DE1615449C2 - Vorrichtung zur thermischen Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstücken mittels Elektronenstrahlen - Google Patents

Vorrichtung zur thermischen Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstücken mittels Elektronenstrahlen

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DE1615449C2 DE1615449A DET0032952A DE1615449C2 DE 1615449 C2 DE1615449 C2 DE 1615449C2 DE 1615449 A DE1615449 A DE 1615449A DE T0032952 A DET0032952 A DE T0032952A DE 1615449 C2 DE1615449 C2 DE 1615449C2
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Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur thermischen Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstücken mittels Elektronenstrahlen, bei _0 der die einzelnen Werkstücke auf einer Transporteinrichtung, die mit Formelementen zur Aufnahme des verflüssigten Metalls versehen ist, hintereinanderliegend in einer Vakuumkammer unter mindestens zweiElektronenstrahlquellen hindurchführbar sind und bei der die Elektronenstrahlquellen mit jeweils einer Ablenkeinrichtung für die Elektronenstrahlen und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Leistung und Dichte der Elektronenstrahlen versehen sind.
Unter gewissen Umständen kann es erforderlich oder wünschenswert sein, auf oder unter der Oberfläche fester Metallobjekte vorhandene Fehler zu beseitigen. So können z. B. aufeinanderfolgende Verformungsvorgänge eines Metallgegenstandes die Beseitigung von Fehlern oder Gußnarben erforderlich machen, die häufig in oder nahe der Oberfläche von gegossenen oder geschmiedeten Metallgegenständen als Folge des jeweiligen Bearbeitungsvorganges auftreten. Zu diesen Fehlern gehören Gußeinrisse, Einlagerungen, kalte Einschlüsse, Gasblasen sowie die Materialporosität und Oberflächenfalten. Die zu derartigen Fehlern führenden Verformungsvorgänge sind z. B. Warm- und Kaltwalzen oder. Schmieden.
Zur Beseitigung derartiger Fehler sind bereits verschiedene Verfahren angewandt worden. Zu diesen Verfahren gehören spanabhebende Verformungsverfahren, wie Schleif-, Fräs- oder Drehverfahren. Auch die Bearbeitung mittels eines Brennstrahles gehört hierzu. Durch derartige Verfahren wird von dem jeweiligen Metallobjekt jeweils eine beträchtliche Materialmenge abgeführt. Dadurch sinkt der Produktionsausstoß, und außerdem steigen die Herstellungskosten. Eine Oberflächenbehandlung mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens bringt zwar keinen nennenswerten Materialverlust mit sich, führt jedoch zu Oberflächen, die für viele Anwendungsfälle nicht glatt genug sind.
Zur Oberflächenbehandlung von metallischen Schmelzblöcken und insbesondere zur Oberflächenbehandlung von metallischen Schmelzblöcken, die auf induktivem Wege mittels eines Lichtbogens oder durch Elektronenstrahlbeschuß im Vakuum erschmolzen wurden, ist auch schon ein Verfahren bekannt (DT-AS 1115 030), bei dem die Schmelzblockoberfläche zum Zwecke des lokalen Schmelzens einem Beschüß mit Ladungsträgerstrahlen unter vermindertem Druck ausgesetzt ist und bei dem die Oberfläche des metallischen Schmelzblockes im Hochvakuum mittels Elektronenstrahlen beschossen wird. Mit diesem bekannten Verfahren gelingt es zwar, metallische Schmelzblöcke hohen Reinheitsgrades herzustellen, von Nachteil ist jedoch die Tatsache, daß die Abkühlung des jeweils erschmolzenen Metalls in der Weise erfolgen kann, daß das betreffende Metall wieder Oberflächenfehler aufweist, wie Spannungen oder Risse.
Es ist auch schon eine Vorrichtung zum Sphärisch-Schmelzen von Metallen mit Hilfe von Elektronen bekannt (US-PS 2 793 282). Bei dieser bekannten Vorrichtung sind die einzelnen Werkstücke auf einer Transporteinrichtung, die mit Formelementen zur Aufnahme des verflüssigten Metalls versehen ist, hintereinanderliegend in einer Vakuumkammer unter mindestens zwei Elektronenstrahlquellen hindurchführbar, wobei die Elektronenstrahlquellen mit jeweils einer Ablenkeinrichtung für die Elektronenstrahlen und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Leistung und Dichte der Elektronenstrahlen versehen sind. Um bei der hierdurch erfolgenden Materialbehandlung die Abkühlungsgeschwindigkeit zu steuern, können die das jeweilige aufzuschmelzende bzw. geschmolzene Material enthaltenen Formelemente erwärmt werden, und zwar auf eine Temperatur unterhalb der Schmelzpunkttemperatur. Auf diese Weise wird dabei jeglicher nennenswerter Wärmeabfluß von den zu behandelnden Werkstücken an die Umgebungsbereiche verhindert. Ist jedoch ein amorphes Gefüge erwünscht, d. h. sollen die Kristalle in einer großen Anzahl von einzelnen Kristallen wieder auftreten, so wird bei der bekannten Vorrichtung eine schnellere Abkühlung des Materials vorgenommen. In einem solchen Fall wird dann der Elektronenstrahl augenblicklich abgeschaltet, nachdem das betreffende Material entsprechend stark geflossen ist. Zur weiteren Herabsetzung der Abkühldauer kann das jeweilige
Materialkügelchen in eine Kühlflüssigkeit eingeführt werden. Mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung, die an sich zum Glatt- und Sphärisch-Schmelzen dient, ist zwar eine gewisse Oberflächenbehandlung von Materialien und eine anschließende kontrollierte Abkühlung möglich. Von Nachteil bei dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch, daß stets das ganze Material bzw. das ganze Werkstück aufgeschmolzen wird. Dies bedeutet dann einen hohen Aufwand hinsichtlich der Konstruktion und hinsichtlich des Leistungsbedarfs, wenn die aufzuschmelzenden Werkstücke relativ groß sind.
Es ist ferner eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen im Hochvakuum mittels Elektronenstrahlbündeln bekannt (DT-AS 1184 089). Bei dieser bekannten Vorrichtung sind mehrere Elektronenstrahlquellen ringförmig in etwa einer Kreisebene um den jeweils zu schmelzenden Bereich eines Metallstabes herum angeordnet, und zwar derart, daß die Elektronenstrahlen nahezu senkrecht auf den Metallstab auftreffen. Dabei führen der Metallstab und die Elektronenstrahlquellen eine Relativbewegung zueinander aus. Außer den eigentlichen Schmelzelektrohenstrahlquellen sind dabei noch weitere Elektronenstrahlquellen vorgesehen, die den jeweiligen Schmelzsee in flüssigem Zustand erhalten. Durch diese bekannte Vorrichtung wird die jeweilige Schmelzzeit relativ kurz. Damit eignet sich diese bekannte Vorrichtung aber nicht ohne weiteres für eine Oberflächenbehandlung eines metallischen Werkstücks, und zwar zur Beseitigung von Fehlern, die auf und unter der Oberfläche des betreffenden Werkstücks vorhanden sind.
Im Zusammenhang mit der Ausführung von Schmelzvorgängen ist es bekannt (»Neue Hütte«, 1963, Heft 6, S. 315), als Gießschale eine wassergekühlte Cu-Schale zu verwenden. Die an der Übergangszone von Schmelze zu Schale durch die intensive Kühlung der Schale auftretenden ungünstigen energetischen Bedingungen lassen sich dadurch abschwächen, daß ein Elektronenstrahl zum Gießen durch magnetische Ablenkung auf die Gießschnauze und sogar in die Kokille gerichtet wird. Hierdurch wird zwar der Temperaturgradient zwischen Schmelze und Kokille abgeschwächt, und außerdem lassen sich die Abstrahlverluste beim Gießen ausgleichen. Es ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, mit Hilfe einer solchen Gießschale eine Oberflächenbehandlung eines solchen metallischen Werkstückes zur Beseitigung von auf und unter der Oberfläche dieses Werkstückes vorhandenen Fehlern vorzunehmen.
Es ist ferner eine zur Reinigung von Metallen dienende Vorrichtung bekannt (GB-PS 838 998), die eine Vakuumkammer aufweist, welche einen elektrisch leitenden gekühlten Herd, eine Elektronenstrahlquelle, deren Elektronenstrahlen zum Beschüß des betreffenden Herdes dienen, und Abtasteinrichtungen einschließt, welche den Herd mittels des Elektronenstrahls abtasten. Die Abkühlung des im übrigen nicht durch die Vakuumkammer transportierbaren Herdes erfolgt mittels Wasser; eine thermische Oberflächenbehandlung im Sinne der eingangs erläuterten Art liegt hierbei jedoch nicht vor.
Es ist ferner eine Vakuumgießvorrichtung bekannt (US-PS 2 880 483), bei der zwei Elektronenstrahlquellen vorgesehen sein können, deren eine zum Aufschmelzen eines Metalles dient und deren andere durch Steuerung die Größe des Schmelzsees auf einem oberflächlich aufzuschmelzenden Körper zu bestimmen gestattet; dabei erfolgt jedoch keine solche thermische Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstücken, daß in diesen vorhandene Fehler der
■■5 obengenannten Art beseitigt werden können.
Es ist ferner ein Elektronenstrahlofen bekannt (US-PS 3 177 535), bei dem eine Materialstange mittels der Elektronen einer neben dieser Stange angeordneten Elektronenstrahlquelle aufgeschmolzen wird
ίο und bei dem das dadurch aufgeschmolzene Material in einen Behälter hineintropft, in welchem es abgekühlt und mittels einer Transporteinrichtung abgezogen wird. Die Stelle, an der das genannte aufgeschmolzene Material in den Behälter eintritt, wird mittels von einer gesonderten Elektronenstrahlquelle abgegebener Elektronenstrahlen beschossen. Zwischen dieser Elektronenstrahlquelle und dem betreffenden Behälter ist eine Abschirmung vorgesehen; eine entsprechende Abschirmung ist zwischen der
ao zum Aufschmelzen des Materials dienenden Elektronenstrahlquelle und der aufzuschmelzenden Materialstange vorgesehen. Obwohl hierdurch ein Aufschmelzen von Metallen möglich ist, ist jedoch eine thermische Oberflächenbehandlung von metallischen
as Werkstücken im Sinne der eingangs betrachteten Art nicht möglich.
Es sind ferner Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung von Profilfräsungen mittels eines Ladungsträgerstrahles bekannt (DT-AS 1118 375), dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Materialbereichs und der, durch elektronenoptische Mittel ablenkbar, diesen Materialbereich bestreicht. Der Ladungsträgerstrahl wird dabei innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden Materialbereiches stetig über das Material derart geführt, daß die Energiekonzentration entlang den Randlinien dieses Bereiches am höchsten ist, und ferner wird jedem Punkt dieses Bereiches eine zur Materialverdampfung ausreichende Energie zugeführt. Auch dieses bekannte Verfahren bzw. diese bekannte Einrichtung eignet sich nicht ohne weiteres zur thermischen Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstücken im Sinne der eingangs betrachteten Art. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das Aufschmelzen der Oberfläche plattenförmiger Werkstücke jeweils nur in einem bestimmten Teilbereich und mit einer annähernd überall gleichen Tiefe erfolgt und daß der aufgeschmolzene Oberflächenbereich von innen her wieder erstarrt und daß die Formelemente so ausgebildet sind, daß ein Abfließen des abgeschmolzenen Metalls nach den Seiten, die parallel zur Transportrichtung liegen, verhindert wird.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Elektronenstrahlquellen in Vorschubrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind und die in Vorschubrichtung vorn liegende eine größere Elektronenstrahlleistung je Flächeneinheit auf die Oberfläche der plattenförmig ausgebildeten Werkstücke, die unter kontinuierlichem Vorschub mit ihren zur Vorschubrichtung parallelen Kanten zwischen gekühlten Schienen geführt sind, überträgt als die darauf folgende Elektronenstrahlquelle. Die Erfindung bringt gegenüber den oben betrachteten bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Oberflächenbehandlung von metal-
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lischen Werkstücken den Vorteil besonderer Ein- Elektronenstrahls zunimmt, werden immer größere fachheit mit sich; es ist nämlich allein durch die Ver- Mengen an Metall verdampft. Dies hat zum einen Wendung der in bestimmter Weise bemessenen Elek- einen Materialverlust zur Folge, und zum anderen tronenstrahlquellen und der gekühlten Schienen steigt die Wahrscheinlichkeit, daß die einzelnen Teile möglich, ohne speziell geformte Aufnahmeeinrich- 5 der Vorrichtung durch starke Metallüberzüge vertungen auszukommen und dennoch eine thermische schmutzen, welche sich durch Kondensation der Me-Oberflächenbehandlung in wünschenswerter Weise talldämpfe ergeben. Obwohl also eine hinreichend vorzunehmen, nämlich vom Innern des jeweiligen hohe Leistung aufzubringen erwünscht bzw. erforder-Werkstückes zu dessen Außenfläche hin, so daß wäh- lieh ist, um das jeweils zu behandelnde Metallstück rend der Abkühlung des betreffenden Werkstückes xo bis zu der jeweils gewünschten oder erforderlichen keine erneuten Oberflächenfehler auftreten. Die Er- Tiefe hinab aufzuschmelzen, andererseits aber die findung bringt den weiteren Vorteil mit sich, in einem Verweilzeit des betreffenden metallischen Werkstücks Elektronenstrahlofen angewendet werden zu können, in der Elektronenstrahl-Beschußzone herabgesetzt bei dem ständig Platten gegossen werden. Die Vor- wird, kann sich aus der Verdampfung des Metalls richtung gemäß der Erfindung kann dabei unter Aus- 15 eine merkliche Begrenzung in der Größe der aufzunutzung des Vakuumsystems des betreffenden Elek- wendenen Leistung ergeben. Bei der Oberflächentronenstrahlpfens angewendet werden. Dies ist von behandlung von Platten aus Eisen, Nickel und Legiebesonderem Vorteil bei der Herstellung von Titan- rangen auf Kobaltbasis liegt die obere Grenze prak- und Zirkonplatten oder allgemein bei der Herstellung tisch in der Größenordnung von etwa 0,3 bis 1 kW von Platten aus Metallen, bei denen durch Oxydation ao Elektronenstrahl-Wärmeleistung pro cm2 (entder mittels eines Elektronenstrahls behandelten Ober- sprechend 300 bis 1000 kW Elektronenstrahl-Wärmefläche Verunreinigungen in der Schmelze auftreten, leistung pro Quadratfuß Plattenoberfläche). Diese und zwar auf Grund der Löslichkeit von nichtflüssigen Dichte stellt einen Mittelwert während einer Zeit-Oxyden des Ausgangsmetalls. Erfolgt eine Elektro- spanne von etwa 100 ms bei Verwendung eines nenstrahlbehandlung einer gerade gegossenen Platte «5 oszillierenden Elektronenstrahls dar. Bei der Bevor deren Herausnahme aus dem jeweiligen Ofen und handlung von Tantalplatten liegt der Dichtewert im vor dem Aussetzen an der normalen Atmosphäre, so Bereich von etwa 3 bis etwa 5 kW pro cm2 Plattenwird eine Verunreinigung der zuvor genannten Art oberfläche (entsprechend etwa 3000 bis 5000 kW pro vermieden, obwohl das betreffende Gußstück noch Quadratfuß Plattenoberfläche). Bei Niob liegt die heiß ist. Bei der Herstellung von Gußstücken, die 30 Grenze für die Dichte zwischen etwa 1,5 und etwa zwar keinen Sauerstoff aufnehmen, dafür aber an der 3 kW pro cm2 Plattenoberfläche (entsprechend 1500 Luft eine Zunderschicht bilden, führt eine Elektro- bis 3000 kW pro Quadratfuß Plattenoberfläche) und nenstrahlbehandlung der oxydierten Oberfläche nicht bei Titan zwischen etwa 0,6 und etwa 1,5 kW pro zu einer Verunreinigung des betreffenden Metalls. cm2 Plattenoberfläche (entsprechend 600 bis 1500 kW Demgemäß können derartige metallische Werkstücke 35 pro Quadratfuß Plattenoberfläche). Der genaue Wert vor einer Behandlung mit Hilfe der Vorrichtung ge- der oberen Leistungsdichtegrenze läßt sich nicht spemäß der Erfindung der Luft ausgesetzt werden. ziell für irgendein bestimmtes Material angeben, da
Zur Behandlung der Oberflächen von Platten und die jeweils zulässige Menge an Metalldampf von der
Gußblöcken, die keine im allgemeinen als Ein- Konfiguration des Elektronenstrahl-Erhitzungssystems
lagerungen bezeichneten unlöslichen Verunreinigun- 40 und von der Zusammensetzung des zu behandelnden
gen enthalten, ist eine bestimmte minimale Schmelz- metallischen Werkstücks und vom Preis des Ma-
tiefe erforderlich, um Oberflächenunregelmäßigkeiten terials, aus dem das betreffende Werkstück besteht,
glätten und Oberflächenrisse z. B. beseitigen zu kön- abhängt. Mit dem nachstehend auch verwendeten
nen. Die jeweils erforderliche Tiefe der Aufschmel- Ausdruck »übermäßige Verdampfung« ist der Fall
zung liegt auf Hauptoberflächen gewöhnlich zwischen 45 bezeichnet, daß eine Verdampfungsmenge auftritt, die
1,6 und etwa 6,4 mm. einen für das jeweilige Erhitzungssystem und für das
Bei Platten aus Flußeisen treten beim Warmwalzen darin enthaltene Material zulässigen Wert übererhebliche Materialverluste infolge einer Oberflächen- schreitet.
verzunderung auf. Bei der Behandlung der Ober- Die zur Erzielung zufriedenstellender Behandlungsflächen Von warmgewalzten Flußeisenplatten ergibt 50 ergebnisse aufzuwendende minimale Leistung hängt sich eine Mindestschmelztiefe aus der Summe der vom zulässigen Produktionsausstoß ab. So genügt maximalen Zunderdicke zuzüglich derjenigen Tiefe z. B. eine Leistungesdichte von etwa 20 W/cm2 (entdes benachbarten Materials, die nach dem Aufschmel- sprechend 20 kW pro Quadratfuß) bei Stahl- oder zen eine angemessene Verdeckung von Rissen ge- Nickellegierungsplatten, die zuvor auf etwa 820° C währleistet. Die hierbei normalerweise erforderliche 55 erwärmt worden sind, um eine Aufschmelztiefe von Tiefe der Schmelzzone liegt auf den Hauptflächen etwa 6,4 mm bei einer Relativgeschwindigkeit zwizwischen etwa 6,4 und etwa 15,9 mm. sehen der betreffenden Platte und dem Elektronen-
Um die Gesamtmenge an aufzuwendender Energie strahl von etwa 7,6 cm/sec zu erzielen,
möglichst gering zu halten und eine relativ hohe Ge- An dieser Stelle sei bemerkt, daß die gerade er-
schwindigkeit für eine Massenfertigung zu erzielen, 60 wähnten Werte für die Herstellung von Platten, die
ist es wünschenswert und wirtschaftlich, den jeweili- zu Karosserieblech ausgewalzt werden, viel zu niedrig
gen Oberflächenschmelzvorgang so schnell wie mög- sind. Als allgemein gültiger Grundsatz kann ange-
lich auszuführen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sehen werden, daß mit Zunahme der zum Schmelzen
praktisch eine Begrenzung in der Energiemenge auf- einer gegebenen Tiefe aufgewendeten Zeit eine der-
tritt, die maximal pro Zeiteinheit zur Behandlung 65 artige Abnahme der Leistungsdichte verbunden ist,
einer Oberfläche eines Metallobjekts aufgewandt wer- daß sich eine Zunahme an insgesamt aufgewendeter
den kann. Wenn nämlich die Leistungsdichte des auf Leistung ergibt. Theoretisch stellt die zur Erzielung
die Oberfläche eines Metallgegenstands auftreffenden einer bestimmten Aufschmelztiefe erforderliche mini-
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male Leistungsdichte diejenige Leistungsdichte dar, an einem Ende mit einer Vakuumschleuse oder die die gesamte Wärmeleistung zur Überwindung der -kammer 13 und an dem gegenüberliegenden Ende thermischen Verluste in dem System mit kaum darüber mit einer Vakuumschleuse oder -kammer 14 verhinausgehender Leistung aufzubringen hat und den sehen. Diese Vakuumkammern 13 und 14 dienen zur Bearbeitungsvorgang mit unendlich langsamer Ge- 5 Einführung bzw. Ausgabe von in der betreffenden schwindigkeit ausführt. Vorrichtung zu behandelnden metallischen Werk-Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Er- stücken, ohne daß dabei das in der Vakuumkammer findung sind in der Vakuumkammer in Vorschub- 12 herrschende Vakuum aufgehoben wird. An die richtung nach den ersten beiden Elektronenstrahl- Vakuumkammern 12, 13 und 14 sind geeignete Vaquellen zunächst eine Wendevorrichtung für die plat- ίο kuumpumpen 12 a, 13 a und 14 a angeschlossen, tenförmigen Werkstücke und darauf folgend zwei Zwischen den Vakuumkammern 13, 14 und der weitere Elektronenstrahlquellen angeordnet. Hier- Außenatmosphäre einerseits und den Vakuumkamdurch ergibt sich der Vorteil, daß auf besonders ein- mernl3, 14 und der Vakuumkammer 12 andererfache Weise ein zonenweises Aufschmelzen der Ober- seit befinden sich Vakuumventile 15, 15 a, 15 b und fläche des jeweiligen metallischen Werkstücks ermög- 15 15 c. Diese Vakuumventile dienen dazu, die jeweilige licht ist. Die betreffende Schmelzzone kann sich Vakuumschleuse 13 bzw. 14 während ihrer Evadabei über die gesamte Breite der jeweils zu behan- kuierung auf dem niedrigen Druck zu halten, der in delnden Werkstückoberfläche oder aber nur über der Vakuumkammer 12 aufrechterhalten wird,
einen Teil dieser Oberfläche erstrecken. Die Metallplatten, die gegebenenfalls vorgewärmt
Bis zu welcher Tiefe und bei welcher Temperatur ao sein können, werden mittels einer eine Transportdas jeweilige metallische Werkstück aufgeschmolzen einrichtung darstellenden, ständig laufenden Rollenwird, hängt von der Größe und dem Material des be- förderanlage durch das Vakuumsystem hindurchgetreffenden Werkstücks ab. Außerdem spielen hierfür leitet. Diese Förderanlage enthält Stützvorrichtungen noch die auf dem betreffenden Werkstück an- 16, die an den Seiten des Gehäuses 11 befestigt sind schließend auszuführenden Bearbeitungsvorgänge 25 und zwischen denen eine Vielzahl von Antriebsrollen eine Rolle. Die Aufschmelzung und das Nachwärmen 17 vorgesehen ist. Paare von Elektronenstrahlquellen erfolgen unter Hochvakuum, d. h. bei einem Druck 18,18 a und 19,19 a, auf die weiter unten noch näher von weniger als etwa einem Millitorr oder bei einem eingegangen wird, sind an der Unterseite der Decknoch geringeren Druck. Die Leistung und Dichte der wand des Gehäuses 11 angebracht. Jede Elektronenfür die Aufschmelzung der Oberfläche des jeweils zu 30 strahlquelle 18 und 19 gibt einen energiereichen behandelnden metallischen Werkstücks dienenden Elektronenstrahl ab, mit Hilfe dessen ein Teil der Elektronenstrahlen wird entsprechend den jeweils be- Oberfläche des betreffenden zu behandelnden Werkstehenden Forderungen geregelt. Stückes bis zu einer bestimmten Tiefe hinab geschmol-
Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Aus- zen wird. Mit jeder Elektronenstrahlquelle 18,19 wird
gestaltung der Erfindung sind die Elektronenstrahl- 35 eine Seite der zu behandelnden Platte mit Elektronen
quellen der geschmolzenen Oberfläche des Werk- beschossen; die Platte wird zwischen den Elektro-
stücks abgewandt, und die Ablenkeinrichtungen len- nenstrahlquellen 18 und 19 gewendet. Jede der
ken die Elektronenstrahlen auf die Oberfläche des Elektronenstrahlquellen 18 a und 19 a beschießt die
Werkstücks. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß Platte zusätzlich mit Elektronen, nachdem ein ent-
auf relativ einfache Weise die Elektronenstrahlquellen 40 sprechender Elektronenbeschuß durch die Elektro-
vor Verunreinigungen durch geschmolzenes Metall nenstrahlquellen 18 und 19 erfolgt ist. Auf diese
geschützt werden können. Weise erfolgt eine Nachwärmung der Plattendeck-
An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung fläche,
nachstehend beispielsweise näher erläutert. Die verschiedenen Stellungen der das zu bearbei-
F i g. 1 zeigt in einer Seitenschnittansicht eine 45 tende metallische Werkstück darstellenden Platte
Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Er- sind in F i g. 1 angedeutet. Die Platte ist dabei mit 21
findung; bezeichnet. In der äußersten linken Stellung befindet
F i g. 2 zeigt schematisch in Draufsicht ein gemäß sich die Platte 21 in der Vakuumschleuse 13, nach-
der Erfindung behandeltes plattenförmiges metal- dem sie durch das Vakuumventil 15 hindurch einge-
lisches Werkstück; 50 führt worden ist. Das Vakuumventil 15 wird nach er-
F i g. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht entlang folgter Einführung der Platte 21 geschlossen. Dann
der mit Pfeilen versehenen Schnittlinie in F i g. 1; wird die Vakuumschleuse 13 mit Hilfe der Pumpe
F i g. 4 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 13 α derart evakuiert, daß in ihr ein niedriger Druck
4-4 gemäß Fi g. 3; herrscht. Anschließend wird das Ventil 15 a geöffnet,
F i g. 5 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 55 und die Platte 21 wird in Richtung der in F i g. 1 ein-
5-5 gemäß Fig. 3. getragenen Pfeile in die Vakuumkammer 12 einge-
In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vor- führt. Daraufhin wird das Ventil 15 α wieder gerichtung zur thermischen Oberflächenbehandlung schlossen. Die sich kontinuierlich auf den Rollen 17 eines metallischen Werkstücks gezeigt. Die betref- fortbewegende Platte gelangt dann unter die von den fende Vorrichtung dient dabei zur Behandlung von 60 Elektronenstrahlquellen 18 und 18 a abgegebenen Metallplatten endlicher Länge; es können aber auch Elektronenstrahlen. Diese Elektronenstrahlen schmelbeispielsweise Gußblöcke oder Barren oder Strang- zen die Platte innerhalb einer bestimmten Zone. Die gußplatten aus z. B. rostfreiem Stahl behandelt Tiefe, der Temperaturumfang und die Verfestigungswerden, muster dieser Zone werden durch Regelung der Lei-
Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung enthält zwei 65 stung und Dichte der betreffenden Elektronenstrah-
Bearbeitungszonen und eine Zwischen- oder Über- len geregelt. Wenn sich die Platte 21 unter die von
gangszone. Sie enthält ferner ein Gehäuse 11, das den Elektronenstrahlquellen 18 und 18 a abgegebenen
eine Vakuumkammer 12 bildet. Das Gehäuse 11 ist Elektronenstrahlen hinweg bewegt, läuft die Schmelz-
zone über die Oberfläche der Platte hinweg und beT eine instabile Betriebsweise und ein Aufprallen von seitigt damit auf ihr vorhandene Oberflächenfehler Sprühnebel zu verhindern. Eine spezielle AusfüfiT und Risse. Dies führt zum Entstehen einer Oberfläche rungsforrn einer in der Vorrichtung gemäß F i g. 1 mit hervorragender Qualität. Zwischen den ElektroT verwendbaren Ele,ktronenstrahlquelle ist in Fig. 3, 4 nenstrahlquellen 18, 18 a und den Elektronenstrahls 5 und 5 gezeigt, Es sei bemerkt, daß zur Verminderung quellen 19, 19 a wird die Platte 21 durch irgendeine der Kondensation von Metalldampf en und damit zum (hier nicht dargestellte) bekannte Vorrichtung ge- Schutz cjer Elektropenstrahkmellen auch andere wendet und danach den von den Elektronenstrahl· Sysfeme als das gezeigte System anwendbar sind. Etaquellen 19 und 19 a abgegebenen Elektrpnenstrahlen bei brauphen die Elektronenstrahfquellen nicht urn ausgesetzt. Die durch die Eiektronenstrahlquellen i.9 19 mittelbar über der zu behandelnden Oberfläche anT und 19 α hervorgerufene Schmelzzone entspricht der geordnet zu sein; vielmehr können sie unter Anwen^ durch die Elektronenstrahlquellen 18 und 18 a her- dung bekannter Ablenktechniken auch auf einer Seite vorgerufenen Schmelzzone. Durch die von den Elek- der ζμ behandelnden Oberfläche angeordnet sein,
tronenstrahlquellen 19 und 19 a abgegebenen Elek- Die Anzahl an Eiektronenstrahlquellen in der Ajvtronenstrahlen wird somit diejenige Oberfläche der 15 lage hängt von der Gesamtleistung und von den An-Platte 21 behandelt, die sich gegenüber derjenigen forderungen bezüglich der Leistungsverteilung ab.
Oberfläche befindet, welche durch die von den Elek- Die in Fi g. 3 bis 5 gezeigte Elektronenstrahlquelle tronenstrahlquellen 18 und 18 a abgegebenen Elek- 18 besteht aus zwei einzelnen Elektronenstrahlquellen tronenstrahlen behandelt wurde. Danach wird das 22 und 23, die auf der Deckfläche einer horizontal Vakuumventil 15 b geöffnet. Nunmehr wird die Platte ao angeordneten Dampf- und Sprühnebelabschirmung 21 in die Vakuumschleuse 14 eingeführt, die zuvor 29 angeordnet sind. Diese Abschirmung 29 hängt an durch die Pumpe 14 α auf einen niedrigen Druck zwei Bügeln 31 und 32 von dem Gehäuse 11 herab,
evakuiert worden ist. Anschließend wird das Va- Die Elektronenstrahlquellen 22 und 23 besitzen kuumventil 15 b wieder geschlossen, um die Vakuum- identischen Aufbau, weshalb nachstehend nur die schleuse 14 von der Vakuumkammer 12 zu trennen, 35 Elektronenstrahlquelle 22 näher beschrieben wird, welche weiterhin mit Hilfe der Pumpe 12a evakuiert Die Elektronenstrahlquelle 22 enthält eine Ablenkwird. Sodann v/ird in die Vakuumschleuse 14 Luft einrichtungen darstellende Fokussierungselektrode 24, eingelassen, und zwar so lange, bis der in dieser einen Emissions-Glühheizfaden 25 und eine Be-Schleuse herrschende Druck den atmosphärischen schleunigungselektrode oder -anode 26. Der Heiz-Druck erreicht hat. Danach wird das Vakuumventil 30 faden 25 ist an eine Heizspannungsquelle (nicht ge-15 a geöffnet und die Platte 21 aus der Vakuum- zeigt) angeschlossen, die einen Strom durch den beschleuse herausgeführt. treffenden Heizdraht hindurchleitet. Dadurch steigt
Bezüglich der Oberflächenbehandlung sei noch- die Temperatur des Heizdrahtes derart an, daß eine mais erwähnt, daß gemäß der Erfindung aufgebaute Elektronenemission einsetzt. Die Beschleunigungs-Vorrichtungen zur Durchführung der zuvor erläu- 35 elektrode 26 liegt auf Erdpotential, und der Heizterten Aufgabe auch anders aufgebaut sein können draht 25 und die Ablenkeinrichtungen werden auf als die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung. So kann einem negativen Potential gehalten, das von einer hier beispielsweise die zu behandelnde Platte nach Aus- nicht gezeigten Spannungsquelle her geliefert wird, führung des halben Bearbeitungszyklus aus dem Va- Die von dem Heizdraht abgegebenen Elektronen werkuumsystem herausgeleitet und an der Luft gewendet 49 den von der Beschleunigungsanode 26 angezogen, .werden. Unter diesen Voraussetzungen kann das Va^ Dieser Elektronenstrahl ist in der Zeichnung durch kuumsystem dann viel kleiner sein, da seine größte gestrichelte Linien angedeutet; dabei ist ersichtlich, Querschnittsfläche nur etwas größer zu sein braucht daß dieser Elektronenstrahl von der Elektronenstrahlals die größte zu behandelnde Platte. In den meisten quelle 22 aus zunächst im wesentlichen nach oben Systemen dürfte die Verwendung von Vakuum- 45 gerichtet ist.
schleusen 13 und 14 wünschenswert sein, da hier- Der Elektronenstrahl wird durch ein quer zu den durch Platten mit solchen Größen aufgenommen wer^ Elektronenflugbahnen gerichtetes Magnetfeld umgeben können, wie sie für die meisten kommerziellen lenkt. Dieses Magnetfeld kann zwischen Magnetpol-Anwendungsfälle üblich sind. Werden Vakuum- schuhen 27 und 28 erzeugt werden, die durch die schleusen für die Einführung und Ausgabe der jeweils §0 Bügel 21 und 32 getragen werden. Die Polschuhe ,zu behandelnden metallischen Werkstücke verwendet, können mit Hilfe einer elektromagnetischen Spule so ist es nicht erforderlich, die Vakuumkammer 12 magnetisiert werden, die zwischen ihnen angeordnet mit jedem zu behandelnden metallischen Werkstück ist (nicht dargestellt). Das zwischen den Polschuhen abzupumpen. Im Unterschied zu einer geraden Durch- 27 und 28 herrschende Magnetfeld wird auf einem führung einer zu behandelnden Platte durch das in 55 konstanten Wert gehalten; es ist stark genug, um den Fig. 1 gezeigte Vakuumsystem kann eine derartige Elektronenstrahl um einen Winkel von etwa 180° um-Platte in die Vakuumkammer 12 auch nur durch eine zulenken.
einzige Vakuumschleuse eingebracht und herausge- Um die Platte 21 über die gesamte Breite zu er-
leitet werden. Dabei wäre dann also nur eine Va- wärmen (Maß L in F i g. 2), werden die von den Elek-
kuumschleuse erforderlich. 60 tronenstrahlquellen 22 und 23 abgegebenen Elek-
Auf Grund der Verdampfung geschmolzenen Me- tronenstrahlen über diese Breite geführt. Die hierfür
tails von der Oberfläche eines behandelten metal- erforderliche Ablenkung des von der Elektronen-
lischen Werkstücks sowie auf Grund der Ver- strahlquelle 22 abgegebenen Elektronenstrahls wird
dampfung von Gasen und Sprühnebel geschmolzener durch ein zwischen zwei Polschuhen 33 und 34 herr-
Tröpfchen ist es häufig erforderlich, die Elektronen- 65 sehendes Magnetfeld bewirkt. Die beiden Polschuhe
strahlquellen außerhalb der Sichtlinien der erwärm- 33 und 34 sind zu beiden Seiten des Elektronenstrahls
ten Oberflächengebiete anzuordnen, um auf ihnen angeordnet, der durch das zwischen den Polschuhen
eine Ansammlung kondensierter Metalldämpfe sowie 27 und 28 herrschende Magnetfeld gebündelt wor-
11 12
den ist. Das Magnetfeld zwischen, den Polschuhen 33 behandelt werden. Derartige Platten können etwa 20 und 34 ist ein magnetisches Wechselfeld; es wird mit- bis 35 cm dick, etwa 180 bis 450 cm breit und etwa tels einer Spule erzeugt, die von einer Wechselspan- 4,5 bis 24 m lang sein,
nungsquelle (nicht gezeigt) her gespeist wird. Dieses . .
Wechselfeld lenkt die Elektrpnenstrahlen ab und führt 5 Beispiel I
sie über die Breite der Platte 21 von der Stellung A Eine etwa 6,4. cm dicke, etwa 20 crn breite und
zu der Stellung B hin, wie dies in F i g. 4 durch ger etwa 90 cm lange Platte aus rpstfreiem Stahl, Typ strichelte Linien aiiged&vAet ist. Der von der Elek- 308, wurde auf einer Oberfläche mit einer erfindungstronenstrahlquelje 23 abgegebene Elektronenstrahl gemäßen Vorrichtung !behandelt Die rostfreie Stahlwird in entsprechender Weise abgelenkt, so daß jeder 19 platte wurde dann in einem Yakuumofen eingeführt, der Elektronenstrahlen über die gesamte Breite der in welchem ein Druck von weniger als 0,5 Millitorr Platte 21 geführt wird. Durch Bündelung der Elek- herrscht. Die Oberfläche der rostfreien Stahlplatte tronenstrahlen und Ablenkung in der dargestellten wurde dann dem Beschüß zweier benachbarter, hin-Art und Weise sind die Elektronenstrahlquellen vor und hergeführter Elektronenstrahlen ausgesetzt, um übermäßiger Kondensation von Dämpfen, Gasen und 15 auf der Oberfläche eine Schmelzzone mit einer Breite Sprühnebel geschützt, die von der Oberfläche der in von etwa 15 cm zu erhalten. Mit Hilfe des einen F i g. 2 dargestellten Platte 21 im Bereich der Elektronenstrahles wurde dabei die eine Hälfte der Schmelzzone auftreten, welche hier eine Breite D Schmelzzone, also etwa 7,5 cm, erwärmt, und mit besitzt. Hilfe des anderen Elektronenstrahles wurde die
Zum Zwecke der Beschränkung der geschmolzenen 20 andere Hälfte der Schmelzzone erwärmt. Die Platte Fläche auf die Oberfläche der Platte 21 sind an deren wurde dann quer zu den Elektronenstrahlen mit einer Kanten zwei gekühlte Schienen bzw. Seitenschienen Geschwindigkeit von etwa 0,3 m/min bewegt. Die 35 und 36 angeordnet, die sich in dichtem Kontakt Abgabeleistung der Elektronenstrahl-Abgabevorrichmit beiden Seiten der Platte 21 befinden. Der Kon- tung wurde so gewählt, daß etwa 40 kW für den takt zwischen den Seitenschienen und der Platte 21 25 Hauptstrahl aufgewendet wurden, der die eigentliche kann durch (hier nicht gezeigte) bekannte Vorrich- Schmelzenergie liefert, und etwa 20 kW für den Nachtungen aufrechterhalten werden. wärmstrahl. Unter diesen Bedingungen erfolgte eine
Die Leistung und Dichte der durch die Elektro- Behandlung der Oberfläche der rostfreien Stahlplatte nenstrahlquellen in dem betreffenden System erzeug- bis zu einer Tiefe von etwa 6,4 mm hinab,
ten Elektronenstrahlen wird geregelt, um die für die 30 Die betreffende Platte wurde dann aus der Vaverschiedenen Phasen des Plattenbehandlungsvorgan- kuumkammer herausgenommen und geprüft. Dabei ges jeweils erforderliche Wärme zu erzeugen. Insbe- zeigte sich, daß die Oberfläche der betreffenden Platte sondere kann die obere mittlere Leistungsdichte, die frei von jeglichen Oberflächenfehlern war. Nach Zererforderlich ist, um die Wärmeverluste an den Schie- schneiden der Platte zeigte sich ferner, daß die benen 35, 36 aufzubringen, durch ein derart eingestell- 35 handelte Schicht eine durchschnittliche Tiefe von tes Elektronenstrahlablenkmuster aufgebracht wer- etwa 6,4 mm über nahezu die gesamte Deckoberfläche den, daß sich eine längere Verweilzeit der Elektronen- der betreffenden Platte hinweg aufwies,
strahlen in der Nähe der betreffenden Schienen ergibt. Demgegenüber kann für diesen Zweck auch eine Beispiel II
zusätzliche Elektronenstrahlquelle vorgesehen sein. 4°
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann in Eine Platte aus Flußstahl, die sich zum Auswalzen
einer Vielzahl kommerzieller Anwendungsfälle wirk- in Karosserieblech eignet und die etwa 18 cm dick, sam eingesetzt werden. So ist die Behandlung von etwa 31 cm breit und etwa 1,2 m lang ist, wurde ent-Speziallegierungen aus Tantal, Niob, Molybdän, sprechend der im Beispiel I angegebenen Weise beBronze, Kovar und anderer, einen Temperatur- 45 handelt. Es erfolgte hierbei eine derartige Regelung koeffizienten besitzender Legierungen in Platten- der Elektronenstrahlen, daß eine Leistung von etwa größen von etwa 5 bis 15 cm Dicke, etwa 20 bis 80 kW für die Elektronenstrahlen der in Bewegungs-50 cm Breite und etwa 0,6 bis 6 m Länge möglich. richtung vorn liegenden Elektronenstrahlquellen und Platten aus hochtemperaturfesten hochlegierten Ma- 30 kW für die Elektronenstrahlen der darauf folgenterialien, wie Hastelloy X, Waspaloy, L-605 und 50 den Elektronenstrahlquellen aufgewendet wurde.
Inco718, in Plattengrößen von etwa 5 bis 15 cm Die betreffende Platte wurde durch die Elektronen-
Dicke, etwa 40 bis 90 cm Breite und etwa 1,8 bis strahlen-Beschußzone mit einer Geschwindigkeit von 12m Länge können ebenfalls gemäß der Erfindung etwa 45 cm/min hindurchbewegt. Anschließend wurde behandelt werden. Platten aus rostfreiem Stahl ver- die Platte umgedreht; daraufhin wurde die andere schiedener Güteklassen in Plattengrößen von etwa 55 Plattenoberfläche in entsprechender Weise behan-10 bis 18 cm Dicke, etwa 66 bis 170 cm Breite und delt. Nach Herausnahme der Platte aus dem Vaetwa 4,5 bis 12 m Länge können ebenfalls gemäß der kuumofen und Zerschneiden wurde festgestellt, daß Erfindung behandelt werden. Platten aus Flußeisen die behandelte Schicht auf beiden Oberflächen der als Material für die Herstellung von Kraftwagen, Ge- Plattenteile eine durchschnittliche Tiefe von jeweils bäudewänden, Behältern und für ähnliche Zwecke, 60 etwa 9,5 mm aufwies.
bei denen eine ausgezeichnete Endoberfläche gefor- Zusammenfassend kann damit festgestellt werden,
dert ist, können ebenfalls gemäß der Erfindung be- daß durch die vorliegende Erfindung eine verbesserte handelt werden. Derartige Platten können etwa 12 Vorrichtung geschaffen worden ist, mit Hilfe derer bis 20 cm dick, etwa 66 bis 210 cm breit und etwa die Oberflächen von festen metallischen Werkstücken 4,2 bis 12 m lang sein. Platten und Bleche aus hoch- 65 thermisch behandelt werden können. Oberflächenfesten Stahllegierungen für U-Boot-Bootskörper, fehler und Oberflächenrisse werden einfach dadurch Druckkessel, Raketenmäntel und ähnliche Anwen- beseitigt, daß eine gleichmäßige Oberflächenbehanddungszwecke können ebenfalls gemäß der Erfindung lung bis zu einer geringen Tiefe hinab erfolgt. Diese
Oberflächenbehandlung kann für hohe Produktionsgeschwindigkeiten ausgelegt sein, bei denen dann Oberflächen mit bisher nicht erzielbaren Standardqualitäten erzielt werden. Handelt es sich bei den betreffenden, behandelten metallischen Werkstücken um Platten, so ist deren fertige Oberfläche derart glatt, daß diese Platten in ein Walzwerk eingeführt werden können. Die Tiefe der Oberflächenschmelze kann durch entsprechende Wahl der Leistungsdichte der verwendeten Elektronenstrahlen eingestellt wer-
den; durch eine derartige Einstellung kann somit die Oberflächenqualität des zugeführten Materials beeinflußt werden.
Während des thermischen Behandlungsvorganges geht Material in vernachlässigbar geringer Menge verloren; der betreffende Vorgang kann daher, sofern erförderlich, wiederholt werden. Zur entsprechenden thermischen Behandlung von Gegenständen nahezu jeder Form können entsprechend ausgebildete Elek-
o tronenstrahlquellen verwendet werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

  1. Patentansprüche:
    •1. Vorrichtung zur thermischen Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstücken mit- S tels Elektronenstrahlen, bei der die einzelnen Werkstücke auf einer Transporteinrichtung, die mit Formelementen zur Aufnahme des verflüssigten Metalls versehen ist, hintereinanderliegend in einer Vakuumkammer unter mindestens zwei Elektronenstrahlquellen hindurchführbar sind und bei der die Elektronenstrahlquellen mit jeweils einer Ablenkeinrichtung für die Elektronenstrahlen und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Leistung und Dichte der Elektronenstrahlen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlquellen (18, 18 a, 19·, 19 a) in Vorschubrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind und die in Vorschubrichtung vorn liegende (18, 19) eine größere Elektronen-Strahlleistung je Flächeneinheit auf die Oberfläche der plattenförmig ausgebildeten Werkstücke (21), die unter kontinuierlichem Vorschub mit ihren zur Vorschubrichtung parallelen Kanten zwischen gekühlten Schienen (35, 36) geführt sind, überträgt als die darauf folgende Elektronenstrahlquelle (18 a, 19 a).
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vakuumkammer (12) in Vorschubrichtung nach den ersten beiden Elektronenstrahlquellen (18, 18 a) zunächst eine Wendevorrichtung für die plattenförmigen Werkstücke (21) und darauf folgend zwei weitere Elektronenstrahlquellen (19, 19 α) angeordnet sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlquellen (22, 23) der geschmolzenen Oberfläche des Werkstückes (21) abgewandt sind und daß die Ablenkeinrichtung (24) die Elektronenstrahlen auf die Oberfläche des Werkstücks lenken.
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