Aktualności
Badania
06 Marca
Zęby piły tarczowej do drewna modyfikowanej za pomocą implantacji jonów. Widoczne różnice w geometrii zębów; źródło: NCBJ/PORTA
Opublikowano: 2023-03-06

Przemysł drzewny może zyskać na implantacji jonów

Zróżnicowany kształt zębów współczesnych tarcz tnących utrudnia modyfikowanie ich powierzchni czynnych. W testach przemysłowych naukowcy i inżynierowie z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku oraz Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego 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 prowadzili naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku i Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie z inicjatywy i przy współpracy z firmą Porta KMI Poland.

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 badań w NCBJ modyfikacjom poddano piły tarczowe używane 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.

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.

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 – przyznaje dr Jacek Wilkowski z Katedry Mechanicznej Obróbki Drewna SGGW.

Inżynierowie z NCBJ zapowiadają przygotowanie dla celów badawczo-wdrożeniowych niewielkich serii narzędzi modyfikowanych opisaną wyżej metodą. Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie Applied Sciences.

źródło: NCBJ

Dyskusja (0 komentarzy)