O trwałości narzędzi decyduje głównie warstwa wierzchnia, która w wyniku zastosowania rożnych procesów technologicznych może mieć grubość rzędu od 1 μm do kilku milimetrów. Stan warstwy wierzchniej decyduje o własnościach tribologicznych. Natomiast w przypadku obciążeń mechanicznych nadzwyczaj ważną rolę odgrywa podłoże, jego przygotowanie oraz wzajemne korelacje pomiędzy warstwą wierzchnią a podłożem.
Michaił Ignatiev, Volf Leszczynski, Hanna Wisniewska-Weinert,
Jacek Borowski, Tomasz Wiśniewski
Wraz z postępującym procesem zużycia narzędzi [1] pogarsza się jakość wyrobu. Z drugiej strony udział kosztów narzędzi w całkowitym koszcie wytworzenia wyrobu często osiąga wielkość 30%. Z tego względu w narzędziach do kucia stosuje się wymienne wkładki, których powierzchnia jest zwykle pokrywana metodą CVD/PVD [2]. Dopuszczalne wielkości zmian wymiarowych narzędzi zależą od klasy dokładności kształtowania wyrobów. Powtarzalne cykle produkcyjne wpływają na zmiany wymiarowe narzędzi spowodowane ich zużyciem m.in. takim czynnikiem jak lokalny wzrost temperatury [3].
Rys. 1 Struktury mikrokanalika wytworzonego przez laser włóknowy domieszkowane iterbem dla impulsu lasera o czasie trwania 120ns i energii 2 mJ
Główną przeszkodą w uzyskaniu właściwych mikrokanalików jest twardy stopiony metal zarówno na dnie, jak i blisko granicy mikrokanalików. Wymaga to dodatkowych operacji technologicznych np. polerowania powierzchni narzędzi. Dlatego zmieniono układ laserowy i zmniejszono czas trwania impulsu z 120 ns do 15 ns. Nowy układ laserowy miał maksymalną energię impulsu 15 mJ. Eksperymentalnie zoptymalizowano parametry wytwarzania mikronakanalików metodą laserową: zmienne parametry obejmowały prędkość skanowania i energię impulsu. 
Rys. 2 Ogólny schemat interakcji wiązki laserowej z materiałem
Głównym celem optymalizacji było osiągnięcie warunków ablacji bez formowania fazy ciekłej, podczas interakcji lasera ze stalą. Ablacja laserowa jest zjawiskiem polegającym na usuwaniu dużych ilości materiału z powierzchni pod działaniem promieniowania laserowego i można ją wykonać przy zastosowaniu różnych mechanizmów, takich jak odparowywanie, niszczenie termoelastyczne, rozchodzenie się fali uderzeniowej itd. Charakter procesów ablacji częściowo zależy od rodzaju materiału i środowiska, lecz największy wpływ na mechanizmy ablacji mają parametry obróbki laserowej, takie jak natężenie mocy, czas trwania i częstotliwość impulsu, długość fali, ilość impulsów, prędkość poprzeczna wiązki itd. W pewnych zakresach parametrów lasera, np. dla krótkich impulsów i wysokich natężeń, podstawowe mechanizmy fizyczne ablacji laserowej nie zostały zbadane i wyjaśnione do dziś [7]. Ogólny schemat interakcji wiązki laserowej z materiałem przedstawiono na rysunku 2. Głównym celem optymalizacji procesu jest zmniejszenie ilości roztopionego materiału (zapobieganie wyrzutowi kropelek stopionego materiału) oraz minimalizacja silnego wpływu plazmy laserowej.
Rys. 3 Temperatura powierzchni w funkcji czasu dla nagrzewania i chłodzenia powierzchni stali przy zastosowaniu krótkich impulsów laserowych o różnej energii
Wyniki symulacji numerycznej pozwoliły na zdefiniowanie krytycznych parametrów wymaganych do wykonania mikrokanalików. Rysunek 3 wskazuje dynamikę nagrzewania i chłodzenia powierzchni stali przy zastosowaniu krótkich impulsów laserowych o różnej energii. Nawet przy stosunkowo małych wartościach energii lasera, powierzchnia jest nagrzewana do temperatury wyższej od temperatury topnienia. Impulsy laserowe o energii >8mJ pozwalają na uzyskanie temperatur odparowywania.
Podczas modelowania numerycznego oraz dalszych badań doświadczalnych zdefiniowano, że do osiągnięcia żądanej geometrii mikrokanalika, konieczne jest stosowanie stosunkowo wąskiego zakresu energii impulsu od 8 do 10 mJ. Wzrost energii doprowadzi do stworzenia gęstej smugi plazmy, która następnie zmniejszy frakcję zabsorbowanej energii, co z kolei spowoduje zwiększenie ilości stopionego materiału w mikrokanaliku. Faza ciekła jest wypierana na ścianki mikronakanalika i ulega skropleniu, a mikrokanalik uzyskuje kształt stożkowaty (rys. 4). 
Rys. 4 Obraz mikrokanalika o kształcie stożkowatym
Obszar w pobliżu mikrokanalika jest pokryty kroplami zestalonego metalu. Wykazano, że działanie dwóch impulsów laserowych w tym samym miejscu na powierzchni obrabianej stali jest najbardziej efektywnym sposobem obróbki. Fizyka procesu w tym przypadku jest opisana w następujący sposób. Energia pierwszego impulsu laserowego jest praktycznie w całości zużywana na odparowanie materiału powierzchni próbki, w wyniku czego metal w fazie ciekłej pozostaje w kraterze w niewielkiej ilości. Nie następuje widoczne nagrzewanie powierzchni docelowych, które znajdują się blisko ścianek krateru. Drugi impuls laserowy działa głównie na dno mikrokanalika, nie powodując odparowania substancji ze ścianek krateru.
Wraz ze wzrostem energii pierwszego impulsu laserowego, pod wpływem silnego promieniowania wzrasta również frakcja materiału stopionego. Należy zaznaczyć, że w tym przypadku, plazma ma dużą gęstość, a wysokie ciśnienie oparów wewnątrz krateru wyparło przegrzany ciekły metal na ścianki krateru.
Drugi impuls laserowy oddziałujący na stopiony materiał, usuwa go zarówno z dna mikrokanalika, jak i z jego ścianek. Dalszy wzrost energii impulsu laserowego, w przypadku podwójnych impulsów, nie prowadzi do znacznej zmiany głębokości krateru, dlatego że stopniowe osłabienie promieniowania drugiego impulsu poprzez gęstą plazmę silnie wzrasta. Rysunek 5 ilustruje zależność głębokości mikrokanalika od czasu między dwoma impulsami dla określonej energii impulsu wiązki lasera. 
Rys. 5 Zależność głębokości mikrokanalika od czasu pomiędzy kolejnymi impulsami lasera dla określonych wartości energii wiązki lasera
Kolejnym krokiem w badaniach było zdefiniowanie optymalnej konfiguracji sieci mikrokanalików. Przebadano różne typy sieci mikrokanalików (struktur promieniowych i prostokątnych), zapewniających wolne uwalnianie nanocząsteczek stałego środka smarującego na powierzchnię tworzenia się cienkiego filmu na styku współpracujących powierzchni.
Wybrane optymalne parametry pozwalają na stworzenie dokładnej sieci mikrokanalików o następujących wymiarach: szerokości 20 µm (rys. 6a) i głębokości 5 - 25 µm (rys. 6c). Mieszanina nanocząsteczki MoS2 została wbudowana do mikrozagłębień (rys. 6b) w celu wykonania testów na zużycie. 
Rys. 6 Sieć mikrokanalików: a) układ o szerokości 20 µm i rozstawie 180 µm
b) układ mikrokanalików z wprowadzonym proszkiem smaru stałego MoS2,
c) obraz głębokości mikrokanalików 25 µm
Skutek smarowania MoS2 został oceniony za pomocą testów tribologicznych przy zastosowaniu testera T-10, przy normalnym obciążeniu 6-10 N i prędkości obrotowej 200 obr/min. Współczynnik tarcia został określony na podstawie pomiaru siły tarcia, a parametr zużycia - przez pomiar ciężaru kulki.
Narzędzia z wykonanymi mikrokanalikami i nanokompozytowymi powłokami były testowane w firmach J-VST i TKZ Polna w Czechach, oraz w Instytucie Obróbki Plastycznej. Analiza zużycia narzędzi na przykładzie stempli do wyciskania przeciwbieżnego pozwoliła określić charakter zużycia i wytypować najlepsze powłoki. W porównaniu ze stemplami wykonanymi ze stali proszkowej bez powłoki uzyskano dla niektórych stempli z powłoką nankompozytową 10-krotny wzrost trwałości. Najbardziej korzystną powłoką okazała się powłoka TiAlN. Przykłady narzędzi zaprezentowano na zdjęciach (rys. 7 i 8). 
Rys. 7 Widok powierzchni roboczej stempla z mikrokanalikami w układzie promienistym po eksploatacji
Rys. 8 Zestaw narzędzi do kształtowania wyrobów proszkowych z wykonanymi mikrokanalikami (zaznaczone strzałkami) i wykonywany wyrób
Narzędzia do prasowania wyrobu proszkowego, z kanalikami, charakteryzowały się kilkakrotnie wyższą trwałością w porównaniu do narzędzi bez kanalików.
Michaił Ignatiev, Volf Leszczynski, Hanna Wisniewska-Weinert, Jacek Borowski, Tomasz Wiśniewski
Instytut Obróbki Plastycznej
Poznań
Literatura:
[1]. Peddinghaus E.: The technical development of European drop forging industry. 17th International Scientific and Technical Conference Design and technology for drawpieces and die stamping, Wasowo, Poland, September 22th-24th 2008 53-66.
[2] Cselle T.: Application of Coatings for Tooling - Quo Vadis 2005? VIP Vacuum’s Best v.17 S1 (2005) 33-39.
[3] PLATIT, Nanostructured Coatings for High Performance Tools. Werkzeug Technik 1(2003) 2-8.
[4] Wiśniewska-Weinert H., Leshchynsky V., Ignatiev M., Kozubowska J.A., Smalc-Koziorowska J.: Friction and wear with WS2 nanoparticles under mixed and boundary lubrication. Obróbka Plastyczna Metali t. XIX nr 1 (2008) 29-40.
[5] Vasilyeva E., Vahhi I., Kovalev E., Ignatiev M., Kim D., Kim B.K.: Production of WS2 structures by CVC method. 17th International Conference Materials Engineering 2008, Kaunas, Lithuania, November 6th-7th, 2008 54-55.
[6] Steel for Cold Work Tooling, Uddeholm Review, 2009 1-18
[7] Litao Qi, Femtosecond laser ablation of sapphire on different crystallographic facet planes by single and multiple laser pulses irradiation, Optics and Lasers in Engineering, Wolumen. 48, Wydanie 10, Październik 2010, Strony 1000-1007
