Применение нанотехнологии для повышения физико-механических характеристик поверхности металлоизделии

УДК 621.771.2

Г. Г. Крушенко, С. Н. Решетникова

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ

Представлены результаты применения нанотехнологий, обеспечивающих повышение физико-механических характеристик поверхности металлоизделий.

В последние годы большое внимание уделяется нанотехнологиям, включая применение нанопорошков (НП) химических соединений, размеры частиц которых не превышают 100 нм (1 нм = 10-9 м), в связи с чем они обладают уникальными физико-химическими и механическими свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов того же химического состава в массивном состоянии. Эти свойства могут в определенной степени передаваться получаемым из них или с их участием изделиям. Причина уникальности свойств частиц НП заключается в том, что количество атомов в их поверхностном слое и в объеме оказывается, по крайней мере, соизмеримым. В нанометровом масштабе возникают качественно новые эффекты, свойства и процессы, определяемые законами квантовой механики, размерным квантованием в малых структурах, отношением поверхность/объем и другими явлениями и факторами [1]. Характерным для частиц такого размерного диапазона является резкое снижение температуры плавления (до 300 К), уменьшение в 1,4 раза модуля упругости, увеличение в 1,2 раза линейного расширения, понижение концентрации вакансий относительно макроскопических размеров [2].

В связи с тем, что в наночастицах значительное количество атомов находится на поверхности и их относительное содержание увеличивается с уменьшением размера частиц, повышается их вклад в общую энергию системы [3].

Размер наночастиц можно рассматривать в качестве операционного параметра, эквивалентного температуре [4]. Это означает, что с их участием возможны реакции, которые не могут идти в массивном состоянии.

Очевидно, описанные и другие свойства НП при их применении в технике могут привести к получению материалов с измененными в определенном, нужном направлении, улучшенными или вообще новыми характеристиками.

В исследовании в основном были использованы НП, полученные методом плазмохимического синтеза [5], который по своим технологическим возможностям и технико-экономическим показателям является наиболее перспективным из известных способов. Его основными достоинствами являются: возможность переработки любого тугоплавкого сырья; высокая производительность; малая инерционность; непрерывность процесса. Этот способ позволяет управлять размерами частиц, формирующихся в потоках плазмы [6].

Кроме того, применяли НП, полученные методом электродугового синтеза, при котором материал проводника в виде проволочки при прохождении по нему мощного импульса тока разрушается, в результате чего обра-

зуются наночастицы [7]. Согласно [8], частицы порошков, полученных этим методом, обладают запасенной избыточной энергией, величина которой в несколько раз превышает теплоту плавления того же количества вещества в массивном состоянии. Проведенный анализ возможных путей запасания энергии показал [9], что физически реальным и достаточным в количественном отношении является лишь механизм, связанный со сверхрав-новесным растворением водорода в металле. В общем, можно считать (по крайней мере, это отмечалось для частиц НП, полученных методом плазмохимического синтеза [10]), что первопричиной возникновения избыточной энергии является развитая поверхность частиц.

Применение НП в некоторых технологиях, обеспечивающих улучшение физико-механических характеристик и повышение качества поверхности металлоизделий, изложено далее.

Поверхностное легирование. Исходя из положительного опыта применения НП для модифицирования металлов и сплавов при получении из них слитков и фасонных отливок, а также деталей, полученных «жидкой» штамповкой [10], был разработан способ, сущность которого заключается в том [11], что в то место литейной формы, где формируется изнашиваемая поверхность, устанавливается заранее изготовленная из наплавочных порошков вставка, которая при заливке в форму металла расплавляется, образуя на поверхности отливки легированный высокопрочный слой, обладающий повышенной по сравнению с основным металлом износостойкостью. При получении отливок из стали 35Л вставки готовили путем прессования легирующей композиции, состоящей из наплавочного порошкового сплава ПГ-СР4 (60...70 %), синтетической смолы СФП-011Л (2,0...5,0 %), НП ТЮК (до 0,06 %) и ацетона (остальное). В процессе заливки металла в форму на поверхности отливки образовался слой порядка 5 мм. В результате введения в легирующую композицию НП ТЮК твердость легированного слоя повысилась по сравнению с композицией без НП с 32,5до 44,5 ед. HRC (на 36,9 %), при этом микротвердость у-твер-дого раствора слоя повысилась с 2 750до 3 900 МПа (на 41,8 %). В результате этого относительная износостойкость возрастает на 45,8% по сравнению с легированным слоем, сформировавшимся из композиции, не содержащей НП. Полученные результаты были использованы при литье стальных кернов - рабочих органов колодцевого крана (длина 235 мм, диаметр рабочей части 140 мм, масса 10 кг), которые служат для выемки стальных слитков массой 9 т из сталеразливочных изложниц, транспортировки их к колодцевым нагревательным печам, последующей

выемки и транспортировки нагретых до 1 273 К слитков к прокатному стану. Помимо силового (масса слитков до

9 т) и температурного воздействия в процессе эксплуатации керн испытывает широкий спектр изнашивающих воздействий. Обычно на металлургическом комбинате использовали керны, полученные либо литьем по выплавляемым моделям из сложнолегированного сплава 30Х25Н10ТСЛ, либо отштампованные из углеродистой стали с последующей наплавкой рабочей поверхности стальным электродом марки Э-70ХЗСМТ. Однако у таких кернов при контакте с нагретыми слитками охрупчива-лись рабочие кромки. Кроме того, в связи с тем, что основой обоих сплавов является железо, на рабочих поверхностях кернов появлялась железная окалина, т. е. износ носит коррозионный характер. А по причине идентичности химического состава окалины керна и слитка происходит их схватывание, что ведет к залипанию рабочей поверхности керна железной окалиной, в результате чего снижается надежность захвата холодного слитка. Поэтому материал рабочей поверхности керна, помимо высоких прочностных характеристик, должен обладать и высокой жаропрочностью, и высокими антикоррозионными свойствами. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают сплавы на основе никеля, однако они достаточно дорогие и дефицитные. Тем не менее, использование таких сплавов становится возможным в случае применения технологии поверхностного легирования. Для получения кернов, рабочая поверхность которых должна противостоять перечисленным выше воздействиям, в качестве основы легирующего наполнителя упрочняющего состава был выбран порошковый наплавочный никелевый сплав ПГ-СР4. При этом легирующий состав содержал: 96,54 % порошка ПГ-СР4; 0,40 % наплавочного порошка ПН70Ю30; 0,06 % НП ТЮК и 3,0% жидкого стекла. Из этой композиции с помощью прессформы и отверждения углекислым газом готовили вставки, которые устанавливали в разовую литейную форму, и производили ее заливку сталью 35Л. Изучение макрошлифа головки керна, то есть его рабочей части, показало, что толщина поверхностного легированного слоя в среднем составляет 10 мм, а его твердость достигает 43 ед. HRC. Отлитыми кернами были оснащены выпускаемые заводом «Сибтяжмаш» колодцевые краны, которые эксплуатировались на Днепровском металлургическом комбинате. Срок службы керна с легированным слоем составлял не менее 25 ч, тогда как серийного кованого с наплавкой электродом типа Э-70Х3СМТ - только 16 ч, т. е. в 1,56 раза меньше.

По такой же технологии из стали 35Л были отлиты била (габариты 124 х 305 мм, толщина рабочей части - 44 мм, масса 14,3 кг) углеразмольных агрегатов (общая площадь 124 х 160 мм, толщина ~ 8 мм), твердость поверхностнолегированного слоя которых составила 48...50 ед. НRС, а срок службы при эксплуатации на Алма-Атинской ТЭЦ увеличился в 1,5 раза по сравнению с билами, отлитыми из такой же стали, поверхность которых была наплавлена сормайтом (слой 10...12 мм). При этом рабочую поверхность литейной формы красили противопригарной краской, содержащей НП А1203, что полностью предотвратило образование на отливках трудноудалимого пригара.

Плазменное силицирование. Принцип нанотехнологий был реализован при разработке способа упрочнения методом плазменного силицирования формообразующих поверхностей матриц и пуансонов чеканочных прессов, изготовляемых из высококачественных легированных сталей с У8 и У10 [12].

Одним из массовых изделий, выпускаемых Алма-Атинским заводом тяжелого машиностроения, являются изготовляемые из хромистой - 40Х и хромо-ванадиевой 40ХФА сталей «ключи гаечные двусторонние», номенклатура которых исчисляется десятками наименований (размер открытого зева от 10 х 12 до 22 х 24 мм), а количество каждого наименования - до нескольких тысяч в год. При их изготовлении применяются чеканочные кривошипно-коленные прессы с усилием 400.. .1 000 т, с помощью которых доводится конфигурация ключей. Стали, из которых их изготовляют, обладают достаточно высокими прочностными характеристиками, в связи с чем поверхности формообразующих вставок, устанавливаемых в матрице и пуансоне чеканочного пресса, подвергаются повышенному износу, что снижает ресурс их эксплуатации.

С целью упрочнения рабочих поверхностей формообразующих вставок была использована одна из упрочняющих технологий - плазменное силицирование. В основе разработанной производственной технологии лежит процесс плазмохимического осаждения на поверхность изделия и внедрения в нее атомов (кластеров, наночастиц) кремния из газовой фазы с помощью ВЧИ-генерато-ра. Источником упрочняющего материала - кремния служило жидкое кремнийорганическое соединение ТЭОС

- химическое соединение тетраэтоксисилан ОС2Н5)^. Поток плазмы, несущий атомы кремния, на высокой скорости соударялся с поверхностью обрабатываемого изделия, в результате чего и происходило ее упрочнение.

Обрабатываемые матрицы и пуансоны устанавливались в тиски стола-манипулятора, который в процессе обработки совершает в автоматическом режиме возвратно-поступательные перемещения в горизонтальной плоскости с заданной скоростью. Перед упрочняющей обработкой поверхность деталей обезжиривали ацетоном, а в случае необходимости с нее предварительно удаляли окисную пленку.

В результате плазменного силицирования (в течение 40.50 с за 3.4 прохода) полированных рабочих поверхностей матриц и пуансонов, изготовленных из сталей У8 и У10 и применяющихся для штамповки стальных деталей, срок их службы увеличился в 2,5 раза, а из стали 7Х3 - в 8 раз по сравнению с неупрочненными этим способом матрицами и пуансонами. Эффект упрочнения можно с уверенностью отнести только за счет воздействия кремния на поверхность металла (или его взаимодействия с поверхностью), так как если бы упрочнение происходило за счет воздействия плазменного потока по механизму проплавления поверхностного слоя с последующей его быстрой кристаллизацией, это привело бы к аморфиза-ции металла, и поверхность приобретала бы волнистость [13]. Однако в изучаемом случае качество полированной поверхности вставок не изменилось.

Плазменное силицирование показало аналогичный эффект упрочнения и связанный с ним эффект повыше-

ния износостойкости и на ряде деталей из алюминиевых конструкционных сплавов.

Электроискровое легирование. С целью упрочнения поверхности изделий из алюминиевых сплавов с применением НП нитрида кремния Si3N4 и нитрида титана ТК разработана технология электроискрового легирования (ЭИЛ). Технологию упрочнения отрабатывали на плоских заготовках, вырезанных из прессованных полос алюминиевого деформируемого сплава Д1, упрочняемую поверхность которых предварительно промывали

10...15 мин в 15 %-ном растворе каустической соды при 363 К, после чего их сушили в потоке горячего воздуха. Затем в поверхность металла в течение около 2 мин втирали НП. После этого с помощью установки «Эмитрон-14» при использовании графитового электрода диаметром 6 мм (графит марки МПТ-6) производили электроискровую обработку поверхности при круговых перемещениях электрода со скоростью 0,07...0,09 мм/мин, частоте вибрации f= 400 Гц и рабочем токе I = 1А.Из упрочненных заготовок вырезали цилиндрические образцы Ж10 мм и высотой 15 мм. На приборе ПМТ-3 измеряли микротвердость упрочненной поверхности (по Виккерсу HV). Испытания на износ проводили на машине МТ-2 при возвратно-поступательном перемещении образцов по контртелу из стали Ст3 в течение 3 ч при удельной нагрузке

10 Н/мм2. В качестве смазки использовали трансформаторное масло, которое подавалось в зону трения непрерывно в автоматическом режиме. Износ определяли по потере массы образцов путем их взвешивания на аналитических весах ВЛА-200 до и после испытания. Полученные данные показали, что ЭИЛ поверхности образцов из сплава Д1 графитовым электродом повышает ее микротвердость в 1,8 раза по сравнению с необработанным сплавом (с 200 до 360 ед. НУ), а обработка НП Si3N4 с последующей ЭИЛ графитовым электродом - в 1,87 раза (до 374 ед. НУ) и обработка НП ТЫ и ЭИЛ графитовым электродом - в 2,26 раза (до 453 ед. НУ). При этом износ упрочненной поверхности уменьшился соответственно в 1,84; 2,3 и в 4 раза. Результаты этого эксперимента были использованы для повышения стойкости кокилей, отливаемых из алюминиевого сплава АК7 и применяемых для литья лодочных трехлопастных винтов из этого же сплава с массой 0,83 кг и диаметром по периферии лопастей 240 мм. Кокиль состоит из двух частей с горизонтальным разъемом. При удалении из него отлитых винтов, имеющих достаточно сложную криволинейную поверхность, происходит силовое и истирающее воздействие на места, оформляющие переходы лопастей к ступице, что, в конечном счете, приводит к их деформации. Результатом этого является изменение размеров как полости формы, так и тех мест отливок, которые они оформляют. При эксплуатации кокиля с неупрочненной рабочей поверхностью, предварительно окрашенной огнеупорной краской, геометрия полости формы четко воспроизводилась на

190...250 отливках, а в результате предварительной обработки этой поверхности НП ТК с последующей ЭИЛ графитовым электродом и окраской той же огнеупорной краской воспроизводимость размеров полости формы сохранялась до съема 320...350 отливок (больше в

1.3...1.6раза).

Полученные эффекты объясняются тем [14], что основным упрочняющим и модифицирующим фактором при ЭИЛ является электроэрозионный процесс, создающий анодно-катодный массовый поток, а степень упрочнения модифицированного слоя прямо пропорциональна прочности материала легирующего катода. В описанном способе ЭИЛ роль катода фактически выполняли НП, обладающие значительной твердостью

Кокильные краски. НП были также успешно использованы в качестве огнеупорной составляющей красок, применяемых для окраски рабочих поверхностей литейных металлических форм (кокилей), роль которых, как и в случае земляных форм, заключается в предотвращении взаимодействия жидкого металла с поверхностью, формирующей отливку. Недостатком используемых в производстве кокильных красок, в частности, при литье деталей из алюминиевых сплавов, содержащих такие огнеупорные составляющие, как мел СаС03, двуокись титана ТЮ2, окись цинка ZnO, является их низкая седиментационная устойчивость по причине крупности частиц, что приводит к расслоению красок при выстаивании, а это, в свою очередь, требует постоянного их перемешивания в процессе окраски форм с помощью пульверизатора. Кроме того, крупные частицы этих компонентов недостаточно прочно сцепляются с окрашиваемой поверхностью и поэтому в процессе литья огнеупорное покрытие местами выкрашивается, в связи с чем кокиль периодически подкрашивается. Однако при этом слой краски на поверхности кокиля становится «разнотолщинным», в связи с чем на поверхности отливок появляются неровности, что ухудшает не только товарный вид отливки: геометрия литой поверхности деталей влияет на их рабочие характеристики - наличие неровностей ухудшает показатели эксплуатации. Именно такой случай имел место при литье в кокиль из сплава АК7ч сложной фасонной отливки - трехлопастного лодочного гребного винта с диаметром 240 мм по контуру лопастей. Кокиль состоит из двух по-луформ со сложным криволинейным разъемом в горизонтальной плоскости по лопастям, ступица оформляется в нижней полуформе. При удалении винта из кокиля краска подвергается значительному истирающему воздействию. Одним из основных требований к качеству винта, обеспечивающим нужные ходовые качества, является получение лопастей с заданной толщиной сечения, которое в месте перехода к ступице составляет 100 мм и уменьшается до 2 мм по периферии. Важным условием приемки винтов является строгое ограничение дисбаланса, на величину которого и влияет неоднородность толщины лопастей. При приготовлении кокильной краски использовали НП нитрида кремния Si3N4в количестве 3,92 массовых процента (5,88 % окиси цинка ZnO; 11,76 % жидкого стекла №^Ю3; остальное - вода). Высокая седимента-ционная устойчивость частиц НП предотвратила расслоение красок. Кроме того, в связи с соизмеримостью частиц НП с шероховатостью поверхности кокиля, повышается их сцепляемость с ней, а также заполняемость ими пустот между более крупными частицами окиси цинка, что обеспечивает получение более ровного покрытия. Эти особенности НП Si3N обеспечили стойкость окрашенного слоя при съеме с разовой покраски кокиля

300 отливок винтов, тогда как при использовании заводской краски (5,0 % окиси цинка ZnO; 2,0 % жидкого стекла №^Ю3; остальное - вода) стойкость разового покрытия обеспечивала съем только 120.140 отливок. При этом чистота поверхности отливок повысилась в 1,6 раза

- шероховатость поверхности уменьшилась с 34 до 21 мкм. Разработанная краска показала аналогичные результаты и при литье из сплавов АК12 и АК9ч в неразъемный кокиль более массивной детали конусной формы ответственного назначения массой 25 кг, высотой 0,4 м.

Противопригарные краски. В результате применения НП в составе разработанных нами противопригарных покрытий в значительной степени или полностью предотвращается образование пригара на поверхности стальных и чугунных отливок машиностроительного и общетехнического назначения. При использовании таких покрытий повышается чистота и улучшается качество поверхности литых деталей; предотвращается образование газовых раковин; практически отпадает необходимость проведения обрубных и зачистных работ и применения связанного с этим оборудования, включая, например, установку для электрогидравлической выбивки стержней; улучшаются санитарно-гигиенические условия труда и экологическое состояние. Кроме того, при этом предотвращается возможность возникновения трещин как в объеме, так и на поверхности отливок, особенно имеющих сложную конфигурацию с сочетанием толстых и тонких стенок, на стыках которых из-за неравномерности кристаллизации и сочетания крупно- и мелкокристаллической структуры существуют внутренние напряжения. Введение НП в состав противопригарных покрытий обеспечивает их высокую седиментационную устойчивость в результате участия высокодисперсных частиц в броуновском движении, что предотвращает расслоение жидкого покрытия по удельному весу при длительном выстаивании, а также высокую проникающую и кроющую способность,

снижает в 1,5 2,0 раза расход по сравнению с известными

составами, обеспечивает противопригарный эффект при однослойной покраске литейных форм и стержней.

Так, в результате окраски изготовленных по СО2-про-цессу форм покрытием, содержащим 14.. .18 % НП SiC (а также 4,3...4,5 % поливинилбутераля и 77,5_81,7 % ра-

створителя 646), было предотвращено образование пригара на лопастях, отливаемых на судоремзаводе из стали 25Л судовых четырехлопастных гребных винтов (диаметр по периферии лопастей 470 мм, высота ступицы - 150 мм, черновая масса 20 кг, чистовая - 13 кг; площадь окраски полости формы, оформляющей одну лопасть с обеих сторон - 0,045 м2, суммарная окрашиваемая поверхность -

0,18 м2). При литье таких винтов в формы, окрашенные заводской краской, толщина корки пригара на обеих сторонах лопастей составляла 12_15 мм. А при окраске та-

ким покрытием стержня, оформляющего в отливке «дебаланс» (из стали 25Л, черновая масса 88,6 кг) отверстия Ж130 мм, длительность и трудоемкость его выбивки сократилась в три раза.

В дальнейшем работы были продолжены в направлении установления вида НП, который привел бы к уменьшению его расхода в покрытиях при сохранении высокого противопригарного эффекта. Таким требованиям удов-

летворял недорогой и недефицитный НП оксида алюминия А1203, количества которого в покрытии оказалось достаточным в пределах 1,4_3,0 %. Разработанные покры-

тия показали высокий противопригарный эффект при литье сложных фасонных отливок из сталей 40Л, 45Л, 110Г13Л, 110Г13Х2БРЛ и др. Трудоемкость зачистных работ при этом уменьшилась на 90.95 %. Основой разработанных составов служили применяемые на заводе стандартные краски, с тем отличием, что каждый из содержащихся в них компонентов был несколько уменьшен с целью компенсации дополнительно введенного количества НП А1203.

Результаты их применения показали отсутствие пригара на поверхностях отливок, оформленных стержнями, окрашенными красками с НП А1203. Противопригарное покрытие наносили на поверхность стержней с помощью кисти. Расход НП А1203 на 1 м2 окрашиваемой площади составил около 25 г. Это позволило не только устранить операции обрубки и зачистки, но и отменить применявшуюся при окраске песчаных стержней стандартными красками электрогидравлическую выбивку. Завод успешно работал на этих красках в течение года.

Результаты эксперимента, проведенного на П-образ-ных пробах, заливаемых сталью 35Л в изготовленные по СО2-процессу неокрашенные формы, показали наличие на них металлизированного пригара, толщина которого в пазу достигала 13 мм; при окраске формы заводской краской на электрокорунде (размер частиц порядка 50 мкм) чистота поверхности после выбивки, оцениваемая по величине шероховатости, составляла R = 720 мкм, тогда как при использовании краски, содержащей НП ТЮК, пригар отсутствовал и шероховатость уменьшилась в 2,25 раза - до Rz = 320 мкм.

Библиографический список

1. Рит, М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета / М. Рит ; пер. с англ. ; Удмурт. гос. ун-т. М. : Ижевск, 2005.

2. Тананаев, И. В. Характерные особенности ультра-дисперсных сред / И. В. Тананаев, В. Б. Федоров, Л. В. Малюкова и др. // ДАН СССР. 1985. Т. 283. № 6. С. 1364-1367.

3. Меретуков, М. А. Кластеры, структуры и материалы наноразмеров: инновационные и технические перспективы / М. А. Меретуков, М. А. Цепин, С. А. Воробьева и др. М. : Руда и металлы, 2005.

4. Ролдугин, В. И. Квантоворазмерные металлические коллоидные системы / В. И. Ролдугин // Успехи химии. 2000. Т. 69. № 10. С. 899-923.

5. Колесников, А. В. Применение ультрадисперсных порошков для повышения качества деталей машин и механизмов / А. В. Колесников, Г. Г. Крушенко, М. Н. Филь-ков ; КазНИИНТИ. Алма-Ата, 1991.

6. Цветков, Ю. В. Возможности плазменного синтеза для получения ультрадисперсных порошков, в том числе с предельно малыми размерами частиц / Ю. В. Цветков, Н. В. Алексеев, А. В. Самохин и др. // Физикохимия ультрадисперсных систем : материалы IV Всерос. конф. / МИФИ. М., 1998. С. 55-56.

7. Гаврилов, В. Н. Получение частиц методом электрического взрыва проводников / В. Н. Гаврилов, Е. А. Литвинов // Прикл. механика и техн. физика. 1993. Т. 34. № 6. С. 28-34.

8. Ильин, А. П. Об избыточной энергии ультрадиспер-сных порошков, полученных методом электрического взрыва проволок / А. П. Ильин // Физика и химия обработки материалов. 1994. № 3. С. 94-97.

9. Савельев, Г. Г. Исследование механизма запасания энергии при получении металлических порошков электровзрывом проволоки / Г. Г. Савельев, Ю. И. Тюрин,

B. В. Шаманский и др. // Физикохимия ультрадисперсных систем : материалы IV Всерос. конф. / МИФИ. М., 1998.

C. 69-70.

10. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В. П. Сабуров, А. Н. Черепанов, Г. Г. Кру-

шенко и др. Новосибирск : Наука. Сиб. издат. фирма РАН, 1995.

11. Усков, И. В. Поверхностное легирование тонкостенных отливок / И. В. Усков, Г. Г. Крушенко, А. Е. Буров // Технология машиностроения. 2004. № 1. С. 6-8.

12. Krushenko, G. G. Strengthening of steel pieces by plasma siliconizing / G. G. Krushenko, V. V. Moskvichev, A. E. Burov // Proceedings. XII Internat. TOnf. on the Methods of аerophysical research. Part III. Novosibirsk : Nonparel, 2004. P. 99-101.

13. Kim, P. P. The dimensional stability of fiber-reinforced thermoplastic composites / P. P. Kim. Lausanne : EPFL, 1995.

14. Машков, Ю. К. Структурно-энергетические процессы электроискрового легирования / Ю. К. Машков,

А. Е. Казанцева // Динамика систем, механизмов и машин : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2007. Кн. 2. С. 359-362.

G. G. Krushenko, S. N. Reshetnikova

THE USE OF NANOTECHNOLOGIES FOR THE INCREASING THE PHYSICAL-MECHANICAL CHARACTERISTICS OF METAL FABRICS SURFACES

The results of nanotechnologies use providing the increase the physical-mechanical characteristics of metal fabrics surfaces are presented.

УДК 621.791.72

В. Я. Браверман

ТОРМОЗНОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ И ЕГО ВЗАИМОСВЯЗЬ С ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССА1

Приведены описание и результаты некоторых экспериментов по изучению рентгеновского излучения, возникающего при электронно-лучевой сварке, проведенных с целью определения взаимосвязи излучения и процесса формирования сварного шва, а также использования излучения для управления сваркой.

Возможность применения рентгеновского излучения (РИ) для получения информации о состоянии процесса электронно-лучевой сварки (ЭЛС) основывается на знании физических законов возникновения РИ и взаимодействия его с веществом. Аналитическое описание названных закономерностей затруднено, главным образом, из-за отсутствия достоверных сведений о физических процессах, происходящих в канале проплавления. Это свидетельствует о целесообразности проведения исследований с целью разработки рентгеновских систем управления ЭЛС.

При бомбардировке поверхности мишени (свариваемых деталей) электронами достаточно большой энергии одновременно возникает рентгеновское излучение двух видов - тормозное и характеристическое. Механизм возникновения их различен. В процессе ЭЛС на образование рентгеновского излучения затрачивается приблизительно 1 % вводимой энергии.

Из электродинамики известно, что ускоренно движущиеся заряды излучают в окружающее пространство электромагнитные волны. Падающие на мишень электроны испытывают внутри нее торможение в поле атомных ядер. Торможение представляет собой процесс движения электронов с отрицательным ускорением. Следовательно, электроны, бомбардирующие мишень, должны терять часть энергии в виде электромагнитного излучения. Это и есть тормозные рентгеновские лучи.

Тормозное излучение состоит из множества колебаний, длины волн которых начинаются с X . и непрерывно простираются до X = т. е. имеет непрерывный спектр, ограниченный со стороны коротких волн. Граничная длина волны ХшЬ определяется по формуле [1]

X . = hc/eU,

шт 7 4 '

гдеh = 6,62 • 10-34Дж-с - постоянная Планка; с = 3 • 108м/с -скорость света; е = 1,6 • 10-19Кл-заряд электрона.

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 07-08-00179).