Kubisch kristallines Bornitrid

Kristallines kubisches Bornitrid (siehe auch Bornitrid) wurde im Jahre 1969 von der Firma General Electric unter dem Name „BORAZON“ auf dem Markt gebracht. Der Preis von CBN überstieg damals den Goldpreis.

Kubisches Bornitrid (CBN), auch β-Bornitrid genannt, ist ein synthetisch hergestellter Stoff welcher aus den Elementen Bor und Stickstoff besteht. CBN wird in der Technik sowohl in polykristalliner Form (polykristallines kubisches Bornitrid) als auch in Form einzelner kleiner Kristalle verwendet.

Wendeschneidplatte aus kubischem Bornitrid-Plandrehstahl

Technische Verwendung

Kristallines CBN wird als Schleifmittel und Schneidstoff bei der Bearbeitung von harten Materialien (Stählen >55HRC, Hartguss, Hartmetallen,...) verwendet. Dies wird durch das im Vergleich zum Diamant fehlende Kohlenstoffatom ermöglicht, da so unter Temperatur kein Kohlenstoff an den Stahl abgegeben werden kann, wodurch Carbide entstehen können. Außerdem eignet sich CBN auch in der elektrischen Anwendung als Hochtemperatur- Halbleiter.

Eigenschaften

CBN ist nach Diamant das zweithärteste Material der Welt. Es besitzt eine Knoop'sche Härte von ca. 4700N/mm², was in etwa die Hälfte der Knoop'schen Härte von Diamant entspricht. Dadurch verschleißen Werkzeuge aus CBN bei geeigneter Anwendung wesentlich langsamer als andere Schneidstoffe, wodurch die Form- und Maßgenauigkeit leichter zu erreichen sind oder sich sehr harte Werkstoffe (Stahl bis 70HRC) prozesssicher bearbeiten lassen. Allerdings ist CBN durch die hohe Härte sehr spröde, was seine Eignung zur Zerspanung mit unterbrochenem Schnitt relativiert.

Im Vergleich zu Diamant besitzt CBN jedoch eine höhere thermische Stabilität. Ähnlich wie Diamant hat CBN eine hohe Wärmeleitfähigkeit, nämlich die fünffache Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, wodurch die Wärme z.B. beim Schleifen von der Schleifscheibe aufgenommen wird und an das Kühlmittel oder an die Umgebung abgegeben werden kann. Dadurch erwärmt sich das Werkstück weit weniger als beim Schleifen mit Korund, wodurch das Gefüge der Randzone weniger beeinflusst (aufgehärtet) wird. Die relativ hohen Schleiftemperaturen greifen CBN weder bei der Bearbeitung von Eisen, Nickel noch von Kobalt chemisch an. Nachteilig daran ist jedoch, das bei einer Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide die Zerspanung ohne den Einsatz von Kühlschmierstoffen erfolgen muss. Dies liegt daran, dass die Kühlung der Wendeschneidplatte nicht an der gesamten Oberfläche gleich ist und es somit zu hohen, thermisch induzierten Spannungen im Gefüge der Wendeschneidplatte kommt, welche zu Rissen im Gefüge führen und somit die Wendeschneidplatte zerstören.

Durch das gute thermische Verhalten von CBN, welches im Vergleich zu Diamant, welcher schon bei ca. 700°C einen massiven Härteverlust erleidet, bleibt die Härte von CBN noch bei mehr als 1000°C fast unverändert. Durch diese günstige Eigenschaft kann Diamant unter Hitzeeinwirkung mit CBN geschliffen werden.

Schleifen mit CBN

CBN- Scheiben werden eingesetzt zum Schleifen von:

• gehärteten Schnellarbeitsstählen (HSS)
• hochlegierten Werkzeugstählen mit min. 55 HRC
• einsatzgehärteten Stählen
• Pulverbeschichtungen auf Eisenbasis
• Hartguss
• Weichen Stahlqualitäten in bestimmten Anwendungsfällen
• Stellite
• Nickelbasierte Superlegierungen

Schleifgeschwindigkeit

Die optimale Schnittgeschwindigkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Schleifart (Rund-, Flach-, Pendel-, Tiefschleifen u.a.)
• Kühlung (Öl, Trockenschliff)
• Maschine (Stabilität, Spindeldrehzahl)

Man kann mit CBN unter optimalen Bedingungen beim Hochgeschwindigkeitsschleifen statt der normalen 30-60m/s beim Nassschliff, bzw. den 15-20m/s mit weit höheren Geschwindigkeiten arbeiten. Dafür müssen jedoch die Maschinen entsprechend stabil ausgelegt sein, die Ölkühlung mit den richtigen Düsen und genügend Druck ausgeführt sein.

Kühlen beim CBN Schleifen

Beim Schleifen mit CBN ausschließlich reinem Schleiföl gekühlt. Dadurch wird die beim Schleifen entstehende Zerspannungswärme abgeleitet und das zerspante Material abgeführt. Dadurch wird die Standzeit im Vergleich mit anderen Kühlmedien um das 3-fache erhöht.

Man unterscheidet jedoch Scheiben die speziell für den Nassschliff ausgelegt sind, welche dann im Trockenschliff nur mit reduzierter Drehzahl und Zustellung nur im Ausnahmezustand eingesetzt werden sollten. Scheiben, die für den Trockenschliff ausgelegt sind, können auch im Nassschliff eingesetzt werden, im Trockenschliff sollte jedoch mit geringeren Anpressdrücken und Zustellungen gearbeitet werden.

Bindungen

Die Körner werden beim CBN- Schleifen mit einer dünnen Metallschicht aus Nickel oder Kupfer ummantelt. Dadurch wird das Korn optimal in der Bindung gehalten und die entstehende Schleifwärme in die Bindung geführt.

Bindungsarten

Man unterscheidet folgende Bindungen:

Kunstharzbindungen

Über 50% aller Schleifaufgaben lassen sich mit Kunstharzbindungen bewerkstelligen, da viele Bindungsvarianten und hohe Abtragsleistungen möglich sind. Außerdem hat die Scheibe dadurch eine große Griffigkeit und verursacht geringe Schleifdrücke und geringe Temperaturen. Sie eignen sich sowohl zum Trocken- als auch zum Nassschleifen.

Körpermaterial:

• Aluminium
• Aluminium- Kunstharz
• Grafit- Kunstharz
• Auch wird bei manche Hersteller Keramik als Grundkörpermaterial verwendet im Falle dass es sich um sehr feinkörnige (<B25 = 30-20µ)Scheiben handelt.

Metallbindungen

Haben sehr große Kornhaltekräfte und werden deshalb hauptsächlich im Nassschliff eingesetzt. Werden wegen ihrer hohen Verschleißfestigkeit insbesondere für Profilscheiben eingesetzt, bei hoher Profilhaltigkeit. Sie sind jedoch in Sachen Zerspanungsleistung Kunststoffbindungen unterlegen.

Körpermaterial:

• Stahl
• Bronze

Galvanische Bindungen

Es wird meist nur die Kornlage gehalten, wobei die Körner in einer Nickel- Bindung eingebettet sind und ca. 30-50% aus der Bindung hervorragen. Dadurch entsteht eine sehr hohe Griffigkeit mit sehr hoher Schleifleistung. Die Gesamtstandzeit ist jedoch sehr kurz, da sie endet, wenn die Belaghöhe abgenutzt ist.

Körpermaterial:

• Stahl
• Aluminium (Das Aluminium Grundkörpermaterial wird vor der Beschichtung mit CBN, zuerst verkupfert, weil Nickel sich nicht oder schlecht haftet an Aluminium)

Keramische Bindungen

Poröse und Profilierbare Bindung. Eignet sich für langspanende Werkstoffe. Es entstehen geringe Schleifkräfte, hohe Oberflächengüte, hohe Zerspanungsleistung und Abrichtmöglichkeit.

Körpermaterial:

• Stahl
• Aluminium
• Keramik (s.g. "Verbundscheiben")

Wichtig für die Auswahl der Bindung ist, dass die Körnung solange sie noch Schneiden besitzt in der Bindung gehalten wird. Sind die Körner jedoch stumpf, müssen sie aus der Bindung ausbrechen. Ist die Kornhaltekraft zu groß, erhöht sich der Schleifdruck und die Temperatur, die Scheibe setzt sich zu, verschmiert und verliert ihre Abtragsleistung.

Richtlinien für den Einsatz beim CBN- Schleifen

Maschinen

Die Maschinen, die zum CBN- Schleifen verwendet werden sollten äußerst stabil gebaut sein, einwandfrei laufende Schleifspindeln und Scheibenaufnahmen besitzen, die Führungen müssen spielfrei arbeiten, der Tisch muss ruckfrei verfahren und die gesamte Maschine muss erschütterungsfrei aufgestellt sein. Außerdem muss die Motorleistung so bemessen sein, dass auch höhere Schnittgeschwindigkeiten gefahren werden können und dass bei größeren Zustellungen kein wesentlicher Drehzahlabfall auftritt.

Scheiben

Scheiben müssen möglichst genau geschliffen werden, damit sie gleichmäßig abnutzen. Möglichkeit bei großen Scheiben ist das zusenden von Flansch und passendem Schleif- oder Wuchtdorn an die Hersteller, damit die Scheibe mit ihnen überschliffen werden kann und so die Rundlaufabweichung möglichst gering ist. Die Scheibe muss dann bis zu ihrem völligen Verschleiß auf der Aufnahme bleiben, um mögliche Rundlauffehler zu vermeiden.