2. ТЕрмиЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА

При воздействии электронного луча на поверхность материала кинетическая энергия электронов переходит в тепловую с выделением такого большого количества тепла, что материал плавится. Этот эффект давно уже используется для электронно-лучевой сварки и резки. По­зднее была показана возможность эффективного использования электронно-лучевого нагрева для поверхностной закалки, а также применения расфокусированного электронного луча для локального (зонального) отжига, в частности, сварных соединений.

Электронно-лучевые установки дешевле лазерных, обладают большей мощностью, отличаются более высокой степенью использования энергии луча для нагрева металла (к.п. д. доходит до 75%).

Наиболее целесообразные области термической обработки с применением электронно-лучевого нагрева: а) локальная (местная) термическая обработка расфокусированным электронным лучом с целью снятия остаточных напряжений, местного разупрочнения или местной закалки; б) поверхностное упрочнение, возникающее как результат быстрого нагрева и фазовых (структурных) превращений при сверхбыстром охлаждении; в) поверхностное легирование, ос­нованное на тех же принципах, что и лазерное поверхностное леги­рование .

Как и при лазерной термической обработке, нагрев электрон­ным лучом может проводится в виде пересекающихся полос или не­пересекающихся (с перекрытием или без него) полос, в режиме сканирования.

2.1. Оборудование для обработки с нагревом электронным лучом

Электронный луч получают с помощью электронной пушки, ко­торая представляет собой прибор, позволяющий полу­чать узкие пучки электронов с большой плотностью энергии (рис. 18). В этой установке катод пушки нагревается до высокой темпе­ратуры и эмитирует электроны. Между катодом и анодом создается большая разность потенциалов (в несколько десятков тысяч вольт). Поэтому электроны на пути от катода к аноду приобретают значительную кинетическую энергию и разгоняются до огромных скоростей. Электроны сжимаются в пучок с помощью прикатодного электрода. Катод, прикатодный электрод и анод (ускоряющий электрод) образуют прожектор, назначение которого состоит в первичном формировании сходящегося пучка электронов. Далее пучок дополнительно сжимают

Рис. 18. Схема электронно-лучевой установки: А – Электронная пушка; В – система управления лучом; 1 – катод, 2 – контрольный электрод, 3 – анод, 4 – центрирующая система, 5 – фокусирующие линзы, 6 – система отклонения луча, 7 – коллектор электронов обратного рассеяния, 8 – электронный луч, 9 – деталь (образец).

Рис. 19. Энергетические параметры электронно-лучевого воздействия (мощность Р, удельная мощность q, диаметр электронного луча d) при различного рода технологических воздействиях: 1 – получение отверстий и пазов, 2 – испарение, 3 – сварка, 4 – плавка, 5 – термическая обработка.

---

(фокусируют) фокусирующими электромагнитными линзами с целью повышения плотности энергии в сечении пучка при встрече его с поверхностью обрабатываемого металла.

В электронных пушках, предназначенных для электронно-лу­чевой сварки, кроме этого предусмотрена магнитная отклоняющая система, которая позволяет проводить корректировку положения луча относительно свариваемых деталей. Эта система выполняет и ряд других функций. Она может расщеплять электронный луч на не­сколько пучков для одновременной сварки нескольких швов или для предварительного, сопутствующего или последующего за сваркой нагрева. С помощью этой системы, в частности, в едином технологическом процессе можно совместить электронно-лучевую сварку и отжиг сварного соединения для снятия остаточных напряжений не­посредственно после сварки. В электронно-лучевых установках, предназначенных для термической обработки, отклоняющая система позволяет осуществлять колебание электронного луча в направле­нии, перпендикулярном перемещению детали. Для управления элек­тронным лучом в широких пределах нашли применение электромагнитные приборы ПУЛы (приборы управления лучом).

Электронно-лучевые установки были разработаны применитель­но к проблемам сварки и резки. Тем не менее, некоторые из них, в частности, не слишком мощные, можно использовать и для нагрева при термической обработке. По степени защиты нагреваемого объекта от взаимодействия с газами электронно-лучевые установки делят на три класса: а) высоковакуумные установки с рабочим остаточным давлением 10^-210^-3 Па и ниже; б) установки проме­жуточного вакуума (110 Па); в) установки для вневакуумной обработки и сварки. По уровню ускоряющего напряжения различают низковольтные установки (U=1030 кВ); установки со средним значением ускоряющего напряжения (U=3060 кВ) и высоковольтные установки (U=100200 кВ). По мощности электронно-лучевые установки разделяют на три класса: малой, средней и большой мощности.

Электронно-лучевая технология применяется, в основном, в следующих направлениях: плавка и испарение, сварка, нанесение пленок и покрытий, прецизионная обработка, термическая обработ­ка металлов и сплавов. Области применения электронно-лучевых установок для этих целей определяются параметрами электронно­лучевого воздействия: мощностью Р, удельной мощностью q, и диаметром электронного луча d (рис. 19).

Для прецизионной обработки деталей (получение отверстий и пазов, резка) используют высоковольтные установки (80+150 кВ) небольшой мощности (до 1 кВт) при очень небольшом диаметре электронного луча. В этих условиях формируется тонкий электронный луч с очень высокой плотностью энергии. С увеличением плотности энергии

Рис. 20. Схематическое изображение поперечных сечений зон обработки при электронно-лучевом воздействии: 1 – при «мягком» режиме нагрева; 2 – переход к жесткому режиму; 3 – кинжальное проплавление; 4 – переход к отверстию; 5 – отверстие в материале.

---

Рис. 21. Схема трансформации энергии электронного луча в тепло в обрабатываемой детали: Т_ПЛ – температура плавления; Т_О – температура поверхности; Т_ПР – температура превращений; Т_Н – начальная температура.

электронный луч сначала вызывает плавление металла, затем глубокое (кинжальное) проплавление и, наконец, образование отверстия в обрабатываемом материале (рис. 20).

При испарении в вакууме для нанесения пленок и покрытий используют мощные (до нескольких МВт) электронно-лучевые установки с ускоряющим напряжением 2930 кВ. Скорость ввода тепла источником с концентрацией энергии более 1010 Вт/см² намно­го превышает скорость его отвода вглубь металла вследствие теплопроводности, что приводит к поверхностному испарению и вски­панию вещества в объеме, в котором энергия электронного луча преобразуется в тепло.

Для сварки металлов применяют электронно-лучевые установки мощностью 1120 кВт и более с ускоряющим напряжением 20150 кВ при плотности энергии луча 10⁵10⁶ Вт/см². Для плавки используют мощные электронно-лучевые печи с мощностью до нескольких МВт с ускоряющим напряжением 2030 кВ при сравнительно небольшой плотности энергии электронного луча (не более I0⁵ Вт/см²).

В настоящее время для термической обработки используют электронно-лучевые установки мощностью до 50 кВт. Магнитным полем электронный луч можно отклонить в определенном интервале углов и направить на поверхность изделия под острым углом (до 2530°). Концентрацию мощности при электронно-лучевом нагреве путем различной степени фокусировки луча можно регулировать в пределах от 10^-2 до 10⁵ Вт/см². Для закалки сталей с нагревом электронным лучом обычно применяют электронно-лучевые установки, характеристики которых удовлетворяют следующим требованиям:

- ускоряющее напряжение U = 60 кВ;

- мощность луча Р = 1 – 20 кВт;

- диаметр луча d = 0,1 – 1 мм,

- плотность мощности q = 10⁵ – 10⁷ Вт/см²

Недостаток электронно-лучевых установок состоит в необходимости создания вакуума (10^-210^-3 Па) в рабочей камере, в которой производится термическая обработка. В ряде случаев этот недостаток отсутствует, например, при местном локальном отжиге сварных конструкций, только что сваренных электронно-лучевой сваркой, поскольку вакуум заранее создается перед выполнением электронно-лучевой сварки.

В институте ядерной физики СО АН СССР созданы промышленные ускорители серии ЭДВ, которые успешно используются для электрон­но-лучевой обработки сталей. Они создают непрерывный концентри­рованный электронный пучок, выходящий в атмосферу, с плотностью потока энергии 7-10⁶ Вт/см² при мощности до 70 кВт. Энергия эле­ктронов в пучке реализуется в пределах 0,81,5 МэВ, что обеспечивает проникновение электронов в сталь на глубину до 0,6 мм.

2.2. Физические и технологические основы термической обработки с применением электронно-лучевого нагрева

---

Электронный луч – это поток носителей тока, ускоренный в электрическом поле. Параметрами электронного луча являются си­ла тока луча (I), ускоряющее напряжение (U), сила тока фокусирующей системы (I_ф), рабочее расстояние (l) - расстоя­ние от центра фокусирующей системы до поверхности детали и ско­рость перемещения электронного луча. Диаметр электронного луча (d) возрастает с увеличением силы тока и ускоряющего напряжения. Удельная мощность электронного луча q определяется выражением:

q=IU/(d²/4) (2)

При падении электронного луча на металл (типа железа) энергия луча расходуется следующим образом. Около 25% энергии уходит с отраженными электронами; менее 1% расходуется на рент­геновское излучение, вторичные электроны и термоэмиссию электронов; менее 1% уходит на радиационное излучение и около 73% мощности в поверхностном слое металла преобразуется в тепло (рис. 21). Толщина слоя, в котором кинетическая энергия электронов преобра­зуется в тепло, возрастает с увеличением ускоряющего напряжения. Для сталей при ускоряющем напряжении 60 кВ толщина этого слоя составляет примерно 10 мкм. Из поверхностного слоя тепло распро­страняется вглубь металла по механизму теплопроводности. После прекращения подвода энергии от электронного луча поверхностный слой, абсорбирующий энергию электронов, и поверхностный нагретый слой из-за отвода тепла в объем металла быстро охлаждаются.

При электронно-лучевой плавке мощность луча составляет 1100 кВт, а удельная мощность достигает 10⁵10⁷ кВт/см². При термической обработке без расплавления поверхностного слоя ис­пользуется удельная мощность 10³10⁵ кВт/см², что обеспечивает скорость нагрева 10³10⁴ (10⁵) град/с. Типичные скорости охлаж­дения составляют 10³10⁵ град/с. Распределение температур в нагреваемом стационарным лучом металле описывается линзообразными изотермами (рис. 22).

Области металла, обработанные лучом, могут быть точечными (рис. 23а₁) или линейными (рис. 23b₁). В первом случае луч сначала действует в одной точке, а затем скачком перемещается в другую. Во втором случае луч непрерывно перемещается вдоль детали. Диаметр облученного участка или ширина линии могут быть увеличены расфокусировкой луча. Обработанные лучом пятна или линии могут перекрываться (рис. 23а₂ и b₂), что создает сложную картину тер­мического воздействия, так как последующий нагрев влияет на структуру, сформировавшуюся после предыдущего нагрева. При оп­

Рис. 22. Изотермы в обрабатываемой детали при установившемся действии электронного луча с Гауссовским распределением плотности энергии: z – расстояние от поверхности, R – радиус Гауссовского распределения.

Рис. 23. Различные варианты обработки поверхностного слоя электронным лучом.

ределенных режимах сканирования луча заданной мощности мож­но избежать такого неоднородного воздействия. Для этого необхо­димо, чтобы ранее нагретые области не успевали охлаждаться ниже температуры мартенситного превращения за время сканирования (рис. 23с). При обработке больших площадей с этой целью может быть также использовано двухмерное сканирование.

---

Рис. 24 иллюстрирует изменение температуры в некоторой точке металла при различных описанных выше схемах воздействия элект­ронного луча на металл. При неподвижном луче температура непрерывно растет, пока не прекратится воздействие луча (рис. 24а). Этот нагрев длится столь короткое время (10^-21 с), что надежный контроль за процессом неэффективен, и мощность электронного луча (обычно 5 кВт) используется лишь в малой степени. При движе­нии электронного луча с почти Гауссовским распределением плотности мощности температура в данной точке поверхности повышается, достигает максимума после прохода области луча, соответствующей вершине Гауссовской плотности, а затем постепенно снижается (рис. 24б). При циклической подаче энергии с частотой около 1 Гц формируются ярко выраженные температурные осцилляции (рис. 24в).

Как уже отмечалось, кинетическая энергия электронов превра­щается в тепловую энергию в слое абсорбции толщиной S. Этот слой можно рассматривать как аккумулятор энергии с константой времени разрядки  = S²/a, где a – температуропроводость. Для сталей а  0,05 см²/с, так что при U = 60 кВ  = 210^-5с. Для поддержания почти постоянной температуры один импульс энергии должен следовать за другим с интервалом времени, меньшим . На практике это требование обычно удается соблюсти.

Рис. 25 иллюстрирует влияние частоты сканирования f поперек направления подачи детали на относительную преобразуемую в тепло энергию е_отн при разных скоростях подачи (v) при до­пущении, что поверхностный слой не плавится. Относительная преобразуемая в тепло энергия е_отн оценивается как отношение энергий при текущей частоте f и частоте, равной 100 Гц. Из рис. 25 видно, что при очень высоких частотах преобразуемая в тепло удельная энергия стремится к пределу насыщения. Это обусловле­но тем, что при очень высоких частотах соблюдается отмеченное выше требование к  для достижения постоянства температуры; при этом средняя температура в поверхностном слое достигает значений, близких к точке плавления. При частотах около 100 кГц формируется довольно протяженное постоянное по поверхности поле температур, которое дает в металле поле изотерм, почти па­раллельных поверхности. В итоге термически обработанный слой отделен от основного металла достаточно гладкой поверхностью.

Рис. 24. Изменение температуры со временем в заданной точке детали при различных способах подачи энергии электронного луча: а) точечное действие при постоянной мощности; б) движущийся луч с Гауссовским распределением плотности мощности; в) циклическое растровое сканирование с частотой около 1 кГц и движением детали; г) поверхностно-изотермический перенос энергии.

Рис. 25. Зависимость относительной (е_ОТН) преобразуемой в тепло удельной энергии от частоты (f) при обработке без расплавления поверхности: V – скорость перемещения детали.

---

Смотрите также файлы

• 3. Ионная имплантация.doc

• 4. Ионно-лучевое перемешивание.doc

• 5. Ионное азотирование.doc

• Введение.doc

• Ответы на вопросы к экзамену.doc