Stanford Advanced Materials avanza en el mecanizado de precisión con WBN

Introducción

Stanford Advanced Materials (SAM) se complace en compartir una historia de éxito en la aplicación del nitruro de boro wurtzita (WBN). Este material superduro es apreciado por su extrema dureza, estabilidad térmica y resistencia a los golpes. Las soluciones de SAMpara herramientas basadas en WBN ayudaron a una empresa de mecanizado de precisión a superar los persistentes problemas de degradación de las herramientas durante el torneado intermitente de aceros endurecidos.

Como explica Lisa Ross, Ingeniera Superior de Cerámica de SAM

"Los compuestos de wurtzita BN, especialmente cuando están reforzados con finas partículas de diamante, ofrecen una combinación única de dureza y resistencia al calor que supera a los materiales superduros convencionales. Es un cambio de juego para los retos del mecanizado avanzado".

Fig. 1 Piezas personalizadas de nitruro de boro

Caso práctico de nitruro de boro wurtzita

-El reto: el desgaste de la herramienta en el mecanizado por impacto

Una empresa de mecanizado de precisión especializada en componentes de acero endurecido se encontró con serios problemas durante las operaciones de torneado intermitente a alta velocidad. Las herramientas existentes sufrían un rápido astillado de los bordes y desgaste térmico, especialmente en aplicaciones con acero para rodamientos 100Cr6 con una dureza de 61-63 HRC. Los principales problemas eran

• Rotura prematura de la herramienta debido a la rotura del filo durante el corte interrumpido.
• Acumulación excesiva de calor en la zona de corte.
• Control dimensional inconsistente causado por un desgaste desigual.
• Aumento del tiempo de inactividad de la producción debido a los frecuentes cambios de herramienta.

La empresa necesitaba un material para herramientas que pudiera resistir simultáneamente la degradación térmica y los choques mecánicos asociados a los cortes interrumpidos.

Más información: HBN, CBN y WBN: Un análisis comparativo de los polimorfos del nitruro de boro

-La solución deSAM: Insertos compuestos de WBN y diamante

Tras evaluar detalladamente la aplicación del cliente, SAM recomendó una plaquita de corte especializada fabricada con nitruro de boro wurtzita (WBN) policristalino reforzado con partículas de nanodiamante. Este material se seleccionó por su capacidad para combinar la conductividad térmica del diamante con la tenacidad al impacto del WBN.

Entre las principales ventajas del compuesto de WBN y diamante se incluye una mejora significativa de la gestión térmica, ya que la fase de diamante ayudó a disipar el calor lejos del filo de corte, reduciendo la acumulación de temperatura localizada. El material también presentaba una dureza excepcional, ya que el WBN policristalino reforzado alcanzaba valores de hasta 54 GPa. Además, demostró una excelente resistencia al desgaste abrasivo y al microdesgaste del filo, incluso en condiciones de corte agresivas y de alto impacto.

SAM proporcionó asistencia técnica sobre parámetros de corte, temperaturas de sinterización recomendadas y contenido de diamante optimizado para las plaquitas, garantizando una integración fiable en las operaciones CNC del cliente.

--Implementación y resultados

Las herramientas de diamante WBN se probaron en operaciones de acabado con acero templado para rodamientos. Los resultados fueron significativos:

• La vida útil de la herramienta aumentó en más de un 300%, soportando múltiples ciclos de corte interrumpido sin fallo de filo.
• La temperatura de mecanizado en la interfaz de corte se redujo en aproximadamente un 20%, aumentando el rendimiento de la plaquita.
• El acabado superficial mejoró de Ra 0,6 µm a Ra 0,3 µm, cumpliendo las tolerancias de grado aeroespacial del cliente.
• El coste total del utillaje se redujo en un 27% en un periodo de 3 meses, gracias a un menor número de sustituciones y de desechos.

¿Qué es el nitruro de boro wurtzita?

El nitruro de boro wurtzita es un polimorfo de nitruro de boro de alta presión y alta temperatura con una estructura cristalina hexagonal que se transforma en una forma wurtzita en condiciones extremas. Es uno de los materiales sintéticos más duros conocidos, con valores de dureza Vickers que oscilan entre 24 GPa y más de 50 GPa en forma de compuesto.

Entre las principales propiedades del WBN se incluyen las siguientes

El WBN se produce normalmente en forma de polvos o plaquitas sinterizadas y se utiliza cada vez más en operaciones de mecanizado de alta precisión y alto impacto en las que fallan los materiales de herramientas tradicionales.

Más información: Nitruro de boro wurtzita (w-BN): Estructura, propiedades y aplicaciones

Fig. 2 Estructura cristalina del BN en ͑ a ͒ la fase cúbica zinc-blenda, ͑ b ͒ la fase wurtzita, y ͑ c ͒ la fase hexagonal.[1]

WBN frente al diamante

Aunque tanto el nitruro de boro wurtzita como el diamante se consideran materiales superduros, difieren significativamente en su utilidad industrial. El diamante, aunque es el material más duro conocido, reacciona químicamente con los metales ferrosos a temperaturas elevadas, lo que limita su uso en el mecanizado de aceros y aleaciones con base de hierro. También es quebradizo y más propenso a astillarse en caso de impacto o corte interrumpido.

Por el contrario, el WBN mantiene una excelente estabilidad química con los materiales ferrosos y presenta una mayor tenacidad a la fractura. Esto hace que el WBN sea especialmente adecuado para aplicaciones exigentes que impliquen ciclos térmicos o contacto intermitente. Cuando se combina con diamante en estructuras compuestas, las herramientas de WBN obtienen las ventajas térmicas del diamante al tiempo que conservan su fiabilidad mecánica, ofreciendo una solución equilibrada de alto rendimiento.

Conclusión

Stanford Advanced Materials ayudó a un cliente de mecanizado de precisión a superar con éxito los retos de degradación de herramientas con Nitruro de Boro Wurtzita avanzado. Mediante el suministro de compuestos de diamante WBN de ingeniería, junto con orientación específica para la aplicación, SAM permitió una mayor vida útil de la herramienta, una mayor fiabilidad del proceso y una mejora de la calidad de la superficie.

Para obtener más información sobre las herramientas WBN o solicitar una solución personalizada, visite www.samaterials.com.

Referencias:

[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.