Stanford Advanced Materials fait progresser l'usinage de précision avec WBN

Introduction

Stanford Advanced Materials (SAM) a le plaisir de partager un exemple de réussite dans l'application du nitrure de bore wurtzite (WBN). Ce matériau superdur est apprécié pour son extrême dureté, sa stabilité thermique et sa résistance aux chocs. Les solutions d'outils de SAM basées sur le WBN ont aidé une société d'usinage de précision à surmonter les problèmes persistants de dégradation des outils lors du tournage intermittent d'aciers trempés.

Comme l'explique Lisa Ross, ingénieur principal en céramique chez SAM:

"Les composites BN wurtzite, en particulier lorsqu'ils sont renforcés par de fines particules de diamant, offrent une combinaison unique de ténacité et de résistance à la chaleur qui surpasse les matériaux superdurs conventionnels. Cela change la donne pour les défis d'usinage avancés".

Fig. 1 Pièces personnalisées en nitrure de bore

Étude de cas sur le nitrure de bore wurtzite

-Le défi : l'usure des outils lors de l'usinage par chocs

Une entreprise d'usinage de précision spécialisée dans les composants en acier trempé a rencontré de sérieux problèmes lors d'opérations de tournage intermittentes à grande vitesse. Ses outils existants souffraient d'un écaillage rapide des arêtes et d'une usure thermique, en particulier dans les applications impliquant de l'acier pour roulements 100Cr6 d'une dureté de 61 à 63 HRC. Les principaux problèmes étaient les suivants

• une défaillance prématurée de l'outil due à la rupture de l'arête lors d'une coupe interrompue.
• Accumulation excessive de chaleur dans la zone de coupe.
• Contrôle dimensionnel incohérent dû à une usure irrégulière.
• Augmentation des temps d'arrêt de la production en raison des changements fréquents d'outils.

L'entreprise avait besoin d'un matériau d'outil capable de résister à la fois à la dégradation thermique et aux chocs mécaniques associés aux coupes interrompues.

Pour en savoir plus : HBN, CBN et WBN : Analyse comparative des polymorphes de nitrure de bore

-La solution deSAM :Plaquettes composites WBN-Diamant

Après avoir évalué en détail l'application du client, SAM a recommandé une plaquette de coupe spécialisée en nitrure de bore polycristallin wurtzite (WBN) renforcé par des nanoparticules de diamant. Ce matériau a été sélectionné pour sa capacité à combiner la conductivité thermique du diamant et la résistance aux chocs du WBN.

Les principaux avantages du composite WBN-diamant comprennent une gestion thermique nettement améliorée, car la phase diamantée aide à dissiper la chaleur loin de l'arête de coupe, réduisant ainsi l'accumulation de température localisée. Le matériau présente également une dureté exceptionnelle, le WBN polycristallin renforcé atteignant des valeurs de 54 GPa. En outre, il a démontré une excellente résistance à l'usure par abrasion et au micro-enlèvement de copeaux, même dans des conditions de coupe agressives et à fort impact.

SAM a fourni une assistance technique sur les paramètres de coupe, les températures de frittage recommandées et la teneur en diamant optimisée pour les plaquettes, garantissant une intégration fiable dans les opérations CNC du client.

--Mise en œuvre et résultats

Les outils WBN-diamant ont été testés lors d'opérations de finition avec de l'acier trempé pour roulements. Les résultats ont été significatifs :

• La durée de vie de l'outil a augmenté de plus de 300 %, supportant plusieurs cycles de coupe interrompue sans rupture d'arête.
• La température d'usinage à l'interface de coupe a été réduite d'environ 20 %, ce qui a permis d'améliorer les performances de la plaquette.
• L'état de surface est passé de Ra 0,6 µm à Ra 0,3 µm, respectant les tolérances de qualité aérospatiale du client.
• Le coût total de l'outillage a été réduit de 27 % sur une période de trois mois grâce à la diminution des remplacements et des taux de rebut.

Qu'est-ce que le nitrure de bore wurtzite ?

Le nitrure de bore wurtzite est un polymorphe de nitrure de bore à haute pression et à haute température dont la structure cristalline hexagonale se transforme en wurtzite dans des conditions extrêmes. C'est l'un des matériaux synthétiques connus les plus durs, avec des valeurs de dureté Vickers allant de 24 GPa à plus de 50 GPa sous forme composite.

Les principales propriétés du WBN sont les suivantes :

Le WBN est généralement produit sous forme de poudres ou de plaquettes frittées et est de plus en plus utilisé dans les opérations d'usinage de haute précision et à fort impact, là où les matériaux d'outillage traditionnels échouent.

Pour en savoir plus : Nitrure de bore wurtzite (w-BN) : Structure, propriétés et applications

Fig. 2 Structure cristalline du BN dans ͑ a ͒ la phase cubique zinc-blende, ͑ b ͒ la phase wurtzite, et ͑ c ͒ la phase hexagonale[1].

WBN et diamant

Bien que le nitrure de bore wurtzite et le diamant soient tous deux considérés comme des matériaux superdurs, ils diffèrent considérablement quant à leur utilité industrielle. Le diamant, bien qu'il soit le matériau connu le plus dur, réagit chimiquement avec les métaux ferreux à des températures élevées, ce qui limite son utilisation pour l'usinage des aciers et des alliages à base de fer. Il est également fragile et plus enclin à l'écaillage des arêtes en cas d'impact ou de coupe interrompue.

Le WBN, en revanche, conserve une excellente stabilité chimique avec les matériaux ferreux et présente une plus grande résistance à la rupture. Le WBN est donc particulièrement adapté aux applications exigeantes impliquant des cycles thermiques ou un contact intermittent. Combinés au diamant dans des structures composites, les outils WBN bénéficient des avantages thermiques du diamant tout en conservant leur fiabilité mécanique, ce qui constitue une solution équilibrée et très performante.

Conclusion

Stanford Advanced Materials a aidé un client spécialisé dans l'usinage de précision à surmonter avec succès les problèmes de dégradation des outils grâce au nitrure de bore wurtzite avancé. En fournissant des composites WBN-diamant, ainsi que des conseils spécifiques à l'application, SAM a permis de prolonger la durée de vie de l'outil, d'améliorer la fiabilité du processus et la qualité de la surface.

Pour en savoir plus sur les outils WBN ou demander une solution personnalisée, visitez le site www.samaterials.com.

Référence :

[1] Janotti, Anderson & Wei, Su-Huai & Singh, Dr. (2001). First-principles study of the stability of BN and C. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 64. 1741071-1741075.