Wear and fracture mechanisms of coated Pc-BN inserts
Tutor/a - Director/a
Estudiante
Vilella i Crosas, Tània
Tipo de documento
Trabajo final de grado
Fecha
2020
rights
Acceso abierto
Editorial
Universitat Politècnica de Catalunya
Titulaciones
UPCommons
Resumen
In the last years, the interest in polycrystalline cubic boron nitride (Pc-BN) as a tool material has
significantly grown, especially for turning operations involving difficult-to-cut materials. This is related
to the fact that it is the second hardest material, behind diamond, while also exhibiting hightemperature strength, thermal stability and chemical inertness. Within this context, Pc-BN makes
possible the use of extreme cutting conditions; thus, reducing the production costs. Moreover, the
employment of hard thin film ceramic layers deposited on Pc-BN substrates extends the tool life,
yielding it an eco-friendly attribute, as it opens the possibility of reducing or even eliminate the use of
lubricant and coolants in the machining operations.
The aforementioned high mechanical properties are intrinsically linked to its microstructure. Pc-BN is
a composite material consisting of cubic boron nitride (c-BN) particles embedded in a ceramic (e.g. TiC,
TiN, WC, AlN, etc.) or metallic matrix (e.g. Co-based alloys). In general, ceramic matrices are found in
low and medium c-BN content substrates, whereas metallic ones are employed for binding high c-BN
content materials. Accordingly, ceramic matrices are commonly used in turning operations, where
continuous contact with high temperatures generated are present. On the other hand, metallic
matrices with high c-BN content are implemented in milling operations, where higher toughness is
required due to the interrupted-cutting nature (multiple impacts) involved in this machining operation.
The main objective of this project is to review and analyse the wear and fracture mechanisms of coated
Pc-BN inserts. Within this framework, critical microstructural design parameters, such as coating
chemical nature, Pc-BN microstructure and chemical nature, will be analysed. The machined workmaterial and cutting operation involved will be also studied. Finally, identification and setting of
correlations among the different variables will be attempted. In order to achieve these objectives, an
in-depth literature research will be conducted. The results indicate that flank wear isthe main contactrelated degradation mechanism for the coated Pc-BN systems studied. It is followed by crater wear,
and less extended notch wear. Moreover, the use of coatings in Pc-BN tools allows to subject these
tools to more extreme conditions compared to other tool materials. Unfortunately, specific
correlations among coating-substrate-workpiece have not been identified. Main reasons behind is the
extremely large number of variables involved in the different studies as well as the limited amount of
literature in this subject.
One main conclusion of the literature search and critical analysis done is that interest in Pc-BN
composite has prominently grown over the last two decades, particularly because it has proven to be
a reliable competitor for cemented carbides as tool materials in the referred applications. Although
production cost is still a variable in favour of cemented carbides, as compared to Pc-BN based tools,
the fact that the latter can be used under more extreme conditions is considered a key attribute.
Durant els últims anys, l'interès pel nitrur de bor cúbic policristal·lí (Pc-BN), com a material per a eines,
ha augmentat significativament, especialment en operacions de tornejat de materials difícils de
mecanitzar. Aquest fet es deu a que és el segon material més dur, darrere del diamant, fins i tot a altes
temperatures; a part de ser inert químicament, i també presentar bona resistència a altes
temperatures i estabilitat tèrmica. Sota aquest context, el Pc-BN fa possible el mecanitzat sota
condiciones extremes, reduint així els costos associats a la producció. Així mateix, l'ús de capes fines
de ceràmiques dures allarga la vida útil de l'eina i fa que les operacions de mecanitzat siguin més
sostenibles mediambientalment, degut a que obre la possibilitat de reduir, i fins i tot eliminar, l'ús de
lubricants i refrigerants en el mecanitzat.
Les propietats mecàniques que s'han mencionat prèviament, estan intrínsecament relacionades a la
seva microestructura. El Pc-BN és un material compost format per partícules de nitrur de bor cúbic (cBN) lligades en una matriu ceràmica (com per exemple TiC, TiN, WC, AlN, etc.) o en una matriu
metàl·lica (com per exemple una basada en un aliatge de Co). En general, les matrius ceràmiques es
troben en substrats amb un contingut de c-BN Baix o mitjà, mentre que les matrius metàl·liques es
troben en substrats amb alts continguts de c-BN. Degut a aquest fet, les matrius ceràmiques
generalment s'utilitzen en operacions de tornejat, on hi ha un contacte constant i on es generen altes
temperatures. Per altra banda, normalment les matrius metàl·liques amb alt contingut de c-BN es
troben en aplicacions interrompudes on la tenacitat és un dels principals requeriments, degut a l'alta
generació d'impactes durant el mecanitzat.
L'objectiu principal d'aquest projecte és fer una revisió i analitzar els mecanismes de desgast i fractura
de plaquetes recobertes de Pc-BN. Per altra banda, també s'analitzaran els paràmetres crítics de
disseny microestructural, com ara la composició química dels recobriments, la microestructura del PcBN o la seva naturalesa química. Els materials mecanitzats i les operacions de tall involucrades també
s'estudiaran al llarg d'aquest projecte. Finalment, s'intentaran relacionar diferents variables
relacionades amb el mecanitzat amb aquestes eines. Per tal d'aconseguir aquests objectius, es
realitzarà una recerca literària. Els estudis indiquen que el principal mecanisme de desgast pels
diferents sistemes recoberts estudiats, és el conegut com a flank wear, seguit pel crater wear, i
finalment, en menor mesura, notch wear. A més a més, s'ha comprovat que l'ús de recobriments en el
Pc-BN permet mecanitzar en condicions més extremes, comparat amb altres materials d'eines.
Malauradament, no s'han pogut identificar relacions específiques entre els recobriments-substratsmaterials mecanitzats. Les raons principals són que el número de variables en les publicacions
revisades és molt gran i que la informació existent en aquest tema és relativament escassa. En tot cas,
una conclusió important de la revisió, és que l'interès en aquest compost ha crescut de forma rellevant durant les últimes dues dècades, període en el qual s'ha consolidat com a una alternativa molt
competitiva dels carburs cementats.
En los últimos años, el interés por el nitruro de boro cúbico policristalino (Pc-BN) como material para
herramientas ha aumentado significativamente, especialmente en operaciones de torneado de
materiales difíciles de cortar. Esto se debe a que es el segundo material más duro, por detrás del
diamante, incluso a altas temperaturas; además de ser químicamente inerte, y presentar buena
resistencia a altas temperaturas y estabilidad térmica. En este contexto, el Pc-BN hace posible el
mecanizado bajo condiciones extremas, rediciendo así los costes asociados a la producción. Asimismo,
el empleo de capas finas de cerámicas duras prolonga la vida útil de la herramienta, además de hacer
este material más sostenible medioambientalmente, debido a que abre la posibilidad de reducir, e
incluso eliminar, el uso de lubricantes y refrigerantes en las operaciones de mecanizado.
Las propiedades mecánicas previamente postuladas están intrínsecamente relacionadas a su
microestructura. El Pc-BN es un material compuesto formado por partículas de nitruro de boro cúbico
(c-BN) ligadas en una matriz cerámica (por ejemplo, TiC, TiN, WC, AlN, etc.) o metálica (por ejemplo,
basada en una aleación de Co). En general, las matrices cerámicas se encuentran en sustratos con
contenido de c-BN bajo o medio, mientras que las matrices metálicas se encuentran en sustratos con
alto contenido de c-BN. Debido a esto, las matrices cerámicas generalmente se usan en operaciones
de torneado, donde hay contacto constante y se generan altas temperaturas. Por su parte, las matrices
metálicas, con alto contenido de c-BN,se usan para el fresado de materiales donde la tenacidad es uno
de los requerimientos más importantes, debido al corte interrumpido (impactos) que ocurren durante
esta operación de mecanizado.
El objetivo principal de este proyecto es hacer una revisión y analizar los mecanismos de desgaste y
fractura de plaquitas recubiertas de Pc-BN. Por otro lado, se analizarán diversos parámetros críticos en
el diseño microestructural de estas herramientas, como la composición química de los recubrimientos,
la microestructura del Pc-BN o su naturaleza química. Los materiales mecanizaos y las operaciones de
corte involucradas también se estudiarán en este proyecto. Finalmente, se intentará correlacionar
distintas variables asociadas con las herramientas recubiertas de Pc-BN. Con el fin de alcanzar estos
objetivos, se realizará una búsqueda literaria. Los resultados indican que el principal mecanismo de
desgaste, por los sistemas recubiertos estudiados, es el conocido como flank wear, seguido por crater
wear, y en menor medida notch wear. Además, el uso de recubrimientos en el Pc-BN se ha visto que
permite el uso de condiciones más extremas, comparado con otros materiales de herramientas.
Desafortunadamente, no se han podido identificar relaciones especificas entre recubrimientossustratos-materiales mecanizados. Las razones principales de ello son que el número de variables en
las publicaciones revisadas es muy grande y que la información existente en este tema es
relativamente escasa. En todo caso, una conclusión importante de la revisión es que el interés en este compuesto ha crecido de forma relevante durante las dos últimas décadas, período en el cual él se ha
consolidado como una alternativa muy competitiva de los carburos cementados.
