Trwałość narzędzi jest istotnym aspektem optymalizacji procesów produkcji w przemyśle. W zależności od branży, na zużycie materiału narzędziowego może wpływać wiele czynników, które należy dokładnie poznać aby przewidzieć trwałość narzędzia i zaproponować najlepszą metodę jej wydłużenia. W najnowszej publikacji, zespół badaczy z NCBJ i SGGW przedstawił wyniki badań wpływu implantacji jonów azotu na zwilżalność ostrzy WC-Co, wykorzystywanych w obróbce meblarskich płyt drewnopochodnych.

Implantacja jonów to metoda modyfikacji powierzchni, która pozwala zmienić fizyko-chemiczne właściwości materiału. Nowe jony trafiają bezpośrednio do obszarów przypowierzchniowych, co eliminuje potencjalne problemy z przyczepnością warstw oraz nie zmienia rozmiarów modyfikowanego elementu. Dzięki temu metoda może być stosowana na narzędziach już wytworzonych, bez konieczności wplatania jej w proces ich produkcji.

Jednym z obszarów, w których implantacja jonów może skutecznie zwiększyć trwałość narzędzi jest przemysł meblarski. Jakość i wytrzymałość ostrzy bezpośrednio wpływa na efektywność, koszty wytwarzania i jakość produktu końcowego. Powszechnie używane w tej gałęzi przemysłu są narzędzia spiekane z kompozytu węglika wolframu i kobaltu (WC-Co). Materiał ten jest bardziej trwały, niż zwykła stal, a jednocześnie tańszy od ostrzy diamentowych. Obecnie trwają prace, aby dodatkowo zwiększyć trwałość narzędzi WC-Co, na przykład poprzez modyfikację ich powierzchni metodą implantacji jonów. Wprowadzenie domieszek może zmniejszyć współczynnik tarcia, a tym samym tempo zużycia modyfikowanych narzędzi, ponieważ zaobserwowano, że podczas pracy na ostrzach implantowanych narzędzi pojawia się wtórna warstwa węglowa. Obniża ona współczynnik tarcia w kontakcie tribologicznym ostrza z materiałem obrabianym, a przez to spowalnia proces zużywania się narzędzia. Teoretycznie, im większa jest zwilżalność modyfikowanego narzędzia, tym bardziej sprzyjające warunki formowania się tej warstwy.

W ramach współpracy Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Instytutu Nauk Drzewnych i Meblarstwa SGGW w Warszawie, naukowcy przeprowadzili badania wpływu implantacji jonów azotu na zwilżalność powierzchni modyfikowanych narzędzi, wykonanych z kompozytu WC-Co. Wyniki prac ukazały się właśnie w czasopiśmie naukowym Materials. 

Rzeczywista implantacja jonów była poprzedzona symulacjami Monte Carlo, które miały wskazać przewidywane rozkłady jonów w przypowierzchniowych warstwach modyfikowanego materiału. Ponadto, scharakteryzowano chropowatość powierzchni implantowanych ostrzy. Właściwą część prac stanowił pomiar kąta zwilżania narzędzi wodą. Krople wody destylowanej umieszczano na próbkach, po czym określano kąt, jaki styczna do konturu kropli tworzyła z badaną powierzchnią.

Z przeprowadzonych badań jednoznacznie wynika, że implantacja jonów azotu znacząco zwiększa zwilżalność powierzchni ostrzy, przy czym większa dawka jonów dodatkowo potęguje ten efekt. – Dla najwyższej dawki średni kąt zwilżania zmniejszył się nawet o 70%. Dodatkowo okazało się, że efekt ten zmienia się (osłabia) w czasie jaki minął od implantacji, jednak nadal zwilżalność implantowanych próbek znacznie przewyższa próbki, które nie były modyfikowane – wyjaśniają dr inż. Marek Barlak z Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz dr inż. Jacek Wilkowski ze Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego, główni autorzy publikacji.

Najnowsza praca po raz kolejny pokazuje, że implantacja jonów może stanowić skuteczną metodę zwiększania trwałości narzędzi wykorzystywanych w przemyśle meblarskim. Jest także dowodem na to, że zużycie takich materiałów zależy od wielu właściwości, na które proces implantacji może mieć istotny wpływ.

Wyniki badań opublikowano w artykule: Barlak, M.; Wilkowski, J.; Auriga, R.; Zagórski, J.; Boruszewski, P.; Borysiuk, P. Effects of Nitrogen Ion Implantation on Wettability and Surface Roughness of WC–Co Tools Used for Wood-Based Panel Machining. Materials 2026, 19, 1241. https://doi.org/10.3390/ma19061241