DD249924A1

DD249924A1 - METHOD FOR STRUCTURED SURFACE MODIFICATION BY ELECTRON RADIATION

Info

Publication number: DD249924A1
Application number: DD29137386A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Panzer; Siegfried Schiller; Matthias Mueller; Heinz Doehler; Goetz Sobisch; Bodo Furchheim; Rolf Zenker
Original assignee: Ardenne Forschungsinst
Priority date: 1986-06-17
Filing date: 1986-06-17
Publication date: 1987-09-23
Also published as: DD249924B1

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.The invention relates to a method for structured surface modification with electron beams, in particular for the production of hardness structures. The goal is to improve the quality and the task is to modify surface areas with minimal thermal stress on the workpiece. According to the invention, strip-shaped zones in a high-frequency cyclic sequence with a time-constant beam power, but with a different time proportion from zone to zone, are applied successively with a two-dimensionally deflectable electron beam. The surface temperature is the same within each zone, but from zone to zone it assumes a predetermined constant value.

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.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that complex temperature processes, such as hardening and tempering or preheating, liquid phase process and controlled cooling in a single operation are carried out solely by appropriate distribution of the scanning of the electron beam to the individual zones.

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zurthermischen Oberflächenmodifikation mit Elektronenstrahlen, insbesondere zur Herstellung von Härtestrukturen in ausgedehnten Oberflächenbereichen.The invention relates to a method for thermal surface modification with electron beams, in particular for the production of hardened structures in extended surface areas.

Characteristic of the known technical solution

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 relativA number of methods for structured thermal surface modification with laser and electron beams are known. Let's get into two classes. The first class involves methods in which the energy beam with constant or time-dependent intensity and with a constant or time-dependent beam cross-section transmits in an uninterrupted sequence the energy required for a particular structural element to the workpiece. Thereafter, energy transfer is to the next structural element, etc. The second class involves methods, particularly using electron beams, in which the energy beam is applied at multiple locations in periodic alternation with constant or time-dependent beam intensity and constant or varying beam cross-section. The methods belonging to the first class are limited to the use of small beam powers and thus very unproductive. They also have the disadvantage that already modified surface elements can be adversely affected by the thermal Prozimity effect in the subsequent transfer of energy to adjacent structural elements in their properties. Such adverse effects are for. B. the tempering or cracking on renewed thermal stress already modified surface locations. The method of the second class do not have this disadvantage, as long as the area to be modified area can be processed in a thermal cycle. However, a disadvantage of this class of methods is the discontinuous heating of the surface with considerable temperature oscillations and an undesirable relative

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.high specific energy expenditure. In the processing of extensive surface areas result by the juxtaposition of several processing fields with lying between workpiece displacement unproductive non-productive times. When working with time-dependent beam power, not only the average beam power acting on the workpiece is reduced, but at the same time high demands are placed on the jet current control technology.

Object of the invention

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.The object of the invention is to overcome or substantially limit the quality disadvantages inherent in the known processes in the structured thermal surface modification with electron beams and their utilization as a highly productive manufacturing process.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to provide a continuous process for structured thermal surface modification, preferably web-shaped surface areas, which allows the use of multi-kilowatt electron beams with minimal thermal load on the workpiece.

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 StrukturabtastungenThe object is achieved with a two-dimensionally high-frequency deflectable electron beam according to the invention that the electron beam on the relatively moving to this workpiece in several equal widths substantially perpendicular to the direction of movement of the workpiece and in the workpiece movement direction successively arranged strip-shaped zones in high-frequency cyclic sequence of the structural elements to be modified with time constant beam power but from zone to zone so different proportion of time is brought to act so that the surface temperature of the structural elements within each zone equal, but from zone to zone a predetermined, preferably one of the maximum allowable process temperature corresponding approximately constant value. This is achieved by distributing N structure samples combined in a beam deflection cycle onto the strip-shaped zones located in the energy transfer region in such a way that the desired surface temperature is established. At the preferably constant surface temperature of the features in all M zones, of the N, there are texture scans

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.ji - 1 j = N [() ⁿ - () ⁿ ] in the ith zone with i = 1 ... M. The exponent η depends on the structure geometry.

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 EnergiespeicherzeitFor modification structures whose lateral extent is large compared to the modification depth, η = 0.5. The structural elements within such a strip-shaped zone may represent a single surface of a certain geometrical shape or consist of several partial surfaces. For carrying out the method, it is expedient to superimpose the beam deflection corresponding to the structure within a zone in the workpiece movement direction of a jump function corresponding to the zone assignment and a steady Abienk component corresponding to the speed of the workpiece. The latter is reset in each case upon reaching a deflection amplitude corresponding to the zone width. During this reset, one zone in each case emerges from the area of action of the electron beam and a new one enters into it. To avoid undesired temperature oscillations, it is necessary to traverse the N structure samples of a period either within a time that is at least on the order of the energy storage time

τ = — mit S als der Elektronenreichweite und a aIs Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs entspricht bzw. durch Einbeziehung aτ = - with S as the electron range and a aIls thermal conductivity of the material corresponds or by including a

von Subzyklen diese Bedingung zumindest für die erste(n) Zone(n) im Energieübertragungsbereich mit noch geringer Wärmeeindringtiefe einzuhalten.of subcycles to comply with this condition at least for the first (s) zone (s) in the energy transfer area with even lower heat penetration.

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.A particular advantage is that the method also the possibility of Mehrfachaustenitisierung, hardening and tempering in one operation or the controlled preheating and cooling z. B. in conjunction with liquid phase processes offers. However, with increasing complexity of the temperature cycle, the demands on the size of the beam deflection amplitude in the workpiece movement direction, the number M of the required zones and the requirements of the cutoff frequency of the beam deflection technique also increase.

embodiment

In der zugehörigen Zeichnung zeigenIn the accompanying drawing show

Fig. 1: ein Teil eines Werkstückes mit oberflächenzuhärtenden Strukturelementen, Fig. 2: einen schematischen Verlauf der Zeitabhängigkeit der Oberflächentemperatur.1 shows a part of a workpiece with structure elements to be surface-hardened, FIG. 2 shows a schematic course of the time dependence of the surface temperature.

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 BeziehungThe workpiece 1 shown in partial detail in FIG. 1 is to be hardened on its surface within angle-shaped structural elements 2. The workpiece 1 moves in the direction of the arrow at a constant speed. The electron beam 3 can be deflected within the spatially fixed Cartesian coordinate system with the x-axis parallel to the workpiece movement direction. The energy transfer region 4, which is acted upon by the electron beam 3 in a beam deflection cycle, extends over M = 4 structural elements 2.1... 2.4. Each of the structural elements 2.1 .... 2.4. is a striped zone 5.1 .... 5.4. assigned. A beam deflection cycle comprises N = 32 texture scans. The hardening depth is small compared to the lateral extent of the structural elements 2. It is a in all four zones 5.1 .... 5.4. approximately the same surface temperature just below the melting temperature of the material sought. This accounts for η = 0.5 according to the relationship

i i — 1i i - 1

j = [ (—)ⁿ - (—-—)" ]N auf die Zonen 5.1.... 5,4.16,7,5 bzw. 4 Abtastungen je Strahlenablenkzyklus, wobei die letzten dreij = [(-) ⁿ - (---) "] N to the zones 5.1 .... 5,4,16,7,5 and 4 scans per beam deflection cycle respectively, the last three

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 liegtValues are rounded to integer. At the electron beam acceleration voltage of 125kV, the electron reach in steel is about S = 30 / xm. The typical for high temperatures thermal conductivity of steel is

im Bereich a = 0,05cm²S""¹. Damit ergibt sich eine Zeitkonstante für die Wärmespeicherung in der energieabsorbierenden Oberflächenschicht vonin the range a = 0.05cm ² S "" ¹ . This results in a time constant for the heat storage in the energy absorbing surface layer of

τ = — = 180 με. Zur Vermeidung von störenden Temperaturoszillationen genügt es, wenn der Patterndurchlauf in der Zone a 'τ = - = 180 με. To avoid disturbing temperature oscillations, it is sufficient if the pattern pass in the 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.5.1. takes place at about these intervals. Since half of the 32 pattern sweeps comprising the beam deflection cycle of Zone 5.1. This results in a pattern frequency of SiOkHz, if every second pattern of zone 5.1. is assigned. At a pattern frequency of z. B. 200 kHz, on the other hand, all pattern passes of a beam deflection cycle could be processed zone by zone one after the other. If necessary, the errors caused by rounding to integerity in the determination of the pattern passes per zone can be compensated in several consecutive beam deflection cycles.

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.In the case of the zone number M = 4 selected in the present example for reasons of clarity, the time cycle of the surface temperature T (t) shown schematically in FIG. 2 results, which is passed through identically by each structural element. The residence times of the structural elements in zones 5.1. ... 5.4. corresponding period of time Δt show a characteristic temperature response, which is due to the temporal change of the temperature gradient dT / dz at the surface. As the zone number M increases, these zone-dependent temperature fluctuations Tmax, -Tmin decrease and, at IVI = 8, already result in very small values, so that a quasi-isothermal energy transfer then takes place.

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.It should be noted that in the Ausführungsbeispie! Assignment of a structural element 2.i to a zone 5.i has been selected only for the sake of simplicity. Of course, the zone 5.i may extend over several contiguous or non-contiguous substructures 23, which may also be connected across the zone boundaries. Conveniently, however, the structures are chosen such that they have a periodicity corresponding to the zone width, so that the pattern scanning for energy transmission can take place via a pattern generator.

Claims

1. A method for structured surface modification with electron beams using a high-frequency two-dimensionally deflectable electron beam to which the workpiece is relatively moved, characterized in that the workpiece oriented in several equal width substantially perpendicular to the direction of movement of the workpiece and in the direction of movement successively arranged strip-shaped zones with a or a plurality of structural elements in high-frequency cyclic sequence within the structure elements to be modified with constant-time beam power but is applied from zone to zone such different time fraction of the electron beam so that the surface temperature of the structural elements within each zone equal, but from one zone to a predetermined, preferably one the max. permissible process temperature corresponding constant value.

2. The method according to claim 1, characterized in that the executed in high-frequency cyclic loading in N Strukturabtastungen comprehensive Strahlablenkzyklen is performed, which are distributed to the located in the deflection field of the electron beam M zones that sets the zone-dependent desired surface temperature.

3. The method of claim 1 and 2, characterized in that to achieve a zonenunabhängigen surface temperature of the N structure scans j = N [(- rL) ⁿ - (JI.-) ⁿ ] are performed in the ith zone, wherein for Structures with a lateral

Expansion that is large against the heat treatment depth, η «0.5.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that at least for the first zone, the time intervals between two successive Strukturabtastungen the condition

τ <- satisfies S as the electron range and as the temperature conductivity of the material. a