Введение
 

Электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) — это процесс получения на поверхности детали покрытия заданной формы и свойств с помощью электронного луча [1, 2]. Эта технология позволяет формировать одно- и многослойные покрытия различного функционального назначения (упрочняющие, износостойкие, жаропрочные, жаростойкие и т. д.) на поверхности изделий из стали, чугуна, меди, бронзы и других сплавов. При ЭЛН не возникает проблем адгезии. Высокая повторяемость результатов технологии электронно-лучевой наплавки в совокупности с гибкостью управления технологическим процессом позволяет формировать покрытия с необходимой структурой и заданными свойствами. ЭЛН реализуется в специализированных установках. Технологический процесс полностью автоматизирован.

Электронно-лучевая наплавка
 

Технология электронно-лучевой наплавки основана на уникальной способности электронного луча концентрировать энергию. Так, например, электронный луч мощностью несколько киловатт можно сфокусировать в пятно диаметром меньше миллиметра. Если его направить на поверхность детали, то металл мгновенно начнет плавиться в области падения луча. При этом сама деталь останется холодной, и, если луч убрать, — металл мгновенно кристаллизуется. Принцип электронно-лучевой наплавки показан на рис. 1. Электронный луч создает на поверхности детали ванну расплавленного металла. В него с помощью дозатора подается порошок, частицы которого создают на поверхности покрытие с необходимыми свойствами. Наплавляемая деталь перемещается внутри вакуумной камеры относительно неподвижной электронной пушки и порошкового дозатора, или электронная пушка с дозатором перемещаются относительно неподвижной детали.

Рис.1. Принцип электронно-лучевой наплавки.

Технология многопроходной электронно-лучевой наплавки основана на явлении «вмораживания» порошка в жидкометаллическую ванну расплава. При каждом последующем проходе «вмораживается» новая порция порошка и расплавляется предыдущая. Порошок, подаваемый в жидкометаллическую ванну расплава, ускоряет процесс ее кристаллизации, способствуя при этом формированию мелкозернистой структуры и уменьшению остаточных напряжений в наплавляемом покрытии. Необходимая толщина наплавленного слоя достигается путем изменения скорости подачи порошка или увеличения числа проходов. Большая скорость кристаллизации способствует формированию однородной мелкодисперсной структуры наплавленного слоя.

Для электронно-лучевой наплавки пригодны порошки, имеющие дисперсность 50–350 мкм. Порошки, дисперсностью менее 50 мкм, обладают недостаточной сыпучестью в вакууме, и поэтому трудно обеспечить их подачу непосредственно в ванну расплава. Для расплавления порошков крупнее 350 мкм требуется больший энерговклад, что приводит к дополнительному проплавлению основы и увеличению остаточных напряжений.

В зависимости от формы изделий и требований к покрытию могут быть использованы различные схемы нанесения покрытий (рис. 2).

Рис. 2. Схема процесса электронно-лучевой наплавки.

Параметрами, характеризующими процесс наплавки, являются энергия и ток электронного луча, его диаметр, размеры и форма развертки луча на поверхности детали, скорость перемещения детали, скорость подачи порошка.
Отличительной особенностью ЭЛН является протяженная (до 1 мм) переходная зона «основа-покрытие» (рис. 3). Поскольку порошок вплавляется в поверхность детали, свойства материала от основы к покрытию меняются плавно. Понятие адгезии при таком способе нанесения покрытий исчезает. Более правильно говорить не о нанесении, а о формировании покрытия на поверхности детали (рис. 4).

Рис. 3. Распределение микротвердости.

Рис. 4. Поперечный разрез медной подложка-покрытие. горловины фурмы с покрытием.

Оборудование для электронно-лучевой наплавки
 

Оборудование для ЭЛН состоит из вакуумной камеры, размеры которой определяются номенклатурой обрабатываемых изделий, электронной пушки и манипулятора. На рис. 5 показан внешний вид установки для ЭЛН. Эта установка эксплуатируется на Западно-Сибирском металлургическом комбинате с 2007 года. На ней осуществляется нанесение покрытий на поверхность кислородных фурм, лопатки эксгаустера и другие изделия, применяемые в металлургии.

Рис. 5. Внешний вид установки ЭЛН.

Процесс наплавки сопровождается интенсивным выбросом паров и газов из зоны наплавки. Поэтому для генерации электронного пучка используются пушки с плазменным катодом [3, 4]. Эти пушки не содержат накаленных электродов и деталей, что делает их не чувствительными к химически активным и тугоплавким парам обрабатываемых материалов. Они способны работать в условиях наплавки без применения специальных мер защиты эмиттера.

Эмиссия электронов в пушках осуществляется из плазмы отражательного низковольтного разряда с полым катодом [4]. Электроны, выходящие из плазмы, попадают в высоковольтное электрическое поле, ускоряются в нем, формируются в луч и фокусируются магнитным полем фокусирующей системы. Ток электронной эмиссии из плазмы регулируется изменением разрядного тока.

В конструкции пушек использованы металлокерамические узлы, герметичность и механическая прочность которых обеспечивается электронно-лучевой сваркой. Корпуса пушек имеют внутрикамерное исполнение. Конструкция корпуса обеспечивает легкий и удобный доступ к катодному узлу для периодического обслуживания. На рис. 6 представлен внешний вид пушки, установленной на манипуляторе установки.

Рис. 6. Внешний вид пушки.

Манипулятор предназначен для перемещения изделия относительно пушки. При больших габаритах изделий можно перемещать пушку относительно изделия.

Примеры промышленного применения технологии ЭЛН
 

В таблице 1 представлен краткий перечень возможностей электронно-лучевой наплавки в зависимости от состава наплавочных материалов и требуемых свойств покрытий с указанием конкретных областей применения.

Ниже приведены фотографии некоторых изделий с нанесенными покрытиями.

Стальные лопатки эксгаустера для производства агломерата с покрытием из карбидосталей. Износостойкость упрочненных лопаток увеличилась в 2–3 раза (рис. 7).

Рис. 7. Стальные лопатки эксгаустера для производства агломерата с покрытием из карбидосталей.
 

Медные наконечники кислородных фурм конвертерного и доменного производства с покрытиями из дисперсионно твердеющих сплавов (рис. 8) используются на ОАО «ЗСМК» с 2000 г. Срок службы фурм увеличился с 3,5 месяцев до 3 лет.

Рис. 8. Медные наконечники кислородных фурм с покрытиями из дисперсионно твердеющих сплавов.

Для упрочненных зубьев ковша экскаватора «Камацу» (рис. 9) и подобных деталей использовался порошок с азотсодержащей хромомарганцевой сталью с карбонитридным упрочнением. После испытаний в Японии на «Камацу» увеличение срока службы зубьев составило в песчаном грунте в 7–8 раз, в скальном грунте 1.7-2.8 раза по сравнению со штатными зубьями.

Рис. 9. Упрочненные зубья ковша экскаватора «Камацу».
 

С. И. Белюк , И. В. Осипов, С. Ю. Раскошный
Томские электронные технологии (ООО «ТЭТа»)

Литература

1. В. Е. Панин, С. И. Белюк, В. Г. Дураков, Г. А. Прибытков, Н. Г. Ремпе. Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий Сварочное производство, 2000, № 2 с. 34–38.
2. В. Е. Панин, В. Г. Дураков, Г. А. Прибытков, И. В. Полев, С. И. Белюк. Электронно-лучевая наплавка порошковых карбидосталей//Физика и химия обработки материалов, 1998, № 6, с. 53–59.
3. С. И. Белюк, И. В. Осипов, Н. Г. Ремпе. Промышленное применение электронных источников с плазменным эмиттером. Известия высших учебных заведений. Физика, 2001, т. 44, № 9, с. 77–84.
4. С. Ю. Корнилов, И. В. Осипов, А. Г. Рау, Н. Г. Ремпе. Оборудование для электронно-лучевых технологических процессов. ПРИБОРЫ. 2007. № 6 (84), с. 8–12.