Zróżnicowany kształt zębów współczesnych tarcz tnących utrudnia modyfikowanie ich powierzchni czynnych. W testach przemysłowych naukowcy i inżynierowie z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku wykazali, że nawet narzędzia o tak skomplikowanej geometrii można z powodzeniem doskonalić za pomocą implantacji jonów azotu. Co więcej, podczas pracy z materiałami drewnopochodnymi zmodyfikowane powierzchnie tnące okazują się nabierać interesujących właściwości.
Nasycanie powierzchni materiałów azotem od dekad znajduje zastosowanie przy poprawianiu właściwości użytkowych narzędzi metalowych – i nadal zaskakuje. W niedawno zakończonych testach przemysłowych udało się wykazać, że w przypadku tarcz pił tarczowych używanych w przemyśle drzewnym rezultatem implantacji jonów azotu są bardzo korzystne zmiany fizyko-chemiczne, ujawniające się w trakcie pracy zmodyfikowanego narzędzia z materiałem drewnopochodnym. Badania, zrealizowane przez zespół naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku i Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego (SGGW) w Warszawie z inicjatywy i przy współpracy z firmą Porta KMI Poland, zaowocowały artykułem w czasopiśmie „Applied Sciences”.
„Początkowo interesował nas przede wszystkim aspekt technologiczny zagadnienia, odpowiedź na pytanie, czy odpowiednia implantacja jonów azotu w przypadku obiektów o tak skomplikowanej geometrii jak zęby tarcz współczesnych pił tarczowych będzie w ogóle możliwa”, mówi dr Marek Barlak z Zakładu Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ.
Implantacja jonów polega na precyzyjnie kontrolowanym wprowadzaniu jonów domieszki w warstwę powierzchniową przedmiotu w celu poprawienia jej parametrów użytkowych. Proces, przeprowadzany w urządzeniu nazywanym implantatorem, rozpoczyna się od wytworzenia jonów. Uwolnione ze źródła, są one następnie rozpędzane w polu elektrycznym do energii kinetycznej dobranej adekwatnie do zamierzonej głębokości implantacji i rodzaju materiału tarczy. Po uformowaniu jonów w wiązkę obrabiany przedmiot zostaje wprowadzony w jej bieg na ściśle ustalony czas. Aby wiązka się nie rozpraszała, cały proces jest realizowany w komorze próżniowej.
W ramach raportowanych badań w NCBJ modyfikacjom poddano piły tarczowe używane przez firmę Porta do formatowania ościeżnic drzwiowych. W tym celu kilkucentymetrowej średnicy wiązkę jonów azotu w implantatorze kierowano na zęby powoli się obracającej tarczy. Po upływie założonego czasu implantacji zabieg wznawiano w zmienionej konfiguracji tarcza-wiązka.
Zmodyfikowane tarcze sprawdzano następnie w rzeczywistych zastosowaniach przemysłowych, każdą w parze z niezmodyfikowaną tarczą referencyjną pracującą tak samo długo, w tych samych warunkach i na tych samych materiałach drewnopodobnych. Po zakończeniu testów tarcze poddano na SGGW badaniom laboratoryjnym. Na tej podstawie ustalono, że podczas pracy z materiałem drewnopochodnym powierzchnia narzędzi zmodyfikowanych azotem pokrywała się wtórnymi strukturami zawierającymi węgiel amorficzny (czyli pozbawiony struktury krystalicznej). Zdaniem naukowców z NCBJ, struktury te były głównym czynnikiem odpowiedzialnym za zmniejszanie współczynnika tarcia powierzchni tnącej, przekładającym się na istotne wydłużenie żywotności narzędzia.
„Od strony naukowej najciekawszy okazał się fakt, że choć wspomniane struktury z węgla amorficznego, zwane filmem surfingowym, zużywają się jak każdy element narażony na tarcie, to jednocześnie mają tendencję do odbudowywania się w interakcji z ciętym materiałem. Mamy więc tu coś w rodzaju smaru, który tworzy się samoczynnie”, zauważa dr Barlak.
Dr Jacek Wilkowski z Katedry Mechanicznej Obróbki Drewna SGGW, dodaje: „Drogą do praktycznie nieskończonej trwałości narzędzi skrawających jest zachowanie dynamicznej stabilności tempa wytwarzania filmu surfingowego z tempem jego destrukcji, w dowolnie długim czasie, pod warunkiem stałego dopływu energii i materii”.
Badania naukowców z NCBJ i SGGW pozwoliły oszacować, że dzięki implantacji jonów azotu żywotność tarcz zmodyfikowanych wzrosła mniej więcej trzykrotnie w stosunku do tarcz referencyjnych. Ponadto żywotność ta pozostawała mniej więcej stała, co w warunkach przemysłowych ułatwiłoby wymianę zużytych narzędzi i optymalizację procesów produkcyjnych.
Jako instytucja naukowa NCBJ nie zajmuje się działaniami na skalę przemysłową. Inżynierowie ze Świerka podkreślają jednak możliwość przygotowania dla celów badawczo-wdrożeniowych niewielkich serii narzędzi modyfikowanych opisaną wyżej metodą.
Dr Marek Pawłowski, NCBJ
