Fachartikel: Kubisches Bortnitrid (CBN) – ein Meister der Hartbearbeitung

Bei der Hartbearbeitung (über 55HRC) von Stahl und Gussmaterialien sind extrem beständige Schneidstoffe erforderlich. Lange Zeit verwendeten fertigende Unternehmen dafür Werkzeuge aus Diamant. Inzwischen werden hingegen oft Schneiden aus synthetischem Bornitrid vorgezogen. Der zweithärteste Stoff der Welt war einst wertvoller als Gold. Aufgrund des aufwendigen Gewinnungsprozesses von CBN beschränkt sich die Zahl der Hersteller weltweit auf wenige Unternehmen wie Tungaloy.
Selbst anspruchsvolle Werkstoffe lassen 
sich mit Werkzeugen aus CBN zerspanen.
Selbst anspruchsvolle Werkstoffe lassen sich mit Werkzeugen aus CBN zerspanen.Bild: Tungaloy Germany GmbH

Seit mehr als 50 Jahren wendet die Stahl- und Gussbearbeitungsindustrie synthetisch hergestellte kristalline Schneidstoffe an. Diese Alternativen zu natürlichen Schneidstoffen wie Diamant werden von der Forschung immer weiter optimiert. Schneidstoffe, die das chemisch inerte C-BN enhalten, zeichnen sich durch eine besonders hohe Temperaturverträglichkeit und enorme Bruchzähigkeit aus. Aufgrund dieser Vorteile kommen sie in vielen Industriezweigen wie dem Automotive-Bereich, im allgemeinen Maschinenbau oder im Luftfahrtsektor zur Anwendung. Auch in der Medizintechnik wird das ‚Multitalent‘ eingesetzt.

>>Wir bieten Lösungen für nahezu alle Fertigungsindustrien<<

Mithilfe der drei Parameter C-BN-Anteil, Binderanteil und Schneidengeometrie lässt sich das CBN-Werkzeug individuell an Fertigungsprozess und Werkstoff anpassen. Durch das optimale Abstimmen mit den Anforderungen verbessern die Bornitrid-Substrate sowohl Werkzeugstandzeiten und auch die allgemeine Produktivität der Fertigungsvorgänge.

Einst wertvoller als Gold

Aufgrund der aufwendigen Herstellung war kubisches Bornitrid zu Beginn der industriellen Nutzung in den 1970er-Jahren teurer als Edelmetalle. Der Grammpreis von C-BN überstieg so-gar den von reinem Gold. Die kubische Molekülvariante ist eine von drei möglichen Modifikationen des Hochpolymers Bornitrid. Es lässt sich unterscheiden zwischen -, – und -Bornitrid bzw. hexagonalem, kubischem oder wurtzitischem Bornitrid. Für die Hartbearbeitung von Stahl und verschiedenen Metallguss- und Sinterwerkstoffen wird -Bornitrid (C-BN) mit einem keramischen oder metallischen Bindermaterial vermischt. Die Konzentration des C-BN und Bindemittels ist abhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff und dem gewünschten Produkt.

Im Fertigungseinsatz punkten CBN-Werkzeuge insbesondere mit ihrer enormen Verschleißfestigkeit.
Im Fertigungseinsatz punkten CBN-Werkzeuge insbesondere mit ihrer enormen Verschleißfestigkeit.Bild: Tungaloy Germany GmbH

Am Anfang steht jedoch ein komplizierter Prozess zur Gewinnung des C-BN: -Bornitrid muss in einem Belt-Apparat mit einem Druck von 100kbar gepresst werden. Anschließend wird das C-BN gemeinsam mit dem Bindemittel bei 60kbar erneut gepresst. Dabei entsteht CBN, der zweithärteste Schneidstoff der Welt. Lasergeschnittene oder erodierte Segmente des Produkts werden dann auf einen Hartmetallrohling gelötet und in der spanenden Fertigung als mehrschneidige Wendeschneidplatte verwendet. Dort bieten sich diverse Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise die Bearbeitung von Guss oder Inconel.

CBN-Wendeschneidplatten sind mit einer Vielzahl unterschiedlicher Schneidengeometrien verfügbar.
CBN-Wendeschneidplatten sind mit einer Vielzahl unterschiedlicher Schneidengeometrien verfügbar. Bild: Tungaloy Germany GmbH

Individuelles Mischverhältnis für eine effiziente Produktion

Jede Anwendung erfordert eine andere Konzentration des Bor-Stickstoff-Polymers C-BN, gemischt mit dem passenden Binderanteil. Ein höherer C-BN-Anteil vergrößert die Substrathärte und Bruchzähigkeit des Werkzeugs. Bei zunehmendem Binderanteil nimmt die Verschleißfestigkeit zu. Der bedeutende Vorteil von CBN gegenüber konventionellen Schneidstoffen ist seine chemische Inertheit. Da CBN im Gegensatz zu Diamant nicht aus Kohlenstoff-Atomen besteht, werden keine Partikel an den zu bearbeitenden Stahl abgegeben. Dank seiner Verschleißfestigkeit ist CBN zudem für stark abrasive Werkstoffe wie Sinterstoffe geeignet.

Verglichen mit anderen superabrasiven Schneidstoffen ist CBN doppelt so hart und viermal verschleißfester. Die Korngröße des C-BN und die Schneidengeometrie des CBN-Werkzeugs sind je nach gewünschtem Ergebnis variierbar. Die optimale Variation der Aspekte C-BN-Gehalt, Bindergehalt und Schneidengeometrie gewährleistet das bestmögliche Ergebnis.

Erlesener Kreis

Weltweit gibt es nur zwei Werkzeughersteller, die kubisches Bornitrid selbst produzieren. Einer davon ist Tungaloy. Das Unternehmen betreibt bereits seit den frühen 1970er Jahren Forschung und Entwicklungsarbeit mit CBN-Schneidwerkzeugen. Bis heute arbeitet Tungaloy eng mit Universitäten zusammen, um den Schneidstoff weiterzuentwickeln.

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