CBN

CBN

CBN ist die Abkürzung für kubisches Bornitrid. Es handelt sich um einen synthetisch hergestellten Schneidstoff, der nach Diamant zu den härtesten bekannten Werkstoffen gehört.

CBN wird hauptsächlich für die Zerspanung gehärteter Stähle, harter Gusswerkstoffe und ausgewählter hochwarmfester Legierungen eingesetzt. Ein typisches Anwendungsgebiet ist das Hartdrehen von Bauteilen mit einer Härte von etwa 45 bis über 65 HRC.

Im Gegensatz zu Diamant reagiert CBN nicht in vergleichbarer Weise mit Eisen. Dadurch eignet sich der Schneidstoff besonders für eisenhaltige Werkstoffe, für die MKD- und PKD-Werkzeuge normalerweise ungeeignet sind.

Aufbau von CBN

Bornitrid ist eine chemische Verbindung aus Bor und Stickstoff. Es kann in unterschiedlichen Kristallstrukturen auftreten.

Die kubische Kristallstruktur des Bornitrids ähnelt dem Aufbau von Diamant. Dadurch besitzt CBN eine sehr hohe Härte, Druckfestigkeit und Warmhärte.

Kubisches Bornitrid kommt in dieser Form nicht in wirtschaftlich nutzbaren natürlichen Vorkommen vor. Es wird daher synthetisch unter hohem Druck und hoher Temperatur hergestellt.

Unterschied zwischen CBN und PCBN

Die Begriffe CBN und PCBN werden im allgemeinen Sprachgebrauch häufig gleichgesetzt. Technisch besteht jedoch ein Unterschied.

CBN bezeichnet den eigentlichen Schneidstoff beziehungsweise die einzelnen kubischen Bornitridkristalle.

PCBN bedeutet polykristallines kubisches Bornitrid. Dabei werden viele CBN-Körner unter hohem Druck und hoher Temperatur miteinander verbunden. Zusätzlich können keramische oder metallische Bindemittel enthalten sein.

Industrielle Wendeschneidplatten bestehen deshalb normalerweise aus PCBN, werden im täglichen Sprachgebrauch aber meist einfach als CBN-Platten bezeichnet.

Herstellung von PCBN

Bei der Herstellung werden CBN-Körner gemeinsam mit einem Bindemittel unter hohem Druck und hoher Temperatur gesintert. Dabei entsteht ein kompakter polykristalliner Schneidstoff.

Als Bindemittel können unter anderem verwendet werden:

• keramische Binder,
• Titannitrid,
• Titancarbid,
• Aluminiumverbindungen,
• metallische Bindemittel.

Art und Anteil des Bindemittels beeinflussen:

• Härte,
• Zähigkeit,
• Verschleißfestigkeit,
• chemische Beständigkeit,
• Wärmeleitfähigkeit,
• Eignung für kontinuierliche oder unterbrochene Schnitte.

Eigenschaften von CBN

CBN besitzt mehrere Eigenschaften, die den Schneidstoff für die Hartbearbeitung geeignet machen:

• sehr hohe Härte,
• hohe Druckfestigkeit,
• hohe Warmhärte,
• hohe Verschleißfestigkeit,
• gute chemische Beständigkeit gegenüber Eisen,
• hohe Temperaturbeständigkeit,
• geringe Neigung zu Aufbauschneiden,
• hohe Maßhaltigkeit,
• gute Eignung für hohe Schnittgeschwindigkeiten.

CBN ist jedoch spröde und empfindlich gegenüber ungünstigen Schnittbedingungen, Schlägen, Schwingungen und falscher Werkzeuggeometrie.

Geeignete Werkstoffe

CBN wird vor allem für harte eisenhaltige Werkstoffe verwendet.

Typische Werkstoffe sind:

• gehärtete Einsatzstähle,
• gehärtete Vergütungsstähle,
• Werkzeugstähle,
• Schnellarbeitsstähle,
• gehärtete Lagerstähle,
• Grauguss,
• Hartguss,
• Kugelgraphitguss,
• Sintermetalle,
• pulvermetallurgische Stähle,
• ausgewählte Nickelbasislegierungen,
• ausgewählte Kobaltbasislegierungen,
• aufgeschweißte oder thermisch gespritzte Hartschichten.

Ob CBN geeignet ist, hängt nicht nur von der Werkstoffbezeichnung, sondern auch von Härte, Gefüge, Bearbeitungszustand und Schnittart ab.

Mindesthärte des Werkstücks

CBN erreicht seine Vorteile besonders bei gehärteten Werkstoffen. Als grobe Orientierung wird CBN häufig ab einer Werkstückhärte von ungefähr 45 HRC eingesetzt.

Bei niedrigeren Härten können sich ungünstige Verschleißmechanismen entwickeln. Der Werkstoff kann stärker schmieren oder an der Schneide anhaften. In solchen Fällen sind Hartmetall, Cermet oder Schneidkeramik häufig wirtschaftlicher.

Der genaue Einsatzbereich hängt von der CBN-Sorte und dem Werkstückwerkstoff ab.

Hartdrehen

Das Hartdrehen ist eines der wichtigsten Einsatzgebiete von CBN. Dabei werden gehärtete Werkstücke unmittelbar durch Drehen fertigbearbeitet.

Typische Bauteile sind:

• Wellen,
• Zahnräder,
• Lagerringe,
• Lagerstellen,
• Buchsen,
• Getriebeteile,
• Formeinsätze,
• Hydraulikkomponenten,
• gehärtete Dichtflächen.

Hartdrehen kann in bestimmten Anwendungen das Schleifen teilweise oder vollständig ersetzen.

Vorteile des Hartdrehens

Im Vergleich zum Schleifen kann Hartdrehen folgende Vorteile bieten:

• Bearbeitung auf einer CNC-Drehmaschine,
• flexible Konturgestaltung,
• kürzere Rüstzeiten,
• Bearbeitung mehrerer Flächen in einer Aufspannung,
• einfache Werkzeugwechsel,
• häufig trockene Bearbeitung möglich,
• geringerer Kühlschmierstoffbedarf,
• kontrollierbare Spanbildung,
• hohe Maß- und Formgenauigkeit.

Ob Hartdrehen das Schleifen ersetzen kann, muss für jedes Bauteil einzeln geprüft werden. Sehr hohe Anforderungen an Rundheit, Welligkeit, Randzone oder Oberflächenstruktur können weiterhin eine Schleifbearbeitung erforderlich machen.

CBN-Gehalt

PCBN-Schneidstoffe werden häufig nach ihrem CBN-Anteil unterschieden.

Niedriger CBN-Gehalt

Sorten mit geringerem CBN-Anteil enthalten einen höheren Anteil keramischer Bindemittel.

Sie eignen sich häufig für:

• gehärtete Stähle,
• kontinuierliche Schnitte,
• leicht unterbrochene Schnitte,
• hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität,
• hohe chemische Verschleißfestigkeit.

Der geringere CBN-Anteil bedeutet nicht automatisch eine geringere Leistungsfähigkeit. Bei gehärteten Stählen können bindemittelreiche Sorten eine besonders hohe Verschleißfestigkeit erreichen.

Hoher CBN-Gehalt

Sorten mit hohem CBN-Anteil besitzen meist eine höhere Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Sie eignen sich häufig für:

• Grauguss,
• Hartguss,
• Sinterwerkstoffe,
• stark unterbrochene Schnitte,
• große Schnitttiefen,
• höhere mechanische Belastungen.

Die genaue Auswahl muss anhand der Herstellerangaben und der Bearbeitungsaufgabe erfolgen.

CBN-Schneidplatten

CBN-Wendeschneidplatten können unterschiedlich aufgebaut sein.

Voll-CBN-Platte

Die gesamte Schneidplatte beziehungsweise ein großer Teil des Schneidkörpers besteht aus PCBN.

Vorteile sind:

• mehrere nutzbare Schneidkanten,
• hohe Stabilität,
• gute Wärmeableitung,
• Eignung für anspruchsvolle Bearbeitungen.

Voll-CBN-Platten sind aufgrund des hohen Schneidstoffanteils vergleichsweise teuer.

CBN-bestückte Platte

Bei einer bestückten Wendeschneidplatte ist nur ein kleiner CBN-Schneidkörper mit einem Hartmetallträger verbunden.

Vorteile sind:

• geringerer CBN-Verbrauch,
• niedrigere Werkzeugkosten,
• Hartmetall als stabiler Träger,
• unterschiedliche Schneidengeometrien möglich.

Bestückte Platten besitzen abhängig von ihrer Ausführung häufig nur eine oder wenige nutzbare Schneidkanten.

CBN-beschichtete oder gelaserte Schneidkörper

Moderne Werkzeuge können zusätzliche Beschichtungen oder speziell präparierte Schneidkanten besitzen. Diese sollen Verschleiß, Reibung oder Schneidkantenbelastung beeinflussen.

Die Beschichtung ersetzt jedoch nicht den eigentlichen PCBN-Schneidstoff.

Schneidkantengeometrie

Die Schneidkantengeometrie hat bei der CBN-Bearbeitung einen großen Einfluss auf Standzeit, Prozesssicherheit und Oberfläche.

CBN-Schneiden werden häufig nicht messerscharf ausgeführt. Stattdessen erhalten sie eine gezielte Schneidkantenpräparation.

Typische Ausführungen sind:

• scharfe Schneidkante,
• verrundete Schneidkante,
• Schutzfase,
• Schutzfase mit Verrundung,
• negative Fase,
• unterschiedliche Fasenbreiten und Fasenwinkel.

Eine stabile Fase erhöht die Widerstandsfähigkeit der Schneide, vergrößert jedoch die Schnittkräfte. Eine scharfe Schneide reduziert die Kräfte, ist aber empfindlicher gegenüber Ausbrüchen.

Schutzfase

Die Schutzfase stabilisiert die CBN-Schneidkante gegen mechanische Belastungen.

Eine breite oder stark negative Fase eignet sich häufig für:

• unterbrochene Schnitte,
• harte Gusshaut,
• größere Schnitttiefen,
• instabile Bearbeitungsbedingungen.

Eine kleine Fase oder fein verrundete Schneide eignet sich eher für:

• Schlichtbearbeitung,
• kontinuierliche Schnitte,
• dünnwandige Werkstücke,
• geringe Schnittkräfte,
• hohe Oberflächenanforderungen.

Eckenradius

Der Eckenradius beeinflusst sowohl die Oberflächenrauheit als auch die Stabilität der Bearbeitung.

Ein größerer Eckenradius kann:

• die theoretische Rauheit reduzieren,
• die Schneidkante stabilisieren,
• höhere Vorschübe ermöglichen,
• die radialen Schnittkräfte erhöhen,
• Schwingungen begünstigen.

Ein kleinerer Eckenradius kann:

• radiale Kräfte verringern,
• die Bearbeitung filigraner Konturen ermöglichen,
• bei gleichem Vorschub stärkere Vorschubriefen erzeugen,
• mechanisch empfindlicher sein.

Bei langen, dünnen oder instabil gespannten Werkstücken kann ein zu großer Eckenradius Maß- und Formfehler verursachen.

Wiper-Geometrie

CBN-Platten können mit Wiper-Geometrie ausgeführt sein. Eine Wiper-Schneide besitzt einen speziell gestalteten Bereich, der die Vorschubriefen glättet.

Dadurch kann:

• bei gleichem Vorschub eine bessere Oberfläche erreicht werden,
• bei gleicher Oberfläche der Vorschub erhöht werden,
• die Bearbeitungszeit reduziert werden.

Die korrekte Einbaulage der Wendeschneidplatte ist für die Funktion der Wiper-Geometrie entscheidend.

Schnittgeschwindigkeit

CBN wird häufig mit deutlich höheren Schnittgeschwindigkeiten als Hartmetall eingesetzt. Die entstehende Wärme wird größtenteils über den Span abgeführt.

Die geeignete Schnittgeschwindigkeit hängt ab von:

• Werkstückwerkstoff,
• Werkstückhärte,
• CBN-Gehalt,
• Bindemittel,
• Schnittart,
• Schnitttiefe,
• Vorschub,
• Kühlstrategie,
• Maschinenstabilität.

Eine zu niedrige Schnittgeschwindigkeit kann bei bestimmten Werkstoffen zu ungünstigem Verschleiß oder unruhiger Spanbildung führen. Eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit kann thermischen oder chemischen Verschleiß beschleunigen.

Vorschub

Der Vorschub beeinflusst:

• Spanungsdicke,
• Schnittkräfte,
• Oberflächenrauheit,
• Werkzeugstandzeit,
• Bearbeitungszeit.

Ein zu hoher Vorschub erhöht die mechanische Belastung der Schneide. Ein zu niedriger Vorschub kann dazu führen, dass die Schneide nicht mehr sauber schneidet und verstärkt über die gehärtete Oberfläche reibt.

Beim Schlichten wird der Vorschub gemeinsam mit Eckenradius und gewünschter Rauheit ausgewählt.

Schnitttiefe

Die Schnitttiefe muss auf die Schneidengeometrie und die vorhandene Härteschicht abgestimmt werden.

Bei einsatzgehärteten Bauteilen darf die Bearbeitung die vorgesehene Randschichthärte nicht unzulässig reduzieren. Gleichzeitig sollte die Schnitttiefe groß genug sein, um unter möglichen Randfehlern, Oxidschichten oder Härtespitzen zu schneiden.

Eine sehr geringe Schnitttiefe kann zu erhöhtem Reiben führen. Eine zu große Schnitttiefe überlastet die spröde CBN-Schneide.

Trockenbearbeitung

CBN wird beim Hartdrehen häufig trocken eingesetzt. Die hohe Warmhärte des Schneidstoffs ermöglicht die Bearbeitung bei hohen Temperaturen.

Vorteile der Trockenbearbeitung sind:

• kein Kühlschmierstoff erforderlich,
• kein Temperaturschock durch unterbrochene Kühlung,
• geringerer Reinigungsaufwand,
• trockene Späne,
• geringere Entsorgungskosten.

Die Maschine muss jedoch gegen heiße Späne geschützt sein. Außerdem kann sich das Werkstück thermisch ausdehnen, was bei engen Toleranzen berücksichtigt werden muss.

Kühlschmierstoff

Eine Nassbearbeitung ist mit geeigneten CBN-Sorten grundsätzlich möglich. Der Kühlschmierstoff muss dann gleichmäßig und ausreichend zugeführt werden.

Eine ungleichmäßige Kühlung kann zu thermischen Wechselbelastungen führen. Besonders bei unterbrochenen Schnitten besteht dadurch die Gefahr von Rissen und Schneidenausbrüchen.

Deshalb gilt häufig:

• entweder konsequent trocken bearbeiten,
• oder Kühlschmierstoff kontinuierlich und in ausreichender Menge zuführen.

Ein gelegentliches oder unterbrochenes Besprühen der heißen Schneide sollte vermieden werden.

Kontinuierlicher Schnitt

Bei einem kontinuierlichen Schnitt bleibt die Schneide dauerhaft im Eingriff. Dadurch entstehen vergleichsweise gleichmäßige thermische und mechanische Belastungen.

Für kontinuierliche Schnitte können verschleißfeste CBN-Sorten mit geringerem CBN-Gehalt besonders geeignet sein.

Typische Anwendungen sind:

• durchgehende Außendurchmesser,
• Bohrungen ohne Unterbrechungen,
• glatte Stirnflächen,
• kontinuierliche Konturen.

Unterbrochener Schnitt

Bei einem unterbrochenen Schnitt tritt die Schneide wiederholt in das Werkstück ein und aus.

Ursachen können sein:

• Nuten,
• Querbohrungen,
• Verzahnungen,
• unterbrochene Flächen,
• Gusshaut,
• unterschiedliche Aufmaße.

Die wechselnde Belastung erhöht das Risiko von Ausbrüchen. Für solche Anwendungen werden meist zähere CBN-Sorten, stabile Schneidkanten und angepasste Schnittwerte benötigt.

Anforderungen an die Maschine

CBN kann nur dann wirtschaftlich eingesetzt werden, wenn Maschine, Werkzeug und Werkstück ausreichend stabil sind.

Wichtige Voraussetzungen sind:

• steife Werkzeugmaschine,
• spielfreie Führungen,
• guter Spindelzustand,
• stabiler Werkzeughalter,
• kurze Werkzeugauskragung,
• sichere Werkstückspannung,
• geringer Rundlauf,
• ausreichende Antriebsleistung,
• gleichmäßiger Bearbeitungszustand.

Schwingungen führen bei CBN schnell zu Schneidenausbrüchen und schlechten Oberflächen.

Werkstückspannung

Gehärtete Werkstücke müssen sicher und möglichst verformungsarm gespannt werden.

Besonders zu beachten sind:

• dünnwandige Bauteile,
• gehärtete Lagerringe,
• lange Wellen,
• Bauteile mit unterbrochenen Flächen,
• bereits fertigbearbeitete Spannflächen.

Eine zu hohe Spannkraft kann das Werkstück verformen. Nach dem Ausspannen entstehen dann Rundheits- oder Maßfehler.

Verschleißarten

Bei CBN können verschiedene Verschleißformen auftreten:

• Freiflächenverschleiß,
• Kolkverschleiß,
• Kerbverschleiß,
• Schneidenausbrüche,
• Rissbildung,
• Abplatzungen,
• thermischer Verschleiß,
• chemischer Verschleiß,
• plastische Veränderung des Bindemittels.

Ein gleichmäßiger Freiflächenverschleiß ist häufig besser kontrollierbar als plötzliche Schneidenausbrüche.

Verschleiß erkennen

Mögliche Anzeichen für eine verschlissene oder beschädigte CBN-Schneide sind:

• zunehmende Oberflächenrauheit,
• Maßabweichungen,
• steigende Schnittkräfte,
• Gratbildung,
• Funkenbildung,
• verändertes Spanbild,
• Rattermarken,
• helle oder dunkle Bearbeitungszonen,
• plötzlich auftretende Riefen.

Die Schneidkante sollte mit einer geeigneten Vergrößerung kontrolliert werden.

Oberflächenqualität

Mit CBN können beim Hartdrehen sehr gute Oberflächen erzielt werden. Die erreichbare Rauheit hängt unter anderem ab von:

• Vorschub,
• Eckenradius,
• Wiper-Geometrie,
• Schneidkantenpräparation,
• Maschinenzustand,
• Werkstückhärte,
• Schnittgeschwindigkeit,
• Schwingungen,
• Werkzeugverschleiß.

Eine geringe Rauheit allein reicht jedoch nicht zur Beurteilung der Bauteilqualität aus. Zusätzlich können Rundheit, Welligkeit, Traganteil und Randzonenveränderungen entscheidend sein.

Randzonenbeeinflussung

Beim Hartdrehen können hohe mechanische und thermische Belastungen die Werkstückrandzone verändern.

Mögliche Veränderungen sind:

• Eigenspannungen,
• Anlasszonen,
• Weißschichten,
• Gefügeveränderungen,
• Mikrorisse,
• Härteänderungen.

Die Gefahr steigt bei verschlissenen Werkzeugen, ungeeigneten Schnittwerten und übermäßiger Wärmeentwicklung.

Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen muss deshalb nicht nur die Oberfläche, sondern auch die Randzone geprüft werden.

Typische Anwendungen

CBN wird unter anderem eingesetzt für:

• Hartdrehen von Wellen,
• Bearbeitung von Lagerringen,
• Fertigbearbeitung von Zahnrädern,
• Drehen gehärteter Buchsen,
• Bearbeitung von Getriebeteilen,
• Hartfräsen,
• Bearbeitung von Grauguss,
• Bearbeitung von Hartguss,
• Zerspanung gesinterter Werkstoffe,
• Bearbeitung von Werkzeugstählen,
• Fertigbearbeitung gehärteter Formeinsätze.

Vorteile

Die wichtigsten Vorteile von CBN sind:

• sehr hohe Härte,
• hohe Warmhärte,
• hohe Verschleißfestigkeit,
• geeignet für gehärtete Stähle,
• geeignet für hohe Schnittgeschwindigkeiten,
• gute Maßhaltigkeit,
• sehr gute Oberflächen möglich,
• Trockenbearbeitung häufig möglich,
• Schleifoperationen können teilweise ersetzt werden,
• lange Standzeiten bei stabilen Bedingungen.

Nachteile

CBN besitzt auch Einschränkungen:

• hohe Werkzeugkosten,
• spröder Schneidstoff,
• empfindlich gegen Schwingungen,
• Gefahr von Schneidenausbrüchen,
• nicht immer wirtschaftlich bei weichen Werkstoffen,
• hohe Anforderungen an Maschine und Spannung,
• sorgfältige Sortenauswahl erforderlich,
• mögliche Randzonenbeeinflussung beim Hartdrehen.

Vergleich von CBN, Hartmetall, Keramik und Diamant

Schneidstoff	Typische Anwendung	Wesentliche Eigenschaft
Hartmetall	Allgemeine Stahl-, Guss- und NE-Bearbeitung	Zäh und vielseitig
Cermet	Schlichten von Stahl	Gute Oberfläche und geringe Aufbauschneidenneigung
Schneidkeramik	Guss, gehärtete Werkstoffe und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung	Hohe Warmhärte, aber spröde
CBN	Gehärteter Stahl und harte Gusswerkstoffe	Sehr hohe Warmhärte und Verschleißfestigkeit
PKD	Abrasive Nichteisenwerkstoffe und Verbundwerkstoffe	Hohe Standzeit bei NE-Werkstoffen
MKD	Ultrapräzisionsbearbeitung und Hochglanzdrehen	Extrem scharfe Schneide und höchste Oberflächenqualität

Auswahl einer CBN-Sorte

Bei der Auswahl sollten mindestens folgende Informationen bekannt sein:

• Werkstoffbezeichnung,
• Werkstückhärte,
• Gefügezustand,
• kontinuierlicher oder unterbrochener Schnitt,
• vorhandenes Aufmaß,
• gewünschte Oberflächenqualität,
• zulässige Maßabweichung,
• Maschinenstabilität,
• Trocken- oder Nassbearbeitung,
• Schrupp- oder Schlichtbearbeitung.

Die Auswahl allein nach der Angabe „CBN“ reicht nicht aus. Unterschiede bei CBN-Gehalt, Korngröße, Binder und Schneidkantenpräparation können das Einsatzverhalten erheblich verändern.

Sicherheit

Bei der CBN-Bearbeitung entstehen häufig heiße und scharfkantige Späne. Diese dürfen nicht mit der Hand entfernt werden.

Zu beachten sind:

• Maschinentür geschlossen halten,
• zulässige Drehzahl des Spannmittels einhalten,
• Werkstück sicher spannen,
• geeigneten Späneschutz verwenden,
• heiße Späne kontrolliert abführen,
• Werkzeug vor dem Messen abkühlen lassen,
• Schneidplatten sachgerecht montieren,
• beschädigte Platten nicht weiterverwenden.

Zusammenfassung

CBN ist ein synthetischer, extrem harter Schneidstoff für die Bearbeitung gehärteter Stähle, harter Gusswerkstoffe und ausgewählter Hochleistungswerkstoffe. Industrielle Schneidplatten bestehen normalerweise aus polykristallinem kubischem Bornitrid und werden daher technisch als PCBN bezeichnet.

Die wichtigsten Anwendungsgebiete sind Hartdrehen und Hartfräsen. Unter geeigneten Bedingungen kann CBN sehr gute Oberflächen, hohe Maßgenauigkeit und lange Standzeiten erreichen und dadurch Schleifbearbeitungen teilweise ersetzen.

Für einen wirtschaftlichen Einsatz müssen CBN-Gehalt, Bindemittel, Schneidkantenpräparation, Schnittart und Werkstückhärte aufeinander abgestimmt werden. Eine stabile Maschine, kurze Werkzeugauskragung und sichere Werkstückspannung sind besonders wichtig, da CBN empfindlich auf Schwingungen und Stoßbelastungen reagiert.