10

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

wych i do zbyt częstych przebić przestrzeni międzyelektrodowej. Stąd też urządzenia te
budowane są w sposób umożliwiający utrzymywanie próżni w zakresie 10

-1

– 10

-6

Pa, przy

czym ciśnienia w jednym urządzeniu - dzięki stosowaniu dławików w postaci systemu przesłon
- mogą być zróżnicowane, a ich wyższe wartości dopuszcza się w obszarach poza wyrzutnią.
W bliskim sąsiedztwie metalu topionego ciśnienie może jednak osiągać nawet wartości 10

[686].

Trzeba też zaznaczyć, że niekiedy istnieje konieczność wprowadzenia wiązki do

obszaru o ciśnieniu atmosferycznym. Jest to możliwe jedynie gdy wiązka elektronów dużej
mocy jest silnie skoncentrowana, a długość jej drogi w tych warunkach nie przekracza
kilkunastu milimetrów.

Układy próżniowe muszą mieć wydajność pozwalającą nie tylko na wytworzenie

wymaganej próżni wstępnej w określonym czasie, lecz także na jej utrzymywanie w trakcie
procesu technologicznego, kiedy to wydziela się nie ulegający kondensacji gaz (np. z
topionego wsadu). Tym nie mniej należy się liczyć z lokalnymi chwilowymi wzrostami
ciśnienia w otoczeniu stopionej masy, co powoduje niestabilność elektryczną oraz przebicia.
Na stopień niestabilności wpływają: ciśnienie w czasie pracy, budowa wyrzutni oraz układ
regulacji jej mocy. Praca przy określonym stopniu niestabilności elektrycznej uważana jest
zresztą za normalny sposób działania wielu urządzeń technologicznych [365].

Układy pomp próżniowych muszą także zapewniać odpompowanie w krótkim czasie

gazów z komór roboczych, których objętości zawierają się w przedziale od kilku dm

do 1500

oraz z przestrzeni śluz wykorzystywanych do załadunku i wyładunku wsadu. Śluzy te mogą

mieć objętości sięgające kilkuset metrów sześciennych. Wszystkie te czynniki sprawiają, że
technologiczne urządzenia elektronowiązkowe są wyposażone często w kilka niezależnych
układów pomp próżniowych z możliwością separacji próżniowej samych wyrzutni, które
spełniać muszą szczególnie wysokie wymagania dotyczące próżni. Układy próżniowe są
związane ściśle z urządzeniami zasilającymi oraz regulacyjnymi wyrzutni.

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe
i ich zastosowania termiczne

10.3.1. Topienie i rafinacja metali

Pierwszym, który już w 1879 r. zademonstrował możliwość topienia przy użyciu wiązki
elektronowej był W. Crookes [365]. Pierwsze próby wytworzenia jednorodnych bryłek metali
zrealizował w 1905 r. M. Pirani [313], [365]. Zbiegło się to w czasie z podaniem przez R.A.
Milikana ostatecznego dowodu na cząsteczkową naturę elektronów i przed dokładnym
określeniem ładunku elektronu (1911). Jednakże znaczący rozwój tej techniki rozpoczyna się
w 1957 r., kiedy to H.R. Smith, C.A. Hunt i C.W. Hawks wytworzyli w piecu wyposażonym w
system termokatod pierścieniowych, dające się kuć

309

10. Nagrzewanie elektronowe
____________________________________________________________________________

i walcować na arkusze wlewki tantalu o masie 35 kg [369]. W międzyczasie zrealizowano
oczywiście wiele różnych pieców, lecz były to urządzenie o charakterze laboratoryjnym.

Topienie elektronowe jest uważane za najważniejszą metodę próżniowego wytwarzania

wlewków o najwyższej czystości ze stali i stopów specjalnych, Ti, Ta, W, Mo, Zr, Co, V, Be,
oraz innych stopów z udziałem tych metali. Technika ta jest ponadto wykorzystywana przy
produkcji wlewków z Cu i Ni o wysokim stopniu odgazowania, z przeznaczeniem na elementy
przyrządów elektronowych oraz tak interesujących z punktu widzenia elektrotechniki
materiałów jak inconel, hastelloy, zircaloy. Wsad do pieca jest podawany w postaci prętów,
wlewków, a także proszku, granulatu, gąbki, złomu, które wcześniej mogą być poddane
prasowaniu, spiekaniu, zespawaniu lub zwalcowaniu [401]. Przy stosowaniu technik
nagrzewania skojarzonego, wsad ulega stopieniu, np. w części indukcyjnej i podawany jest do
części elektronowej w stanie ciekłym. Materiałem wyjściowym są najczęściej wlewki, lecz
także drobno- lub gruboziarnisty proszek, tabletki oraz metal w postaci ciekłej, gdy jest
przeznaczony na odlewy.

W przemyśle stalowniczym wykorzystuje się topienie elektronowe do wytwarzania

stali niemal pozbawionej gazów i niemal bez śladów segregacji składników, o jednorodnej i
zwartej strukturze oraz o bardzo dobrej powierzchni wlewków, których masy dochodzą do 100
Mg. Są one przeznaczone m.in. na wirniki maszyn, którym stawia się największe wymagania
wytrzymałościowe. W piecu elektronowym nie można jednak zmniejszyć takich
zanieczyszczeń, jak siarka i fosfor, a ponadto z uwagi na poziom próżni następuje intensywne
parowanie chromu i manganu. Dlatego też wsad piecowy musi być przygotowany w sposób
uwzględniający te specyficzne cechy technologii.

Spośród innych cech charakteryzujących topienie elektronowe należy wymienić

ograniczenie możliwości zanieczyszczenia przetapianego wsadu poprzez eliminację kontaktu
metalu z ceramiką. Stopiony metal styka się bowiem wyłącznie z elementami metalowymi
chłodzonymi wodą (krystalizatory, tygle, bębny). Ich niskie temperatury praktycznie
wykluczają jakiekolwiek reakcje między stopionym metalem i miedzią, z której zwykle te
elementy są wykonane. Proces topienia może być stale kontrolowany wizualnie i dokładnie
sterowany. Stopiony metal łatwo utrzymywać w prawie dowolnej temperaturze.

Szybkość i skuteczność odgazowania przetapianego metalu zależy w znacznym stopniu

od technologii topienia, a najlepsze wyniki uzyskuje się przy stosowaniu metody kroplowej,
ponieważ stosunek powierzchni roztopionej warstwy metalu do objętości jest wtedy duży. Ilość
gazu przechodzącą w jednostce czasu ze stopionego metalu do fazy gazowej określa zależność

)

(

−

(10.28)

gdzie: C

- koncentracja gazu w roztopionym metalu, C

- koncentracja gazu w fazie gazowej,

β- współczynnik przejścia zależny od współczynnika dyfuzji i czasu przebywania na
powierzchni cząstek płynnego metalu w tyglu, F - powierzchnia stopionego metalu.

310

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

Ponieważ C

>> C

, wobec tego

≈

, co oznacza, że wielkość dN/dτ

zależy przede wszystkim od wartości powierzchni, a w znacznie mniejszym stopniu od
ciśnienia w komorze wytopowej.

Urządzenia elektronowe (elektronowiązkowe) do topienia są bardzo zróżnicowane

konstrukcyjnie. Jeśli za główne kryterium klasyfikacyjne przyjąć rozwiązanie członu głównego
czyli pieca, to można wyróżnić urządzenia z piecami do topienia okresowego i do topienia
przepływowego. Innymi kryteriami są:
— rodzaj produktu końcowego (do wytwarzania wlewków, proszku metalicznego, tabletek lub

pierścieni, folii, oraz odlewów);

— rodzaj zastosowanych wyrzutni (o wiązce cylindrycznej, pierścieniowej, taśmowej lub

poprzecznej);

— liczba autonomicznych wyrzutni (l ÷ 6);
— metoda topienia (kroplowa, tyglowa);
— rodzaj tygla lub krystalizatora (z opuszczanym dnem, ze stałym dnem, tygiel do wytopu
pierścieni lub tabletek, tygiel do wytopu sztabek).

Oprócz członu głównego czyli pieca próżniowego, którego integralną częścią jest

wyrzutnia (wyrzutnie), urządzenie jest wyposażone w układy podawania i odbioru wsadu
(często ze śluzami), układy próżniowe, chłodzenia i wizualizacji topienia (widikon) (rys.
10.10).

Piece do topienia okresowego są współcześnie najczęściej wyposażane w komory z

własnymi układami próżniowymi, dzięki czemu unika się wpływu wydzielających się w
dużych ilościach gazów i par na elementy wyrzutni elektronowych, a zwłaszcza na
termokatodę. Zanim tego rodzaju rozwiązanie zaczęło dominować, budowano piece z
wyrzutniami zintegrowanymi z komorą piecową. Były to początkowo wyrzutnie pierścieniowe,
a później wielokomorowe z termokatodami prostoliniowymi. Instalowało się je w komorze
topieniowej i pracowały w próżni jaka tam panowała [369]. Tego rodzaju system jest nadal
stosowany w ciągle dość popularnych piecach z wyrzutniami o wiązce poprzecznej.

W piecach do topienia okresowego częściej stosuje się wyrzutnie o wiązkach

cylindrycznych. Są one umieszczane w dużej odległości od stopionego metalu oraz wy-
posażone w elektrodę sterującą, jedną lub dwie soczewki magnetyczne i cewki odchylające
wiązkę elektronową z jej położenia osiowego. Klasyczną konstrukcją tego typu jest tzw.
wyrzutnia Pierce’a (rys. 10.6). Mały otwór wylotowy umożliwia utrzymanie w komorze
wyrzutni istotnie niższego ciśnienie w porównaniu z komorą piecową, w której ciśnienie może
wynosić nawet 13 hPa. Wiązka może być odchylana w płaszczyźnie x-y lub poruszać się z
określoną prędkością po kole lub elipsie w celu wyrównania temperatury na powierzchni
topionego metalu. Wyrzutnie te mogą generować wiązkę o mocy od kilkudziesięciu kilowatów
do kilku megawatów. Dzięki zaworom próżniowym (element 9 na rys. 10.6), wsad do komory
piecowej może być wprowadzany przy utrzymywaniu wysokiej próżni w komorach wyrzutni.
Przy stosowaniu kilku wyrzutni w piecu, wyposaża się je najczęściej we wspólną pompę próżni
wstępnej.

311

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

Rys. 10.13. Schemat urządzenia elektronowego do ciągłego topienia przepływowego

1 - wyrzutnie elektronowe, 2 - zasypnik wsadu, 3 - wanna chłodzona wodą, 4 - wsad, 5 - krystalizator,
6 - urządzenie do wyciągania wlewka, 7 i 8 - komory topieniowe pieca, 9 - do układu próżniowego

nowe możliwości produkcji, m.in. bardzo odpornej na korozję stali chromowej bez udziału
niklu.

Piece elektronowe do topienia przepływowego budowane są także w wersjach

skojarzonych, z udziałem członu indukcyjnego. Metal po stopieniu w indukcyjnym piecu
tyglowym jest przelewany do zbiornika wyrównawczego nagrzewanego także indukcyjnie. Od
tego momentu rozpoczyna się rafinacja z użyciem wiązki elektronowej. W jednym ze
zrealizowanych urządzeń tego rodzaju zainstalowano 18 wyrzutni, z których 10 używa się do
napromienienia lustra metalu w dwóch kaskadowo ustawionych wannach. Gęstość mocy
dostarczana przez te wiązki wynosi 80 W/cm

. Pozostałe wyrzutnie wykorzystuje się do

nagrzewania metalu w krystalizatorze. Największa jednostka tego typu ma moc 3000 kW i
roczną wydajność 1200 Mg wlewków o masie 12 Mg każdy [369].

Piece odlewnicze stosowane są do wytwarzania precyzyjnych odlewów głównie z

tytanu i stali oraz do produkcji folii metalowej.

Piece do odlewów precyzyjnych są na ogół obiektami z kilkoma wyrzutniami, które

używane są do topienia wsadu, przegrzewania stopionego metalu w basenie chłodzonym wodą,
nagrzewania metalu w trakcie jego odlewania do form oraz do czyszczenia rynny spustowej.
Zrealizowano urządzenia tego rodzaju o mocach ok. 2 MW. Zasadę wytwarzania proszku
metalowego przedstawia rys. 10.14a, zaś odlewania ciągłego folii przedstawia - rys. 10.14b
[369].

315

10. Nagrzewanie elektronowe
____________________________________________________________________________

Rys. 10.14. Schematy urządzeń elektronowych do produkcji proszku metalowego (a) oraz folii metalowej (b), wg

[369]
1 - wyrzutnia elektronowa, 2 - wsad, 3 - wanna chłodzona wodą, 4 - wirujący bęben, 5 - zbiornik na
proszek metalowy, 6 - proszek metalowy, 7 - walce, 8 - folia

10.3.2. Obróbka cieplna

Pierwsze próby wykorzystania wiązki elektronowej do obróbki cieplnej warstw wierzchnich
ciał stałych, a zwłaszcza metali zrealizowano w latach 70-tych. Urządzenia do tego celu (rys.
10.15) powstały na bazie wcześniej opracowanych i wdrożonych spawarek elektronowych. Ich
człony główne są często określane mianem nagrzewnic lub obrabiarek elektronowych mimo,
że proces obróbki realizowany jest najczęściej w komorze, co raczej kwalifikuje je do kategorii
pieców

. Moce urządzeń do obróbki cieplnej zawierają się w przedziale l ÷ 6000 kW moce zaś

pojedynczych wyrzutni w nich stosowanych osiągają 500 kW [369]. Przeważają wyrzutnie z
termokatodami o trwałościach dochodzących do 500 h. Zaczęto już stosować emitery
plazmowe, ponieważ ich trwałość jest o rząd wielkości większa.

316

Piece takie wprawdzie nie są wyposażone w izolację cieplną, lecz zwykle nie ona rozstrzyga o

przyporządkowaniu członu głównego do kategorii nagrzewnic lub pieców [520]. Pełne uzasadnienie znajduje
używanie terminu nagrzewnica w odniesieniu do członów głównych urządzeń elektronowiązkowych, w
których wsad jest poza komorą próżniową, a proces nagrzewania wsadu odbywa się przy ciśnieniu
atmosferycznym. Takie rozwiązania należą jednak do rzadkości [377].

10. Nagrzewanie elektronowe
____________________________________________________________________________
wiązki, a określają ją zależności (10.7) i (10.8). Procesy obróbki cieplnej w przeważającej
mierze realizowane są przy użyciu impulsowych wiązek elektronowych o napięciach przyspie-
szających zawartych w granicach 0,1 ÷ 23 MV [624]. Dzięki ograniczeniu nagrzewanego
obszaru do części wsadu, pozostała jego część zachowuje się jak bardzo efektywna chłodnica,
pozwalająca po ustaniu działania wiązki na odpływ ciepła z obszaru pochłaniania wiązki z
szybkością rzędu 10

÷ 10

K/s (samoschłodzenie). Przy tak skrajnie dużych wartościach

prędkości chłodzenia uzyskać można amorfizację materiału.

Wiązka elektronowa jest doprowadzana do materiału w sposób ciągły bądź impulsowy

przy czasach impulsów 10

-9

÷ 10

-4

s. Pod względem geometrycznym, a ściślej pod względem

geometrii odwzorowywanego jednocześnie na nagrzewanej powierzchni jej kształtu
poprzecznego, wiązki dzieli się na:
— punktowe o minimalnej średnicy równej 0,5 nm (ciągłe i impulsowe);
— liniowe o minimalnej średnicy szerokości linii zbliżonej do znamionującą wiązkę punktową

i długościach dochodzących nawet do kilkuset milimetrów (ciągłe), a uzyskiwane także w
wyniku odchylania z częstotliwością 10

÷ 10

Hz wiązek punktowych;

— pierścieniowe (impulsowe);
— powierzchniowe w postaci koła lub prostokąta o wymiarach charakterystycznych zwykle
nie większych od kilkudziesięciu milimetrów (impulsowe o czasach impulsów rzędu
nanosekund) [391].

Rys. 10.16. Schematy rastrów, wg [686]: a) powierzchniowy, b) paskowy, c) punktowy, d) sekwencyjny, e)

programowany

318

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

Podczas obróbki wykorzystuje się łączne oddziaływanie ruchu wiązki i przesuwu

wsadu. Rezultatem tego oddziaływania jest tzw. raster, który jest odwzorowaniem przebiegu
wiązki po obrabianej powierzchni (tzw. ścieżka elektronowa) lub mapą miejsc nagrzanych.
Podstawowe rodzaje rastrów przedstawione są na rys. 10.16.

Efekt grzejny zależy głównie od gęstości mocy wiązki i czasu jej oddziaływania na

wsad. Polega on na nagrzaniu określonego fragmentu wsadu bez zmiany stanu skupienia, na
jego przetopieniu, doprowadzeniu do wrzenia, a nawet na odparowaniu. W tablicy 10.2
wymieniono zjawiska towarzyszące procesom szybkiego nagrzewania i chłodzenia materiałów
w tabl. 10.3 zaś charakterystyczne parametry niektórych technologii elektronowej modyfikacji
powierzchni materiałów, których pełny wykaz przedstawia rys. 10.17.

Tablica 10.2. Zjawiska towarzyszące procesom szybkiego nagrzewania i chłodzenia, charakterystyczne dla

elektronowej obróbki cieplnej, wg [391]

Rodzaj zjawiska

Zastosowanie

Epitaksjalny wzrost kryształów

Usuwanie efektów poimplantacyjnych (wygrzewanie
poimplantacyjne)

Rozrost ziaren w cienkich warstwach
polikrystalicznych

Zwiększanie konduktywności cienkich warstw
polikrystalicznych, np. krzemowych

Rozdrabnianie ziaren

Zwiększanie plastyczności i twardości

Rozpuszczanie dodatków stopowych i
mikrosegregacja

Homogenizacja materiałów

Przemiany strukturalne i fazowe

Hartowanie powierzchniowe

Wtapianie dodatkowych materiałów i wytwarzanie
roztworów przesyconych

Uszlachetnianie metali przez przetapianie powierzchniowe

Wprowadzanie domieszek nierozpuszczalnych lub
słabo rozpuszczalnych

Wytwarzanie materiałów kompozytowych przez
przetapianie powierzchniowe

Z grupy technologii bezprzetopieniowych wyżarzanie jest stosowane przy produkcji

taśm metalowych w celu ujednorodnienia i poprawy struktury, usunięcia naprężeń własnych
oraz odgazowania materiału. Do tego celu używa się urządzeń z wyrzutniami emitującymi
wiązki punktowe, liniowe, wielokrotne punktowe oraz oscylujące poprzecznie do kierunku
przesuwu taśmy. Na przykład przy nagrzewaniu do 1000°C taśmy stalowej o grubości l mm,
przesuwanej z prędkością 75 m/min stosuje się urządzenie z dwunastoma wyrzutniami o mocy
500 kW każda [370]. Zaletą tej technologii jest dobre odgazowanie materiału taśmy przy
eliminacji jej utleniania, ponieważ ciśnienie w komorze pieca jest rzędu 10

-2

Pa.

Odpuszczanie jest stosowane najczęściej po hartowaniu i spawaniu elektronowym.

Elektronowemu wygrzewaniu poimplantacyjnemu poddawano także do niedawna
półprzewodniki, a głównie krzem oraz arsenek galu. Metoda ta wyparta jednak została przez
znacznie prostszą technikę wygrzewania nad powierzchnią rozgrzanego drutu [377].

319

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

Tablica 10.3. Dane dotyczące niektórych technologii elektronowej obróbki cieplnej, wg [391 ], [377]

Metoda

Parametry procesu

Cechy

Obrabiane materiały

Hartowanie
bezprzetopieniowe

= 10÷500 kV

p = 10

÷10

W/cm

τ = 10

-8

÷10 s

= 10

÷10

K/s

h = 10 µm÷2,5 mm

stale, żeliwa stopy Ti

Rafinacja

= 10÷60 kV

p = 10

÷10

W/cm

τ = l÷10

= l ÷ 10

K/s

h =1÷10 mm

metale, stopy

Hartowanie
przetopieniowe

= 10÷500 kV

p = 10

÷l 0

W/cm

τ =10

-5

÷l0 s

=10

÷10

K/s

h = 10 µm ÷ 10 mm

stale, żeliwa, stopy
Ti, Al, Cu

Stopowanie,
natapianie

=10 kV÷l MV

p = 10

÷5·10

W/cm

= 10

-8

÷10

= l ÷10

K/s

h = 10 µm ÷1 mm

stopy Fe, Ti, Al, Cu,
metale

Uszczelnianie powłok

=10÷500 kV

p = 10

÷10

W/cm

τ =1÷10

=10

÷107 K/s

h = 10 µm ÷2,5 mm

stopy Fe, Ti, Al, Cu

Szkliwienie

l) U

=10 kV÷l MV

p = 10

÷10

W/cm

τ = 10

-8

÷10

-3

2) E=l÷23 MeV

D =10

-2

=10

÷10

K/s

h = l÷400 µm

stale

Utwardzanie
detonacyjne

=200÷300 kV

p = 10

÷ 10

W/cm

τ = 10

-8

÷10

-6

h = 1 ÷100 µm

Al i stopy Al

- napięcie przyspieszające, E - energia elektronów, p - gęstość powierzchniowa mocy, τ - czas

oddziaływania wiązki elektronów,

- szybkość studzenia materiału, h - głębokość modyfikacji materiału

Hartowanie bezprzetopieniowe polega na krótkotrwałym nagrzewaniu (l ms

l s)

warstwy powierzchniowej z szybkością 1000 ÷ 3000 K/s do temperatury przemiany marten-
zytycznej, lecz niższej niż temperatura topnienia oraz na samoschłodzeniu przebiegającym z
szybkością 10

K/s. Wymagana w tym procesie gęstość powierzchniowa mocy jest rzędu

kilku kilowatów na centymetr kwadratowy. W rezultacie uzyskuje się bardzo drobnokrysta-
liczną strukturę o twardości o kilka stopni Rockwella wyższej niż uzyskiwana innymi meto-
dami. Wiązką elektronową można hartować stale konstrukcyjne niskowęglowe, stopowe, łoży-
skowe, narzędziowe oraz żeliwa szare i białe [391]. Hartowanie bezprzetopieniowe jest najbar-
dziej rozpowszechnionym procesem elektronowej obróbki cieplnej.

W grupie technologii przetopieniowych rozwinięciem hartowania powierzchniowego

jest nadtapianie. Jest to proces przebiegający przy większych gęstościach mocy i szybko-
ściach nagrzewania. Polega on na gwałtownym przetopieniu bardzo cienkiej

321

10. Nagrzewanie elektronowe
____________________________________________________________________________

warstwy wierzchniej wsadu lub powłoki naniesionej na materiał podstawowy, co w wyniku
szybkiego stygnięcia skutkuje wystąpieniem procesu krystalizacji. W przypadku powłok z
tytanu lub ze spiekanych proszków uzyskuje się poprawę ich struktury i zwiększa się ich
przyczepność do podłoża. Jak wynika z rys. 10.17 nadtapianie obejmuje cztery technologie.

Pierwsza z nich jest hartowanie przetopieniowe, realizowane przy bardzo zró-

żnicowanych gęstościach mocy i dające różne struktury stereometryczne powierzchni.
Zahartowana warstwa wierzchnia ma budowę trzystrefową, co ma wyraźny związek z
rozkładem temperatury w obrabianym obszarze wsadu. Trzeba jednak dodać, że hartowanie
przetopieniowe zwiększa chropowatość powierzchni, lecz w stosunku do hartowania
bezprzetopieniowego polepszają się jej właściwości trybologiczne i korozyjne. Wynika to ze
wzrostu nawet o kilkadziesiąt procent twardości i mikrotwardości warstwy wierzchniej.
Zużycie trybologiczne może być mniejsze nawet o 70%. Obrabiane tą techniką matryce do
obróbki plastycznej na zimno odznaczają się 2,5 ÷ 3,0-krotnie większą trwałością, noże
tokarskie zaś zyskują na trwałości o 80 ÷ 90%. Mikrotwardość eutektycznych i
nadeutektycznych stopów Al wzrasta o 30 ÷ 500% [624]. W ten sposób utwardza się np.
pierścienie tłokowe. Jeśli chodzi o rodzaj wsadów jakie mogą być hartowane przetopieniowo,
to jest on taki sam, jak w przypadku technologii hartowania bezprzetopieniowego.

Drugą technologią zaliczaną do nadtapiania jest szkliwienie, które może być uznane za

odmianę hartowania przetopieniowego. Przy przetapianiu bardzo cienkich warstw wierzchnich
i schłodzeniu ich z szybkością 10

K/s uzyskuje się struktury amorficzne czyli bezpostaciowe

(bezkrystaliczne nazywane szkłem metalowym) o składzie chemicznym wyjściowej warstwy
wierzchniej lub powłoki, lecz o zupełnie innych właściwościach. Warstwa ta ma większą
twardość i wytrzymałość na rozciąganie przy dobrej plastyczności, jest odporna na ścieranie,
na korozję, a ponadto ma istotnie mniejszą stratność magnetyczną. Szkliwieniu elektronowemu
poddawane są stopy na bazie Ni i Fe. Obrobione warstwy osiągają grubości 10 ÷ 40 µm, a
tylko niekiedy przekraczają 100 µm. Metoda ta wymaga gęstości mocy wiązki na poziomie 10

W/cm

Trzecią technologią jest zagęszczanie zwane też uszczelnianiem. Proces ten polega na

przetopieniu warstwy wierzchniej wsadu lub nałożonej na niego powłoki (na wskroś lub
częściowo), w celu wytworzenia szczelnej warstwy o większej gęstości. Stosuje się go z
powodzeniem do uszczelniania powłok natryskiwanych plazmowo.

Czwartą technologią jest rafinacja i usuwanie defektów struktury. Rafinacja przebiega

podczas krótkotrwałego przetrzymywania warstwy stopionej w stanie ciekłym w celu jej
odgazowania i usunięcia domieszek oraz wtrąceń niemetalicznych. Efektem jest wzrost
gęstości, udarności, przewodności cieplnej właściwej oraz wytrzymałości stykowej. Likwidacji
ulegają takie defekty strukturalne przetopionej warstwy wierzchniej, jak rysy, pęknięcia,
pęcherze powstające zwłaszcza podczas odlewania.

Do technologu przetopieniowych zalicza się także stopowanie w dwóch odmianach -

przetapianie i wtapianie. Stopowanie polega na przetopieniowym nasycaniu warstw
wierzchnich składnikami stopowymi całkowicie lub częściowo rozpuszczalnymi

322

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

w materiale podłoża. Wymaga ono większych gęstości mocy i dłuższych czasów nagrzewania
niż hartowanie. Celem tych zabiegów jest poprawa odporności korozyjnej warstwy wierzch-
niej.

Przetapianie polega na przeprowadzeniu w stan ciekły warstwy wierzchniej wsadu

wraz z uprzednio naniesioną na nią, powłoką. Powłoka taka może być szczelna, jeśli jest na-
niesiona galwanicznie lub natryskana cieplnie, lecz może nią być także folia, taśma, płytki, lub
pasta proszkowa. Po roztopieniu obu warstw ulegają one wymieszaniu, przy czym materiał
stopujący rozpuszcza się częściowo lub całkowicie w materiale podłoża. Wytworzona w ten
sposób warstwa po skrzepnięciu ma inne właściwości niż materiał podłoża. Głębokość warstw
stopowanych może osiągać kilka milimetrów. W ten sposób stopuje się niklem, żelazem, mie-
dzią, tytanem, krzemem warstwy wierzchnie wsadów aluminiowych oraz wsady ze stali wę-
glowych i niskostopowych - molibdenem, chromem, wanadem, wolframem, tytanem, węgli-
kami boru i krzemu, azotkami oraz związkami międzymetalicznymi [391 ], [624].

Wtapianie jest to wprowadzanie poprzez iniekcję (dmuch) do roztopionego materiału

podłoża, jako materiału stopującego, cząstek stałych lub gazu. I w tym przypadku następuje
całkowite lub częściowe wymieszanie składników. W ten sposób warstwa wierzchnia mate-
riału podłoża może być stopowana, np. węglikami, azotem, tlenkiem węgla, acetylenem (wę-
glem).

Natapianie jest to przetopienie naniesionej na podłoże powłoki, drutu lub cząstek ma-

teriałów nierozpuszczalnych w podłożu (ceramiki) i wprowadzanych w plamkę wiązki elektro-
nowej. Związanie materiałów następuje w tym procesie dzięki częściowemu przetopieniu
podłoża lub adhezyjnemu przywarciu nanoszonej powłoki. Natapiany materiał nie rozpuszcza
się jednak w podłożu. Technologia ta służy do wytwarzania powłok żaroodpornych, antykoro-
zyjnych i antyściernych na elementach hydrauliki, strefach roboczych łopatek turbin.

Do znajdujących się w fazie badań zaliczają się technologie odparowaniowe. Zalicza

się do nich elektronowe odparowanie materiału i utwardzanie detonacyjne. Pierwsza z nich
polega na fizycznym osadzaniu na podłożu materiału wcześniej odparowanego, a druga na
szybkim nagrzewaniu warstwy wierzchniej wsadu wiązką o bardzo dużej gęstości mocy, co
najpierw powoduje odparowanie materiału, wytworzenie fali uderzeniowej i jej udarowe dzia-
łanie na wsad.

Technologie elektronowej obróbki cieplnej mimo, że należą do trudnych i stosunkowo

młodych technik, wymagających nie tylko specjalistycznego sprzętu, lecz także personelu o
wysokich kwalifikacjach, są z powodzeniem stosowane w przemyśle. W niektórych zakładach
uszlachetnia się tymi metodami elementy w ilościach rzędu miliona sztuk rocznie. Są to części
samochodów, maszyn rolniczych, obrabiarek, narzędzi, np. bieżnie łożysk tocznych, pierście-
nie tłokowe, przeguby kulowe, koła zębate, wały korbowe, wałki rozrządu, krzywki, tuleje,
popychacze, łopatki turbin, ostrza pił, krawędzie tnące matryc, frezów, noży tokarskich, wierteł
i in. [391]. Metoda ta jest uważana za mającą duże szansę na dalszy rozwój w pewnych kierun-
kach. Trzeba jednak tu odnotować, że w dość znacznym zakresie konkuruje z nią nagrzewanie
laserowe.

323

10.3.3. Rafinacja strefowa
____________________________________________________________________________

Rafinacja strefowa jest to proces oczyszczania materiałów (najczęściej metali i półprze-
wodników) z występujących w bardzo małych stężeniach zanieczyszczeń. Polega on na
lokalnym przetapianiu tych materiałów, mających zwykle postać walcową i segregacji
zanieczyszczeń w wyniku różnic ich koncentracji w fazie stałej i ciekłej, co z kolei jest
wywoływane podwyższaniem lub obniżaniem temperatury topnienia stopu w zależności od
rodzaju zanieczyszczeń. Przesuwając powoli i wielokrotnie strefę stopionego materiału z
jednego końca pręta na drugi i w kierunku odwrotnym powoduje się przemieszczanie tych
zanieczyszczeń, które w konsekwencji gromadzą się na obu końcach rafinowanego pręta.
Kierunek przemieszczania się zanieczyszczeń zależy oczywiście od tego, czy powodują one
obniżenie, czy też podwyższenie temperatury topienia materiału rafinowanego (stopu).
Koncentracja zanieczyszczeń w części środkowej pręta ulega istotnemu zmniejszeniu. Jego
końcówki ze zgromadzonymi tam zanieczyszczeniami są odcinane.

Wymagana czystość materiału uzyskiwana jest w próżni i bez kontaktu z materiałem

tygla. Kontakt z tyglem eliminowany jest dzięki wytworzeniu w ustawionym pionowo pręcie
strefy stopionej i utrzymywaniu jej między dwoma jego częściami wskutek napięcia
powierzchniowego. Wiązka elektronowa używana do topienia emitowana jest najczęściej przez
wyrzutnię pierścieniową. Przetapiany strefowo pręt jest umieszczony w jej osi. Przesuwanie
wyrzutni elektronowej wzdłuż pręta powoduje jednoczesne przesuwanie strefy stopionej. Ta
beztyglowa metoda elektronowego topienia strefowego jest uważana za najbardziej
ekonomiczną spośród wielu metod rafinacji. Nadaje się ona zwłaszcza do rafinacji materiałów
trudnotopliwych. Topienie w próżni znajduje jednak uzasadnienie, gdy prężność par materiału
topionego jest na tyle niska, że straty wskutek parowania są niewielkie. Z tego powodu metoda
ta nie nadaje się do rafinacji takich metali, jak Mg, Ca, Sr, Cr, Mn, Zn, Cd, As, Sb i Te. Jeśli
jednak stanowią one niepożądane zanieczyszczenia rafinowanego materiału, rafinacja strefowa
jest wspomagana rafinacją próżniową [686].

Podstawowym elementem urządzenia elektronowego do rafinacji strefowej jest

pierścieniowa wyrzutnią elektronowa. Najczęściej jest to wyrzutnia o symetrii poprzeczno-
osiowej, przy czym katody o dużych średnicach mocowane są w kilku miejscach na obwodzie,
co sprawia, że w stanie nie nagrzanym mają one kształt wieloboku i dopiero w stanie gorącym
przyjmują pożądany kształt kołowy. Elektrony emitowane przez katodę poruszają się w
kierunku do osi pręta czyli do osi symetrii wyrzutni, uderzają w powierzchnię topionego
materiału stanowiącego anodę, która ma potencjał ziemi. Tak jak w innych wyrzutniach,
katoda w stosunku do anody pozostaje na wysokim ujemnym potencjale.

Spośród licznych rozwiązań wyrzutni pierścieniowych [660] duże sprawności uzyskuje

się w konstrukcjach czteroelektrodowych, wyposażonych we własną dzieloną anodę
pierścieniową. Oprócz dwuczęściowej anody, katody oraz pręta (wsadu), wyrzutnia taka ma
czwartą elektrodę ogniskującą o potencjale niższym lub równym potencjałowi katody (rys.
10.18). W konstrukcji tej tory elektronów są zakrzywione, ponieważ katoda jest odsunięta od
strefy topionej i umieszczona w taki sposób, by w maksymalnym stopniu ograniczyć z jednej
strony osadzanie na niej parującego i pryskającego

324

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

Rys. 10.18. Pierścieniowa wyrzutnia elektronowa stosowana do rafinacji strefowej, wg [686]

1 - wsad, 2 - anoda pierścieniowa wewnętrzna, 3 - elektroda ogniskująca, 4 - katoda, 5 - wspornik
katody, 6 - elektroda kompensacyjna, 7 - izolator, 8 - elektroda ogniskująca, 9 - anoda pierścieniowa
zewnętrzna, 10 - strefa stopiona wsadu, 11 — wiązka elektronowa

materiału ze strefy topionej, z drugiej zaś by nie dopuścić do zanieczyszczenia materiału
rafinowanego jej parami.

Zjawiskiem pogarszającym sprawność pierścieniowej wyrzutni elektronowej jest tzw.

zjawisko magnetronowe. Polega ono na tym, że stałe lub zmienne pole magnetyczne
wytworzone przez prąd żarzenia katody wpływa na odchylanie toru niektórych elektronów w
takim stopniu, że nie trafiają one we wsad. Zjawisko to ma znaczący wpływ na sprawność
zwłaszcza przy małych średnicach prętów, a więc przy niskich napięciach przyspieszających.
Jest ono kompensowane za pomocą prądu w dodatkowej elektrodzie pierścieniowej
zlokalizowanej w pobliżu katody (rys. 10.18).

Moce wyrzutni pierścieniowych nie przekraczają kilku kilowatów przy napięciach

przyspieszających rzędu kilkunastu kilowoltów. Zmiana długości strefy stopionej jest możliwa
poprzez regulację napięcia elektrody ogniskującej. Prędkość przesuwu wyrzutni wzdłuż pręta
zmienia się od ułamka do stukilkudziesięciu milimetrów na minutę. Dzięki niezależnym
napędom uchwytów obu części pręta można je wprawiać w ruch, również z różnymi się
prędkościami obrotowymi, co pozwala na mieszanie cieczy w strefie stopionej [686].

W użyciu są także wyrzutnie z wiązkami taśmowymi i cylindrycznymi. Między innymi

w Polsce opracowano urządzenie elektronowiązkowe do rafinacji strefowej wyposażone w
dwie wyrzutnie typu Pierce'a [369].

10.3.4. Mikroobróbka materiałów

Elektronowa mikroobróbka materiałów polega na usuwaniu materiału w miejscu oddzia-
ływania wiązki elektronowej na przedmiot obrabiany [686]. Przy obróbce materiałów litych
spotyka się dwie interpretacje tego mechanizmu:

325

10. Nagrzewanie elektronowe
____________________________________________________________________________

1. Energia kinetyczna wiązki zamieniając się na ciepło prowadzi do erupcji materiału z obszaru
konwersji energii, a poruszające się ze znaczną prędkością cząstki parującego materiału
wywierają nacisk na znajdującą się w stanie ciekłym resztę materiału i powodują jego
wypchnięcie na ścianki powstałego zagłębienia.
2. W wyniku koncentracji mocy rzędu 10

÷ 10

W/m

ma miejsce podpowierzchniowe

wrzenie wybuchowe mikroobjętości stopionego materiału powodujące cykliczne (o
częstotliwości 10

÷ 10

Hz zależnie od stopnia koncentracji mocy) wyrzucanie materiału.

Powstająca przy tym fala udarowa rozchodzi się w głąb materiału, a jej energia jest na tyle
duża, że stopieniu ulegają coraz odleglejsze od powierzchni warstwy materiału, co prowadzi do
wytworzenia kanału. Odsłanianie dla penetracji wiązki dna kanału jest skutkiem jej
wzajemnego oddziaływania z mieszaniną par i kondensatów. Efekt ten powoduje rozpraszanie
wiązki, a tym samym eliminuje możliwość powstania mikrowybuchu, a następnie redukcję
gęstości par kanale i ponowne wytworzenie stanu umożliwiającego dotarcie wiązki do dna
kanału [686].

Procesy zachodzące przy mikroobróbce warstw cienkich, a zwłaszcza naniesionych na

podłoża izolacyjne są bardziej zróżnicowane [685]. W procesach mikroobóbki korzysta się
zarówno z wiązek ciągłych, jak i impulsowych. Możliwe są także operacje jednoimpulsowe
(tzw. perforowanie), charakteryzujące się sprawnością przekraczającą 90%. Sprawność
mikroobróbki elektronowej zmniejsza się jednak ze wzrostem głębokości otworu, ponieważ
wskutek rozbieżności wiązki część przenoszonej energii tracona jest na ściankach otworu.

Procesom mikroobróbki poddawane mogą być dowolne materiały. Odchylając

elektrostatycznie wiązkę w dwóch prostopadłych do siebie płaszczyznach oraz stosując
przesuwanie stolika, można wykonywać otwory przelotowe i nieprzelotowe o dowolnym
kształcie. Wiązka zogniskowana do gęstości mocy 10

÷ 10

W/cm

nadaje się do drążenia

otworów, perforacji oraz cięcia materiałów o grubości do 10 mm. Możliwość wykonania
najmniejszych otworów zależy od rodzaju materiału obrabianego, jego grubości oraz od
parametrów wiązki. Najmniejsze otwory uzyskuje się przy perforacji folii z tworzyw
sztucznych (2 µm). W płytkach diamentowych o grubości rzędu 3 mm można drążyć otwory o
średnicy ok. 40 µm. Techniką perforacyjną (jednoimpulsową) bez trudu wykonuje się otwory
charakteryzujące się ilorazem średnicy do głębokości 1:10. Przy obróbce wieloimpulsowej
iloraz ten określany jest na 1:40 [56]. Obróbkę tę znamionuje w porównaniu z jednoimpulsową
o dwa rzędy wielkości mniejsza wydajność z uwagi na długie przerwy międzyimpulsowe. Na
rysunku 10.19 przedstawiono możliwości techniki jednoimpulsowej w odniesieniu do stopów
żelaza i niklu.

Przy mikroobróbce tworzyw sztucznych uzyskuje się wydajności rzędu 10

otworów na

sekundę. Tyleż otworów można tą techniką wykonać w płytce metalowej na powierzchni l
cm

. Przy poprawnie dobranych parametrach obróbki, co może wymagać ich dynamicznych

zmian podczas procesu, można realizować zróżnicowane profile drążonych otworów. Metoda
ta stosowana jest m.in. przy wytwarzaniu filtrów z materiałów antykorozyjnych (tytanu),
wykonywaniu otworów w częściach silników lotniczych

326

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

Rys. 10.19. Możliwości mikroobróbki elektronowej stopów żelaza i niklu, wg [496]: a) liczba otworów f

drążonych w czasie l sekundy w zależności od ich średnicy d i głębokości g, b) wymiary drążonych
otworów

(w łopatkach turbin) oraz w elektrodach wysokowydajnych ogniw, dysz, filierów do nici z
tworzyw sztucznych. Elektronowe cięcie materiałów foliowych daje się realizować z bardzo
dużymi prędkościami, np. 10 m/s, lecz z uwagi na konkurencję innych technik praktycznie nie
jest stosowane.

Interesujące aplikacje technika ta znalazła przy obróbce cienkich warstw metalowych

naniesionych na podłoża elektroizolacyjne takie, jak szkło i tlenek glinu. Chodzi tu m.in. o
frezowanie ścieżek w układach hybrydowych, korekcję rezystorów cienkowarstwowych itp.
[685].

Urządzenia do mikroobróbki elektronowej wyposaża się w systemy elektronooptyczne

bardzo zbliżone do stosowanych w spawarkach. Nawet przy istotnych różnicach jeśli chodzi o
obszar zastosowań, firmy produkujące mikroobrabiarki elektronowe wyposażają je w
standardowe moduły zawierające generatory wiązek elektronowych, numeryczne systemy
kontrolno-sterujące i systemy próżniowe. Indywidualnie do danej aplikacji dobierane są
komory próżniowe i manipulatory, które zwykle muszą zapewniać ruch obrotowy i posuwisty.
Mikroobrabiarki elektronowe należą do urządzeń o stosunkowo małej mocy. Typowe jej
wartości przy pracy impulsowej to kilkanaście kilowatów przy napięciach sięgających 150 kV.

10.3.5. Naparowywanie

Za twórcę technologii elektronowego naparowywania warstw cienkich uważa się L. Hollanda
(1951 r.). Technologia ta jest zaliczana do osadzania próżniowego [391], a urządzenia w
których jest realizowana noszą nazwę napylarek lub naparowywarek elektronowych

327

10. Nagrzewanie elektronowe
____________________________________________________________________________

[369]. Jest to tzw. technika PVD

, obejmująca obecnie kilkadziesiąt odmian osadzania warstw

przy ciśnieniu obniżonym do 10 ÷ 10

-5

Pa i z wykorzystaniem różnych zjawisk fizycznych. Z

tego też względu technologia termicznego naparowywania z wykorzystaniem wiązki
elektronów ma silną konkurencję w innych technologiach.

Naparowywanie elektronowe warstw cienkich możliwe jest dzięki temu, że:

— najmniejszą gęstość każdy materiał osiąga w postaci pary i wobec tego jeśli w normalnych

warunkach występuje on w stanie stałym, po odparowaniu dąży on do osadzenia się na
jakimkolwiek stałym podłożu;

— w próżni temperatura topnienia materiałów jest niższa niż przy ciśnieniu atmosferycznym,

co pozwala na łatwiejsze przeprowadzenie materiałów z fazy stałej w parę;

— w wysokiej próżni transport materiałów związany ze zmianą stanu skupienia może być

realizowany bez ich mieszania oraz bez wchodzenia w reakcje z innymi substancjami.

Przez długi okres czasu najczęściej odparowywanym elektronowo materiałem było

aluminium. Zakres zastosowań technologii stale jednak jest rozszerzany i obecnie obejmuje
także m.in. Ni, Co, Cr, In, Sn, Ti, Cu, Si, Ta, Au, Fe, Zn, Mo oraz rozmaite stopy, a także
tlenki, np. SiO, SiO

. Materiały te są przeprowadzane w stan pary z fazy ciekłej bądź stałej

(sublimacja), przy czym jako wsad mają postać litą lub proszkową. Spośród wielu metod
osadzania próżniowego warstw cienkich metoda elektronowa należy do najbardziej
uniwersalnych i w tym sensie konkuruje z nią jedynie metoda rozpylania jonowego

Doprowadzana za pośrednictwem wiązki elektronowej energia dociera do powierzchni

podlegającego odparowaniu materiału. W takim sposobie jej doprowadzenia tkwi zaleta
nagrzewania elektronowego, które ma jednak konkurencję w metodzie nagrzewania
indukcyjnego, rezystancyjnego i promiennikowego. Materiał odparowywany jest umieszczony
zwykle w tyglu ceramicznym lub metalowym chłodzonym wodą. Uzupełnianie materiału może
się odbywać w sposób okresowy lub ciągły, np. przez podawanie drutu. Urządzenie
elektronowe do naparowywania w zależności od szerokości podłoża, na które pary są
nanoszone wyposaża się w jedną lub w kilka wyrzutni, przy czym obecnie stosuje się
wyrzutnie z wiązkami taśmowymi lub punktowymi odchylanymi [369]. W celu umożliwienia
swobodnego odpływu par z powierzchni nagrzewanego materiału i ochrony katody, kierunek
emisji wiązki z katody jest zawsze przesunięty w stosunku do kierunku jej padania, nawet o
270°. Przykład wyrzutni o mocy 60 kW i kącie przesunięcia wiązki o 90° pokazany jest na rys.
10.20.

328

Physical Vapour Deposition - fizyczne osadzanie z fazy gazowej obejmujące wytworzenie par i ich osadzenie

na podłożu

Rozpylanie (Sputtering) jest odmianą napylania i polega na nanoszeniu silnie zjonizowanych par metalu lub

związku, uzyskiwanych przez rozpylanie metalowej elektrody (tzw. tarczy) jonami gazu obojętnego
(najczęściej argonu). Jest to w istocie rzeczy nie odmienny sposób osadzania warstwy na podłożu, lecz
odmienny sposób uzyskiwania substratu metalowego.

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne
____________________________________________________________________________

Rys. 10.20. Schemat

napylarki

elektronowej, wg [411]

1 - wsad poddawany naparowywaniu, 2 - rozpylony materia

, 3 - wiązka elektronowa, 4 - anoda, 5 -

elektroda ogniskująca, 6 - izolator wysokonapięciowy, 7 - chłodnica, 8 - osłona z wentylatorem, 9 -
doprowadzenie wody chłodzącej, 10 - pompa próżniowa wyrzutni, 11 - soczewka ogniskująca, 12 -
soczewka odchylająca, 13 - miedziany tygiel z odparowywanym materiałem

Technologia naparowywania elektronowego stosowana jest do wytwarzania warstw

ochronnych i antykorozyjnych na taśmach metalowych o szerokości sięgającej 1800 mm.
Moce urządzeń wykorzystywanych w takich procesach przekroczyły l MW. Przy niezbyt
wysokiej sprawności naparowywarek elektronowych, moc 1400 kW wystarcza do rozpylenia
w ciągu godziny 260 kg Cu, 210 kg Ni albo 150 kg Ti. Uzyskiwana grubość pokrycia zależy
od prędkości przesuwającej się taśmy, temperatury naparowywanego materiału i właściwości
podłoża [369].

Inne zastosowania to metalizacja folii z tworzyw sztucznych, w szczególności taśm

poliestrowych, polipropylenowych, polietylenowych oraz poliwęglanowych, m.in. dla potrzeb
przemysłu kondensatorowego oraz metalizacja papieru i tafli szkła architektonicznego o
wymiarach 2,25 x 3,18 m. W tym ostatnim przypadku naparowywane są zwykle dwie warstwy
o łącznej grubości ok. 10 nm, np. 2 nm tlenku bizmutu i 8 nm złota [375].

10.3.6. Inne zastosowania

Spośród innych termicznych zastosowań wiązki elektronowej bez wątpienia na pierwszym
miejscu wymienić trzeba spawanie i mikrospawanie [686], [369], [727]. Techniki spawalnicze
zwyczajowo nie są jednak zaliczane do elektrotermii.

Znaczne nadzieje wiąże się z zastosowaniem wiązki elektronowej do kruszenia skał.

Wymaga to jednak jej wyprowadzenia poza obszar próżniowy przez cienkie okno

329