DURIFICAREA PRIN ALIERE CU FASCICUL DE ELECTRONI A UNOR SUPRAFEŢE

DE PE PIESE FABRICATE DIN MATERIALE NECĂLIBILE

Dr. ing. Dumitru NEAGU1

REZUMAT: Lucrarea prezintă cercetări privind utilizarea procesului de aliere cu fascicul de electroni pentru durificarea unor suprafeţe de pe piese, care din punct de vedere electrotehnic sunt fabricate din materiale necălibile. Cercetarile prezinta un interes deosebit deoarece rezolva problema inlocuirii tehnologiei clasice, utilizate in prezent, de durificare a zonei solicitate mecanic la uzura pe un materiala necalibil, prin placute calite demontabile, foarte costisitoare si mai putin fiabila cu o tehnologie moderna, de durificare prin aliere cu fascicul de electroni, foarte economica, fiabila si care conduce la cresterea duratei de viata a componentelor electrotehnice din aparatura de comutatie.

CUVINTE CHEIE: DAFE – durificare prin alierea cu fascicul de electroni, DFE – durificare cu fascicul de electroni, durificare, aliere, pulberi de aliere, benzi aliate, pata durificata. 1. INTRODUCERE Procesele moderne de tratare superficiale a metalelor călibile sau necălibile, pentru obţinerea unei durităţi superioare pe zona bombardată, faţă de restul materialului netratat, au fost numite de autor DURIFICĂRI [1, 2]. Alierea cu fascicul ce electroni (DAFE), este un proces de durificare la suprafaţa prin îmbogăţirea materialului de bază cu elemente

de aliere prestabilite, sub formă de pulberi sau folie, având drept scop protecţia la uzură prin creşterea durităţii superficiale, pe o adâncime controlată. Transformarea structurii superficiale are loc în stare lichidă, atât a materialului de adaos cât şi a materialului de bază pe o anumită adâncime (fig.1). Se aplică în general oţelurilor călibile dar şi celor necălibile.

Fig. 1. Durificarea prin aliere, prin topirea materialului de bază pe anumită adâncime cât şi a

celui de adaos.

2. METALURGIA ALIERII CU FASCICUL DE ELECTRONI

Particularităţile proceselor care au loc în timpul alierii în raport cu celelalte metode de prelucrare la cald fac necesară completarea metalurgiei clasice cu un nou capitol şi anume metalurgia alierii cu fascicul de electroni. Procesul de aliere se desfăşoară prin topirea materialului în zona de contact a fasciculului de electroni, formându-se o mică baie de topitură, în care are loc fuziunea dintre elementele de aliere preselectate şi materialul de bază. Specific alierii şi microalierii cu fascicul de electroni este faptul că topirea materialelor are loc foarte rapid, numai în zona de contact a fasciculului cu acestea, restul materialului rămânând rece. În zona adiacentă topirii are loc o încălzire uşoara prin conducţie. Răcirea materialelor topite se face instantaneu, în spatele fasciculului, prin masa de material rece, cu circa 10.000°C/s. a) Influenţa elementelor de aliere În general, influenţa elementelor de aliere în procesul cu fascicul de electroni este aceeaşi ca şi în cazul alierii clasice a oţelurilor. Carbonul reprezintă elementul cu cea mai mare influenţă asupra comportării la aliere – durificare. Elementele cu presiuni de vaporizare înalte precum magneziul, carburile şi în special carbura de wolfram, sunt dificil de aliat în procesul cu fascicul de electroni, întrucât la nivelul vidului din camera de lucru (aliere) vaporizează. b) Fenomene nedorite la alierea cu fascicul de electroni. Expulzarea pudrei conduce la obţinerea unui strat aliat neuniform şi implicit la obţinerea unor performante mecanice inferioare celor prestabilite. Pentru realizarea unui strat aliat uniform este necesar ca elementele pudrei să adere între ele şi toate la materialul de bază. Arderea pulberii foarte fină, reprezintă un alt fenomen nedorit. Este vorba de particulele care sunt cu mult sub nivelul mediu dimensional al elementelor componente, de cca 40 μm ± 5%, precum şi unele impurităţi. Pentru eliminarea fenomenului, se recomandă, ca la sitarea pulberii, elementele subdimensionale să fie eliminate şi să se

respecte calitatea pulberii conform STAS 12390 - 85. Refularea materialului lichid apare datorită fenomenului de formare a craterului cu vapori, ca urmare a forţelor care acţionează asupra învelişului topit, la puteri mari. Acest fenomen trebuie evitat, prin alegerea corespunzătoare a valorilor parametrilor electrotehnologici, ţinând seama şi de caracteristicile pulberii şi a materialului de bază. c) Defecte de aliere La alierea cu fascicul de electroni, pot apare unele defecte precum: porozitatea care este favorizată de vaporizarea gazelor şi a elementelor de aliere în vid, precum şi de solidificarea rapidă a materialului topit; fisurarea are o importanţă majoră şi apare datorită tensiunilor termice, determinate de încălzirea bruscă, dar, în special de răcirea foarte rapidă. 3. METODA CLASICĂ UTILIZATĂ

Cercetarile prezentate in lucrare sunt de mare interes si sunt efectuate de autor pe S. Furca componenta de baza din intreruptoarele ultrarapide de curent continuu tip IUCC, aflate in productia de serie la SC ICPE SA Bucuresti. Componentele S. Furca, Placa 1 si 2, sunt executate din otel inox 10 NiCr 16 STAS 3583-86, nemagnetic si necalibil. In prezent durificarea suprafetelor A si B fig.2., se realizeaza prin executia a doua placute din otel OLC 45, tratate prin calire si revenire la 35-40 HRC si fixate prin suruburi pe reperele placa 1 si placa 2. In ansamblu, fig.2., se executa rectificarea la cota de 14,9 ± 0,01. Solutia existenta este viabila si se utilizeaza in componenta intreruptoarelor in general si a celor din seria IUCC in special, avand o serie de dezavantaje, prin executia unor repere si operatii tehnologice suplimentare, pentru durificarea suprafetelor A si B, fig.2. precum: executia a doua placute 4x24x6mm din otel OLC45; calirea si revenira placutelor la 35-40HRC; indepartarea zgurii de la tratamentul termic aplicat placutelor, prin operatii tehnologice suplimentare ; gaurirea si filetarea placii 1 si 2. Asamblarea placutelor prin suruburi face ca in timp, cota rectificata de 14,9 ± 0,01 sa se

modifice ceea ce conduce la deteriorarea mecanismului de actionare al intreruptorului.

Fig.2. S.Furca (vedere laterala) durificarea suprafetelor A si B prin metoda clasică.

4. METODA DE ALIERE CU FASCICUL

DE ELECTRONI

Metoda consta in realizarea de straturi dure pe suprafetele A si B fig.3., prin aliere cu fascicul de electroni. Metoda elimina toate dezavantajele si operatiile tehnologice evidentiate in cadrul punctului 3. In plus, elimina si materialele din care sunt confectionate placutele si suruburile de prindere, realizand importante economii. De asemenea, metoda elimina dezavantajul principal din solutia existenta anume, ca transforma solutia tehnica demontabila intr-o solutie fixa, fara a mai exista posibilitatea alterarii cotei de 14,9 ± 0,01 prin slabirea suruburilor, in timpul functionarii. Comuna celor doua metode este operatia de rectificare la cota de 14,9 ± 0,01, care se executa in ansamblu si pentru realizarea calitatii suprafetelor A si B. Fig. 3. S.Furca (vedere de deasupra) -

schema de aliere a suprafetelor A si B. In timpul procesului de aliere piesa Furca nu sufera deformatii. Procesul se desfasoara rapid cu un control foarte precis al parametrilor de proces.

stratul topit al materialului de baza (2), stratul din materialul de baza netopit, nealiat, influentat termic-durificat (3), valabil numai pentru materialele calibile, materialul neinfluentat (4), traseul FE (5), care formeaza benzile de aliere pe suprafetele A si B, cu impulsuri lungi ale FE, prin metoda in benzi succesiv suprapuse. In detaliul C-C (fig.3), se poate observa nivelul de suprapunere a benzilor (Lsup) la o latime a acestora (LHV), pe o adancime a stratului influentat (Hs) si care este determinat de pasul dintre benzi (p).

In figura 3., se prezinta schema de durificare prin aliere, prin metoda de topire in benzi succesiv suprapuse printr-o singura trecere a fasciculului de electroni. Se pune in evidenta stratul de adaus (1) format din pulbere depusa aderent pe suprafetele A si B, prin rasini epoxidice,

5. METODA DE DEPUNERE A PULBERII

DE ALIERE O problema importanta o constituie depunerea pulberii de aliere pe suprafetele care urmeaza a fi durificate, in asa fel ca la topire aceasteia sa nu fie expulzata de catre fasciculele de electroni. Din metodele incercate precum: sinterizarea cu fascicul de electroni a pulberii pe piesa, depunerea pulberii in jet de plasma, cea de depunere a unui amestec de pulbere cu rasina pe piesa a fost cea mai economica. Metoda utilizata consta in crearea unui amestec format din rasina poliesterica NESTAPOL 450 (N450) produsa de Policolor (1 parte) si (3parti) acetona si pulbere de aliere. Amestecul format se depune pe piesa in benzi, dupa care se lasa la uscat cca. 15 min. 6. DETERMINAREA PRINCIPALILOR

PARAMETRII DE PROCES a. diametrul fasciculului de electroni, dFE, se obtine functie de starea de focalizare coroborata cu distanta de lucru (tir). Pentru aliere se utilizeaza focalizarea puternica, fig. 4, adica, cand focarul corespunde cu suprafata piesei de prelucrat.

Fig. 4. Schema pozitiilor si a formei fasciculelor electronice printr-un tun.

a. focalizare puternica; b. subfocalizare; c. suprafocalizare; d. dispersia

fasciculelor. Ordinea in care se procedeaza la obtinerea diametrului fasciculului de electroni este: mai intai se regleaza distanta de lucru, obtinandu-se diametrul dorit (aproximativ), apoi se executa focalizarea (de tipul celei din fig. 4.a, pentru DAFE), prin reglarea curentului bobinei, obtinandu-se o precizie a diametrului

dorit si o luminozitate uniforma a petei fasciculului de electroni. b. puterea specifica superficiala, qFE, se determina cu relatia:

2/4/ FEaFEFEFEFE dUIAPq π⋅== [w/cm2] (1) in care: IFE = curentul fasciculului de electroni, in A; Ua = tensiunea de accelerare, in kV; dFE = diametrul fasciculelor de electroni in cm. c. temperatura la suprafata piesei, To, se determina cu rezultate bune cu relatia:

λ⋅⋅⋅

=taq

T FE75,0max (2)

in care: qFE – relatia (1); a – coeficientul de difuzivitate termica, in cm2/s; t – timpul de incalzire, in s; λ – coeficientul de conductivitate termica, in w/cm grad. Topirea materialului are loc atunci cand densitatea de putere a fasciculului de electroni are valori de 107w/cm2, in mai putin de 0,1 … 0,2 s, cand se atinge temperatura de topire, functie de material 1600 … 26000C. Viteza racirii, in masa de material, poate atinge cca. 10.0000C/s. 7. METODE SI MIJLOACE DE CERCETARE

UTILIZATE a. materialul de baza: otel inox 10NiCr180 STAS 3583-64; b. materialul de adaos – pulbere P – NiCr 14 STAS 12390/85, executata de IMNC Bucuresti, echivalenta pulberii METCO 15E, produsa de firma SULZER METCO; c. instalatia cu FE: de 16 Kw, 45 KV, produsa de IFIN – HH Magurele; d. mediul de lucru: in atmosfera controlata (vid); e. metoda de aliere: metoda de topire in benzi succesiv suprapuse printr-o singura trecere a FE, (vezi pct.4); f. pregatirea suprafetei de aliat: degresarea suprafetelor printr-o curatire cu peria si o decapare cu solventi organici, pentru a indeparta orice urma de oxizi, rugina, ulei etc; g. programul de incercari: cu trei variabile in care s-au utilizat:

- parametrii variati: Ll = 95÷105,2 mm; IFE = 22÷26,1 mA; Vm = 0,66÷1,5 m/mm.

- parametrii mentinuti constanti: Ua = 45 kV; IF = 1110 mA; β = 900; LHV = dFE = 2,5 mm; Pt = 10-6 torr; si Pl = 10-4 torr .

h. reglarea suprapunerii benzilor la aliere, fig.3. detaliul C-C: se face dupa relatia:

2/LL HVsup = (3) ]mm[ si este de Lsup = 1,25 mm, care reprezinta un optim intre cea mai buna productivitate si cea mai uniforma adancime de durificare. i. determinarea principalelor caracteristici tehnologice ale alierii : latimea benzii aliate, LHV; adancimea stratului aliat, HS si duritatea stratului aliat HV, fig.3, detaliul C-C, care se determina prin analiza structurii metalografice dupa ce s-au efectuat : pregatirea probei conform STAS 4203-74 si determinarea microduritatii sub microscop, prin metoda Vickers cu microsarcini STAS 7057-78.

8. REZULTATE OBTINUTE Cu ajutorul operatiilor pregatitoare a probelor conform STAS 4203-74 si a microscopului NEOPNOT 32 dotat cu aparat foto PRACTICA, s-a pus in evidenta forma petei aliate-durificate ca in figurile 5 ÷ 7, in marime de 51,2:1. S-a obtinut la aliere duritatea maxima HV = 470 40 gf/30, pentru exemplul i4 (fig.6), in punctul a0, (punctul din centrul FE cu suprafata piesei) si o adancime maxima Hs = 1905 mm, pentru experimentul i2, (fig.5).

Fig.5. Pata aliata – durificata pentru experimentul i = 2

Elementele de aliere din pulberea P – NiCr14; au imbogatit stratul topit din pata aliata, permitandu-i acestuia sa poata fi imbunatatit (durificat), printr-o racire extrem de rapida in masa de material. Astfel, continutul de carbon din pulbere de 0,4 – 0,95%, introdus suplimentar in zona de

aliere, a condus la marirea procentului de perlita in structura, deci, la imbunatatirea calibilitatii si implicit la cresterea duritatii stratului aliat. Trebuie evitata decarbonarea in zona de aliere datorita supraincalzirii materialului in timpul topirii. Se poate observa efectul decarburarii, comparand rezultatele din fig.5, unde la viteza de 0,66m/mm, duritatea este de HV= 380 40gf/30, cu cele din fig.6, unde la Vm = 1,5m/mm, duritatea creste la HV=470 40gf/30.

Fig.6. Pata aliata–durificata pentru experimentul i = 4.

Fig.7. Pata aliata dirificata pentru experimentul i=5

O crestere suplimentara a duritatii HV = 470 40gf/30, obtinuta prin aliere, pe suprafetele A si B a S. Furca, s-a realizat, dupa operatia de rectificare a acestora, la valori de HV = 900 – 1300 40 gf/30, printr-o operatie de durificare cu FE – DFE [1], prin care s-a realizat o durificare fara topirea materialului, la temperatura de calire, in asa fel incat ferita se transforma in anstenita, iar prin racirea rapida in masa de material, carbonul nu are timpul

necesar sa precipite in afara solutiei si ramane in interiorul structurii, producand o solutie suprasaturata de ferita, numita martensita. Aceasta fiind posibil datorita faptului ca stratul imbogatit prin elementele de aliere (in special Carbon) poate fi imbunatatit-durificat, fara deteriorarea suprafetei rectificate. 9. CONCLUZII 1. Cercetarile efectuate de autor prezinta un interes deosebit, deoarece rezolva problema inlocuirii tehnologiei clasice, utilizata in prezent la S. Furca de durificare a zonei solicitate la uzura pe un material necalibil, prin placute calite demontabile, foarte costisitoare si mai putin fiabila, cu o tehnologie moderna, foarte economica, fiabila si care conduce la cresterea duratei de viata a componentelor electrotehnice din aparatura de comutatie, cu aplicatii si pentru alte componente. 2. O crestere suplimentara a duritatii HV = 470 40gf/30, obtinuta prin aliere, s-a realizat, dupa operatia de rectificare a suprafetelor A si B, printr-o durificare cu fascicul de electroni DFE [1], la valori ale duritatii de HV = 900 ÷ 1300 40 gf/30, aceasta fiind posibil datorita faptului ca stratul imbogatit cu elementele de aliere (in special carbon) poate fi imbunatatit-durificat, fara deteriorarea suprafetei rectificate. 3. Din multitudinea de piese din domeniul electrotehnic si de mecanica fina, aflate in productie s-a ales piesa S. Furca, ca fiind cea mai reprezentativa privind problematica

tehnologica pe care o ridica in procesul de durificare prin aliere cu fascicul de electroni. 4. Rezolvarea problemelor tehnologice pentru S. Furca creaza premizele abordarii si a altor tipodimensiuni de piese precum: inchizatoare, parghii opritoare, clicheti, axe solenoizi, palete de turbine, suprafete ale sculelor aschietoare, contacte electrice etc. BIBLIOGRAFIE [1] Dumitru NEAGU, “Durificare cu fascicul de electroni“, Editura Printech, Bucuresti, 2000, 2001. [2] Dumitru NEAGU, “Tratamente termice superficiale cu fascicul deelectroni“, Editura Curtea Veche, Bucuresti, 2006. [3] KEITEL, V.,S., Das Elektronenstrahl – (ELS) – Vmschmelzlegieren an Eisenwerkstoffen, Halle, zis – Mittelungen, 1988, pg. 56-62. [4] Dumitru NEAGU, “Hardening intensely mechanical wear metal surface through the alloying process using electron beam”, Unconventional Technologies Review, Nr.2, Ed. Augusta, Timisoara, 2003, pg. 97-100. AUTORI Dr. Ing. DUMITRU NEAGU, INSTITUTUL NAŢIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU INGINERIE ELECTRICĂ - INCDIE ICPE-CA Bucureşti, Romania, neagu@ICPE-CA.ro, office@ICPE-CA.ro, tel. 0040-21-346.82.97.