Променеві методи обробки: Навч. посібник

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ...

скачать книгу Променеві методи обробки: Навч. посібник

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів (Лист МОНУМ 14/18.2-761 від22.04.03)
...
Вперше зроблена спроба систематизувати і подати єдиним виданням особливості електронно-променевої і лазерної обробки металів, грунтуючись на тому, що їх геометричні і енергетичні параметри в технологічному діапазоні є близькими. Наведено технологічні схеми, обладнання, режими поверхневої обробки металів і сплавів. Особливу увагу приділено електронно-променевому та лазерному зміцненню, легуванню, аморфізації й формуванню зносостійких евтектичних покрить.
...
Для студентів матеріалознавчих і металургійних спеціальностей вищих навчальних закладів рівнів акредитації. Може бути корисним студентам машинобудівних і споріднених спеціальностей, а також аспірантам, викладачам та фахівцям вищевказаних спеціальностей.
...
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів (Лист МОНУМ 14/18.2-761 від22.04.03)
...
Розділ V. Електронно-променеве зміцнення сталей та інших сплавів...............................................................................63
...
Розділ X. Структурно-фазовий стан та фізико-механічні
...
«Променеві методи обробки» є дисципліною навчального плану спеціальності «Металознавство» за напрямом освіти «Інженерне матеріалознавство». Потреба цього курсу визначена швидким розвитком і досягненнями лазерної та електронно-променевої техніки і технології. На жаль, навчальна література з променевих методів обробки майже повністю відсутня. Наукові та практичні досягнення поверхневої обробки матеріалів високоенергетичними джерелами енергії відображені, в основному, в науково-технічній літературі, що створює певні труднощі для студентів при вивченні цієї дисципліни. Саме цими міркуваннями керувалися автори цього видання.
...
Зміст навчального посібника відповідає освітньо-професійній програмі підготовки фахівців за напрямом «Інженерне матеріалознавство», затвердженій Міністерством освіти і науки України; він необхідний майбутнім спеціалістам і магістрам, а також аспірантам і тим, хто хоче підвищити свою кваліфікацію, набуту раніше. Посібник буде корисним також для студентів машинобудівних і металургійних спеціальностей, інженерів та спеціалістів, які працюють у галузі фізичного матеріалознавства.
...
Навчальний посібник складається з одинадцяти розділів, в яких із використанням новітніх науково-технічних даних розглядаються всі основні аспекти променевої обробки, починаючи з визначення її місця серед інших методів та притаманних їй особливостей. Подається детальний огляд електронно-променевого та лазерного зміцнення, легування й аморфізації широкого кола металевих матеріалів — сталей, чавунів, кольорових сплавів; формування зносостійких евтектичних покрить. У більшості випадків наведені характеристики поверхневого шару металів після обробки - структура, твердість, фазовий склад та інші чинники, що суттєво впливають на його працездатність. При написанні посібника авторами використані численні вітчизняні та закордонні літературні джерела, патентні матеріали, результати власних робіт з ме-
...
«Променеві методи обробки» є дисципліною навчального плану спеціальності «Металознавство» за напрямом освіти «Інженерне матеріалознавство». Потреба цього курсу визначена швидким розвитком і досягненнями лазерної та електронно-променевої техніки і технології. На жаль, навчальна література з променевих методів обробки майже повністю відсутня. Наукові та практичні досягнення поверхневої обробки матеріалів високоенергетичними джерелами енергії відображені, в основному, в науково-технічній літературі, що створює певні труднощі для студентів при вивченні цієї дисципліни. Саме цими міркуваннями керувалися автори цього видання.
...
Зміст навчального посібника відповідає освітньо-професійній програмі підготовки фахівців за напрямом «Інженерне матеріалознавство», затвердженій Міністерством освіти і науки України; він необхідний майбутнім спеціалістам і магістрам, а також аспірантам і тим, хто хоче підвищити свою кваліфікацію, набуту раніше. Посібник буде корисним також для студентів машинобудівних і металургійних спеціальностей, інженерів та спеціалістів, які працюють у галузі фізичного матеріалознавства.
...
Навчальний посібник складається з одинадцяти розділів, в яких із використанням новітніх науково-технічних даних розглядаються всі основні аспекти променевої обробки, починаючи з визначення її місця серед інших методів та притаманних їй особливостей. Подається детальний огляд електронно-променевого та лазерного зміцнення, легування й аморфізації широкого кола металевих матеріалів — сталей, чавунів, кольорових сплавів; формування зносостійких евтектичних покрить. У більшості випадків наведені характеристики поверхневого шару металів після обробки - структура, твердість, фазовий склад та інші чинники, що суттєво впливають на його працездатність. При написанні посібника авторами використані численні вітчизняні та закордонні літературні джерела, патентні матеріали, результати власних робіт з ме-
...
«Променеві методи обробки» є дисципліною навчального плану спеціальності «Металознавство» за напрямом освіти «Інженерне матеріалознавство». Потреба цього курсу визначена швидким розвитком і досягненнями лазерної та електронно-променевої техніки і технології. На жаль, навчальна література з променевих методів обробки майже повністю відсутня. Наукові та практичні досягнення поверхневої обробки матеріалів високоенергетичними джерелами енергії відображені, в основному, в науково-технічній літературі, що створює певні труднощі для студентів при вивченні цієї дисципліни. Саме цими міркуваннями керувалися автори цього видання.
...
Зміст навчального посібника відповідає освітньо-професійній програмі підготовки фахівців за напрямом «Інженерне матеріалознавство», затвердженій Міністерством освіти і науки України; він необхідний майбутнім спеціалістам і магістрам, а також аспірантам і тим, хто хоче підвищити свою кваліфікацію, набуту раніше. Посібник буде корисним також для студентів машинобудівних і металургійних спеціальностей, інженерів та спеціалістів, які працюють у галузі фізичного матеріалознавства.
...
Властивості усього виробу багато в чому визначаються станом, структурою та властивостями його поверхневих шарів. Саме цим пояснюється широке застосування таких способів зміцнення поверхні виробів, як хіміко-термічна обробка, гартування з нагріванням струмами високої частоти, газополум'яне, плазмове гартування тощо. Як бачимо, енергоносії використовуються різноманітні, а суть однакова — в усіх цих випадках відбувається не об'ємне, наскрізне, а поверхневе нагрівання виробів. До цієї шеренги належать і променеві методи обробки — електронно-променеве та лазерне зміцнення металів і сплавів.
...
Але променева обробка відрізняється від інших методів поверхневого зміцнення високою концентрацією енергіїш. оброблюваній поверхні, зазвичай у межах 104...109 Вт/см2(для порівняння: СВЧ - 102...108 Вт/см2, плазма-біля 104 Вт/см2). З цієї причини електронний і лазерний промені називають високо-концентрованими джерелами енергії. Висока концентрація підведеної енергії і локальність дії променя дозволяють проводити обробку тільки поверхневої частини матеріалу без нагрівання решти об'єму і, отже, зміни його структури і властивостей, наслідком чого є мінімальне жолоблення деталей.
...
Поверхневе нагрівання зазвичай має швидкісний характер. Так, для променевих методів обробки швидкість нагрівання V ста-
...
Ізотермічна витримка при максимальній температурі нагрівання або взагалі відсутня, або нею можна знехтувати через її надзвичайно малу тривалість. Нарешті, швидкість охолодження практично дорівнює швидкості нагрівання:
...
тобто становить ті ж самі \03...\07 °С/с. Це теж було показано експериментально, але може бути одержано й за допомогою певних розрахунків.
...
Побудована на основі цієї формули номограма (рис. 1.2) дає можливість за виміряною на мікрошліфі шириною вторинних гілок дендритів сі
...
імпульсний характер. Для установок імпульсної дії (тривалість імпульсу 103... 107 с) це самоочевидно. Але це справедливо й для установок неперервної дії. Справді, звичайними параметрами неперервного лазерного нагрівання є, наприклад, такі: швидкість сканування V =6 м/ хв= =0,1 м/с, діаметр світлового пучка а'проіІ = 0,004 м. Тоді тривалість перебування під лазерним променем будь-якої точки оброблюваної поверхні становитиме 0,04 с, що усього на порядок більше, ніж при імпульсному лазерному нагріванні. Швидкість же нагрівання до 1200 °С перевищить при цьому 3-104°С/с.
...
На відміну від інших видів поверхневої та швидкісної термічної обробки для променевих методів характерна локальність діїне лише за глибиною, а й за поверхнею оброблюваної деталі. На перший погляд, це здається суттєвим недоліком. Насправді ж — якраз навпаки — локальна обробка дозволяє прицільно та дозовано зміцнювати чи додатково зміцнювати саме те, що потрібно (наприклад, різальну кромку інструмента), або те, що важко чи взагалі неможливо зміцнити іншими способами (наприклад, внутрішню поверхню тонкої трубки).
...
За максимальною температурою, яка досягається під дією електронного чи лазерного променя, розрізняють нагрівання з оплавленням оброблюваної поверхніта без нього (рис. 1.3). Здавалося б, другий варіант кращий, оскільки при цьому зберігається досягнута при обробці різанням чистота поверхні тощо.
...
Побудована на основі цієї формули номограма (рис. 1.2) дає можливість за виміряною на мікрошліфі шириною вторинних гілок дендритів сі
...
Але перший варіант дозволяє одержати багато з того, що, недосяжне у другому варіанті, тому він більш популярний і використовується приблизно у 90 % випадків. Промовистою є його назва -облагороджувальнепереплавлення. Змінюючи потужність і тривалість дії променя на оброблювану частину поверхні матеріалу, можна отримувати широкий спектр структурних станів: ультрамікроскопічні структури, пересичені тверді розчини, структури з підвищеною гомогенністю, тонкі дендритні структури і тонкі евтектичні композиції. При екстремально високих швидкостях охолодження в деяких сплавах можуть бути зафіксовані аморфні структури. Променеве оплавлення може використовуватись також для поверхневого легування або для обробки покриттів. У цьому разі спостерігається ліквідація таких дефектів, як пори і тріщини, покращується міцність зчеплення покриття з основою внаслідок утворення рідкої фази.
...
Чи не найголовнішою перевагою променевих методів обробки є самогартування об'ємів виробу, нагрітих вище критичних точокспла-ву. Одразу після припинення електронно-променевого чи лазерного імпульсу або переміщення електронного чи лазерного променя неперервної дії на нову ділянку оброблюваної поверхні починається охолодження нагрітого об'єму. Тепло частково розсіюється у довкіллі
...
Але перший варіант дозволяє одержати багато з того, що, недосяжне у другому варіанті, тому він більш популярний і використовується приблизно у 90 % випадків. Промовистою є його назва -облагороджувальнепереплавлення. Змінюючи потужність і тривалість дії променя на оброблювану частину поверхні матеріалу, можна отримувати широкий спектр структурних станів: ультрамікроскопічні структури, пересичені тверді розчини, структури з підвищеною гомогенністю, тонкі дендритні структури і тонкі евтектичні композиції. При екстремально високих швидкостях охолодження в деяких сплавах можуть бути зафіксовані аморфні структури. Променеве оплавлення може використовуватись також для поверхневого легування або для обробки покриттів. У цьому разі спостерігається ліквідація таких дефектів, як пори і тріщини, покращується міцність зчеплення покриття з основою внаслідок утворення рідкої фази.
...
Чи не найголовнішою перевагою променевих методів обробки є самогартування об'ємів виробу, нагрітих вище критичних точокспла-ву. Одразу після припинення електронно-променевого чи лазерного імпульсу або переміщення електронного чи лазерного променя неперервної дії на нову ділянку оброблюваної поверхні починається охолодження нагрітого об'єму. Тепло частково розсіюється у довкіллі
...
Але перший варіант дозволяє одержати багато з того, що, недосяжне у другому варіанті, тому він більш популярний і використовується приблизно у 90 % випадків. Промовистою є його назва -облагороджувальнепереплавлення. Змінюючи потужність і тривалість дії променя на оброблювану частину поверхні матеріалу, можна отримувати широкий спектр структурних станів: ультрамікроскопічні структури, пересичені тверді розчини, структури з підвищеною гомогенністю, тонкі дендритні структури і тонкі евтектичні композиції. При екстремально високих швидкостях охолодження в деяких сплавах можуть бути зафіксовані аморфні структури. Променеве оплавлення може використовуватись також для поверхневого легування або для обробки покриттів. У цьому разі спостерігається ліквідація таких дефектів, як пори і тріщини, покращується міцність зчеплення покриття з основою внаслідок утворення рідкої фази.
...
Рис. 1.3. Схема нагрівання з оплавленням та без оплавлення поверхні
...
за рахунок випромінювання, але головним чином спрямовується у глибину виробу. Завдяки високій теплопровідності металів та металевих сплавів і внаслідок того, що нагрітий об'єм набагато менший за увесь виріб, швидкість відведення тепла (швидкість охолодження) виявляється більшою від критичної швидкості гартування не лише для легованих, середньо- чи високовуглецевих сталей, але й для ма-ловуглецевих сталей і навіть для технічного заліза.
...
Найголовніша та найважливіша з цих особливостей полягає в тому, що при променевій обробці, як і при інших видах швидкісної обробки, фазові та структурні перетворення відбуваються в умовах, далеких від рівноважних, які описуються діаграмами стану. Але останні зберігають силу і в цих умовах.
...
Як це реалізується на практиці, покажемо на прикладі поліморфного перетворення. Поліморфні модифікації одного й того самого металу, як відомо, позначаються першими літерами грецької абетки. Отже, мова йтиме про перетворення:
...
У рівноважних умовах у чистому металі поліморфне перетворення відбувається при постійній і завжди однаковій температурі, яка є однією з характеристик цього металу. її звичайно позначають як 7"0.
...
При швидкісному нагріванні й охолодженні поліморфне перетворення розтягується на певний інтервал температур, тим ширший, чим більша швидкість нагріву чи охолодження (рис. 1.4).
...
за рахунок випромінювання, але головним чином спрямовується у глибину виробу. Завдяки високій теплопровідності металів та металевих сплавів і внаслідок того, що нагрітий об'єм набагато менший за увесь виріб, швидкість відведення тепла (швидкість охолодження) виявляється більшою від критичної швидкості гартування не лише для легованих, середньо- чи високовуглецевих сталей, але й для ма-ловуглецевих сталей і навіть для технічного заліза.
...
Найголовніша та найважливіша з цих особливостей полягає в тому, що при променевій обробці, як і при інших видах швидкісної обробки, фазові та структурні перетворення відбуваються в умовах, далеких від рівноважних, які описуються діаграмами стану. Але останні зберігають силу і в цих умовах.
...
Як це реалізується на практиці, покажемо на прикладі поліморфного перетворення. Поліморфні модифікації одного й того самого металу, як відомо, позначаються першими літерами грецької абетки. Отже, мова йтиме про перетворення:
...
фазові та структурні перетворення відбуваються в умовах, далеких від рівноважних,
...
У нерівноважних умовах поліморфне перетворення, подібно до інших фазових перетворень І роду, при нагріванні перегрівається, тобто відбувається при більш високих температурах, а при охолодженні—переохолоджується. Ступінь перегрівання чи переохолодження 4/буде тим більшим, чим більшою була швидкість нагрівання V чи охолодження Ктоі.При однакових абсолютних значеннях цих швидкостей
...
При первинній кристалізації зони елекгронно-променевого чи лазерного нагрівання в умовах швидкісного та направленого відведення тепла утворюються стовпчастімакрокристали, які ростуть перпендикулярно до межі між розплавленим шаром та основною масою виробу.
...
При звичайних швидкостях охолодження такий макрокристал складається з групи дендритів, що мають спільну макроорієнта-цію (рис. 1.5,о). Збільшення швидкості охолодження призводить до того, що найбільше переохолодженння досягається на межі з підкладкою, а на поверхні розплаву переохолодження менше. Рівноосні зерна є тільки біля поверхні (рис. 1.5, б), а біля межі з підкладкою, де швидкості кристалізації мають найбільше значення, стовпчасті зерна ростуть від підкладки до поверхні розплаву і
...
У нерівноважних умовах поліморфне перетворення, подібно до інших фазових перетворень І роду, при нагріванні перегрівається, тобто відбувається при більш високих температурах, а при охолодженні—переохолоджується. Ступінь перегрівання чи переохолодження 4/буде тим більшим, чим більшою була швидкість нагрівання V чи охолодження Ктоі.При однакових абсолютних значеннях цих швидкостей
...
кожне з них складається з декількох однаково орієнтованих дендритів. Пояснюється це відомим зв'язком розміру зерна <і>
...
Подальше збільшення швидкості охолодження призводить до зникнення рівнооснихзерен, утворюються стовпчасті мікрокрис-тали, які ростуть перпендикулярно до межі розплавленого шару і основної маси оброблювального виробу, що залишається в твердому стані (рис. 1.5, в). При цьому зі збільшенням швидкості охолодження товщина гілок дендритів зменшується, а їх довжина росте.
...
Після досягнення певної критичної швидкості охолодження (для алюмінієвих сплавів, наприклад, біля 106 С°/с ) дендритна структура змінюється субдендритною. В умовах формування великої кількості центрів кристалізації з них виростають компактні і дрібні зерна (рис. 1.5, г), розмір яких тим менший, чим більшою була швидкість охолодження.
...
Локальна швидкісна та направлена кристалізація після електронно-променевого чи лазерного нагрівання з оплавленням поверхні значною мірою впливає на будову евтектики. Зазвичай евтектика має, як відомо, колоніальну будову. Кожна колонія є двофазним бікристалом, тобто зростком двох розгалужених кристалів обох фаз, завдяки чому у площині шліфа вони чергуються. Зі збільшенням швидкості охолодження відбувається диспергування евтектики. Після досягнення швидкості охолодження, вищої за 105° С/с, колоніальна будова взагалі поступається місцем тонкому конгломерату фаз.
...
Швидкість охолодження тим сильніше впливає на процес первинної кристалізації, чим більше склад сплаву відрізняється від евтектичного. При швидкісному охолодженні первинна кристалізація надлишкових фаз в до- або заевтектичних сплавах за браком часу відбувається неповністю, і тому в евтектичному перетворенні бере участь рідина, склад якої відрізняється від рівноважного. З такої рідини утворюється квазіевтектика. Вона відрізняється від евтектики за двома параметрами." хімічним складом (удоевтектич-них сплавах вміст другого компонента буде меншим, ніж у рівноважній евтектиці, а в заевтектичних сплавах — навпаки, більшим)
...
кожне з них складається з декількох однаково орієнтованих дендритів. Пояснюється це відомим зв'язком розміру зерна <і>
...
і кількістю (квазіевтектики більше, ніж евтектики). При певній швидкості охолодження первинна кристалізація надлишкових фаз у до- та заевтектичних сплавах може повністю бути придушена, і вони набувають квазіевтектичної структури.
...
Не менш глибокі зміни вносить висока швидкість охолодження і в процеси вторинної кристалізації. Так, при високих швидкостях до-сягається великий ступінь переохолодження розплаву, внаслідок чого склад а-фази при кристалізації евтектики чи квазіевтектики (рис. 1.6) визначається не рівно-важноюточкоюДаточ- ^ *-б. Зміна граничного складу а-фази
...
кою /"чи навіть Н. Тоді сольвусом системи буде не лінія ВК, а РЬ або НМ. Отже, область гомогенності а-фази значно розширюється, і вона виявляється набагато концентрованішим твердим розчином, ніж це виходить з діаграми стану. Так, за діаграмою стану гранична розчинність молібдену в залізі не перевищує 6,7 %, а після лазерного нагрівання нами зафіксовано у твердому розчині 28...36 % молібдену.
...
Швидке охолодження фіксує такий пересичений твердий розчин аж до кімнатної температури. У подальшому відбувається його природне старіння, рушійну силу якого — ступінь пересичення, тобто вміст компоненту В в а-фазі — можна легко визначити за відомим рівнянням Томсона-Фрейндліха:
...
Висока швидкість охолодження, подрібнюючи дендрити, збільшує їх поверхню і, отже, частку приповерхневих їх шарів, котрі зазвичай збагачені легуючими елементами та домішками. Внаслідок цього збільшується вміст легуючих елементів в дендритах і, відповідно, зменшується їх кількість, зв'язана в інтерметалі-ди. Отже, зменшується кількість кристалів цих фаз. У граничному випадку стабільних інтерметалідів може взагалі не бути, а замість них утворяться метастабільні проміжні фази, чия поява у рівноважних чи близьких до них умовах термодинамічно неможлива.
...
При дуже великих швидкостях охолодження кристалізація й цих метастабільних фаз теж стає неможливою, а відбувається без-дифузійна кристалізація, при якій склади рідкої та твердої фаз збігаються.
...
Граничним варіантом твердіння в умовах надзвичайно високих швидкостей охолодження є аморфізація - одержання металевого скла при повному придушенні кристалізації. Променева обробка у багато разів збільшує перелік металевих матеріалів, які можуть бути одержані в аморфному стані.
...
Щойно розглянуті особливості променевої обробки, по суті, майже не пов'язані з самим електронним чи лазерним променем, а лише з тими температурно-часовими показниками, яких вони дозволяють досягти. З цієї причини вибір — електронно-променева чи лазерна обробка - повинен відбуватися не з якихось принципових, а з техніко-економічних міркувань.
...
І. Лазерну обробку можна проводити не у вакуумі, як електронно-променеву, а в повітрі чи потрібному газовому середовищі. У той же час позавакуумне електронно-променеве нагрівання не знайшло поширення, оскільки параметри таких установок не дають їм можливості конкурувати ні з традиційними методами термічної обробки, ні з лазерною обробкою. Проведення ж електронно-променевого нагрівання у вакуумі ускладнює обладнання й
...
2. При лазерній обробці немає рентгенівського випромінювання, отже, не потрібен біологічний захист оператора й оточуючих його людей.
...
Перші спроби електронно-променевої плавки були зроблені Пірані ше в 1905 році. Йому пощастило розплавити навіть такий важкоплавкий метал, як тантал, температура плавлення якого сягає 3000 "С. Але ні вакуумна, ні електронна техніка на той час ще не отримали належного розвитку, а з іншого боку, ще не виникла потреба в подібній технології. Тому роботи Пірані не знайшли технічної реалізації.
...
Із середини 20-х років минулого століття починається інтенсивний розвиток електронної оптики. Разом з прогресом вакуумної техніки це створило можливість надійного одержання і формування електронних променів. Так, у 1934 році Арденне і Рюле зуміли сфокусувати електронний промінь за допомогою магнітного поля, що було використане ними для отримання отворів малого діаметру, а також для випаровування металів.
...
Після Другої світової війни були створені більш потужні електронні мікроскопи другого покоління. Працюючи на них, дослідники звернули увагу на нагрівання досліджуваного об'єкта гостро сфокусованим електронним променем. В електронній мікроскопії це явище було небажаним. Залишався лише крок, щоб перетворити його на корисне.
...
Необхідність створення нової технології зварювання, плавлення, напилення тощо виникла досить швидко завдяки розвитку електроніки, ядерної і космічної техніки. Там електронно-променева технологія посіла важливе місце. Пізніше елктронно-проме-
...
До числа енергетичних параметрів електронного променя, Кіпрі визначають той чи інший вплив його на оброблюваний ма-ісріал, належать такі:
...
що реальна прискорювальна напруга електронно-променевих установок у декілька разів виша і, отже, швидкість електронів у промені теж значно більша.
...
5. До енергетичних параметрів безпосередньо примикає й такий, як глибина проникнення електронів у речовину. Це відстань, на якій електрони втрачають практично всю свою енергію. Вона залежить тільки від енергії електронів та густини матеріалу і може бути обчислена за наближеними емпіричними формулами.
...
Ці формули дають можливість оцінити ймовірність радіаційних пошкоджень матеріалу при проникненні в нього електронів. Так, для сталей середню густину можна прийняти рівною 7,8 г/см3. Тоді при напрузі 10 кВ глибина проникнення електронів становитиме усього 0,21мкм, а при 100 кВ не перевищить 27 мкм. Отже, при електронно-променевому нагріванні, де енергія електронів не перевищує декількох сотень кілоелектронвольтів, радіаційними пошкодженнями можна знехтувати. При іншому виді електронної обробки матеріалу — електронному опроміненні, де енергія електронів становить декілька мегаелектронвольтів, цього робити не можна.
...
Слід також брати до уваги, що передача енергії електрона при його проникненні в глибину речовини відбувається нерівномірно. Завдяки цьому потужність, що поглинається в одиниці об'єму речовини, є функцією відстані від поверхні (рис.2.1). Характерним є те , що на відстані від поверхні, рівній 1/3 максимальної глибини проникнення електронів, поглинена потужність досягає максимуму.
...
Тутра(г) — питома об'ємна потужність, що поглинається матеріалом; ра тах — її максимальне значення; і — відстань від поверхні мішені; И - глибина проникнення електронів.
...
де пц— частка поглиненої (увібраної) потужності пучка;у — густина струму пучка у місці його зустрічі з поверхнею мішені.
...
Електронний промінь виявився не лише корисним, а й досить універсальним інструментом, що дозволяє реалізувати певну кількість технологічних способів впливу на оброблюваний матеріал. Наразі розрізняють шість основних видів електронно-ироменевих технологій: плавлення, випаровування, хімічна обробка, зварювання, термічна обробка та нетермічна обробка. Попри їх и іачну різноманітність, в основі кожного виду лежить співвідно-шення потужності електронного променя Рлта його питомої по-іужності рп. У свою чергу, обидві ці характеристики визначаються лрискорювальною напругою променя І/ , а питома потужність те й діаметром променя а"п
...
Рис. 2.1. Розподіл поглиненої частки потужності по глибині матеріалу
...
Плавлення є чи не найпершою електронно-променевою технологією. Завдяки своїм унікальним особливостям, зокрема достатньо високому вакууму, воно забезпечує високу якість металу або сплаву, а висока концентрація енергії променя дозволяє плавити найбільш важкоплавкі металеві матеріали.
...
Електронно-променеве випаровування, точніше кажучи, випа-ровувальне осадження у вакуумі, є універсальним і важливим способом одержання тонких плівок, які широко використовуються сучасною технікою.
...
Хімічна обробка полягає в ініціюванні за допомогою електронного променя потрібних хімічних реакцій у речовині (утворення цільних радикалів, стабільних молекул тощо).
...
При зварюванні використовуються ті самі особливості електронно-промєневої технології, що й при плавленні: відсутність окислення та інших небажаних процесів, шо призводять до по-ііршення якості зварного з'єднання, та можливість зварювати плавленням важкоплавкі матеріали.
...
Нарешті, нетермічній обробці піддають матеріали, що добре ізо-нііонані електрично. Електронний промінь створює в зоні обробки н< жалізований електричний заряд і цілі зарядні структури, котрі потім можуть бути перетворені в іншу відтворювану форму. Ця технологія іастосовується для записування та нагромадження інформації.
...
Ці взаємодії досить різноманітні та залежать від того, з якими частинками речовини (молекули, атоми, атомні електрони чи вільні електрони) вони відбуваються. Щоправда, кінцевим результатом цих взаємодій буде, головним чином, нагрівання матеріалу.
...
При зіткненні з будь-якими частинками речовини електрони пучка передають їм частину своєї енергії і водночас відхиляються під свого первинного напряму руху. Кути відхилення будуть тим більшими, чим менша відстань між центрами електрона пучка та іус і річної частинки у момент максимального зближення, і можуть перевищувати 90° і навіть досягати 180°.
...
У робочій камері установки електрони променя можуть взаємодіяти з нейтральними атомами газів, що там присутні, віддаючи їм частину своєї енергії. Внаслідок цього електрони атомів газу переходять на більш високий енергетичний рівень або взагалі защипають свій атом, тобто відбувається іонізація газу. Таким чином на шляху електронного пучка виникає плазма.
...
Густина плазми пропорційна густині струму пучкау'пта ймові-I и юсті іонізації атомів газу і обернено пропорційна довжині вільно-ю пробігу електронів.
...
Електронно-променеве випаровування, точніше кажучи, випа-ровувальне осадження у вакуумі, є універсальним і важливим способом одержання тонких плівок, які широко використовуються сучасною технікою.
...
При взаємодії з атомами газу змінюються також параметри електронного пучка: сильно збільшується діаметр пучка а"п,
...
Для збереження параметрів електронного променя незмінними в робочій камері створюють глибокий вакуум. Він повинен бути таким, щоб довжина вільного пробігу електронів пучка між двома співударами перевищувала відстань від катода електронної гармати до оброблювальної деталі.
...
Значення аа залежить від швидкості електронів. У звичайному діапазоні енергії електронно-променевих установок (10... 100 кеВ) аа зменшується зі збільшенням енергії електронів.
...
Рух пучка електроніву періодичному електричному полі кристалічної решітки викликає збурення нього поля. Електрони пучка при цьому гальмуються. Частина їх кінетичної енергії передається іонам решітки, які дещо змішуються зі своїх місць; збільшується амплітуда їх теплових коливань, змінюються періоди решітки, іонпішнім виявом цього є місцеве підвищення температури.
...
Якщо енергія первинних електронів велика, то ці явища можу її» призвести до послаблення міжатомних зв'язків (плавлення) лін) по повного їх розриву (випаровування речовини).
...
Електрони пучка можуть також взаємодіяти з ядрами атомів речовини, якщо вони пролітають досить близько. При співударі млра можуть захопити електрони з пучка і перетворитися в нега-іішно заряджені іони. При електронно-променевому нагріванні пс мало ймовірно через недостатню енергію електронів пучка.
...
Ймовірнішим є інший варіант - ядра атомів речовини при ііткненні з електронами пучка одержать додатковий імпульс при ісплових коливаннях, що виявиться у місцевому підвищенні температури.
...
Отже, взаємодія електронного пучка з полем кристалічної решітки та ядрами атомів оброблюваної речовини приводить до їх іальмування. Кінетична енергія електронів розсіюється у вигляді іеплоти, яка розігріває об'єкт у тому місці, куди потрапляє пучок. Далі ця теплота розповсюджується в речовині за законами теплопередачі.
...
Електрони пучка взаємодіють також з електронами речовини — як зв'язаними, так і вільними. Зв'язані електрони при цьому переходять на більш високий енергетичний рівень і після дуже короткого перебування там повертаються у свій вихідний стан, випромінюючи зайву енергію у вигляді електромагнітних рентгенівських квантів. Це випромінювання має дисперсний характеристичний спектр. Саме на його використанні базується рентгенівська спектроскопія і мікроренгеноспектральний аналіз. Таке випромінювання слабко поглинається речовиною і практично не бере участі в електронно-променевому нагріванні.
...
При зіткненні первинних електронів пучка з вільними електронами речовини, а також при гальмуванні первинних електронів речовиною виникає гальмівне рентгенівське випромінювання. На відміну від характеристичного гальмівне випромінювання має неперервний спектр.
...
Попри розсіювання кінетичної енергії електронів пучка у ви-і іімді електромагнітного випромінювання відбуваються співудари
...
Рух пучка електроніву періодичному електричному полі кристалічної решітки викликає збурення нього поля. Електрони пучка при цьому гальмуються. Частина їх кінетичної енергії передається іонам решітки, які дещо змішуються зі своїх місць; збільшується амплітуда їх теплових коливань, змінюються періоди решітки, іонпішнім виявом цього є місцеве підвищення температури.
...
Якщо енергія первинних електронів велика, то ці явища можу її» призвести до послаблення міжатомних зв'язків (плавлення) лін) по повного їх розриву (випаровування речовини).
...
Електрони пучка можуть також взаємодіяти з ядрами атомів речовини, якщо вони пролітають досить близько. При співударі млра можуть захопити електрони з пучка і перетворитися в нега-іішно заряджені іони. При електронно-променевому нагріванні пс мало ймовірно через недостатню енергію електронів пучка.
...
їх з атомними та вільними електронами речовини. Останнім передається кінетична енергія первинних електронів, внаслідок чого вони можуть подолати потенціальний бар'єр і вийти за межі самої речовини. Виникає вторинна електронна емісія з оброблюваної поверхні.
...
У результаті взаємодії з речовиною одним з описаних вище способів електрони пучка можуть змінювати напрям свого руху на зворотний і вийти за межі оброблювальної деталі назад в робочу камеру установки. Це явище називається відбиттям електронів.
...
Якщо при цьому електрони пучка втрачають частину своєї енергії, то це непружне відбиття. Можливе також пружне відбиття - без втрат енергії.
...
Зворотне розсіювання менше ймовірне, ніж розсіювання на ядрах, але воно суттєво впливає на розподіл енергії при електронно-променевому нагріванні, бо електрони, що повертаються у вакуум, забирають з собою частину потужності пучка.
...
\і>! 2 -та частина енергії, яку первинний електрон передає зустрічним електронам речовини (вторинним).
...
Із формули (2.9) видно, що ае зменшується при збільшенні як енергії електронів пучка и»с, так і енергії вторинних електронів м>{ 2. Внаслідок цього біля самої поверхні оброблювальної речовини, де швидкість електронів і їх енергія уу
...
їх з атомними та вільними електронами речовини.
...
Власне, слід говорити про розподіл не енергії електронного променя, а його потужності, позаяк різні компоненти цього розподілу мають різну тривалість. Отже, потужність більш адекватно, ніж енергія, характеризує цей розподіл.
...
Втрати на рентгенівське випромінювання Р складають = 0,1 % від усієї потужності променя. Це випливає з формули (2.11), якою визначається коефіцієнт рентгенівської шкідливої дії:
...
де Рп - вся потужність променя; 2— атомний номер матеріалу оброблюваної деталі; Іі — прискорювальна напруга установки, кВ. Значення г) для деяких металів наведені у табл.2.3:
...
г— коефіцієнт відбиття — відношення максимальної сили струму вторинних і відбитих електронів до усієї сили струму променя:
...
Коефіцієнт відбиття /-легко виміряти, він практично не залежить від енергії пучка електронів, а лише від атомного номера оброблюваного матеріалу (рис.2.3).
...
Для сплавів з декількома компонентами усереднений атомний номер 2 визначається з урахуванням вмісту кожного з компонентів:
...
Наприклад, для сталі 08Х18Н10, яка містить 17...19 % О і 9... 11 % Лї, і, отже, близько 72 % Ге, атомні номери яких відповідно становлять 24, 28 і 26:
...
Дві перші дії здійснюються за допомогою електронної гармати, а третя - за допомогою електромагнітних і електростатичних лінз.
...
Вільні електрони можна одержати з твердої, рідкої і газоподібної речовини. Втім, емісія електронів з рідких матеріалів в електронних гарматах не використовується, цьому заважає високий вакуум у гарматі й усій робочій камері. Для отримання електронів з газів можна використати електричні розряди з холодним катодом і плазму низького тиску, сконцентровану магнітним полем. Але технічне значення має лише емісія електронів з твердої речовини.
...
Вільні електрони утримуються у твердому тілі потенціальним бар'єром, зумовленим електростатичним притяганням іонів кристалічної решітки. Висота цього бар'єра визначається роботою виходу, тобто мінімальною енергією яку потрібно надати електрону при температурі абсолютного нуля для подолання бар'єра. Ця енергія невелика і становить декілька електрон-Вольт.
...
Максимальна можлива енергія електрона при температурі ОК (енергія Фермі) еґ пропорційна густині вільних електронів і визначається за формулою:
...
При температурі ОА" енергія Фермі також становить декілька слектрон-Вольт, тобто холодна емісія можлива, проте дуже мала кількість електронів може подолати потенціальний бар'єр.
...
При нагріванні катода значно зростає число електронів, які мають енергію, достатню для подолання потенціального бар'єра, відбувається масовий вихід електронів — виникає термоелектронна емісія.
...
2. При напруженості поля Е~ 10'' В/смбез підігрівання емітера виникає автоелектронна емісія. Причиною цього є різке звуження потенціального бар'єра під дією сильного електричного поля. Дійсно, в однорідному електричному полі ширина бар'єра, наприклад, на висоті, що відповідає рівню енергії Фермі (рис.3.1), дорівнює:
...
Позаяк типові значення и^. становлять близько 1 електрон-Иольт, автоелектронна емісія починається при напруженості поля \і)\..\()4 МВ/м.
...
де іік — густина струму автоелектронної емісії; Е — напруженість електричного поля, В/м; и> — висота потенціального бар'єра.
...
Напруженість електричного поля, необхідна для автоемісії з холодних катодів, зазвичай досягається на мікровиступах на поверхні катода. Середня густина струму автоелектронної емісії при цьому досягає 100 МА/м2. При перегріванні мікровиступів авто-емісійним струмом вони вибухають; пара, що при цьому утворилася, іонізується; виникає плазмовий факел, тобто короткочасний імпульс.
...
Для одержання довготривалих імпульсних (тривалістю > 10 5 с) і стаціонарних (безперервних) пучків використовують термоелектронну емісію. Максимальна густина її струму може досягати 1 МА/м2. Основні види термокатодів та їхні характеристики наведені в іабл.3.1.
...
Катоди з вольфраму, .. . ІаблицяЗ.1 як видно з таблиці, пра-Іермокотоди та їхні характеристики цюють у режимі перероз.
...
(ВаО, 8гО, СаО) або їх сумішами. Після цього катод активують, тобто протягом певного часу пропускають струм при температурі катода біля 1000 °С. У результаті цього на поверхні катода утворюється моноатомний шар іонів лужноземельних металів, котрий знижує роботу виходу і, отже, збільшує емісійну здатність катода.
...
Розжарювання катода здійснюється або пропусканням струму через підкладку, або за допомогою допоміжної металевої спіралі (підігрівні катоди). Робоча температура сучасних оксидних катодів становить 800-900°С і навіть нижче.
...
Електронна гармата є основним вузлом будь-якої технологічної установки. Вона створює електронний промінь і керує його параметрами. Тому до її складу входять катод (емітер), фокусуючий прикатодний електрод і анод (але останній може бути й відсутнім).
...
Часто до складу електронної гармати відносять також вузли, які фокусують утворений промінь, забезпечують його проведення із збереженням потрібних параметрів до оброблюваної поверхні та, якщо потрібно, відхиляють його в певному напрямі, хоч їх можна виділити окремо - в систему фокусування та відхилення пучка.
...
Спільними для цієї системи та власне електронної гармати є умови роботи: у глибокому вакуумі; при електричній напрузі, що досягає сотень кілоВольт; необхідність забезпечення та збереження при роботі високої точності конструкції.
...
І Іайбільш універсальними й розповсюдженими є електронні і ирма і и аксіального типу. Саме вони використовуються і при елек-і рої її ю-променевій термічній обробці. У подальшому мова йтиме якраз про них.
...
Одним з найрозповсюдженіших є петельний катод прямого ро їжарювання з вольфрамового дроту діаметром 0,1 ...0,3 мм, який іпбешечує густину струму емісії до 50 кА/м2.
...
Електрони, емітовані катодом, під дією фокусуючого елект-росіатичного поля керуючого (фокусуючого) електрода форму-іоіься
...
Анод А (рис.3.2) і оброблювана деталь заземлюються, а на ка-іод К подається негативний потенціал. Якщо керуючий електрод Ф у гарматі один, і його потенціал дорівнює потенціалу катода, ііікіій
...
Якщо ж потенціал цього електрода нижчий, ніж у катода, генератор електронного пучка називається триелектродним (рис.3.3). Тут електростатичне поле фокусуючого електрода збирає пучок в кросовер — точку фокуса.
...
З точки зору електронної оптики будь-який генератор пучка являє собою імерсійну систему, що створює в заанодному просторі зображення катода, найчастіше — збільшених розмірів. Такі зображення через надто малу густину струму в них непридатні для подальшої передачі їх до об'єкта засобами електронної оптики. Тому об'єктом передачі вибирають переріз пучка, шо має найменший діаметр, тобто фокусну пляму пучка, де густина струму максимальна. Ця точка називається кросовером
...
При поданні негативного потенціалу зміщення на фокусуючий електрод його електричне поле відтісняє електрони до електронно-оптичної осі, концентрує їх і змушує їхні траєкторії перетинатися в одній точці — кросовері.
...
До основних параметрів пучка в цьому випадку належать: 1) діаметр фокусної плями (кросовер); 2) його положення на осі; 3) густина струму в кросовері; 4) кутова апертура. За ними розраховують параметри пучка в зоні його дії, тобто на поверхні об'єкта: діаметр плями нагрівання на поверхні оброблювальної деталі, густину струму в цьому місці, його потужність і питому потужність.
...
катод; 2 — джерело регульованої напруги.З — фокусуючий керуючий електрод; 4 — ав-тома-тичне зміщення; 5 — анод; 6 - оброблювана деталь;
...
Емітовані катодом електрони розганяються приско-рювальною напругою і проводить через заземлений анод. Електричний потенціал катода щодо .іноді становить -40...-100 кВ. На керуючий електрод подається нега-і інший потенціал зміщення, дещо вищий, ніж потенціал катода — або він спеціального джерела, або автоматично створений завдяки відгалуженню частини струму пучка через спеціальний заземлений опір.
...
Внаслідок цього встановлюється динамічна рівновага, після чого сила струму пучка вже не росте. Плато забезпечує стабільні шірпметри роботи електронного пучка.
...
Керуючий електрод забезпечує певне фокусування електронного пучка, але головним чином це досягається за допомогою магнітних лінз, що мають осьову симетрію.
...
Призначенням системи проведення пучка є перетворення параметрів пучка, сформованого в генераторі, в такі його параметри в зоні дії пучка, які необхідні для здійснення певного технологічного процесу. Найменший діаметр пучка для деяких з них потрібно збільшити або, навпаки, зменшити, щоб пучок у зоні дії мав певний діаметр і певну густину струму або ж певну питому поверхневу потужність.
...
В електронно-променевих установках проведення пучка здійснюють шляхом його фокусування і відхилення, використовуючи принципи електронної оптики.
...
Для фокусування пучка, як правило, застосовують магнітне поле з осьовою симетрією, створюване магнітними лінзами. Можливе також фокусування пучка за допомогою електричного поля, якщо воно має осьову симетрію. Але магнітне фокусування має ряд переваг перед електростатичним і є переважним. Відхилення ж електронних пучків найчастіше здійснюютьзадопомогою простихабо схрещених магнітних двополюсників або двох електростатичних пластин.
...
На електрон, що знаходиться в електромагнітному полі та рухається там зі швидкістю V, діє сила Лоренца Р.
...
Якщо довжина котушки значно більша за діаметр, її називали, соленоїдом. У соленоїда магнітне поле є однорідним майже по всій його довжині, і тому він не фокусує електрони, які руха-юі вся паралельно до оптичної осі, тобто він, власне, не може бути млі пітною лінзою.
...
Зміна магнітної індукції 5 уздовж оптичної осі лінзи 2Гта її радіуса г і, отже, електронно-оптична сила лінзи, визначається шириною полюсного проміжку 5 та діаметром полюсного отвору й. Фокусуюча та відхиляюча сила лінзи збільшується при використанні полюсних наконечників і зменшенні ширини проміжку. Тому завжди магнітні лінзи закриті в наконечнику.
...
Електронні гармати дають пучки електронів з максимальною енергією у декілька сотень еВ. Для одержання пучків з енергією у МеВ аЬо ГеВ використовують прискорювачі елементарних частинок.
...
Збільшення енергії частинок у прискорювачі відбувається в результаті дії на них сил електричного поля, отже, прискорюватися можуть лише частинки, що мають власний заряд. Велику кінетичну енергію вони можуть набути в результаті таких операцій:
...
Прискорювачі заряджених частинок відрізняються за конструкцією, призначенням, видом прискорюваних частинок, їхньою максимальною енергією тощо. їх класифікують за формою траєкторії прискорюваних частинок і за принципом прискорення.
...
За формою траєкторії прискорених частинок прискорювачі поділяються на лінійні, в яких траєкторії частинок близькі до прямої лінії, та циклічні, в яких частинки під дією магнітного поля (постійного чи змінного з часом) рухаються орбітами, близькими до колових.
...
За принципом прискорення, тобто за характером прискорюючого електричного поля, прискорювачі діляться на високовольтні, індукційні та резонансні.
...
і ниді дисків або кілець. їхній потенціал, створений високовольтним генератором постійного струму (типу Ван-дер-Граафа тощо) поступово підвищується у напрямку від входу до виходу з камери:
...
Електрони й інші частинки прискорюються постійним електричним полем у проміжках між електродами. Якщо електродів багато, можна суттєво розігнати електрони і надати їм енергію до 5 МеВ. Максимальна енергія електронів обмежується лише небезпекою електричного пробою проміжку між електродами.
...
Робота резонансних прискорювачів заснована на так званому резонансному прискоренні, коли рух заряджених частинок відбувається синхронно (в резонанс) зі змінним прискорювальним електричним полем. Частота цього поля може бути постійною чи мо-11
...
і ниді дисків або кілець. їхній потенціал, створений високовольтним генератором постійного струму (типу Ван-дер-Граафа тощо) поступово підвищується у напрямку від входу до виходу з камери:
...
Електрони й інші частинки прискорюються постійним електричним полем у проміжках між електродами. Якщо електродів багато, можна суттєво розігнати електрони і надати їм енергію до 5 МеВ. Максимальна енергія електронів обмежується лише небезпекою електричного пробою проміжку між електродами.
...
Робота резонансних прискорювачів заснована на так званому резонансному прискоренні, коли рух заряджених частинок відбувається синхронно (в резонанс) зі змінним прискорювальним електричним полем. Частота цього поля може бути постійною чи мо-11
...
Рис.3.9. Схема електростатичного лінійного прискорювача
...
У лінійному резонансному прискорювачі з трубками дрейфа (рис.3.10) прискорення здійснюється у проміжках між трубчастими електродами — трубками дрейфа, розташованими уздовж спільної осі. Трубки з непарними номерами підключені до одного полюса джерела змінної напруги, з парними — до іншого.
...
Всередині трубки дрейфа електричне поле відсутнє, і рух частинок в ній відбувається за інерцією. Довжина кожної трубки підбирається такою, щоб за час проходження її частинкою полярність прискорювальної напруги змінилася на протилежну. Завдяки цьому частинки прискорюються в кожному проміжку між трубками. Оскільки швидкість частинки після проходження кожного проміжку зростає, відповідно збільшується і довжина трубок дрейфа. її розраховують так, щоб час руху частинки між двома сусідніми проміжками дорівнював половині періоду прискорювальної напруги:
...
— швидкість електрона; с — швидкість світла у вакуумі. Для електронів (і -0,5уже при енергії 80 кеВ. За цих умов рух електронів відбувається у резонанс зі зміною напруги.
...
Максимальна енергія електронів у цьому прискорювачі теоретично не обмежена, бо вона дорівнює пії, де п — кількість трубок дрейфа, II — напруга генератора.
...
Циклічний індукційний прискорювач електронів — бетатрон — за своєю принциповою конструкцією нагадує звичайний трансформатор. Він має обмотку збудження, намотану на масивний магнітопровід. Ця обмотка живиться змінним синусоїдальним струмом. У навколишньому просторі виникає змінний магнітний потік. Будь-які зміни цього потоку у часі приводять до появи індукованого вихрового електричного поля, силові лінії якого завжди замкнуті та мають форму кола.
...

Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учебное пособие
Сварка, резка, пайка металлов
Сварка, резка и пайка металлов
Променеві методи обробки: Навч. посібник
Сварные базовые детали станков и машин. Обзор
Руководство по пайке металлов
Газовая сварка и резка металлов

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Променеві методи обробки: Навч. посібник