Кубический нитрид бора в сменных токарных пластинах: свойства, применение, преимущества
Что такое кубический нитрид бора
Кубический нитрид бора (CBN — Cubic Boron Nitride) — синтетический сверхтвёрдый материал, получаемый при высоком давлении и температуре из гексагонального нитрида бора (h-BN). По твёрдости CBN уступает только алмазу: HV 4 000–5 000, тогда как лучший твёрдый сплав имеет HV 1 500–2 000. Это делает CBN идеальным материалом для инструмента при обработке закалённых сталей и чугунов высокой твёрдости.
Ключевое преимущество CBN перед алмазом при обработке металлов: CBN химически инертен по отношению к железу при высоких температурах. Алмаз (чистый углерод) при нагреве вступает в химическое взаимодействие со сталью — диффундирует в кристаллическую решётку железа. CBN этого не делает, поэтому именно он применяется для обработки сталей и чугунов, тогда как алмаз — для цветных металлов и неметаллов.
Физические и механические свойства CBN
| Свойство | CBN | Твёрдый сплав WC-Co | Керамика Al₂O₃ |
|---|---|---|---|
| Твёрдость HV | 4 000–5 000 | 1 400–2 000 | 1 700–2 400 |
| Теплостойкость | до 1 400°C | до 900–1 100°C | до 1 200°C |
| Теплопроводность Вт/(м·К) | 100–200 | 80–120 | 10–30 |
| Коэффициент теплового расширения | 4,9 × 10⁻⁶ | 5–7 × 10⁻⁶ | 7–9 × 10⁻⁶ |
| Вязкость разрушения | 6–8 МПа√м | 10–20 МПа√м | 3–5 МПа√м |
| Реакция с железом при T° | Нет | Слабая | Нет |
Высокая теплопроводность CBN (в несколько раз выше, чем у керамики) позволяет отводить тепло из зоны резания непосредственно через тело инструмента. Это снижает температуру кромки и объясняет, почему CBN работает на высоких скоростях без перегрева.
Типы CBN-пластин
CBN-пластины выпускаются в нескольких конструктивных исполнениях, различающихся по конструкции, содержанию CBN и области применения.
По конструкции
Цельные CBN-пластины (Solid CBN) — весь корпус изготовлен из поликристаллического CBN. Максимальная твёрдость, применяются для особо тяжёлых условий обработки. Высокая стоимость.
Пластины с CBN-вставкой (Tipped CBN) — твердосплавная основа с напаянным или припечённым сегментом CBN на режущей кромке. Наиболее распространённый тип. Твердосплавная основа обеспечивает вязкость и удерживание в державке; CBN — режущие свойства. Стоимость ниже цельных, применение — то же самое.
В каталоге STI Store CBN-пластины представлены в обоих исполнениях для стандартных ISO-форм.
По содержанию CBN в поликристалле
| Тип | Содержание CBN | Связующее | Свойства | Применение |
|---|---|---|---|---|
| High-CBN (PCBN) | 80–95% | Металлическая фаза (Al, Ti) | Высокая твёрдость, умеренная вязкость | Непрерывное точение закалённых сталей HRC 55+, высокопрочный чугун |
| Low-CBN (PCBN) | 40–60% | TiC, TiN, AlN | Более вязкий, устойчив к сколам | Прерывистый рез, HRC 45–55, ударные нагрузки |
CBN vs твёрдый сплав vs керамика
| Параметр | Твёрдый сплав | Режущая керамика | CBN |
|---|---|---|---|
| Макс. твёрдость обрабатываемого материала | HRC 45 | HRC 45–65 (зависит от типа) | HRC 45–70 |
| Скорость резания | 80–350 м/мин | 200–800 м/мин | 100–400 м/мин |
| Стойкость к ударам | Высокая | Низкая | Умеренная |
| Стоимость пластины | Низкая | Средняя | Высокая |
| Применение при прерывистом резании | Да | Ограниченно | Low-CBN |
| Достигаемая Ra | 0,8–3,2 мкм | 0,4–1,6 мкм | 0,2–1,6 мкм |
CBN занимает уникальную нишу: там, где твёрдый сплав уже не справляется (HRC > 45), а керамика слишком хрупка для прерывистого резания. Керамические пластины доступны в разделе керамические пластины.
Области применения CBN-пластин
Закалённые стали (Hard Turning) — основная область
CBN заменяет шлифование при обработке закалённых деталей: валов, шестерён, подшипников, штампов, пресс-форм. Преимущества перед шлифованием: возможность обработки сложных профилей (ступенчатые валы, торцы с бурлением), отсутствие прижогов при правильных режимах, гибкость (один инструмент для разных форм), высокая производительность (токарный станок быстрее шлифовального).
Чугуны высокой твёрдости
Отбелённый чугун (HRC 55–65), закалённый перлитный чугун — материалы, для которых CBN оптимален. Для серого и высокопрочного чугуна обычной твёрдости (HB 160–300) CBN применяется при очень высоких скоростях резания Vc = 500–1 500 м/мин, недостижимых для твёрдого сплава.
Чистовая обработка порошковых и спечённых материалов
Твёрдые порошковые металлы, спечённые карбиды (кроме WC-Co), некоторые наплавочные материалы — CBN обеспечивает стабильный ресурс там, где твёрдый сплав изнашивается за несколько деталей.
CBN для Hard Turning: технология и требования
Hard Turning — точение закалённых сталей CBN-инструментом с целью получения Ra 0,2–1,6 мкм и IT6–IT7 без шлифования.
Необходимые условия для Hard Turning
Жёсткость станка — критически важна. Биение шпинделя не более 0,003 мм, люфт суппорта — не более 0,005 мм. Вибрации разрушают CBN-кромку за несколько деталей. Вылет инструмента — минимально необходимый, не более 2× высоты сечения державки. Базирование детали — в центрах или с люнетом, биение заготовки не более 0,02 мм. Однородность твёрдости — недопустимы зоны разной твёрдости (брак термообработки) в детали: при смене твёрдости CBN получает ударную нагрузку, недопустимую для High-CBN.
Достижимые параметры
При соблюдении условий Hard Turning CBN обеспечивает: Ra = 0,4–1,0 мкм (сопоставимо с шлифованием), точность диаметра ±0,005–0,010 мм (IT6–IT7), цилиндричность 0,003–0,008 мм, отсутствие структурных изменений поверхностного слоя (белого слоя) при правильных режимах.
CBN для высокоскоростного точения чугуна
Для серого чугуна (ISO K) CBN применяется при высокопроизводительном автоматическом производстве: Vc = 500–1 500 м/мин (в 5–10 раз выше, чем для твёрдого сплава). При этих скоростях твёрдый сплав не выдерживает, CBN — работает стабильно.
Условия для High-Speed Turning по чугуну CBN: хороший баланс шпинделя и инструмента, исключение вибраций, сухая обработка или минимальное смазывание (тепловые удары при СОЖ разрушают CBN). Производительность в автоматических линиях при переходе с твёрдого сплава на CBN: снижение машинного времени в 3–8 раз.
Геометрия CBN-пластин
CBN-пластины выпускаются в стандартных ISO-формах для совместимости со стандартными токарными державками. Наиболее распространённые формы: CNGA, DNGA, TNGA, VNGA, SNGA (N — нейтральная, задний угол 0°, A — без стружколома, G — прецизионный допуск).
Фаска на режущей кромке (Chamfer/Honing)
CBN сам по себе хрупок. Для защиты острой кромки от выкрашивания на ней выполняется небольшая упрочняющая фаска: ширина 0,05–0,2 мм, угол 20–25°. Это снижает острой кромки потенциально опасный «клин», который разрушается при первом же ударном контакте. Обозначение фаски: -T01020 (ширина 0,1 мм, угол 20°) в конце кода пластины.
Режимы резания CBN-пластинами
| Материал / операция | Тип CBN | Vc, м/мин | ap, мм | fn, мм/об |
|---|---|---|---|---|
| Закалённая сталь HRC 55–65, непрерывно | High-CBN | 120–300 | 0,1–0,3 | 0,05–0,10 |
| Закалённая сталь HRC 45–55, прерывисто | Low-CBN | 80–180 | 0,1–0,5 | 0,05–0,12 |
| Серый чугун, высокоскоростное | High-CBN | 500–1 500 | 0,3–1,0 | 0,10–0,25 |
| Высокопрочный чугун ВЧ50 | Low-CBN | 200–500 | 0,2–0,8 | 0,08–0,20 |
| Отбелённый чугун HRC 55–65 | High-CBN | 100–250 | 0,1–0,4 | 0,05–0,12 |
СОЖ при работе с CBN: особые правила
Применение СОЖ при точении CBN — неоднозначный вопрос. Общее правило: CBN работает лучше без СОЖ или с минимальным количеством смазки.
Закалённые стали: точение CBN предпочтительно всухую. При высоких температурах резания на поверхности CBN образуется тонкий оксидный слой, защищающий кромку. Подача холодной СОЖ разрушает этот слой и создаёт термические удары. Если СОЖ применяется — только непрерывно и постоянно с начала операции, никогда не включая и выключая в процессе.
Чугун высокоскоростное точение: сухое или воздушное охлаждение. Эмульсия — только непрерывная, без перебоев.
Исключение: при сверлении и фрезеровании CBN-инструментом (специальные применения) СОЖ может быть обязательна — уточняется по рекомендации производителя инструмента.
Таблица применения CBN-пластин
| Задача | Тип CBN | Операция | Ссылка на пластины |
|---|---|---|---|
| Чистовое точение ШХ15, HRC 62 | High-CBN | Непрерывный рез | CBN-пластины |
| Точение 40Х, HRC 50, прерывисто | Low-CBN | Получистовое | CBN-пластины |
| Высокоскоростная обработка СЧ25 | High-CBN | Черновое, Vc=800 м/мин | CBN-пластины |
| Точение Inconel 718 (ISO S) | Не применяется | — | Используйте AlTiN-твердосплав |
| Расточка закалённых отверстий | Low-CBN | Чистовое | Расточные оправки + CBN |
Типичные ошибки при применении CBN-пластин
Применение CBN для нержавеющих сталей. CBN химически реагирует с никелем при высоких температурах. Нержавеющие стали (группа ISO M) — противопоказание для CBN. Для нержавейки применяются специальные твердосплавные марки M-группы.
Применение CBN для титановых сплавов. Реакция CBN с титаном при температурах резания — адгезия и разрушение кромки. Для титана — только твердосплав с AlTiN.
Выбор High-CBN для прерывистого резания. High-CBN хрупок. Прерывистый рез (шпоночные пазы, многозаходная резьба, отверстия в зоне обработки) — Low-CBN или керамика.
Недостаточная жёсткость системы при Hard Turning. CBN при вибрациях разрушается мгновенно. Проверьте биение шпинделя перед началом Hard Turning CBN-инструментом.
Часто задаваемые вопросы
Почему CBN нельзя использовать для алюминия?
Нет технической причины. CBN инертен к алюминию. Однако для алюминия CBN избыточен и нерентабелен: стоимость CBN-пластины в 10–30 раз выше твердосплавной, а преимущества в скорости не реализуются — алюминий хорошо обрабатывается острыми твердосплавными пластинами с DLC-покрытием при более высоких скоростях и значительно меньшей стоимости.
Можно ли заменить CBN-пластину на керамическую в операции Hard Turning?
Керамика (Si₃N₄, Al₂O₃) обрабатывает закалённые стали HRC 45–65, но при непрерывном резании. При прерывистом — керамика хрупка и выкрашивается ещё быстрее, чем High-CBN. CBN (особенно Low-CBN) более устойчив к ударным нагрузкам. Кроме того, CBN даёт лучшую Ra и точнее поддерживает размер благодаря меньшему диффузионному износу.
Каков ресурс CBN-пластины при Hard Turning?
При обработке ШХ15 (HRC 62) на режимах Vc = 150 м/мин, ap = 0,15 мм, fn = 0,07 мм/об: одна режущая кромка обрабатывает 20–60 деталей (например, кольцо D80×20 мм). Ресурс варьируется в зависимости от качества термообработки деталей, состояния шпинделя, соблюдения режимов. Контролируйте износ по задней поверхности: при VB > 0,15 мм — кромка теряет точность.
Как отличить настоящую CBN-пластину от подделки?
Режущая кромка CBN-пластины при осмотре под лупой имеет характерный серо-коричневый или чёрный цвет поликристаллического слоя (в отличие от серебристого твёрдого сплава). Подлинность подтверждается работоспособностью: попытка обработать деталь HRC 60 будет сразу показательной — настоящая CBN-пластина режет, поддельная разрушится на первых секундах. Покупайте CBN у проверенных дистрибьюторов с сертификацией продукции.
Нужна ли специальная державка для CBN-пластин?
Нет. CBN-пластины в стандартных ISO-форматах (CNGA, DNGA, TNGA и т.д.) устанавливаются в обычные токарные державки для точения, рассчитанные на пластины без стружколома (A-конструкция). Если на вашем производстве используются державки под CNMG, убедитесь, что они также подходят для пластин CNGA (те же геометрические параметры, но без стружколома). В большинстве случаев — подходят.
CBN-пластины в STI Store
В каталоге STI Store доступны CBN-пластины в стандартных ISO-формах для Hard Turning закалённых сталей и высокоскоростного точения чугуна. К пластинам — совместимые токарные державки для всех форм пластин. Для расточки закалённых отверстий — расточные резцы. Дополнительно — керамические пластины для высокоскоростных операций по чугуну. Консультация по подбору — по запросу. Доставка по России и Казахстану.
Задать вопрос
