Рис. 26 иллюстрирует схему двухмерного высокоскоростного сканирования поверхности металла электронным лучом. В результате сканирования и последующего охлаждения в металле формируется слой, испытавший превращения, и зона термического влияния. При расплавлении поверхностного слоя металла к ним еще добавляется зона оплавления. Толщина этих слоев в определенных пределах регулируется изменением мощности луча, параметров сканирования, а также степени расфокусировки и эллиптичности электронного луча.

Контроль плотности мощности при расфокусировке или эллиптическом искажении электронного луча связан с определенными трудностями, обусловленными плохой воспроизводимостью. Более удач­ной считают термическую обработку с использованием хорошо сфокусированного луча, распределение мощности которого контролиру­ется в широких пределах высокочастотным его колебанием. В итоге на поверхности формируется источник тепла с постоянной температурой, которая поддерживается максимально возможной от начала до конца подачей энергии (рис. 24г). Тепло от этого источника внутрь тела передается по механизму теплопроводности.

При стационарном электронном луче и перемещающейся детали необходимое распределение мощности в направлении движения дета­ли задается функцией отклонения. Для того чтобы получить однородное температурное воздействие, линии обработки металла электронным лучом должны располагаться на разных вполне определенных расстояниях вдоль движения детали (рис. 27), что обеспечивается с помощью программного устройства. В начальный период обработки необходимая для быстрого нагрева высокая плотность по­дачи энергии достигается близким расположением линий воздействия. Затем расстояние между линиями должно возрастать, так как для обеспечения постоянства теплового воздействия удельная мощность должна изменяться по закону q ~  ^-1/2 ( - время). Когда расстояние между линиями меньше диаметра луча, осуществ­ляется квази-непрерывная доставка энергии. Если это расстояние становится больше диаметра луча, то следует расширять фокальное пятно в направлении движения детали.

Расстояние между линиями воздействия луча х_i определяется соотношением:

х_i/А_х=N^-2 (i² - i+1/2); i=1N (3)

где А_х - амплитуда сканирования в направлении движения детали; х_i - положение i - следа; N - число использованных следов.

Смысл амплитуды сканирования иллюстрирует рис. 28, на котором приведен статистический вес (х) распределения плотности мощности в направлении движения детали при расположении источ­ника тепла на ее поверхности, и для которого соблюдается закон

Рис. 26. Схема двухмерного высокоскоростного сканирования детали электронным лучом (1 – направления двухмерного сканирования, 2 – деталь, 3 – зона перед источником нагрева, 4 – поле действия электронного луча, 5 – зона охлаждения, 6 – зона термического влияния, 7 – слой, испытавший превращения, 8 – закаленный слой, d_X1 и d_X2 – размер электронного луча в начале и конце сканирования в направлении движения детали, А_Х – амплитуда сканирования в направлении движения детали; (применительно к сталям: Т_А – температура аустенизации, М_Н – температура начала мартенситного превращения, Т_Н – начальная температура).

---

Рис. 27. Расположение следов y-отклонения в х-у отклоняющем поле для поверхностного изотермического источника тепла. Относительные значения х_i/А_Х и d_i/А_Х расчитаны для N=16, где х_i – положение i-того следа; А_Х – амплитуда сканирования в направлении перемещения детали, а d_Xi – размер луча в направлении х в i-той позиции.

q ~  ^-1/2. Из этой схемы видно, что А соответствует расстоянию вдоль оси х, соответствующему статистическому весу (х) = 1.

Рис. 27 иллюстрирует схему расположения следов обработки для N = 16. Описанный метод обработки обеспечивает хорошо вос­производимую связь между удельной мощностью электронного луча и глубиной термически обработанного слоя.

2.3. Общие технологические схемы обработки электронным лучом

Все возможные разновидности воздействия электронного луча на металлы можно разбить на две группы: а) без расплавления поверхностного слоя; б) с расплавлением металла (рис. 29, 30). Электронно-лучевая термическая обработка без расплавления металла включает в себя простые технологии и комбинированные технологии. К простым технологиям относят закалку, отжиг и рекристаллизационный отжиг. Комбинированные технологии сочетают в себе двойное термическое воздействие (термические/термические процессы); химико-термические и термические процессы; термомеханические и термические процессы (рис. 29). Не все приведенные на рис. 29 схемы имеют одинаковое практическое значение. Они просто иллюстрируют возможности электронно-лучевой термической обработки (малоизученные процессы отмечены пунктиром).

Электронно-лучевая обработка с расплавлением поверхностного слоя включает в себя оплавление, легирование и нанесение за­щитных покрытий. На рис. 30 дана краткая характеристика разновидностей этих технологических процессов и достигаемые при этом эффекты.

Электронно-лучевая обработка с расплавлением поверхности создает большие технологические возможности воздействия на ме­талл по сравнению с предыдущей схемой обработки. Расплавление позволяет получить поверхностные слои дендритной кристаллизации, аморфные слои основного металла и нанесенного на поверхность материала, уплотненные слои на пористых материалах, осуществить легирование из расплава и газовой фазы с формированием легированного поверхностного слоя, в том числе и химико-термическую обработку, нанести слой покрытия с нерастворимыми в металле частицами.

Выбирая тот или иной вариант технологического воздействия электронного луча, можно создать поверхностные слои с определен­ными свойствами и тем самым обеспечить заданные служебные свойства стали или сплава.

Рис. 28. Статистический вес (х) плотности мощности в направлении движения детали (х) для поверхностно-изотермического переноса энергии в соответствии с рис. 26.

---

Рис. 30. Технологические схемы термической обработки металлов с нагревом электронным лучом с расплавлением поверхностного слоя.

---

В наибольшей степени освоена электронно-лучевая закалка, особенно сталей. Эта технология закалки применима для обработки не только плоских поверхностей, но и тел вращения, внутрен­них поверхностей деталей, если луч может быть направлен перпендикулярно к ним или под углом к нормали менее 3045 градусов. Если детали должны быть не только закалены, но и сварены, то эти процессы могут быть объединены в едином цикле обработки. Аналогично отжиг для снятия напряжений после электронно-лучевой сварки может выполняться в едином процессе со сваркой. Однако крупногабаритные детали неудобны для электронно-лучевой термической обработки.

Описанная выше технология поверхностно-изотермического переноса энергии позволяет проводить закалку с шириной следа до 3050 мм, глубиной закаленного слоя от 0,1 до 2 мм при скорости перемещения образца (детали) 110 см/с.

В соответствии с требованиями практики можно обеспечить большое разнообразие конфигураций областей, подвергнутых электронно-лучевой закалке (рис. 31). Так, например, можно оставить некоторые участки незакаленными (мягкими) с тем, чтобы более легко проводить их механическую обработку. Края детали можно не подвергать воздействию электронного луча, чтобы избежать оплавления. Кроме того можно снижать интенсивность потока энергии в тех местах, где должны располагаться отверстия или какие-либо другие конструктивные элементы, выполняемые резанием.

Обычно упрочненный слой имеет одинаковую толщину по всей длине детали. Однако в некоторых случаях по условиям нагружения детали или по технологическим соображениям нужна переменная толщина упрочненного слоя (рис. 32). Упрочненный слой такой конфигурации можно сформировать программированным управлением электронным лучом.

Обычно упрочнение электронным лучом проводят, нагревая поверхностный слой до температур, близких к температуре плавле­ния обрабатываемого материала, так как при этом наиболее эффек­тивно используется мощность луча. Однако это может привести к нежелательным структурным изменениям (росту зерна, увеличению количества остаточного аустенита в сталях, недопустимо сильному газонасыщению в титановых сплавах и т.д.) и, как следствие, ухудшению эксплуатационных свойств. Соответствующее управление электронным лучом позволяет выбрать такую подачу энергии, что при полном использовании мощности электронного луча температу­ра в поверхностном слое будет снижена до оптимальной (в определенных пределах). При этом, однако, уменьшается глубина упрочненного слоя (рис. 33).

В ряде случаев требуется провести отпуск упрочненного путем электронно-лучевой обработки материала, в частности, когда требуется повышенная вязкость поверхностного

Рис. 31. Примеры конфигураций обработанных слоев, которые можно получить электронно-лучевой закалкой (вид сверху): а – постоянной ширины, б – прерывистые слои (одинарные и многократные), в – переменной ширины (пунктиром обозначены области, которые подвергаются механической обработке с целью получения отверстий, пазов и т.д.).

---

Рис. 32. Примеры конфигураций обработанных электронным лучом слоев (продольный вид вдоль направления движения детали).

слоя стали. Путем применения описанных выше способов отклонения электронного луча можно в едином технологическом процессе сочетать закалку и отпуск.

Обработкой электронным лучом можно создать структуру «сан­двича», состоящую из двух слоев различной твердости (рис. 34). Этот вариант закалки с нагревом электронным лучом может быть осуществлен путем последовательной двухступенчатой обработки, а также в едином технологическом процессе путем программируемого отклонения электронного луча в поле сканирования.

Относительная легкость управления электронным лучом (фокусировки и его отклонения) является преимуществом электроннолучевой термической обработки по сравнению с другими лучевыми технологиями (лазерной, плазменной и др.). Легкость управления электронным лучом позволяет осуществить разнообразные технологические решения с формированием заданных эксплуатационных свой­ств материала. Следует, однако, учитывать, что эти решения зави­сят также от природы обрабатываемого материала (системы и степени легирования, протекающих в нем превращений и т.д.).

2.4. Термическая обработка сталей и сплавов

Наибольшее число исследований было выполнено по электронно­лучевой закалке сталей. В результате этих исследований было установлено, что при закалке сталей с нагревом электронным лучом без расплавления поверхности облучаемых образцов или деталей образуется рельеф, превышающий максимальную шероховатость исходного материала, если он был достаточно гладким (полированным). При закалке с нагревом поверхностно-изотермическим источником тепла уровень шероховатости поверхности колеблется в пре­делах от 5 мкм до 1,5 мкм при исходной шероховатости 1,5 мкм. Образование поверхностного рельефа - это результат протекания при охлаждении мартенситного превращения.

Наибольшая величина аустенитных зерен наблюдается у поверхности образца и уменьшается по мере удаления от нее. При повышении удельной мощности облучения и длительности обработки размер аустенитных зерен возрастает.

Структура закаленного слоя стали обычно представлена мартенситом, толщина пластин тем меньше, чем ниже удельная мощ­ность облучения, продолжительность воздействия потока электронов и чем больше расстояние от поверхности вглубь образца или детали. Доэвтектоидные стали после электронно-лучевой закалки часто имеют неоднородную структуру, особенно при малой интенсивности электронного луча. В

Рис. 33. Зависимость глубины закалки с нагревом электронным лучом от его удельной мощности (е) при различных температурах поверхности Т_пл>Т₀₁>Т₀₂>Т₀₃>Ас₃ (на примере стали).

Рис. 34. Изменение твердости по Виккерсу по глубине закаленного с нагревом электронным лучом слоя при формировании структуры «сандвича» путем двойной последовательной обработки стали 50CrV4, подвергнутой предварительно закалке и отпуску. Режимы обработки электронным лучом: 1) е = 2000Втс/см²,  = 0,82 с, v_Х =1 см/с; 2) е =450 Втс/см²,  = 0,04 с, v_Х = 5 см/с; (е – удельная энергия,  - время трансформации энергии луча в тепло, v_Х – 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