Ny metode åbner vejen for skærende værktøjer med længere levetid

Forskere ved Linköpings Universitet, LiU, har udviklet en teoretisk model, der muliggør simuleringer for at vise, hvad der sker i hårde skærende materialer, når de nedbrydes. Modellen vil gøre det muligt for fremstillingsindustrien at spare tid og penge. Modellen er publiceret i det videnskabelige tidsskrift med åben adgang Materialer .

Titanium-aluminiumnitrid er et keramisk materiale, der almindeligvis anvendes som belægning til metalskærende værktøjer. Ved hjælp af en titanium-aluminiumnitrid tynd film, skærkanten af ​​et belagt værktøj bliver hårdere, og værktøjets levetid længere. Et bemærkelsesværdigt træk ved den coatede overflade er, at den bliver endnu hårdere under skæreprocessen, et fænomen, der er kendt som aldershærdning.

Kostas Sarakinos, lektor i materialevidenskab ved Linköpings Universitet, beskriver materialet som en arbejdshest i fremstillingsindustrien.

Legeringen er, imidlertid, følsom over for høj temperatur. Et par minutters skæreoperation i et virkelig hårdt materiale udsætter skærkanten for et så højt tryk, at den opvarmes til næsten 900 grader eller derover. Ved temperaturer op til 700 grader, materialet er uskadt, men det begynder at nedbrydes ved højere temperaturer. Kanten bliver blød og mister skarphed.

Indtil nu, ingen har været i stand til at fastslå, hvad der sker på atomniveau inde i den tynde film under skæreprocessen. Det har kun været muligt delvist at simulere egenskaberne af den komplekse kombination af titanium, aluminium og nitrogen, og det har ikke været muligt at drage nogen konklusioner ud fra resultaterne.

Georgios Almyras, som tidligere har arbejdet som post-doc forsker ved Nanoscale Engineering Division og nu er flyttet til Ericsson, Davide Sangiovanni fra afdelingen for teoretisk fysik, og Kostas Sarakinos, leder af Nanoscale Engineering Division, Linköping Universitet, brugt fire år på at udvikle en pålidelig teoretisk model, der kan bruges til at vise præcis, hvad der sker i materialet med picosekunders tidsopløsning. De har brugt den nyudviklede model til at simulere hændelser i materialet, viser hvilke atomer der er fortrængt og hvilke konsekvenser dette har for egenskaberne.

"Dette betyder også, at vi kan udvikle strategier for at stoppe nedbrydningen, såsom legering af materialerne eller skabelse af specialdesignede nanostrukturer, " siger Davide Sangiovanni.

Deres teoretiske model beregner kræfterne mellem atomerne i materialet. Modellen er baseret på en tidligere kendt metode, der med succes er blevet brugt i simple materialesystemer. Komplekse kombinationer af materialer, imidlertid, kræver tidskrævende beregninger, som kun er mulige i en supercomputer. Forskergruppen fra LiU har optimeret disse beregninger ved at implementere maskinlæringsalgoritmer, som er forgængerne for kunstig intelligens.

Supercomputeren på National Supercomputer Center på LiU er så blevet brugt til beregninger af omkring 40 legeringer af de tre grundstoffer titanium, aluminium og nitrogen, mens man ser på flere egenskaber ved materialet. Forskerne har derefter sammenlignet resultaterne fra beregningerne med materialernes kendte egenskaber.

"Aftalen er meget god, " siger Kostas Sarakinos. "Det er vigtigt, at vi også har beregnet egenskaber, som vi kender, for så kan vi være sikre på, at modellens beregninger og forudsigelser er pålidelige."

Forskerne håber, at metoden vil være nyttig for virksomheder i fremstillingsindustrien, som Sandvik, ABB, Seco Tools, etc., hvilket kunne spare mange penge ved at udvikle værktøjer med større hårdhed og modstandsdygtighed over for slid. Det er virksomheder, som LiU-forskerne har langvarige samarbejdsaftaler med.

"Vi kan nu for første gang udføre klassiske simuleringer i stor skala af atomare strukturer i et af de materialesystemer, der oftest bruges til metalskæring og -formning. Simuleringerne kan overveje modstand mod varme eller nanostrukturer, og de kan give vigtig indsigt i, hvordan atomerne bevæger sig. Resultaterne vil hjælpe os med at undgå, eller i det mindste forsinkelse, nedbrydning af materialet, " siger Kostas Sarakinos.