CBN CBN-Schneidstoffe als Quantensprung in der Zerspanung

CBN ist nach Diamant der zweithärteste Stoff der Welt und war einst wertvoller als Gold. Das Besondere: Die Eigenschaften des synthetischen Schneidstoffs lassen sich je nach Anwendung perfekt variieren. Obwohl sehr gefragt, gibt es nur wenige Hersteller von CBN.

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Um bei der Hartbearbeitung von Stahl (> 55 HRC) den größtmöglichen Produktivitätsvorteil zu erzielen, vertrauen produzierende Unternehmen bereits seit den 1980er Jahren vielerorts auf synthetisch hergestellte kristalline Schneidstoffe. Das chemisch inerte CBN wird inzwischen häufig dem härteren Diamanten vorgezogen, da es eine besonders hohe Temperaturverträglichkeit und Bruchzähigkeit bietet. CBN-Schneidstoffe sind heute weit verbreitet, sei es in der Automobilindustrie, der Kugellagerindustrie, im allgemeinen Maschinenbau oder im Luftfahrtbereich. Auch in der Medizintechnik haben einige Produzenten bereits auf CBN-Schneidstoffe umgestellt. Individuell an den jeweiligen Fertigungsprozess und Werkstoff angepasst, maximieren CBN-Substrate die Werkzeugstandzeiten und steigern die Produktivität.

Die Basis: kubisches Bornitrid (C-BN)

Aufwendig in der Herstellung, war CBN zeitweise wertvoller als Gold. Die Grundlage für den Schneidstoff bildet kubisches Bornitrid (C-BN), eine der drei Modifikationen des Hochpolymers. Die auch als α-, β- und γ-Bornitrid bezeichneten Varianten unterscheiden sich in ihrer hexagonalen, kubischen und wurtzitischen Kristallstruktur. Das Kristallgitter der Bornitrid-Modifikationen ist abwechselnd mit Bor- und Stickstoffatomen besetzt, die eine starke kovalente Bindung eingehen. Für die Hartbearbeitung von Stahl und verschiedenen Metallguss- und Sinterwerkstoffen verwendet man die β-Variante (C-BN) des Bornitrids in Kombination mit einem keramischen oder metallischen Bindematerial.

Je nach Bearbeitungsprozess und zu bearbeitendem Werkstoff wird das C-BN in unterschiedlicher Konzentration mit dem Bindemittel gemischt. Doch zuerst muss der Reinstoff C-BN in einem technisch hochaufwendigen Prozess aus hexagonalem α-Bornitrid hergestellt werden: Unter einem Druck von 100 Kilobar entsteht das kubische β-Bornitrid (C-BN) durch das Pressen in einem Belt-Apparat. Anschließend wird das C-BN gemeinsam mit dem Bindemittel bei 60 Kilobar erneut gepresst, wobei man CBN erhält, den zweithärtesten Schneidstoff der Welt – nach Diamant. Erodierte oder lasergeschnittene Segmente werden auf einen Hartmetall-Rohling gelötet und so als mehrschneidige Wendeschneidplatte in der spanenden Fertigung verwendet. Dort gibt es unzählige Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise kann CBN für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Guss und Inconel sowie bei der klassischen Hartbearbeitung genutzt werden, bisweilen kommt es sogar bei der Zerspanung von Hartmetallen wie z. B. Hartmetallwalzringen zum Einsatz.

Auf die Mischung kommt es an

Für die Anwendung in der Zerspanungsindustrie wird das Bor-Stickstoff-Polymer C-BN in der passenden Konzentration mit einem Binder gemischt. Je höher der C-BN-Anteil, desto größer die Substrathärte und Bruchzähigkeit, während mit dem Binderanteil zugleich die Verschleißfestigkeit zunimmt. Bei einem Vollschnitt ohne Schnittunterbrechungen ist ein hoher Binderanteil des Schneidwerkzeugs von Vorteil, während bei einem Werkstück, das viele Schnittunterbrechungen erfordert, der C-BN-Gehalt der Schneide erhöht wird.

Den Konkurrenten überlegen

Dabei bietet CBN einen bedeutenden Vorteil gegenüber dem Konkurrenten Diamant oder anderen konventionellen Schneidstoffen: Da sich CBN nicht aus Kohlenstoff-Atomen zusammensetzt, gibt es keine Kohlenstoff-Partikel an den zu bearbeitenden Stahl ab. Grundsätzlich ist das Schneidmittel chemisch inert, also kaum reaktiv. Außerdem eignet sich CBN aufgrund seiner Verschleißfestigkeit auch für stark abrasive Werkstoffe, zum Beispiel für die in der Automobilindustrie häufig verwendeten Sinterstoffe. Gleichzeitig ist CBN doppelt so hart und viermal so verschleißfest als herkömmliche superabrasive Schneidstoffe. Die Oberflächengüte des mit CBN bearbeiteten Werkstücks hängt stark von der im µm-Bereich variierenden Korngröße des C-BN in der Werkzeugschneide ab. Darüber hinaus kann die Schneidengeometrie des CBN-Werkzeugs je nach gewünschtem Ergebnis variiert werden. Die richtige Kombination aus den drei Variablen C-BN-Gehalt, Bindergehalt und Schneidengeometrie führt zum qualitativ hochwertigsten und wirtschaftlich vorteilhaftesten Produktionsergebnis.

Weltweit gibt es nur wenige Anbieter, die kubisches Bornitrid für CBN-Werkzeuge herstellen können. Einer von lediglich zwei Werkzeugherstellern unter ihnen ist Tungaloy. Das Unternehmen beschäftigt sich schon seit den frühen 1970er Jahren mit der Forschung, Entwicklung und Herstellung von CBN-Schneidwerkzeugen und gehört damit zu den Pionieren auf diesem Gebiet. In den vergangenen 50 Jahren hat Tungaloy den Schneidstoff in Zusammenarbeit mit Universitäten erforscht und stetig weiterentwickelt. Inzwischen bietet Tungaloy 18 verschiedene CBN-Sorten und zahlreiche individuell anpassbare Schneidengeometrien an. Dazu gibt es PVD-Beschichtungen mit Schichtdicken zwischen 1,5 und 3 μm. Dünne Beschichtungen werden ausgewählt, wenn die technischen Spezifikationen der Mikrogeometrie bestmöglich ausgenutzt werden sollen. Dickere Schutzbeschichtungen machen das Werkzeug dagegen besonders verschleißfest. „Wir bieten unzählige Möglichkeiten, die Schneidengeometrie, den CBN-Gehalt, den Spanbrecher und die Beschichtung zu variieren. Dadurch sind unseren Kunden bei den Anwendungen kaum Grenzen gesetzt“, sagt Stefan Busic, Produktmanager Drehen bei Tungaloy.

Meilenstein in der spanenden Fertigung

Individuell an Fertigungsprozesse und Werkstoffe angepasste CBN-Schneidwerkzeuge ermöglichen es zerspanenden Unternehmen, Standzeiten zu maximieren und die Produktivität zu erhöhen. Durch einen hohen Binderanteil wird das Werkzeug verschleißfester, wohingegen eine erhöhte Substrathärte es bruchzäher macht. Diese Flexibilität macht CBN zu einem weit verbreiteten Schneidstoff, der sich für viele Branchen und Bearbeitungsformen eignet. Darüber hinaus ist CBN superabrasiv, härter und verschleißfester als konventionelle Schleifmittel. So ist CBN bis heute ein Quantensprung in der spanenden Fertigung.

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