книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

менее 105—106 К/с) обрабатываемого металла, т. е. эффект само­ закалки, в том числе из жидкого состояния. С помощью высоко­ скоростной растровой развертки электронного пучка и цифрового управления формируется программно-управляемый распределен­ ный источник нагрева. Растр на плоской поверхности можно фор­ мировать в виде прямоугольника, трапеции, круга, кольца и дру­ гих фигур. Благодаря этому поверхностное термоупрочнение мож­ но достигнуть и на малогабаритных, тонкостенных изделиях, а так­ ж е на изделиях сложной конфигурации.

Процесс электронно-лучевого модифицирования поверхностей осуществляют в двух основных режимах: без оплавления и с оп­ лавлением. Выбор режима зависит, прежде всего, от требуемой глубины модифицированного слоя материала. Для первого режи­ ма модифицирования не требуется последующая механическая обработка поверхности. При этом реализуется эффект термоуп­ рочнения тонкого (до 2-2,5 мм) приповерхностного слоя металла, процесс зонального отжига или локальной термообработки свар­ ных соединений [78], а также явления фазообразования и струк­ турных изменений в кристаллах [51]. Второй режим модифициро­ вания применяют для гомогенизации, рафинирования и облицо­ вочного оплавления поверхности слитков, перемешивания в жид­ кой фазе компонентов, не образующих сплавов в равновесных условиях, образования метастабильных соединений и стеклообраз­ ных сплавов, закалки слоев металла толщиной до 10 мм. Упрочне­ ние в этом случае можно выполнять и с подачей присадочного материала для ввода легирующих элементов или нанесения амор­ фного слоя. При термоупрочнении с оплавлением улучшается мик­ роструктура металла и значительно уменьшается количество мик­ роликваций. Для сплавов системы железо-углерод повышенную твердость слоя переплава обеспечивает развитая дендритная структура с твердой мартенситно-карбидной основой, по грани­ цам которой расположена пластичная аустенитная фаза.

Для импульсного упрочнения максимальную температуру по­

где q — усредненная длительность импульса, плотность мощности электронного пучка; A t— длительность импульса электронного пуч­ ка; с; Л — соответственно удельная теплоемкость и теплопроводность металла.

работке титановых сплавов наибольший эффект повышения твер­ дости достигают на двухфазных материалах. Влияние на степень

Температурное поле по глубине металла от воздействия элект­ ронного пучка с высокочастотной прямоугольной растровой разверт­ кой без оплавления поверхности описывает следующее выражение:

T (z ,t)= T 0 + Ta J

’05 -4 -11,-05) HJ.JQS-4-"!-^). Ц

где z — координата, направленная перпендикулярно к поверхно­ сти вглубь металла; Т0 — начальная температура; Ф — интеграл

вероятностей:

Ф (х) ^ ехр( - и % Т а = ^ Г ;

а — коэффициенттемпературопроводности; ау— поперечный раз­ мер растра; r \= 2 4 a x ja ^ ях — продольный размер растра; то— период вращения кольца подшипника; h=nD/ах; D — диаметр кольца подшипника; $=ajay\ t =t/t0; nt — целая часть \ ; п — целое число.

Учитывая, что материалом подшипника — среднеуглеродистая сталь типа Ш Х15, прошедшая термообработку (47 -4 8 HRC3, а0 2=1440 МПа), а также то, что закалку осуществляют в диапазоне отГ<Т на поверхности кольца до Т>800 °С на глубине упрочнен­ ного слоя, расчет температурного поля дает оптимальную глубину упрочненного слоя 1,5-1,7 мм при мощности электронного пучка 2,6 кВт, размерах прямоугольного растра ах=5 мм, ау=30 мм и ско ­ рости перемещения растра по изделию 10 мм/с.

Упрочненный слой показан на рис. 96. Твердость упрочненного слоя 63-64 HRC3, что удовлетворяет условию равнонесущей способ­ ности деталей подшипника 60<66 HRC3. Срок службы радиально­ упорных подшипников, имеющих детали с электронно-лучевым термоупрочнением и работающих при высоких динамических на­ грузках в активной среде без смазки, в два раза выше, чем изго­

ности изделий из титановых сплавов по сравнению с де­ талями из других металли­ ческих материалов обуслов­ лено, вероятнее всего, низ­ кой теплопроводностью этих сплавов и, соответственно, большим временем суще­ ствования жидкой фазы на поверхности.

Из анализа физико-хими­ ческого состояния поверхностных слоев исходных и облученных

образцов и лопаток следует, что в результате быстрой кристалли­ зации расплава происходит:

■существенное изменение химического состава поверхност­ ных слоев толщиной по крайней мере 200 нм (имеет место очистка от примесей углерода и кислорода; с увеличением

числа импульсов происходит повышение однородности рас­ пределения А1, Мо и Z r по глубине, причем концентрация А1

в приповерхностной зоне возрастает до 15-20 ат. %);

■изменение фазового состава в слое толщиной примерно

10 м км (наблюдается практически полный распад |Н )азы

и образование большого количества а"-фазы (до 30-40%);

■формирование в этом же слое остаточных растягивающих напряжений, что проявляется в смещении рентгеновских ли­ ний в сторону меньших углов и в снижении значений мик­ ротвердости, особенно заметном при небольших нагрузках.

На поверхности образцов и лопаток при небольшом числе импуль­ сов формируется значительное количество микродефектов в виде кратеров диаметром 1-80 мкм и глубиной 0,5-2 мкм. С ростом чис­ ла импульсов плотность распределения кратеров уменьшается и при я>40 их присутствие практически не регистрируется. Последнее сви­ детельствует о том, что причиной формирования кратеров является неоднородность химического состава и структурно-фазового состо­ яния материала в поверхностных слоях, а также формирование не­ устойчивостей при взаимодействии электронного пучка со случайно ориентированными участками поверхности (риски, царапины, забои­ ны и др.) и при затенении некоторых поверхностных областей образу­ ющимся на начальной стадии действия импульса пароплазменным облаком, содержащим преимущественно углеводороды.

*Стали после предварительной объемной закалки и отпуска.