DD275484B3

DD275484B3 - METHOD FOR THE THERMAL SURFACE FINISHING BY ELECTRON RADIATION

Info

Publication number: DD275484B3
Application number: DD31969388A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Panzer; Matthias Mueller; Helmut Schurath
Original assignee: Forschungsinstitut Manfred Von Ardenne,De; Forschungsgesellschaft Fuer Elektronenstrahl- Und Plasmatechnik,De
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1992-01-23
Also published as: DD275484A1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Oberflächenveredlung metallischer Bauteile mit Elektronenstrahlen, das sowohl zur Ausführung von Fest- als Flüssigphasenprozessen geeignet ist. Das Verfahren findet vorzugsweise Anwendung zur Erhöhung der Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit entsprechend belasteter Oberflächenpartien von Bauteilen.The invention relates to a method for thermal surface finishing of metallic components with electron beams, which is suitable both for the execution of solid and liquid phase processes. The method is preferably used to increase the wear or corrosion resistance corresponding to contaminated surface parts of components.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es sind eine Reihe Verfahren zurthermischen Oberflächenveredlung metallischer Bauteile sowohl mit Elektronen- als auch Laserstrahlen bekannt. In ersten Vorschlägen wurde von der Einwirkung eines ortsfesten fokussieren oder defokussieren Strahles auf dem ruhenden oder bewegten Werkstück ausgegangen. Dabei wurden bei relativ kleiner Strahlleistung in punkt- oder linienförmigen oberflächennahen Zonen eine Reihe vorteilhafter Veränderungen der Werkstoffeigenschaften erzielt. Ursache dieser Veränderungen sind mit der Strahleinwirkung verbundene kurzzeitige Temperaturzyklen, die bei Festphasenprozessen vollständig unterhalb der Schmelztemperatur, bei Flüssigphasenprozessen auch oberhalb dieser verlaufen. Der Mangel dieser Verfahren besteht in einer geringen Produktivität und hohen Kosten, die einer breiteren industriellen Nutzung entgegenstehen.A number of methods are known for thermal surface finishing of metallic components with both electron and laser beams. In the first proposals, the effect of a fixed focusing or defocusing beam on the stationary or moving workpiece was assumed. A number of advantageous changes in the material properties were achieved at relatively low beam power in point or line-shaped near-surface zones. The cause of these changes are short-term temperature cycles associated with the jet effect, which are completely below the melting temperature in the case of solid phase processes and also above this in the case of liquid phase processes. The shortcoming of these methods is low productivity and high costs, which preclude broader industrial use.

Es ist bekannt, in ihrer Größe durch das Strahlenablenkfeld begrenzte Oberflächenbereiche zu härten. Dabei durchläuft der Elektronenstrahl zyklisch eine durch eine Punktraster vorgegebene Ablenkspur. Der Nachteil des Verfahrens besteht in der begrenzten Ausdehnung der Härtefläche und einer nicht effektiven Nutzung der verfügbaren Strahlleistung (US-PS4,486,240). Mit einer zweiten Gruppe von Vorschlägen wurde dieser Mangel überwunden. Bei Strahlleistungen im Multikilowattbereich werden durch flächenhafte Energieübertragung für eine breite industrielle Anwendung ausreichende Verfahrensproduktivitäten erzielt. Bei Laserstrahlen werden flächenhafte Energieübertragungen mit konstanter Leistungsdichte durch Lichtschächte mit Vielfachreflexion und nichtkonstante Leistungsdichteverteilungen durch spezielle Integratoroptiken realisiert. Bei Elektronenstrahlen wird eine flächenhafte Energieübertragung dadurch erreicht, daß der Elektronenstrahl in Hochgeschwindigkeitsscanntechnik auf der Energieübertragungsfläche zur Einwirkung gebracht wird. Durch Nutzung der Energieabsorptionsschicht als Wärmespeicher werden damit flächenhaft ausgedehnte Temperaturfelder mit vernachlässigbarer Temperaturoszillation erzielt. Durch geeignete Wahl des Scannlinienabstandes lassen sich auf diese Weise zumindest senkrecht zur Scannrichtung beliebige Verteilungsfunktionen der übertragenen Energiedichte erhalten.It is known to harden in size by the Strahlenablenkfeld limited surface areas. The electron beam cyclically passes through a predetermined by a dot matrix deflection track. The disadvantage of the method is the limited extent of the hardness surface and a non-effective use of available jet power (US-PS4,486,240). A second set of proposals overcame this shortcoming. With beam powers in the multi-kilowatt range, sufficient process productivities are achieved by areal energy transfer for a broad industrial application. In the case of laser beams, areal energy transmissions with constant power density are realized by multi-reflection light shafts and non-constant power density distributions by special integrator optics. For electron beams, areal energy transfer is achieved by exposing the electron beam to high speed scanning on the energy transfer surface. By using the energy absorption layer as a heat storage area so extensive thermal fields are achieved with negligible temperature oscillation. By suitable choice of the scanning line spacing, any distribution functions of the transmitted energy density can be obtained in this way, at least perpendicular to the scanning direction.

Die bisher größte praktische Bedeutung hat die sogenannte isotherme Energieübertragung erhalten. Hierbei wird durch eine spezielle Wahl der Scannlinienabstände erreicht, daß im Energieübertragungsbereich die Oberflächentemperatur des Werkstückes auf einen vorgebbaren konstanten Wert angehoben wird. Die Scannrichtung liegt dabei senkrecht zur Werkstückbewegungsrichtung, und die Scannamplitude muß bei idealer Verwirklichung der Isothermiebedingung mindestensThe greatest practical significance to date has been obtained by the so-called isothermal energy transfer. In this case, it is achieved by a special choice of scanning line distances that the surface temperature of the workpiece is raised to a predefinable constant value in the energy transfer area. The scanning direction is perpendicular to the workpiece movement direction, and the scan amplitude must be at least if the isotherm condition is ideally met

der Breite des Werkstücks entsprechen. Der immer umfassendere industrielle Einsatz des Verfahrens hat jedoch gezeigt, daß auch diese Energieübertragungstechnik bei bestimmten Anwendungen Mängel besitzt. Dies ist z.B. beim Oberflächenhärten dann der Fall, wenn die Werkstückbreite die Breite der auszuführenden Härtebahn wesentlich übersteigt und eine relativ große Einhärtetiefe gefordert ist. Unter diesen Bedingungen entstehen linsenförmige Härtezonen. Bei Flüssigphasenprozessen ergeben sich unter ähnlichen Geometriebedingungen und Werkstoffen mit hoher Oberflächenspannung der Schmelze Materialverlagerungen, die zu unerwünschten Oberflächendeformationen führen. Die Ursache dieser Mängel besteht darin, daß in den Randzonen der Bahnen gegenüber der Bahnmitte veränderte Wärmeableitbedingungen bestehen.correspond to the width of the workpiece. However, the ever more extensive industrial use of the process has shown that even this energy transfer technology has shortcomings in certain applications. This is e.g. when surface hardening then the case when the workpiece width exceeds the width of the hardness track to be executed substantially and a relatively large Einhärteiefe is required. Under these conditions lenticular hardening zones are formed. In liquid phase processes, material displacements result under similar geometry conditions and materials with high surface tension of the melt, which lead to undesired surface deformations. The cause of these shortcomings is that there are changed heat dissipation conditions in the edge zones of the webs opposite the web center.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist ein Verfahren zur thermischen Oberflächenveredlung metallischer Bauteile mit Elektronenstrahlen zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Verfahren einschränkt bzw. überwindet und bei hoher Verfahrensproduktivität einen erweiterten Verfahrenseinsatz ermöglicht.It is a method for thermal surface finishing of metallic components with electron beams to create, which limits or overcomes the disadvantages of the known methods and allows for high process productivity, an extended process use.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Oberflächenveredlung in der festen oder flüssigen Phase mit Elektronenstrahlen anzugeben, das es gestattet, die nachteiligen Wirkungen unterschiedlicher Wärmeableitung bei flächenhafter Energieübertragung auf die bewegte Werkstückoberfläche zur Erzeugung bahnförmiger Oberflächenveredlungsbereiche wesentlich zu mindern bzw. auszuschließen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels eines zweidimensional hochfrequent ablenkbaren und im Strahleinwirkquerschnitt vom Ortswechsel abhängig steuerbaren Elektronenstrahls, der innerhalb eines ortsfesten, durch ein Punktraster bestimmten Strahlablenkfeldes repitierend auf dem bewegten Werkstück zur Einwirkung gebracht wird, dadurch gelöst, daß in parallel zur Bewegungsrichtung des Werkstücks liegenden Randzonen des Strahlablenkfeldes die erhöhte Wärmeableitung kompensierende oder überkompensierende Energieanteile übertragen werden und/oder daß diese Randzonen in Bewegungsrichtung des Werkstücks gegenüber dem Mittenbereich des Strahlablenkfeldes weiter ausgedehnt werden, wobei der Strahleinwirkquerschnitt ortsabhängig der Art gesteuert wird, daß innerhalb eines oder einiger weniger Strahlablenkzyklen eine flächendeckende Energieübertragung erfolgt.The invention has for its object to provide a method for thermal surface treatment in the solid or liquid phase with electron beams, which allows to substantially reduce the adverse effects of different heat dissipation in area energy transfer to the moving workpiece surface to produce web-like surface finishing areas or exclude. According to the invention, the object is achieved by means of a two-dimensionally high frequency deflectable and in the beam cross section of the change of location controllable electron beam, which is brought within a fixed, determined by a dot matrix Strahlablenkfeldes repeating on the moving workpiece, effected in that lying in parallel to the direction of movement of the workpiece edge zones the Strahlablenkfeldes the increased heat dissipation compensating or overcompensating energy components are transmitted and / or that these edge zones are further expanded in the direction of movement of the workpiece relative to the central region of the Strahlablenkfeldes, the Strahlseinwirkquerschnitt is controlled location-dependent manner that within one or a few Strahlablenkzyklen a nationwide energy transfer takes place ,

Zweckmäßig wird die Energie mit einem Elektronenstrahl konstanter Leistung auf innerhalb des Strahlablenkfeldes fixierte Orte, deren Dichte proportional zum ortsabhängigen Temperaturgradienten an der zugeordneten Werkstückoberfläche gewählt werden, mit an jedem Ort gleicher Verweildauer übertragen. Dabei ist es vorteilhaft, den Strahleinwirkquerschnitt in den mit der Werkstückbewegungsrichtung und der dazu senkrechten Richtung zusammenfallenden Hauptachsen so zu steuern, daß er etwa dem Abstand benachbarter Orte entspricht.Expediently, the energy is transmitted with an electron beam of constant power to locations which are fixed within the beam deflection field and whose density is selected to be proportional to the location-dependent temperature gradient on the associated workpiece surface, with the same dwell time at each location. In this case, it is advantageous to control the beam inflow cross section in the main axes coinciding with the direction of workpiece movement and the direction perpendicular thereto in such a way that it approximately corresponds to the distance between adjacent locations.

In Fällen sehr hoher Grenzfrequenz der zur Verfügung stehenden Strahlablenktechnik und relativ kleiner Strahlablenkfelder kann es ausreichend sein, durch Einbeziehung von Subzyklen im Bereich hoher Dichte der Ablenkorte mit konstantem Strahleinwirkquerschnitt zu arbeiten, ohne daß störende Temperaturoszillationen an der Werkstückoberfläche auftreten.In cases of very high cutoff frequency of the available beam deflection technology and relatively small beam deflection fields, it may be sufficient to work by including subcycles in the range of high density baffles with constant Strahlseinwirkquerschnitt without disturbing temperature oscillations occur on the workpiece surface.

Ausführungsbeispielembodiment

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen inTwo embodiments of the invention will be explained in more detail. The drawings show in

Fig. 1: eine Anordnung der Strahleinwirkorte bei der bahnförmigen Oberflächenhärtung eines Stahlkörpers, Fig. 2: eine Anordnung der Strahleinwirkorte bei der bahnförmigen Oberflächenschmelzveredelung eines Stahlkörpers und die zugeordnete Lage der Erstarrungsfront der Schmelze.Fig. 1: an arrangement of the beam effect in the web-shaped surface hardening of a steel body, Fig. 2: an arrangement of the beam effect in the web-shaped surface melt processing of a steel body and the associated position of the solidification front of the melt.

Beispiel 1 (Figur 1)Example 1 (Figure 1)

Die Oberfläche eines Stahlkörpers 1 ist entlang einer Bahn 2 auf eine vorgegebene konstante Tiefe zu härten. Der Stahlkörper Ί wird mit konstanter Geschwindigkeit in Pfeilrichtung relativ zum ortsfesten Strahlablenkfeld 3 bewegt. Der Elektronenstrahl wird an den Orten 4 im Strahlablenkfeld 3 über eine Zeitdauer jeweils von 0,25 μβ zur Einwirkung gebracht bzw. innerhalb dieser Zeitdauer von einem Ort zum nächsten geführt. Dabei werden die Orte 4 jeweils zeilenweise durchlaufen, wobei in Richtung des Pfeiles zunächst jede zweite Zeile, beim Ablenkrücklauf die zwischenliegenden Zeilen durchlaufen werden. Die Orte 4 sind innerhalb des Mittenbereiches 5 des Strahlablenkfeldes 3 in Zeilenrichtung equidistant angeordnet. In den Randzonen 6 erhöhter Wärmeableitung, die durch die gestrichelten Linien 7 gegenüber dem Mittenbereich 5 des Strahlablenkfeldes 3 abgegrenzt sind, sind die Orte 4 mit in Richtung der Grenzen des Strahlablenkfeldes 3 abnehmender Distanz angeordnet. (Die Distanzabnahme ist in Fig. 1 der Deutlichkeit halber überhöht dargestellt.) Wie an zwei Stellen des Strahlablenkfeldes 3 ausschnittweise dargestellt, wird der Einwirkquerschnitt 8 des Elektronenstrahles auf dem Stahlkörper 1 ortsabhängig so gesteuert, daß sich die auf die einzelnen Orte 4 übertragenen Energiedichteverteilungen überlappen. Die Leistung des Elektronenstrahls und die zeilenweise Anordnung der Orte 4 im Strahlablenkfeld 3 sind auf der Basis isothermer Energieübertragung so gewählt, daß die Oberfläche des Stahlkörpers 1 beim Durchlaufen des mit dem Strahlablenkfeld 3 vorgegebenen Energieübertragungsbereiches eine konstante Temperatur von etwa 1200⁰C annimmt. Lediglich im äußeren Teil der Randzonen 6 ist die Oberflächentemperatur aufwerte knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs angehoben. Die Zeitdauer für das Durchlaufen aller Orte 4 des Strahlablenkfeldes 3 beträgt etwa 75 \is, so daß sich der Strahlablenkzyklus mit einer Frequenz von mehr als 10OkHz wiederholt. Unter den dargelegten Bedingungen ist die mit dem StrahlablenkzyklusThe surface of a steel body 1 is to be hardened along a track 2 to a predetermined constant depth. The steel body Ί is moved at a constant speed in the direction of the arrow relative to the stationary beam deflection field 3. The electron beam is brought into action at the locations 4 in the beam deflection field 3 over a period of time of 0.25 μβ or is guided from one location to the next within this time period. The places 4 are each line by line, in the direction of the arrow, first every second line, the deflection return the intervening lines are traversed. The locations 4 are arranged equidistantly within the center region 5 of the beam deflection field 3 in the line direction. In the edge zones 6 increased heat dissipation, which are delimited by the dashed lines 7 with respect to the central region 5 of the Strahlablenkfeldes 3, the places 4 are arranged with decreasing in the direction of the boundaries of the Strahlablenkfeldes 3 distance. (The distance decrease is shown exaggerated in Fig. 1 for the sake of clarity.) As shown at two points of the Strahlablenkfeldes 3 fragmentary, the Einwirkquerschnitt 8 of the electron beam on the steel body 1 is location-dependent controlled so that the transferred to the individual places 4 energy density distributions overlap , The power of the electron beam and the line-wise arrangement of the locations 4 in the beam deflection field 3 are selected on the basis of isothermal energy transfer so that the surface of the steel body 1 assumes a constant temperature of about 1200 ⁰ C when passing through the predefined with the beam deflection 3 energy transfer range. Only in the outer part of the edge zones 6 is the surface temperature increased to just below the melting temperature of the material. The time taken to pass through all the locations 4 of the beam deflection field 3 is approximately 75% , so that the beam deflection cycle repeats with a frequency of more than 10 kHz. Under the conditions set out, this is with the beam deflection cycle

verbundene Temperaturoszillation vernachlässigbar. Es wird eine Härtebahn erhalten, deren Querschnittsprofil der Härtezone sich durch eine gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich schmaleren Randabfall der Härtetiefe auszeichnet.Connected Temperaturoszillation negligible. It is obtained a hardness sheet whose cross-sectional profile of the hardness zone is characterized by a comparison with the known methods much narrower edge drop in the depth of hardening.

Example 2 (Figure 2)

Die Oberfläche eines mit einem Legierungselement beschichteten Stahlkörpers 1 ist entlang einer Bahn 2 auf eine vorgegebene konstante Tiefe aufzuschmelzen, um das Legierungselement in diese Schicht einzulogieren. Dazu wird im wesentlichen wie im Beispiel 1 verfahren. Die Strahlleistung und die Ausdehnung des Strahlablenkfeldes 3 in Werkstückbewegungsrichtung werden so angepaßt, daß die Oberflächenschicht in der vorgesehenen Tiefe aufgeschmolzen wird. In Werkstückbewegungsrichtung werden die Randzonen 6 des Strahlablenkfeldes 3 jedoch gegenüber dem Mittenbereich 5 weiter ausgedehnt. Ihre Form wird so gewählt, daß die Erstarrungsfront 9 der Schmelze geradlinig und senkrecht zur Werkstückbewegungsrichtung verläuft. Es wird eine schmelzveredelte Bahn erreicht, deren Oberflächendeformation erheblich geringer als bei Anwendung der bekannten Verfahren ist.The surface of a steel body 1 coated with an alloying element is to be melted along a track 2 to a predetermined constant depth in order to engrave the alloying element into this layer. This is done essentially as in Example 1. The beam power and the extent of the beam deflection field 3 in the workpiece movement direction are adapted so that the surface layer is melted in the intended depth. In the workpiece movement direction, however, the edge zones 6 of the beam deflection field 3 are further expanded in relation to the center region 5. Their shape is chosen so that the solidification front 9 of the melt is rectilinear and perpendicular to the workpiece movement direction. A melt-finished sheet is achieved, the surface deformation of which is considerably lower than when using the known methods.

Claims

1. A method for thermal surface finishing with electron beams, in which a two-dimensionally high-frequency deflectable and in its beam cross-section of the action depending controllable electron beam, which acts within a fixed, determined by a dot matrix Strahlablenkfeldes on the moving workpiece, characterized in that in the direction of movement of the workpiece parallel edge zones of the Strahlablenkfeldes the increased heat dissipation compensating or overcompensating energy components are transmitted and / or that these edge zones are further expanded in the direction of movement of the workpiece relative to the central region of the Strahlablenkfeldes, the Strahlseinwirkquerschnitt is dependent on location, within a Strahlablenkzyklus generating a nationwide energy transfer, controlled.

2. The method according to claim 1, characterized in that the energy with an electron beam time-constant power on fixed within the Strahlablenkfeldes places, the density of which is proportional to the location-dependent temperature gradient in the associated workpiece surface, is transmitted at each place the same exposure time.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the extension of the beam inflow cross section in the parallel and perpendicular to the workpiece movement direction major axes is changed according to the location corresponding to the distance between adjacent Strahlhleinwirkorten, depending on location.

4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that it is operated with constant beam cross-section and the energy nationwide in a multiple Subzyklen comprehensive Strahlablenkzyklus, wherein the passing in a subcycle adjacent Ablenkorte are at least the beam cross-section away from each other, is transmitted.