Stanford Advanced Materials avança na usinagem de precisão com WBN

Introdução

A Stanford Advanced Materials (SAM) tem o prazer de compartilhar uma história de sucesso na aplicação do Nitreto de Boro Wurtzita (WBN). Esse material superduro é valorizado por sua extrema dureza, estabilidade térmica e resistência a choques. As soluções de ferramentas baseadas em WBN da SAMajudaram uma empresa de usinagem de precisão a superar problemas persistentes de degradação de ferramentas durante o torneamento intermitente de aços endurecidos.

Como explica Lisa Ross, engenheira sênior de cerâmica da SAM:

"Os compostos de Wurtzite BN - especialmente quando reforçados com partículas finas de diamante - oferecem uma combinação exclusiva de dureza e resistência ao calor que supera os materiais superduros convencionais. É um divisor de águas para os desafios de usinagem avançada."

Fig. 1 Peças personalizadas de nitreto de boro

Estudo de caso do nitreto de boro wurtzita

-O desafio: desgaste da ferramenta em usinagem com carga de choque

Uma empresa de usinagem de precisão especializada em componentes de aço endurecido encontrou sérios desafios durante as operações de torneamento intermitente e de alta velocidade. As ferramentas existentes sofriam de lascamento rápido das bordas e desgaste térmico, especialmente em aplicações que envolviam aço para rolamentos 100Cr6 com uma dureza de 61-63 HRC. Os principais problemas incluíam:

• Falha prematura da ferramenta devido à fratura da borda durante o corte interrompido.
• Acúmulo excessivo de calor na zona de corte.
• Controle dimensional inconsistente causado por desgaste irregular.
• Aumento do tempo de inatividade da produção devido às frequentes trocas de ferramentas.

A empresa precisava de um material de ferramenta que pudesse resistir simultaneamente à degradação térmica e sobreviver aos choques mecânicos associados aos cortes interrompidos.

Leia mais: HBN, CBN e WBN: Uma análise comparativa dos polimorfos de nitreto de boro

-A soluçãodaSAM: Pastilhas compostas de WBN e diamante

Depois de avaliar detalhadamente a aplicação do cliente, a SAM recomendou uma pastilha de corte especializada feita de nitreto de boro policristalino Wurtzite (WBN) reforçado com partículas de nano-diamante. Esse material foi selecionado por sua capacidade de combinar a condutividade térmica do diamante com a resistência ao impacto do WBN.

As principais vantagens do composto WBN-diamante incluíram um gerenciamento térmico significativamente melhor, pois a fase de diamante ajudou a dissipar o calor para longe da aresta de corte, reduzindo o acúmulo de temperatura localizado. O material também apresentou dureza excepcional, com o WBN policristalino reforçado atingindo valores de até 54 GPa. Além disso, demonstrou excelente resistência ao desgaste abrasivo e ao microchipping da borda, mesmo em condições de corte agressivas e de alto impacto.

A SAM forneceu suporte técnico sobre parâmetros de corte, temperaturas de sinterização recomendadas e conteúdo de diamante otimizado para as pastilhas, garantindo uma integração confiável nas operações CNC do cliente.

--Implementação e resultados

As ferramentas de diamante WBN foram testadas em operações de acabamento envolvendo aço endurecido para rolamentos. Os resultados foram significativos:

• A vida útil da ferramenta aumentou em mais de 300%, suportando vários ciclos de corte interrompido sem falha na borda.
• A temperatura de usinagem na interface de corte foi reduzida em aproximadamente 20%, aumentando o desempenho da pastilha.
• O acabamento da superfície melhorou de Ra 0,6 µm para Ra 0,3 µm, atendendo às tolerâncias de grau aeroespacial do cliente.
• O custo total do ferramental foi reduzido em 27% em um período de três meses, devido ao menor número de substituições e às menores taxas de refugo.

O que é nitreto de boro wurtzita?

O nitreto de boro wurtzita é um polimorfo de alta pressão e alta temperatura do nitreto de boro com uma estrutura de cristal hexagonal que se transforma em uma forma wurtzita sob condições extremas. É um dos materiais sintéticos mais duros conhecidos, com valores de dureza Vickers registrados que variam de 24 GPa a mais de 50 GPa em forma de composto.

As principais propriedades do WBN incluem:

O WBN é normalmente produzido na forma de pós ou pastilhas sinterizadas e é cada vez mais usado em operações de usinagem de alta precisão e alto impacto, onde os materiais de ferramentas tradicionais falham.

Leia mais: Nitreto de Boro Wurtzita (w-BN): Estrutura, propriedades e aplicações

Fig. 2 Estrutura cristalina do BN em ͑ a ͒ fase cúbica de zinco-blende, ͑ b ͒ fase wurtzita e ͑ c ͒ fase hexagonal.[1]

WBN vs. Diamante

Embora tanto o nitreto de boro wurtzita quanto o diamante sejam considerados materiais superduros, eles diferem significativamente em sua utilidade industrial. O diamante, embora seja o material mais duro conhecido, reage quimicamente com metais ferrosos em temperaturas elevadas, limitando seu uso na usinagem de aços e ligas à base de ferro. Ele também é frágil e mais propenso a lascar a borda sob impacto ou corte interrompido.

O WBN, por outro lado, mantém excelente estabilidade química com materiais ferrosos e apresenta maior resistência à fratura. Isso torna o WBN especialmente adequado para aplicações exigentes que envolvem ciclos térmicos ou contato intermitente. Quando combinadas com diamante em estruturas compostas, as ferramentas de WBN obtêm os benefícios térmicos do diamante e, ao mesmo tempo, mantêm sua confiabilidade mecânica, oferecendo uma solução equilibrada e de alto desempenho.

Conclusão

A Stanford Advanced Materials ajudou um cliente de usinagem de precisão a superar com sucesso os desafios de degradação de ferramentas com nitreto de boro Wurtzita avançado. Ao fornecer compostos de diamante WBN projetados, juntamente com orientação específica para a aplicação, a SAM possibilitou maior vida útil da ferramenta, maior confiabilidade do processo e melhor qualidade da superfície.

Para saber mais sobre as ferramentas WBN ou solicitar uma solução personalizada, visite www.samaterials.com.

Referências:

[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.