КазНИТУ,
Казахстан
К
наиболее перспективным
и прогрессивно развивающимся способам поверхностной закалки следует отнести
способы, основанные на применении высококонцентрированных источников нагрева:
плазменная струя, лазерный луч, электронный пучок [3]. Их применение позволяет
получить более высокие эксплуатационные свойства изделий и качество упрочнения.
Внедрение высококонцентрированных источников нагрева позволяет резко сократить
энергозатраты, уменьшить коробление деталей, исключить необходимость
использования различных сред и при этом полностью автоматизировать процесс [5].
В соответствии с применяемым источником нагрева различают следующие способы
поверхностной термической закалки:
–
электронно-лучевая закалка,
– лазерная
закалка,
– плазменная
закалка.
Электронный луч
представляет собой мощное эффективное средство термического воздействия на
материал [8]. Первые попытки применения электронного луча для выполнения
технологических операций были предприняты более 100 лет назад. В 1905 году
Пирани успешно использовал электронный луч для электронно-лучевой плавки
металлов, в том числе и тугоплавких, например тантала. В 1934 году фон Арденне
и Рюле применили электронные пучки, сфокусированные магнитными линзами, с целью
получения в материалах отверстий малого диаметра. К 1965 году в практику
промышленного применения вошли такие технологические процессы как
электронно-лучевая плавка, сварка, напыление, обработка поверхностей.
Электронно-лучевая технология сформировалась в качестве самостоятельной
научно-технической области в течение последних 40. ..50 лет [7]. Это стало
возможным, главным образом, благодаря успехам, достигнутым в области разработки
и применения вакуумной техники и электронной оптики. В настоящее время понятие
«электронно-лучевые технологии» охватывает ряд способов получения и обработки
материалов, например плавку, сварку, резку, термическую обработку.
В качестве энергоносителя
при реализации электронно-лучевых технологий выступает электронный луч.
Генератором электронного луча служит электронная пушка, обеспечивающая эмиссию
свободных электронов, их ускорение в электростатическом поле, фокусировку и
отклонение пучка с посредством электрического и магнитного полей [8].
Сформированный пушкой электронный пучок выводится в изображенную на рисунке 1
рабочую камеру, из которой предварительно насосами откачивают воздух. При
взаимодействии электронного пучка с поверхностью обрабатываемой детали 1
кинетическая энергия электронов превращается в другие формы энергии (главным
образом в тепловую). Часть электронов отражается и рассеивается поверхностью
объекта, появляется рентгеновское излучение, кроме того, возникают вторичные и
тепловые электроны [8]. Обрабатываемая деталь 1 при помощи механизма 3
перемещается с заданной скоростью. Закалка производится электронным лучом 4.
Комплекс устройств,
служащих для формирования и фокусировки электронного луча, называют сварочной
электронной пушкой. Оператор, осуществляющий закалку в зависимости от размеров
камеры, находится за ее пределами или в самой камере.
Характер воздействия
электронного пучка на металлические материалы зависит от энергии электронов,
плотности потока, а также от свойств облучаемых объектов и условий, в которых
они находятся (температура, внешняя среда). Проходя через вещество, электроны
взаимодействуют как с кристаллической решеткой материала в целом, так и с
отдельными встречающимися на его пути микрочастицами: атомами, молекулами,
электронами, что приводит к ослаблению интенсивности электронного пучка [5].
Рисунок 1 – Схема установки для электронно-лучевой
обработки
Рассеивание кинетической
энергии ускоренных электронов происходит в виде тепла, разогревающего металл в
области падения электронного луча [6]. Такая особенность электронно-лучевого
воздействия приводит к возможности реализации в поверхностных слоях
обрабатываемых изделий таких процессов как нагрев, плавление, испарение,
взрывное вскипание вещества и т.д. [4].
Энергия, передаваемая
электронами веществу, распределяется неравномерно. Интенсивность проходящих в
нем превращений также неодинакова. Следовательно, одной из основных задач при
выборе технологических параметров электронно-лучевой обработки является расчет
допустимой неравномерности поглощенной дозы энергии. Это необходимо для того,
чтобы разброс приобретаемых веществом свойств не выходил за пределы технических
условий [3].
Анализ литературных
данных позволяет выделить следующими основные технологические преимущества
метода электронно-лучевой обработки по сравнению другими способами
поверхностного упрочнения [2]:
- высокая производительность
процесса;
- минимальное коробление изделия;
- не зависящий от изделия характер
подвода энергии;
- возможность управления процессом с
помощью ЭВМ и устройств с ЧПУ, встраивание установок в автоматические
производственные линии;
- независимость степени поглощения
энергии от оптических свойств и шероховатости поверхности, отсутствие
необходимости нанесения покрытия на поверхность для повышения поглощающей
способности;
- формирование зоны одновременного
нагрева с площадью до сотен см2,
- высокая надежность электромагнитной
системы сканирования;
- возможность использования одного
оборудования для проведения различных технологических процессов - сварки,
поверхностной закалки, плавления;
- возможность быстрой и надежной
развертки пучка в магнитном поле;
- отсутствие окисления поверхности;
-относительная экологичность процесса
за счет отсутствия вредных выбросов в атмосферу.
Несмотря на ряд
перечисленных преимуществ, большие капитальные затраты на приобретение и монтаж
оборудования, затраты, связанные с его эксплуатацией и обслуживанием,
ограничивают применение электронно-лучевой обработки деталей крупносерийным и
массовым производством в машиностроении и инструментальной промышленности [2].
1.
Егоров
А. А., Коровин А. И. Пламенная поверхностная закалка в машиностроении. М.:
ЦИНТИМАШ, 1961. – 107 с., ил.
2.
Коротеев
А. С., Васильев М. Н. Технологические процессы на основе концентрированных
электронных пучков. – Автомобильная промышленность. – 1983. – №11. – с. 21-23.
3.
Кайдалов
А. А. Электронно-лучевая закалка поверхности металлов. – Сварщик. – 1999. – №3.
– с.14-15.
4.
Брандт
М. Промышленные лазеры: принцип работы и возможные области применения. –
Сварщик. – 2001. – №3. – с.30-32.
5.
Лащенко
Г. И. Плазменное упрочнение и напыление. – Киев: Экотехнология, 2003. – 64 с.,
ил.
6.
Коротков
В. А., Бердников А. А., Толстов И. А.
Восстановление и упрочнение деталей и инструмента плазменными технологиями.
1993. –144 с.