В последние годы наряду с традиционными технологиями упрочнения поверхности закалкой и наплавкой токами высокой частоты, химико-термической обработкой и другими способами все активнее используются высококонцентрированные источники нагрева: плазменная струя, лазерный луч, электронный пучок. Их внедрение позволяет резко сократить энергозатраты, интенсифицировать процессы упрочнения, уменьшить коробление деталей, исключить необходимость использования различных сред и при этом полностью автоматизировать процесс.

Среди перечисленных высококонцентрированных источников нагрева электронный пучок обладает рядом преимуществ, которые выделяют его по следующим признакам:

- наибольший термический к.п.д. нагрева (75% в сравнении с 15% для лазерного нагрева);

-наименьшие энергозатраты среди существующих способов поверхностного термического упрочнения;

- рафинирование и дегазация металла при обработке в вакууме;

- отсутствие необходимости в дорогостоящих защитных или закалочных средах (аргон или гелий, масло, раствор солей);

- экологическая чистота процесса за счет отсутствия вредных производственных выбросов в атмосферу;

- возможность регулирования параметров электроннолучевой обработки в широком интервале режимов от нагрева до активного плавления, а за счет этого - структуры, твердости, износостойкости, шероховатости;

- сравнительно с лазерной невысокая стоимость оборудования (в 2-3 раза ниже при одинаковой мощности излучения).

Одной из разновидностей электроннолучевой обработки поверхности является создание комбинированных защитных покрытий на деталях и инструменте посредством плакирования материалов с заданными свойствами.

Этот процесс отличается тем, что на защищаемую поверхность предварительно наносится слой материала требуемого состава и свойства, а затем оплавляется в вакууме быстродвижущимся в различных направлениях, сканирующим пучком электронов. При этом достигается улучшение адгезионных свойств защитного слоя на поверхности, а в процессе оплавления - рафинирование, дегазация и уплотнение защищающего материала. При этом толщина слоя плакирования определяется условиями эксплуатации детали и может находиться в диапазоне 0,1...1,5 мм.

2. Изменение структуры и свойств плакированного слоя

Для электронно-лучевого плакирования поверхности используются чаще всего порошковые материалы, предназначенные для плазменного напыления. Например, для инструмента рекомендуются сплавы, представленные в табл.1.

Исследования структуры и свойств плакированных слоев выполняются чаще всего в объеме микроструктурного, рентгенофазного анализов и определения твердости. В зависимости от исходного состава в плакированном покрытии происходят более или менее существенные изменения.

Такое нарушение стехиометрического соотношения фаз покрытия определяется частичным испарением легкоплавкого алюминия в процессе интенсивной бомбардировки и плавления порошкового материала, а также его последующей неравновесной кристаллизацией.

Для повышения износостойкости поверхности деталей можно использовать самофлюсующиеся порошковые материалы состава Ni-Cr-B-Si. Воздействие на них электронного пучка приводит к наиболее ощутимым изменениям свойств. Так, исследования процесса плакирования такими сплавами электронно-лучевым способом показали возможность существенного, на 3-4 HRC, повышения твердости поверхности (табл.2) [5]. Отмеченные изменения в структуре и свойствах плакированного слоя объясняются созданием структуры легированного аустенита, насыщенного упрочняющими фазами - карбидами и боридами хрома, имеющими твердость более HV 2000.

Известны случаи электронно-лучевого плакирования поверхности алюминиево-кремниевых сплавов никелем или железом [6]. Примерно на 1/3 глубины оплавления Ni-фольги твердость в среднем составляла HV 200. А при оплавлении железной фольги толщиной 0,35 мм на глубину основного материала до 5 мм твердость поверхности возрастала до HV 400, т.е. практически в 2 раза.

Известны также опыты по использованию в качестве источника энергии для плакирования поверхности потока релятивистских электронов с энергией 0,8...1,5 МэВ при атмосферном давлении [7]. Отмечается, что при оплавлении самофлюсующихся покрытий толщиной до 1 мм происходит их сплавление с материалом подложки и образованием плотного слоя с уменьшенным количеством окислов и пор, несколько меньшими, чем до оплавления, значениями твердости (за счет частичного смешивания материала покрытия с материалом подложки), но с прочностью сцепления, соизмеримой с прочностью материала подложки. Целесообразность использования таких высокоэнергетических источников нагрева в каждом конкретном случае должна определяться комплексным сравнением технико-экономических показателей аналогичных источников: лазерные и электронные пучки, световой поток и электрическая дуга и пр.

Таблица 1

Таблица 2

Ввиду отсутствия систематических данных провести подробный технико-экономический анализ рассмотренных способов упрочнения не представляется возможным. Однако по некоторым показателям можно сделать сравнение источников энергии, близких по своему воздействию на сплавы. Так, например, установлено, что при всех одинаковых технологических параметрах глубина слоя, упрочненного электронным пучком, в 2 раза больше, чем лазерным [8]. При этом расход энергии для электронно-лучевого и лазерного способов упрочнения соответственно 10% и 75%, что отражено на рис. 1.

Интересным представляется сравнение этих источников энергии по стоимости оборудования (рис.2) и мощности в пятне нагрева: лазерный луч выгоднее применять при требуемой мощности менее 1,5 кВт, электронный пучок - при 2...5 кВт и выше [8,9].

Сравнение высоко- и низкоэнергетических электронных пучков по производительности плакирования и энергозатратам показывает следующее: производительность - 0,2 м /ч при 50 кВт*ч/м и 0,94 м/ч при 8 кВт*ч/м соответственно [4]. Однако применение высокоэнергетических электронных пучков более перспективно для наплавки крупногабаритных изделий массового производства, когда создание для них вакуумных камер и откачных систем становится экономически невыгодным.

В табл. 3 приведены некоторые сведения об экономической эффективности использования различных методов электронно-лучевой обработки (все стоимостные показатели даны по состоянию на январь 1992 года).

Как видно из табл.3, регламент изделий, подвергающихся электронно-лучевой обработке, довольно широк. Более того, без указаний сумм прибылей существуют сведения о применении электронных пучков (преимущественно низкоэнергетических) для поверхностного упрочнения чугунных распредвалов [1], повышения износо- и коррозионной стойкости лопаток турбин [14], закалки поверхности рельсов [15], плакирования поверхности деталей автомобилей [16] и многие другие.

Таким образом, сравнительный анализ особенностей существующих и новых методов создания защитных покрытий показал, что комбинированный метод с использованием электронных пучков в вакууме обладает явными преимуществами и перспективностью для широкого круга деталей машин и инструмента, что позволит обеспечить ему одно из главенствующих мест в ряду современных технологий.

Рис.1. Гистограмма расхода энергии при различных методах упрочнения кольца муфты трансмиссии автомобиля: 1 – цементация; 2 – обработка лазерным лучом; 3 – индукционный нагрев; 4 – электронно-лучевая закалка

Рис.2. Сравнительная стоимость оборудования для лазерного (1) и электронно-лучевого (2) способов упрочнения

ЛИТЕРАТУРА