binderlos!

 

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