DD249924A1 - Verfahren zur strukturierten oberflaechenmodifikation mit elektronenstrahlen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur strukturierten Oberflaechenmodifikation mit Elektronenstrahlen, insbesondere zur Herstellung von Haertestrukturen. Das Ziel ist die Verbesserung der Qualitaet und die Aufgabe ist es, Oberflaechenbereiche bei minimaler thermischer Werkstueckbelastung zu modifizieren. Erfindungsgemaess werden mit einem zweidimensional ablenkbaren Elektronenstrahl nacheinander streifenfoermige Zonen in hochfrequenter zyklischer Folge mit zeitkonstanter Strahlleistung, aber mit von Zone zu Zone unterschiedlichem Zeitanteil beaufschlagt. Die Oberflaechentemperatur ist innerhalb einer jeden Zone gleich, aber von Zone zu Zone nimmt sie einen vorgegebenen konstanten Wert an.

Description

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß komplexe Temperaturprozesse, wie Härten und Anlassen oder Vorwärmung, Flüssig phasen prozeß und gesteuerte Abkühlung in einem Arbeitsgang allein durch entsprechende Verteilung der Abtastvorgänge des Elektronenstrahls auf die einzelnen Zonen ausgeführt werden.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zurthermischen Oberflächenmodifikation mit Elektronenstrahlen, insbesondere zur Herstellung von Härtestrukturen in ausgedehnten Oberflächenbereichen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Es sind eine Reihe von Verfahren zur strukturierten thermischen Oberflächenmodifikation mit Laser- und Elektronenstrahlen bekannt. Sielassen sich in zwei Klassen einordnen. Die erste Klasse umfaßt Verfahren, bei denen der Energiestrahl mit konstanter oder zeitabhängiger Intensität und mit konstantem oder zeitabhängigem Strahlquerschnitt in zeitlich ununterbrochener Folge die für ein bestimmtes Strukturelement benötigte Energie auf das Werkstück überträgt. Danach erfolgt die Energieübertragung auf das nächste Strukturelement usw. Die zweite Klasse umfaßt Verfahren, insbesondere unter Verwendung von Elektronenstrahlen, bei denen der Energiestrahl anmehrerenOrtenim periodischen Wechsel mit konstanter oder zeitabhängiger Strahlintensität und konstantem oder veränderlichem Strahlquerschnitt zur Einwirkung gebracht wird. Die zur ersten Klasse gehörenden Verfahren sind auf den Einsatz kleiner Strahlleistungen begrenzt und damit sehr unproduktiv. Sie haben darüber hinaus den Nachteil, daß bereits modifizierte Oberflächenelemente durch den thermischen Prozimity-Effekt bei der anschließenden Energieübertragung auf benachbarte Strukturelemente in ihren Eigenschaften nachteilig beeinflußt werden können. Solche nachteiligen Wirkungen sind z. B. der Anlaßeffekt oder Rißbildung bei erneuter thermischer Belastung bereits modifizierter Oberflächenorte. Die Verfahren der zweiten Klasse besitzen diesen Nachteil nicht, solange der zu modifizierende Flächen bereich in einem thermischen Zyklus bearbeitet werden kann. Ein Nachteil dieser Klasse von Verfahren besteht jedoch in der diskontinuierlichen Aufheizung der Oberfläche mit erheblichen Temperaturoszillationen und einem unerwünscht relativ

hohem spezifischem Energieaufwand. Bei der Bearbeitung ausgedehnter Oberflächenbereiche ergeben sich durch das Aneinanderreihen mehrerer Bearbeitungsfelder mit zwischen liegender Werkstückverschiebung unproduktive Nebenzeiten. Wird mit zeitabhängiger Strahlleistung gearbeitet, so wird damit nicht nur die mittlere auf das Werkstück einwirkende Strahlleistung reduziert, sondern es werden gleichzeitig hohe Anforderungen an die Strahlstromsteuertechnik gestellt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in einer Überwindung bzw. wesentlichen Einschränkung der den bekannten Verfahren anhaftenden qualitativen Nachteile bei der strukturierten thermischen Oberflächenmodifikation mit Elektronenstrahlen und ihrer Nutzbarmachung als hochproduktives Fertigungsverfahren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren zur strukturierten thermischen Oberflächenmodifikation, vorzugsweise bahnförmiger Oberflächenbereiche, anzugeben, das den Einsatz von Multikilowattelektronenstrahlen bei minimaler thermischer Werkstückbelastung ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit einem zweidimensional hochfrequent ablenkbaren Elektronenstrahl erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Elektronenstrahl auf dem relativ zu diesem bewegten Werkstück in mehreren gleichbreiten im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkstücks orientierten und in Werkstückbewegungsrichtung nacheinander angeordneten streifenförmigen Zonen in hochfrequenter zyklischer Folge an den zu modifizierenden Strukturelementen mit zeitkonstanter Strahlleistung aber von Zone zu Zone derart unterschiedlichem Zeitanteil zur Einwirkung gebracht wird, daß die Oberflächentemperatur der Strukturelemente innerhalb einer jeden Zone gleich, jedoch von Zone zu Zone einen vorgegebenen, vorzugsweise einen der maximal zulässigen Prozeßtemperatur entsprechenden etwa konstanten Wert annimmt. Dies wird dadurch erreicht, daß zu einem Strahlablenkzyklus zusammengefaßte N Strukturabtastungen derart auf die im Energieübertragungsbereich gelegenen M streifenförmigen Zonen verteilt werden, daß sich die gewünschte Oberflächentemperatur einstellt. Bei der vorzugsweise konstanten Oberflächentemperatur der Strukturelemente in allen M Zonen werden von den N Strukturabtastungen

j i — 1 j = N[( )ⁿ — ( )ⁿ] in der i-ten Zone mit i = 1 ...M ausgeführt. Der Exponent η ist von der Strukturgeometrie abhängig.

Für Modifikationsstrukturen, deren laterale Ausdehnung groß gegen die Modifikationstiefe ist, gilt η = 0,5. Die Strukturelemente innerhalb einer solchen streifenförmigen Zone können eine einzige Fläche bestimmter geometrischer Form darstellen oder aus mehreren Teilflächen bestehen. Zur Ausführung des Verfahrens ist es zweckmäßig, der der Struktur innerhalb einer Zone entsprechenden Strahlablenkung in Werkstückbewegungsrichtung einer der Zonenzuordnung entsprechende Sprungfunktion und eine der Geschwindigkeit des Werkstücks entsprechende stetige Abienkkomponente zu überlagern. Letztere wird jeweils bei Erreichen einer der Zonenbreite entsprechenden Ablenkamplitude rückgesetzt. Bei diesem Rücksetzen tritt jeweils eine Zone aus dem Einwirkbereich des Elektronenstrahls aus und eine neue in diesen ein. Zur Vermeidung unerwünschter Temperaturoszillationen ist es notwendig, die N Strukturabtastungen einer Periode entweder innerhalb einer Zeit zu durchlaufen, die zumindest größenordnungsmäßig der Energiespeicherzeit

τ = — mit S als der Elektronenreichweite und a aIs Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs entspricht bzw. durch Einbeziehung a

von Subzyklen diese Bedingung zumindest für die erste(n) Zone(n) im Energieübertragungsbereich mit noch geringer Wärmeeindringtiefe einzuhalten.

Ein besonderer Vorteil ist es, daß das Verfahren auch die Möglichkeit der Mehrfachaustenitisierung, des Härtens und Anlassens in einem Arbeitsgang oder die gesteuerte Vorwärmung und Abkühlung z. B. in Verbindung mit Flüssigphasenprozessen bietet. Mit steigender Komplexität des Temperaturzyklus steigen jedoch auch die Anforderungen an die Größe der Strahlenablenkamplitude in Werkstückbewegungsrichtung, die Zahl M der erforderlichen Zonen und die Anforderungen an die Grenzfrequenz der Strahlablenktechnik.

Ausführungsbeispiel

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: ein Teil eines Werkstückes mit oberflächenzuhärtenden Strukturelementen, Fig. 2: einen schematischen Verlauf der Zeitabhängigkeit der Oberflächentemperatur.

Das ausschnittsweise in Fig. 1 dargestellte Werkstück 1 ist an seiner Oberfläche innerhalb winkelförmiger Strukturelemente 2 zu härten. Das Werkstück 1 bewegt sich in Richtung des Pfeiles mit konstanter Geschwindigkeit. Der Elektronenstrahl 3 ist innerhalb des raumfesten karthesischen Koordinatensystems mit der x-Achse parallel zu Werkstückbewegungsrichtung ablenkbar. Der Energieübertragungsbereich 4, der in einem Strahlablenkzyklus vom Elektronenstrahl 3 beaufschlagt wird, erstreckt sich über M = 4 Strukturelemente 2.1.... 2.4. Jedem der Strukturelemente 2.1.... 2.4. ist eine streif enförmige Zone 5.1....5.4. zugeordnet. Ein Strahlablenkzyklus umfaßt N = 32 Strukturabtastungen. Die Härtetiefe sei klein gegen die laterale Ausdehnung der Strukturelemente 2. Es wird eine in allen vier Zonen 5.1.... 5.4. etwa gleiche Oberflächentemperatur knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs angestrebt. Damit entfallen mit η = 0,5 gemäß der Beziehung

i i — 1

j = [ (—)ⁿ - (—-—)" ]N auf die Zonen 5.1.... 5,4.16,7,5 bzw. 4 Abtastungen je Strahlenablenkzyklus, wobei die letzten drei

Werte auf Ganzzahligkeit gerundet werden. Bei der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls von 125kV beträgt die Elektronenreichweite in Stahl etwa S = 30/xm. Die für hohe Temperaturen typische Temperaturleitfähigkeit von Stahl liegt

im Bereich a = 0,05cm²S""¹. Damit ergibt sich eine Zeitkonstante für die Wärmespeicherung in der energieabsorbierenden Oberflächenschicht von

τ = — = 180 με. Zur Vermeidung von störenden Temperaturoszillationen genügt es, wenn der Patterndurchlauf in der Zone a '

5.1. in etwa diesen Zeitabständen erfolgt. Da die Hälfte des 32 Patterndurchläufe umfassenden Strahlenablenkzyklus der Zone 5.1. zuzuordnen ist, ergibt sich daraus einer Patternfrequenz vonSiOkHz, wenn jedes zweite Pattern der Zone 5.1. zugeordnet wird. Bei einer Patternfrequenz von z. B. 200 kHz könnten dagegen sämtliche Patterndurchläufe eines Strahlablenkzyklus zonenweise nacheinander abgearbeitet werden. Die durch Rundung auf Ganzzahligkeit entstandenen Fehler bei der Festlegung der Patterndurchläufe je Zone können erforderlichenfalls in mehreren aufeinanderfolgenden Strahlablenkzyklen ausgeglichen werden.

Bei der im vorliegenden Beispiel aus Übersichtlichkeitsgründen gewählten Zonenzahl M = 4 ergibt sich der in Fig. 2 schematisch dargestellte Zeitzyklus der Oberflächentemperatur T (t), der von jedem Strukturelement identisch durchlaufen wird. Die den Verweildauern der Strukturelemente in den Zonen 5.1. ...5.4. entsprechenden Zeitabschnitt At zeigen einen charakteristischen Temperaturgang, der durch die zeitliche Veränderung des Temperaturgradienten dT/dz an der Oberfläche bedingt ist. Mit zunehmender Zonenzahl M nehmen diese zonenabhängigen Temperaturschwankungen Tmax, —Tmin, ab und ergeben bei IVI = 8 bereits sehr kleine Werte, so daß dann eine quasi isotherme Energieübertragung vorliegt.

Es sei vermerkt, daß die im Ausführungsbeispie! erfolgte Zuordnung eines Strukturelementes 2.i zu einer Zone 5.i nur der Einfachheit halber gewählt wurde. Selbstverständlich kann sich die Zone 5.i über mehrere zusammenhängende oder nicht zusammenhängende Teilstrukturen 23 erstrecken, die auch über die Zonengrenzen verbunden sein können. Zweckmäßigerweise werden die Strukturen jedoch so gewählt, daß sie eine der Zonenbreite entsprechende Periodizität aufweisen, so daß die Strukturabtastung zur Energieübertragung über einen Patterngenerator erfolgen kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur strukturierten Oberflächenmodifikation mit Elektronenstrahlen unter Verwendung eines hochfrequent zweidimensional ablenkbaren Elektronenstrahls, zu dem das Werkstück relativ bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in mehreren gleichbreiten im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkstückes orientierten und in Bewegungsrichtung nacheinander angeordneten streifenförmigen Zonen mit einem oder mehreren Strukturelementen in hochfrequenter zyklischer Folge innerhalb derzu modifizierenden Strukturelemente mit zeitkonstanter Strahlleistung aber mit von Zone zu Zone derart unterschiedlichem Zeitanteil vom Elektronenstrahl so beaufschlagt wird, daß die Oberflächentemperatur der Strukturelemente innerhalb einer jeden Zone gleich, von Zone zu Zone jedoch einen vorgegebenen, vorzugsweise einen der max. zulässigen Prozeßtemperatur entsprechenden konstanten Wert annimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in hochfrequenter zyklischer Folge ausgeführte Beaufschlagung in N Strukturabtastungen umfassenden Strahlablenkzyklen ausgeführt wird, die derart auf die im Ablenkfeld des Elektronenstrahls gelegenen M Zonen verteilt werden, daß sich die zonenabhängig gewünschte Oberflächentemperatur einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer zonenunabhängigen Oberflächentemperatur von den N Strukturabtastungen j = N[(-rL)ⁿ - (J-I.—)ⁿ] in der i-ten Zone ausgeführt werden, wobei für Strukturen mit einer lateralen

Ausdehnung, die groß ist gegen die Wärmebehandlungstiefe, η « 0,5 beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für die erste Zone die Zeitabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Strukturabtastungen der Bedingung

τ < — mitSalsElektronenreichweiteunda als der Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs genügt. a