Preparación e investigación de aplicaciones del nitruro de boro cúbico policristalino

El nitruro de boro cúbico (cBN) fue sintetizado por primera vez por Wentorf en 1957 en condiciones de alta temperatura y alta presión. Es un cristal artificial con una dureza sólo superada por la del diamante, pero su estabilidad térmica y química son superiores a las del diamante. Se utiliza ampliamente para procesar metales ferrosos, aleaciones resistentes a altas temperaturas, aleaciones de titanio y otros materiales difíciles de procesar con herramientas de diamante. El nitruro de boro cúbico monocristalino tiene un tamaño pequeño y anisotropía, con planos de clivaje, lo que limita su aplicación en campos industriales clave como las tecnologías mecánica y aeroespacial. Por ello, los científicos nacionales y extranjeros han prestado gran atención al desarrollo del nitruro de boro cúbico policristalino.

Nitruro de boro cúbico policristalino.

1. Diversidad de métodos de preparación. Diversidad de métodos de preparación

El nitruro de boro cúbico policristalino (PcBN) es un material de nitruro de boro cúbico a granel con las ventajas de su gran tamaño, isotropía y ausencia de plano de escisión. En la actualidad, su principal método de fabricación es la sinterización a alta temperatura y alta presión, en la que el polvo de nitruro de boro se utiliza como materia prima, ya sea con o sin la adición de aglutinantes, y se sinterizan juntos a altas temperaturas y presiones para formar un compuesto, ya sea un cuerpo sinterizado de fase no pura o un cuerpo sinterizado de fase pura.

El nitruro de boro cúbico (PcBN) es un material a granel con las ventajas de su gran tamaño, isotropía y ausencia de plano de clivaje.

En los cuerpos sinterizados de fase no pura, los aglutinantes se añaden principalmente para reducir las condiciones de sinterización. Los aglutinantes se dividen principalmente en tres categorías:

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1. Ligantes metálicos o de aleación, que tienen buena resistencia mecánica al desgaste pero pueden ablandarse a alta temperatura y presión, afectando a la resistencia al desgaste.

2. Ligantes cerámicos.

2. Ligantes cerámicos, que presentan una buena dureza a altas temperaturas pero tienen una escasa resistencia al impacto y conductividad térmica, lo que los hace inadecuados para el corte interrumpido.

3. Ligantes metal-cerámica, que presentan una buena resistencia al desgaste mecánico pero pueden ablandarse a altas temperaturas y presión, lo que afecta a la resistencia al desgaste.

3. Ligantes metal-cerámicos, que pueden superar en parte las deficiencias de los dos tipos anteriores.

En general, el PcBN sinterizado en fase no pura avanza hacia una mayor resistencia al desgaste, tenacidad y excelente rendimiento. Sin embargo, este método reduce la dureza, quedándose corto en comparación con el PcBN obtenido mediante sinterización en fase pura. La sinterización en fase pura implica principalmente el uso de diferentes materiales iniciales, como el nitruro de boro hexagonal (hBN), el nitruro de boro pirolítico (pBN), el nitruro de boro tipo cebolla (oBN) y el cBN, sinterizados a altas temperaturas y presiones sin el uso de aglutinantes.

Sinterización en fase pura.

Actualmente, existen dos tipos principales de nitruro de boro nanocúbico en fase pura:

- El primero consiste en utilizar hBN como polvo inicial, convirtiéndolo en nitruro de boro cúbico policristalino a alta temperatura y alta presión mediante transformación de fase.

- El segundo utiliza cBN como polvo inicial, convirtiéndolo en nitruro de boro cúbico policristalino a alta temperatura y alta presión mediante transformación de fase.

- El segundo utiliza cBN como polvo inicial, que se sinteriza a alta temperatura y presión para formar nitruro de boro cúbico policristalino. SOLOZHENKO y otros utilizaron pBN de baja cristalinidad como material inicial para preparar nitruro de boro cúbico policristalino en condiciones de 20GPa y 1500°C, consiguiendo una dureza Vickers de 85GPa.

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ICHIDA utilizó nitruro de boro pirolítico como material de partida y sintetizó nitruro de boro cúbico policristalino superduro con tamaños de grano inferiores a 100nm, consiguiendo una dureza Knoop de hasta 55,2GPa calentándolo durante 1-6 minutos bajo 25GPa y 1950°C.

TIAN utilizó nitruro de boro hexagonal tipo cebolla como material inicial y preparó nitruro de boro cúbico nanopolicristalino bajo 12-25GPa y 1600-2200°C, consiguiendo una dureza Vickers de más de 100GPa, una estabilidad térmica de hasta 1294°C y una tenacidad a la fractura superior a 12MPa-m^1/2.

TAKASHI utilizó nitruro de boro hexagonal de alta pureza como materia prima y adoptó un proceso de transformación de fase directa a alta presión para obtener cuerpos sinterizados de cBN de alta pureza y cristales de nitruro de boro wurtzita (wBN) altamente orientados. El cuerpo sinterizado de cBN alcanzó una dureza de 61GPa, y la dureza del wBN fue aproximadamente entre el 80% y el 90% de la del cuerpo sinterizado de cBN.

El análisis mecánico muestra que el cBN es un material de alta pureza, con una dureza de 61GPa.

El análisis del mecanismo muestra que durante la transformación de fase de hBN a cBN, se produce una transformación de fase sin difusión de hBN a wBN. Al aumentar las condiciones de síntesis, aparece una transformación de fase estable de wBN.

Durante la síntesis de hBN a cBN se produce una transformación de fase sin difusión de hBN a wBN.

Durante la síntesis de nitruro de boro cúbico policristalino utilizando hBN como material inicial a alta temperatura y alta presión, las transformaciones de fase van acompañadas de cierta contracción de volumen, lo que da lugar a unas propiedades de moldeo deficientes de las muestras sintetizadas. Para abordar este problema, los investigadores han estudiado la síntesis de materiales a granel de nitruro de boro cúbico policristalino utilizando micropolvo de cBN como material inicial.

Yongkai Wang, Xiangfa Zhang y otros sintetizaron nitruro de boro cúbico policristalino utilizando el método de conversión directa a 15GPa y 1500-2100°C, con hBN como material inicial. Caracterizaron la microestructura y las propiedades mecánicas del material policristalino de nitruro de boro cúbico utilizando difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido y un durómetro Vickers.

Su investigación concluyó que, en condiciones adecuadas de temperatura y presión, prepararon con éxito materiales a granel de nitruro de boro cúbico nanopolicristalino, semitransparente y de fase pura. Los granos de la muestra estaban compuestos por granos nanocristalinos y en forma de escamas, con tamaños de partícula que oscilaban entre 70 y 130 nm, y granos en forma de escamas que medían aproximadamente 2μm. A la misma presión, el tamaño de grano del material a granel de nitruro de boro cúbico policristalino aumentaba con la temperatura de síntesis, y la dureza disminuía a medida que aumentaba la temperatura de síntesis. La dureza máxima alcanzó los 64,43GPa, con una tenacidad a la fractura de 10,47MPa-m^1/2.

La dureza máxima alcanzó los 64,43GPa, con una tenacidad a la fractura de 10,47MPa-m^1/2.

El nitruro de boro cúbico nanopolicristalino tiene una alta dureza e isotropía, satisfaciendo las demandas de procesamiento eficiente y ecológico, y permitiendo el desarrollo autocontrolado de una nueva generación de materiales para herramientas para la industria mecánica de alta precisión en la industria del acero. El desarrollo de materiales de nitruro de boro cúbico nanopolicristalino a granel de gran calidad y gran tamaño mediante conversión directa se convertirá en un punto caliente de la investigación.

2. Campos técnicos de aplicación

Debido a que la dureza y la conductividad térmica del cBN son sólo superadas por las del diamante, a su excelente estabilidad térmica y al hecho de que no se oxida cuando se calienta a 1000°C en la atmósfera, así como a su inercia química extremadamente estable frente a los metales ferrosos, ha cosechado una gran atención como material para herramientas de corte. Los materiales superduros de cBN para herramientas de corte, debido a su gran dureza, alta estabilidad térmica y buena inercia química, reducen en gran medida la tendencia a la escisión monocristalina. A medida que la herramienta de corte se desgasta, se exponen continuamente nuevos filos de corte, lo que lo convierte en uno de los materiales para herramientas de corte más utilizados para el corte de alta velocidad, el mecanizado duro, el corte en seco y el procesamiento en verde. 2.1 Economía verde con bajas emisiones de carbono y herramientas de PcBN La alta eficiencia de la producción y la alta calidad son los dos objetivos principales que persiguen las tecnologías de fabricación avanzadas. El corte de alta velocidad, que representa la dirección principal del mecanizado moderno, se ha desarrollado rápidamente en consonancia con las tendencias de alta eficiencia, alta precisión, flexibilidad y ecología en el mecanizado del siglo XXI.

Características del corte en seco y las herramientas de PcBN.

Características del corte de alta velocidad:

1. Las velocidades de corte se incrementan, lo que conduce a una mayor tasa de eliminación de material por unidad de tiempo. La temperatura de la zona de corte es más alta, lo que aumenta la tenacidad, y la velocidad de avance también se puede aumentar en consecuencia, mejorando así exponencialmente la eficiencia de corte, reduciendo el consumo de energía y disminuyendo los costes.

2. Cuando la velocidad de corte supera un cierto valor crítico, más del 95% del calor de corte es transportado rápidamente por las virutas, mientras que la pieza de trabajo permanece esencialmente fría.

3. En el corte a alta velocidad, la temperatura de la zona de corte es más alta, lo que aumenta la tenacidad y el avance también puede aumentarse en consecuencia, mejorando exponencialmente la eficiencia de corte, reduciendo el consumo de energía y reduciendo los costes.

3. En el corte de alta velocidad, la vibración y la frecuencia de excitación de la máquina herramienta son muy altas, superando con creces el rango de frecuencia natural del sistema máquina herramienta-herramienta-pieza de trabajo, lo que resulta en un corte estable, una vibración mínima y una mayor calidad de procesamiento, reduciendo así los procesos de mecanizado. Requisitos de las herramientas en el corte de alta velocidad:

1. Alta fiabilidad;

2. Altas propiedades térmicas, de impacto y mecánicas a altas temperaturas;

3. Capacidad de adaptarse a los cambios de temperatura.

3. Capacidad para adaptarse a las necesidades de los materiales difíciles de mecanizar y a los nuevos métodos de procesamiento.

La economía de bajas emisiones de carbono.

La economía con bajas emisiones de carbono y la tecnología y aplicaciones de fabricación ecológica son las futuras direcciones de desarrollo de la industria china de máquinas herramienta. De acuerdo con los conceptos de fabricación ecológica, conservación de la energía, ahorro de recursos, contaminación mínima y protección del medio ambiente, el método de procesamiento más ideal y eficaz para eliminar los efectos negativos de los fluidos de corte es el corte en seco. En comparación con el corte húmedo, el corte en seco puede mejorar significativamente la eficiencia de la producción. El mecanismo es que a altas velocidades de corte, el calor generado se concentra en la parte delantera de la herramienta, elevando la temperatura del material cerca de la zona de corte a un estado al rojo vivo, reduciendo el límite elástico, y mejorando así la eficiencia de corte. El requisito previo para adoptar procesos de corte en seco es que, a temperaturas de corte relativamente altas, la resistencia del material que se está cortando disminuye significativamente, lo que facilita el corte; al mismo tiempo, el material de la herramienta debe tener una buena dureza al rojo, resistencia al desgaste y adherencia en las mismas condiciones. Las herramientas de PcBN son muy adecuadas para el corte a alta velocidad de materiales duros, manteniendo una elevada dureza incluso a temperaturas de corte que alcanzan los 1000°C, lo que permite el procesamiento de larga duración de piezas de alta precisión (con una variabilidad dimensional mínima). Esto reduce en gran medida la frecuencia de los cambios de herramienta y el tiempo de inactividad necesario para compensar el desgaste de la herramienta, lo que las hace adecuadas para máquinas herramienta CNC y equipos de procesamiento altamente automatizados. En muchos casos de corte de metales, procesos como el torneado, el mandrinado y el fresado pueden sustituir al rectificado, lo que permite que las piezas mecanizadas alcancen una gran precisión y una buena calidad superficial, al tiempo que aumenta significativamente la eficacia de la producción. Por ejemplo, en el mecanizado de materiales pulverizados en superficie (recubiertos), el uso de herramientas fabricadas con otros materiales da lugar a una vida útil extremadamente baja de las herramientas y hace inviables los métodos de rectificado, mientras que el PcBN es el único material adecuado para las herramientas. El mecanizado está avanzando hacia direcciones de alta velocidad, materiales compuestos, inteligentes y respetuosas con el medio ambiente. La tendencia de desarrollo de la tecnología de corte ecológico indica que el corte de alta velocidad, el procesamiento de alta estabilidad y el mecanizado en duro se alinean mejor con las características del procesamiento ecológico. La combinación orgánica de corte en seco y corte de alta velocidad representará un método de procesamiento ideal, eficiente, de bajo consumo y alta calidad, con una contaminación medioambiental mínima y amplios beneficios, convirtiéndose en la corriente principal del mecanizado del futuro. Las herramientas superduras de PcBN, un importante medio de procesamiento de corte moderno, poseen ventajas incomparables en términos de precisión de procesamiento, eficiencia de corte y vida útil de la herramienta. Se utilizan ampliamente en procesos de mecanizado avanzados como el corte de alta velocidad, el procesamiento de alta estabilidad y el mecanizado duro, y se convertirán en un componente importante del corte ecológico.

2.2 PcBN: El material de herramienta preferido para materiales difíciles de mecanizar

2.2.1 Corte de alta velocidad y ultra alta velocidad

El corte de alta velocidad puede mejorar la eficiencia del corte, reducir el tiempo de procesamiento y disminuir los costes de producción. La BN7000 producida por Sumitomo en Japón puede alcanzar velocidades máximas de hasta 2000 m/min para mecanizar fundición gris, mientras que la MBC010 de Mitsubishi puede alcanzar velocidades de 400 m/min para mecanizar acero templado, lo que supone un nivel de velocidad inalcanzable para otras herramientas como las de metal duro y cerámica.

2.2.2 Corte duro

El PCBN se utiliza normalmente para procesar materiales con una dureza (HRC) superior a 50, consiguiendo el corte duro como sustituto del rectificado para completar el mecanizado final de los materiales. Este método de "torneado en lugar de rectificado" permite el mecanizado de piezas con diversas formas geométricas, lo que se traduce en una gran eficacia de corte y tiempos de procesamiento más cortos, reduciendo así los costes de producción. El calor de corte generado durante el proceso es relativamente bajo, lo que minimiza el riesgo de quemaduras y microfisuras en la superficie mecanizada, y ayuda a mantener la integridad de las propiedades superficiales de la pieza. El corte duro no requiere el uso de fluidos refrigerantes, evitando así la contaminación medioambiental causada por los fluidos residuales generados durante el proceso.

2.2.3 Corte en seco

En los procesos de corte en húmedo, surgen varios problemas derivados del uso de fluidos de corte, como el aumento de los costes de producción debido al uso, transporte, reciclaje y filtración de los fluidos de corte; los riesgos para la salud que supone la niebla generada por el calor de corte; y la contaminación ambiental por fugas y vertidos, que pueden provocar incidentes de seguridad y calidad. La tecnología de corte en seco se ha desarrollado en respuesta a las crecientes exigencias medioambientales mundiales y a las estrategias de desarrollo sostenible. Es importante para ahorrar recursos, proteger el medio ambiente y reducir costes. En los últimos años, los métodos de corte en seco se han convertido en un tema central de investigación en la industria de fabricación de maquinaria.

2.2.4 Procesamiento automatizado

El PcBN tiene una alta dureza y resistencia al desgaste, lo que le permite producir piezas de alta precisión (con una variabilidad dimensional mínima) durante largos periodos en condiciones de corte de alta velocidad, reduciendo significativamente la frecuencia de los cambios de herramienta y el tiempo dedicado a la compensación del desgaste de la herramienta. Por lo tanto, es muy adecuado para máquinas herramienta CNC y equipos altamente automatizados, permitiendo aprovechar al máximo el rendimiento eficiente de los equipos.

2.2.5 Mecanizado de materiales difíciles de mecanizar

Para materiales difíciles de mecanizar como superaleaciones, acero inoxidable y aleaciones de titanio, otros materiales para herramientas presentan una vida útil extremadamente baja. Sin embargo, debido a las excelentes propiedades del PcBN, éste presenta ventajas sobresalientes. Por ejemplo, al mecanizar hierro fundido resistente al desgaste de aleaciones de alta temperatura utilizado en equipos de centrales eléctricas petrolíferas, las herramientas de PcBN alcanzan una eficacia de corte más de cuatro veces superior a la de las herramientas de metal duro, con un coste por pieza que se reduce a una quinta parte del original. Por lo tanto, el material PcBN se ha convertido en el material de herramienta preferido para el mecanizado de estos materiales difíciles de mecanizar.

2.3 Corte en seco con PcBN de acero endurecido

Para reducir el consumo de energía y mejorar la eficiencia de la producción, más fabricantes de la industria de fabricación de maquinaria están utilizando herramientas de PcBN para implementar procesos que sustituyan el torneado por el rectificado y el fresado por el rectificado, especialmente en el mecanizado de acero endurecido. Durante el mecanizado de acero templado, el filo de corte de la herramienta debe soportar importantes presiones de corte, lo que provoca el microastillamiento y el fallo de la herramienta, con la consiguiente inestabilidad de su vida útil. Entre las características del mecanizado de acero templado se incluyen:

1. Elevada dureza.

1. Elevada dureza y resistencia, con una dureza superior a HRC 50 y una resistencia de hasta 2600 MPa.

2. Al tornear acero templado, el filo de corte debe soportar fuerzas de impacto considerables, por lo que es propenso a sufrir vibraciones de corte durante el proceso de mecanizado.

3. El acero templado es un material muy duro.

3. El acero templado tiene una baja conductividad térmica, lo que dificulta que el calor de corte sea disipado por las virutas, dando lugar a una concentración de calor en la punta de corte de la herramienta.

4. Las virutas largas de acero templado se acumulan en la punta de corte de la herramienta.

4. Las largas virutas producidas al cortar acero templado pueden envolver y arañar fácilmente la superficie de la pieza de trabajo; por ello, la herramienta debe disponer de ranuras rompevirutas. Estas características determinan que el acero templado se clasifique como un material difícil de mecanizar. Actualmente, el método más avanzado consiste en utilizar herramientas de PcBN para el mecanizado en seco. Las herramientas de PcBN soldadas son propensas a perder sus puntas debido a las altas temperaturas de corte y a las fuerzas de corte, lo que provoca el astillado de la capa y microastillado que puede causar fallos. Las herramientas macizas de PcBN también pueden sufrir microastilladuras y desgaste; las herramientas desgastadas ejercen mayores fuerzas de corte durante el mecanizado, lo que agrava el desgaste y crea un círculo vicioso. La fabricación de herramientas de PcBN uniformemente resistentes al desgaste con un desgaste mínimo es clave para el mecanizado de acero templado. El tamaño de grano del cBN es crucial, empleando una mezcla de partículas finas en el rango de 1-5 µm, que es uno de los factores críticos para producir herramientas de PcBN uniformemente resistentes al desgaste.

2.4 Rendimiento de corte de las herramientas de PcBN en el torneado de superaleaciones duras a base de Ni

Tecnología de corte.

Ha habido relativamente poca investigación sistemática sobre los factores que afectan al rendimiento de corte de las herramientas de PcBN en el mecanizado de superaleaciones basadas en Ni. Para promover su aplicación en este campo, Li Tingke y otros llevaron a cabo estudios específicos sobre el impacto de los parámetros geométricos de la herramienta, los materiales de PcBN, las cantidades de corte y los procesos de corte en el rendimiento de corte.

2.4.1 Influencia de los parámetros geométricos de la herramienta en el desgaste

Utilizando un enfoque de un solo factor, se estudió la influencia del radio de la punta de la herramienta (0,4 mm, 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm) y los parámetros del chaflán negativo (--20 grados x 0,1 mm, --20 grados x 0,2 mm, --28 grados x 0,1 mm) en el desgaste de la herramienta (medido tras 20 segundos de corte evaluando el desgaste de la cara de la herramienta). Los resultados se muestran en las figuras 1 y 2.

Figura 1: Efecto del radio de la punta de la herramienta en el desgaste

Como se muestra en la Figura 1, aumentar adecuadamente el radio de la punta de la herramienta es beneficioso para la disipación del calor, lo que puede reducir el desgaste de la herramienta. Cuando el radio supera los 0,8 mm, la tasa de desgaste tiende a estabilizarse, lo que sugiere que un radio de punta de herramienta de 0,8-1,0 mm es aconsejable.

Figura 2: Efecto de los parámetros negativos del chaflán en el desgaste

A partir de la Figura 2, se puede concluir que se debe seleccionar un ancho de chaflán más pequeño de 0,1 mm y un ángulo de chaflán más grande de 28 grados durante el corte. La función principal del chaflán es mejorar el filo de corte y reducir el desgaste de la herramienta. Si la anchura del chaflán es demasiado grande, las virutas pueden fluir a lo largo del chaflán, provocando que el chaflán negativo actúe como un ángulo de desprendimiento negativo en la cara frontal de la herramienta, provocando un aumento de las fuerzas de corte y dificultades en el corte. Aumentar adecuadamente el ángulo del chaflán puede mejorar las condiciones de disipación del calor.

2.4.2 Efecto del material de PcBN y de los parámetros de corte sobre el desgaste

Efecto del material de PcBN y de los parámetros de corte sobre el desgaste.

Utilizando tres grados diferentes de herramientas de PcBN, se midió el desgaste en la cara posterior de las herramientas bajo diferentes velocidades de corte después de 20 segundos de corte, con los resultados mostrados en la Figura 3.

Efecto del material de PcBN y los parámetros de corte sobre el desgaste.

Figura 3: Comparación del desgaste a diferentes velocidades de corte

A partir de la Figura 3, es visualmente evidente que bajo las mismas condiciones, la cantidad de desgaste para DBW83 es la más pequeña, seguida por BZN6000, mientras que BIN100 exhibe el mayor desgaste. El experimento encontró que tanto BZN6000 como BIN100 experimentaron microastillamiento y ranurado a velocidades de corte superiores a 56 m/min, mientras que DBW85 mostró un desgaste uniforme.

2.4.3 Efecto del proceso de corte en el desgaste

En el mecanizado de superaleaciones basadas en níquel, debido a las altas temperaturas de corte, en el experimento se emplearon métodos de corte en húmedo y en seco. Se estudió el rendimiento de corte de las herramientas de PcBN (midiendo el desgaste en la cara posterior tras 20 segundos de corte), y los resultados se muestran en la figura 4.

Figura 4: Comparación del desgaste en herramientas de corte en seco

A partir de la Figura 4, se puede observar que las herramientas de PcBN presentan un menor desgaste en el corte en seco en comparación con el corte en húmedo, con una reducción del 40%-50%. Esto se atribuye al hecho de que los fluidos de corte pueden arrastrar parte del calor, reduciendo así la temperatura de corte. La figura 4 también indica que, ya sea en condiciones secas o húmedas, el desgaste de DBW85 es sistemáticamente inferior al de BZN6000.