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 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.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

„Influence of Ion Implantation on the Wear and Lifetime of Circular Saw Blades in Industrial Production of Wooden Door Frames”, J. Wilkowski, M. Barlak, Z. Kwidziński, A. Wilczyński, P. Filipczuk, M. Pędzik, M. Drewczyński, J. Zagórski, B. Staszkiewicz, T. Rogoziński, Applied Sciences 12(20), 10211, 2022, DOI: https://doi.org/10.3390/app122010211

ILUSTRACJE:

Fot. 1. Zęby piły tarczowej do drewna modyfikowanej za pomocą implantacji jonów (widoczne różnice w geometrii zębów). Po prawej zdjęcie mikroskopowe obrazujące różnice w zużyciu między narzędziem niemodyfikowanym (na górze) a udoskonalonym w NCBJ (na dole). Ciemniejsze obszary na dolnym zębie to odtwarzające się struktury amorficznego węgla. Zdjęcia mikroskopowe w kolorach sztucznych. (Źródło: NCBJ/PORTA)

Fot. 2. Zdjęcie mikroskopowe obrazujące różnice w zużyciu między zębem niezmodyfikowanej piły tarczowej (na górze) a zębem piły udoskonalonym w NCBJ za pomocą implantacji jonów (na dole). Ciemniejsze obszary na zębie zmodyfikowanym to odtwarzające się struktury amorficznego węgla. Zdjęcie w kolorach sztucznych. (Źródło: NCBJ/PORTA)

Fot. 3. Zęby piły tarczowej do drewna modyfikowanej za pomocą implantacji jonów. Widoczne różnice w geometrii zębów. (Źródło: NCBJ/PORTA)