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Künstliche Materialien, fast so hart wie Diamant, für die Bearbeitung von Gusseisen 

Zerspanungswerkzeuge haben sich durch die Entwicklung neuer Werkstoffe weiterentwickelt. Ein Überblick über die Geschichte der Zerspanungswerkzeuge wäre nicht voll- ständig, wenn man PcBN (kubisches Bornitrid) ausklammern würde. PcBN ist nach Diamant das zweithärteste Material der Welt und eignet sich aufgrund seiner geringen Affinität zu Eisen (Fe) hervorragend für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien, die in der Automobilindustrie und anderen Branchen zum Einsatz kommen. Aus diesem Grund konkurrieren Werkzeughersteller weltweit um die Marktführerschaft. Wie hat Mitsubishi Materials seine Position an der Spitze der Branche gehalten? Werfen wir einen Blick auf die Geschichte von PcBN und die Suche nach Lösungen der nächsten Generation.

Was ist PcBN (Polykristallines kubisches Bornitrid)?

PcBN kommt in der Natur nicht vor. Es wird unter hohen Temperaturen und hohem Druck künstlich synthetisiert, ähnlich wie künstlicher Diamant hergestellt wird. Die Kristallstruktur von PcBN ähnelt der von Diamant und macht es extrem hart und hitzebeständig.

Die Entwicklung von PcBN-Werkzeugen war eng mit künstlichem Diamant verbunden. Diamant ist bekanntlich das härteste Material in der Natur. Abgesehen von seinem Wert als Edelstein ist er aufgrund seiner charakteristischen Eigenschaften ein hervorragendes Material für Werkzeuge wie Schleifsteine, Matrizen und Bohrer. 

Natürliches Diamantpulver wurde bereits 700 v. Chr. im alten Indien als Poliermittel verwendet. Um 1400 wurden in Belgien Poliermaschinen mit Diamantpulver verwendet, und um 1800 wurden in England Diamantziehsteine für die Herstellung von Klavierdraht entwickelt. 

In den 1950er Jahren begann die umfassende Erforschung der Diamantsynthese durch Sintern im Ultrahochdruckverfahren. Man ging davon aus, dass das Sintern von künstlichem Diamantpulver zur Herstellung eines Sinterkörpers die Entwicklung von Werkzeugen in einer Vielzahl von Ausführungen ermöglichen würde. Im Jahr 1955 wurde die weltweit erste künstliche Synthese von Diamant durch ein von Thomas Edison gegründetes amerikanisches Unternehmen durchgeführt. 1957 wurde mithilfe der für die künstliche Diamantsynthese entwickelten Ultrahochtemperatur- und Drucktechnologie das erste PcBN synthetisiert. 1969 wurde der CBN-Sinterkörper auf den Markt gebracht. 

Unter Ausnutzung dieser Spitzentechnologie begann das Mitsubishi Material Central Research Centre (das heutige Innovationszentrum) 1979 mit der Forschung und Entwicklung von CBN-Werkzeugen. 1982 gelang Mitsubishi Materials die Entwicklung eines PcBN-Sinterkörpers, und die Produktionslinie wurde in das Werk Gifu verlegt. 1983 erfolgte die Markteinführung von MB10 und MB20. In den 1990er Jahren wurden MB810, MB820 und MB825 eingeführt und vom Markt gut aufgenommen. Im Vergleich zu den damaligen Standard-Wendeschneidplatten waren diese jedoch teuer, was zu einem begrenzten Absatz führte.

In den späten 1990er Jahren, als Wettbewerber PcBN-Werkzeuge für allgemeine Anwendungen auf den Markt brachten, begann das Werk Gifu mit der Entwicklung neuer Materialien, die anderen überlegen sein sollten. Das Entwicklungsteam konzentrierte sich auf die Grenzflächenreaktionsschicht zwischen dem keramischen Bindemittel und den CBN-Partikeln, die für einen Sinterkörper verwendet werden. Die Herausforderung bestand in einer ungleichmäßigen Reaktionsschicht, die eine Erhöhung der Festigkeit des PcBN-Körpers verhinderte. Die Ungleichmäßigkeiten führten zu Verschleiß und anderen Schäden an den Werkzeugen. 

Nach vielen Versuchen nach dem Trial-and-Error-Prinzip entwickelte Mitsubishi Materials im Jahr 2000 eine einzigartige Technologie, das so genannte partikelaktivierte Sintern. Damit gelang es ihnen, eine gleichmäßige Reaktionsschicht an der Grenzfläche zu erzeugen und sowohl den Verschleiß als auch die Beschädigungen zu verringern. Bis dahin ging die Verbesserung einer Eigenschaft meist auf Kosten der anderen. 

Am 5. November 2003 brachte Mitsubishi Materials ein Werkzeug auf den Markt, das mit dem PcBN-Typ MB8025 hergestellt wurde, einem universell einsetzbaren Substrat, das auf dem partikelaktivierten Sinterverfahren basiert. Dies war der Beginn der zweiten Generation von PcBN-Werkzeugen, die die technologische Grundlage für PcBN-Werkzeuge bildete, die bis heute Bestand hat. 

Gleichzeitig wurde in den frühen 2000er Jahren die PVD-Beschichtungstechnologie sowohl von Mitsubishi Materials als auch von Wettbewerbern auf PcBN-Werkzeuge angewendet. Im Werk Gifu wurde die Miracle Beschichtungstechnologie auf der Basis von Titanaluminiumnitrid eingesetzt. Die Beschichtung mit Keramik, die eine hohe thermische Stabilität aufweist, führte zu einer deutlich längeren Standzeit der Werkzeuge 
im Vergleich zu unbeschichteten Produkten. 2005 brachte Mitsubishi Materials zwei beschichtete PcBN-Werkzeuge auf den Markt, d. h.die MBC010 für die kontinuierliche Bearbeitung, und die MBC020, für die allgemeine Bearbeitung.

Um die Überlegenheit von PcBN-Werkzeugen für die Fertigbearbeitung zu verstärken, müssen neben dem PcBN-Substrat und der PVD-Beschich­tung auch die Verfasungen (Mikro­geometrien) weiterentwickelt werden. Es gab nur drei Arten von Verfasungen: F (für die kontinuierliche Bearbeitung), G (für leicht unterbrochene Schnitte) und T (für stark unterbrochene Schnitte). Mitsubishi Materials kombinierte diese jedoch mit den Typen A (Standard Typ), S (Ratter- und Gratschutz) und N (Verschleißschutz auf der Schneidfläche), sodass neun Varianten entstanden. 

Das Werk Gifu veranstaltete auch Seminare für Händler, um die CBN-Werkzeuge von Mitsubishi Materials bekannter zu machen. Durch die Kombination von technischer Innovation und Projekten zum Vertriebsausbau strebte Mitsubishi Materials danach, sich bei der Produktentwicklung gegenüber seinen Wettbewerbern durchzusetzen. 

4 2020 ~
Weitergabe von Wissen und Technologie aus der Entwicklung an die nächste Generation

Die Entwicklung von PcBN-Werkzeugen im Werk Gifu wird ständig an die nächste Generation weitergegeben. Im April 2019 wurde ein neues Materialentwicklungsprojekt initiiert, bei dem der Schwerpunkt auf der Einbeziehung neuerer Mitarbeiter lag. Sie verfolgten eine Vielzahl von Ansätzen aus verschiedenen Perspektiven, nicht nur um die Standzeit der Werkzeuge zu verbessern, was ein ständiges Thema ist, sondern auch um die Anwendungsbereiche zu erweitern, die den Anforderungen des modernen Zerspanungsmarktes entsprechen werden.

Solche Ansätze trugen zur Entwicklung neuer Technologien bei, wie z. B. ultrafeinkörnige und hitzebeständige Bindemittel. Durch die Beibehaltung der Festigkeit des ultrafeinkörnigen Bindemittels zur Verringerung von Rissen wurde die Hitzebeständigkeit verbessert, um den Kolkverschleiß zu verringern. Die Aufbringung von Mehrlagenbeschichtungen führte auch zu einer Reduzierung von Ausbrüchen- und Erhöhung der Bruchfestigkeit. 2020 brachte Mitsubishi Materials die BC8200-Serie für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung auf den Markt und erzielte dabei eine verbesserte Effizienz. Die Standzeit bei der kontinuierlichen Bearbeitung mit der Sorte BC8210 verbesserte sich bei 200 m/min oder mehr auf das 1,4-Fache der Standzeit herkömmlicher Produkte. Die Standzeit der allgemeinen Sorte BC8220 ist bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, einschließlich Schnittunterbrechungen, mehr als 1,6-mal so hoch wie bei herkömmlichen Produkten.