52
VISOKA TEHNIČKA SKOLA SADRŽAJ: 1. UVOD.......................................................... .............................................................. ... 2 2. FIZIKALNE OSNOVE DOBIJANJA VISOKOENERGETSKOG SNOPA ELEKTRONA.................. 3 3. OSNOVI PROCESA EBM- OBRADE........................................................ ........................... 4 3.1. OBRADE ODVAJANJEM ČESTICA MATERIJALA.................................................... ..... 5 3.2. TOPLOTNE OBRADE........................................................ ....................................... 6 4. PROIZVODNE OPERACIJE EBM- OBRADE........................................................ ................ 7 5. STRUKTURA UREĐAJA ZA EBM- OBRADU........................................................ ............... 8 6. TEHNOLOŠKE KARAKTERISTIKE EBM- OBRADE........................................................ ....... 11 6.1. UTICAJNI PARAMETRI NA PROCES OBRADE........................................................ .... 11 6.2. PROIZVODNOST, TAČNOST I KVALITET OBRADE..................................................... 13 7. PODRUČJE PRIMENE....................................................... .............................................. 16 7.1. OBRADE SKIDANJEM MATERIJALA.................................................... ...................... 16 1

Nove proizvodne tehnologije

Embed Size (px)

DESCRIPTION

OBRADA POVRŠINE SNOPOM ELEKTRONA I JONSKA IMPLANTACIJA

Citation preview

Page 1: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

SADRŽAJ:

1. UVOD........................................................................................................................... 22. FIZIKALNE OSNOVE DOBIJANJA VISOKOENERGETSKOG SNOPA ELEKTRONA.................. 33. OSNOVI PROCESA EBM-OBRADE................................................................................... 4

3.1. OBRADE ODVAJANJEM ČESTICA MATERIJALA......................................................... 53.2. TOPLOTNE OBRADE............................................................................................... 6

4. PROIZVODNE OPERACIJE EBM-OBRADE........................................................................ 75. STRUKTURA UREĐAJA ZA EBM-OBRADU....................................................................... 86. TEHNOLOŠKE KARAKTERISTIKE EBM-OBRADE............................................................... 11

6.1. UTICAJNI PARAMETRI NA PROCES OBRADE............................................................ 116.2. PROIZVODNOST, TAČNOST I KVALITET OBRADE..................................................... 13

7. PODRUČJE PRIMENE..................................................................................................... 167.1. OBRADE SKIDANJEM MATERIJALA.......................................................................... 16 7.1.1. Bušenje otvora elektronskim snopom.......................................................... 16 7.1.2. Izrada profilnih proreza i gravura................................................................. 19 7.1.3. Graviranje metala i keramike........................................................................ 19 7.1.4. Graviranje naparenih metalnih slojeva......................................................... 20 7.1.5. Sečenje elektronskim snopom...................................................................... 217.2. TOPLOTNE OBRADE POMOĆU SNOPA ELEKTRONA................................................. 21 7.2.1. Topljenje materijala...................................................................................... 21 7.2.2. Isparavanje materijala.................................................................................. 23 7.2.3. Zavarivanje.................................................................................................. 24 7.2.4. Kaljenje i površinsko oplemenjavanje........................................................... 27

8. JONSKA IMPLANTACIJA................................................................................................. 288.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE PROCESA.................................................................... 288.2. EFEKTI JONSKE IMPLANTACIJE................................................................................ 308.3. TRIBOLOŠKI ASPEKTI IMPLANTACIJE POVRŠINA..................................................... 31

9. ZAKLJUČAK................................................................................................................... 3610. LITERATURA.................................................................................................................. 37

1

Page 2: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

1. UVOD:

Razvoj i primena snopa elektrona za obradu materijala datira još od 1905. godine kada je patentiran postupak i uređaj za topljenje metala u visokom vakuumu bombardovanjem pomoću snopa elektrona. Ovaj uređaj je posedovao sve najvažnije karakteristike kasnijih uređaja za proizvodnju elektronskog snopa. Međutim, tek 1958. godine firma „Carl Zeiss” – Oberkochen SR Nemačka izradila je prvi industrijski uređaj za obradu skidanjem materijala i zavarivanje pomoću snopa elektrona, tako da se ova godina može smatrati pravim početkom primene snopa elektrona za obradu materijala.

Šira primena jonske implantacije je ograničena nedostatkom pouzdanih preporuka za uslove i režime jonske implantacije za konkretne elemente tehničkih sistema. Površinski slojevi tretirani jonskom implantacijom doživljavaju kompleksne promene svojstava (hemijske, strukturne, fizičko-mehaničke, pa i geometrijske prirode), a očigledan, pozitivan efekat implantacije jona je povećanje mikrotvrdoće veoma tankog površinskog sloja, kojim se najčešće i tumači poboljšanje triboloških svojstava implantiranih površina.

2

Page 3: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

2. FIZIKALNE OSNOVE DOBIJANJA VISOKOENERGETSKOG SNOPA ELEKTRONA

Osnovu ove obrade čini visokoenergetski snop elektrona koji se dobija u uređaju čija je uprošćena šema prikazana na slici 1. Elektroni se isijavaju iz tanke volframove žice - katode zagrejane električnim putem na temperaturu od oko 2500 °C. Struja elektrona koja izlazi iz katode reguliše se i oblikuje pomoću čašaste Wehneltove elektrode. Zbog delovanja snažnog električnog polja između katode i anode, elektroni se ubrzavaju do vrlo visoke brzine νel kojom se u snopu kreću prema površini obratka. Na tom putu snop elektrona prolazi kroz sistem za oblikovanje i vođenje i završava se fokusiranjem na malu površinu obratka. Sve ovo se odvija u visokom vakuumu, kako bi se izbeglo rasipanje energije snopa elektrona pri sudaru sa molekulima gasova iz atmosfere.

Slika 1. Šema uređaja za obradu snopom elektrona

3

Page 4: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Fokusirani snop elektrona na površinu obratka predstavlja energetski snažan i vrlo precizan alat za obradu koji ima sledeće važne karakteristike:

Postojan je za vreme obrade, tj. nema habanja ni drugih promena tokom obrade koje bi uticale na tačnost;

Precizan je i vrlo malih dimenzija, pa kao takav može da obradi filigranski složene konture sa oštrim ivicama i malim prelaznim radijusima;

Univerzalan je, jer se bez ikakvih promena, naravno osim energetskih, koristi za bušenje otvora, glodanje gravura, sečenje, zavarivanje, i dr, što znači da nema uobičajenih priprema i izmena alata tokom obrade;

Radi bezkontaktno, pa prema tome ne vrši nikakav pritisak na obradak i ne deformiše ga, što je veoma važno kod obrade delova osetljivih na spoljašne sile, odnosno deformacije;

Moguće je bezinercijalno pomeranje snopa elektrona pri obradi pomoću magnetnih sočiva za skretanje u krugu od nekoliko cm, što omogućuje vrlo visoke brzine obrade, naročito kod primene ovog postupka za perforiranje limova.

3. OSNOVI PROCESA EBM-OBRADE

Fokusirani snop ubrzanih elektrona udara u površinu obratka i tu dolazi do pretvaranja njegove kinetičke energije u toplotu. Razvijena toplota izaziva čitav niz termičkih procesa kao što su: zagrevanje, topljenje, isparavanje i sagorevanje materijala, uz pojavu eksplozivnog izbacivanja rastopljenog dela i čvrstih čestica materijala obratka.

Energija snopa elektrona, pored zagrevanja materijala obratka, troši se još i na toplotno i rentgensko zračenje. Ovo poslednje se javlja iz dubine materijala i poput drugih kvantnih zračenja, biološki je štetno za ljude ako je njegov intenzitet iznad određenog nivoa. To nameće potrebu da se pri gradnji i eksploataciji uređaja preduzmu stroge mera zaštite u cilju smanjenja intenziteta ovog štetnog zračenja. Gubitak energije usled rendgenskog zračenja manji je od 1%. U zavisnosti od visine i načina korišćenja razvijene toplote, u osnovi se odigravaju dve vrste procesa obrade snopom elektrona: obrada odvajanjem čestica materijala i toplotna obrada.

4

Page 5: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

3.1. OBRADE ODVAJANJEM ČESTICA MATERIJALA

Ukoliko se podesi snop elektrona visokog intenziteta i fokusira na vrlo malu površinu prečnika Ds, slika 2, sa kratkim vremenskim delovanjem od svega nekoliko μs, onda elektroni prodiru u tanak sloj materijala dubina δ, koja je manja od 100 μm, pa tako nastaje snažan površinski izvor toplote. Pretvaranje kinetičke energije elektrona u toplotu vrši se u ovom sloju praktično trenutno, što dovodi do isparavanja, sagorevanja i eksplozivnog izbacivanja rastopljenog materijala iz tog sloja (vidi ilustraciju na slici 2). S obzirom na vrlo visoke temperature na koje je zagrejan taj sloj materijala, koje se kreću od 4000 do 6000 K, može se pretpostaviti da dominira odvajanje materijala isparavanjem i sagorevanjem u odnosu na izbacivanje rastopljenog materijala i čvrstih čestica.

Slika 2. Šematski prikaz procesa obrade skidanjem materijala pomoću snopa elektronaPri ovoj obradi se deo toplotne energije koji se iz zone delovanja snopa odvodi

provođenjem svodi na najmanju moguću meru. To se postiže vrlo visokim temperaturama u

tankom sloju pregrejanog materijala zapremine Ds2 ∙π4∙ δ, s obzirom da toplota provođenja raste

linearno, a pritisak isparavanja eksponencijalno sa temperaturom, kao i primenom impulsnog delovanja snopa elektrona, tako da impulsi pri kojima se postiže željeni efekat isparavanja traju od 10-6 do 10-7 s, dok je pauza između dva impulsa za 50 do 100 puta duža.

Prema tome, za uspešno sprovođenje ove vrste obrade snopom elektrona moraju biti ispunjena dva bitna uslova: visoka koncentracija energije snopa, kojom se u kratkom vremenskom intervalu postižu visoke temperature i impulsni rad uređaja.

5

Page 6: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

3.2. TOPLOTNE OBRADE

U ovu grupu spadaju obrade u kojima se razvijena toplota koristi za zagrevanje ili rastapanje materijala. Najvažniji predstavnik ove grupe je zavarivanje, pa se na njemu i objašnjava proces obrade, koji je u osnovi sličan kod svih vrsta toplotne obrade.

Zavarivanje se ostvaruje delovanjem snopa elektrona određenog intenziteta na površinu obratka koja je nešto većeg prečnika Ds, slika 3, nego kod prethodno opisane obrade, koji uz to deluje u dužem vremenskom intervalu. Pri tim parametrima obrade dolazi do isparavanja samo manjeg površinskog sloja materijala. Veći deo materijala koji je zahvaćen dejstvom snopa se intenzivno zagreva, a preko bočnih površina ova toplota se provodi u bližu okolinu, što ima za posledicu topljenje materijala u uskoj zoni delovanja snopa na velikoj dubini H.

Slika 3. Šematski prikaz procesa zavarivanja snopom elektrona

Prestankom delovanja snopa ili pom obratka u odnosu na snop, dolazi do naglog hlađenja i očvršćavanja rastopljenog materijala. Ovakav način delovanja snopa elektrona koristi se za zavarivanje, tzv. dubinsko zavarivanje. Ako se snop elektrona pomera, npr. duž sastava dva lima ili dela, onda nastaje njihovo spajanje, tj. vrši se zavarivanje i to bez ikakvog dodatnog materijala. Ovim postupkom se mogu spajati i materijali koji se inače ne mogu zavarivati drugim postupcima, npr. keramika-keramika, metal-keramika i dr.

6

Page 7: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

4. PROIZVODNE OPERACIJE EBM-OBRADE

Operacije obrade elektronskim snopom koje se koriste u mašinskoj industriji su brojne i raznovrsne od kojih se najvažnije šematski prikazane na slici 4.

Slika 4. Najvažnije operacije obrade snopom elektrona sa potrebnim kretanjimaa) izrada uskih proreza; b) izrada ravnih gravura; c) izrada prostornih gravura; d) zavarivanje; e) sečenje; f) izrada cilindričnih ili koničnih rupa/otvora; g) perforiranje tankih limova; h) graviranje – označavanje delova; i) kaljenje i površinsko oplemenjavanje.

Najveći broj prikazanih operacija ostvaruje se odvajanjem čestica materijala, slika 4/a,b,c,e,f,g,h. One se izvode pomeranjem obratka ili skretanjem snopa elektrona, čime se postiže kontinualno skidanje tankog sloja materijala debljine δ, kako je opisano u prethodnoj tački. Način na koji se obrada odvija je vrlo sličan obradi klasičnim glodanjem ili bušenjem, pa se otuda za ovu obradu ponekad koristi i naziv „glodanje/bušenje snopom elektrona”.

Kao što se iz navedenih primera vidi, snop elektrona se ovde koristi kao svojevrsno „glodalo”, odnosno „burgija” i može da izvodi sve one obrade koje izvode i klasični alati ove vrste. Za ovo su razvijene i posebne mašine, tzv. „elektronske glodalice” i one po pravilu imaju CNC-upravljanje u više osa kako je to naznačeno uz svaku operaciju prikazanu na slici 4.

Prethodno navedene operacije se mogu izvoditi u jedno ili više impulsnoj tehnici. Osim perforiranja tankih limova, kod koga se najčešće jednim impulsom izrađuje jedan otvor, ostale operacije se po pravilu izvode kao više impulsna obrada.

7

Page 8: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

5. STRUKTURA UREĐAJA ZA EBM-OBRADU

Uređaj za EBM obradu sačinjava nekoliko karakterističnih jedinica koje se mogu analizirati kao zasebne celine, a to su:

Elektronsko-optički stub za dobijanje, oblikovanje i vođenje snopa elektrona, tzv. elektronski top;

Radna komora za smeštaj radnih predmeta pri obradi; Vakuumska jedinica koja obezbeđuje potreban vakuum u elektronskom topu i radnoj

komori; Jedinica za nadzor i upravljanje procesom obrade i radom celog uređaja.

Na slici 1, na kojoj je šematski prikazan uređaj za EBM-obradu, mogu se uočiti dve najvažnije jedinice, odnosno elektronski top i radna komora.

Elektronski top, čiji spoljni izgled je prikazan na slici 5, sačinjavaju dva dela: izvor snopa elektrona, uključujući i elemente za regulisanje njegove jačine, i sistem za oblikovanje i vođenje snopa elektrona.

Slika 5. Elektronsko-optički stub uređaja za EBM-obradu

8

Page 9: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

U poglavlju 2. opisan je izvor snopa elektrona i pri tome je pomenuto da se struja elektrona koja izlazi iz katode reguliše i oblikuje pomoću čašaste Wehnelt-ove elektrode. Regulisanje struje I s

se postiže promenom prednapona Uue pomenute elektrode u odnosu na katodu pri konstantnom naponu ubrzanja, kako je prikazano na slici 6.

Slika 6. Regulisanje struje snopa promenom prednapona upravljačke Wehnelt-ove elektrode

Prethodno opisana promena struje snopa pomoću Wehnelt-ove elektrode može se predsta-viti i analitički pomoću jednačine oblika:

I s=G ∙(U ue−U pz)3/2

U prethono datim relacijama je:Uue - prednapon upravljačke elektrode,Upz - napon kojim se potpuno zaustavlja prolaz elektrona, E - jačina polja katode i G - faktor geometrijskog rasporeda elektroda i oblika emisione površine katode.

Sistem za oblikovanje i vođenje snopa elektrona uglavnom sačinjavaju: magnetna sočiva za centriranje mlaza, blende, korektivna sočiva, specijalni optički sistem za posmatranje predmeta pri obradi, sa povećanjem do 70x, kao i ranije pomenuta magnetna sočiva za fokusiranje snopa elektrona na površinu obratka i za skretanje snopa elektrona po površini obratka.

Radna komora, u kojoj vlada vakuum od 1 do 10-2 Pa, služi za odvijanje samog procesa obrade snopom elektrona. Oblik i veličina radne komore zavisi od veličine radnih predmeta i veličine serije koja se obrađuje. U komori se nalazi radni sto za obratke koji može imati više translatornih i obrtnih kretanja.

9

Page 10: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 7. CNC-uređaj za obradu metala snopom elektrona

Slika 8. Postrojenje za zavarivanje sa pokretnim elektronskim topom

Slika 7 prikazuje izgled manjeg uređaja za obradu snopom elektrona koji ima sledeće karakteristike: snaga snopa 1 kW, zapremina komore 1,3 m3, raspolaže manipulatorom za obratke sa tri NU-ose i ima sistem za potpuno automatsko upravljanje uz pomoć računara.

Na slici 8 prikazano je vrlo veliko postrojenje za zavarivanje sa pokretnim 60/30 kV elektronskim topom, umesto obratka koji miruje, koje se koristi u raketnoj industriji, atomskoj tehnici i gradnji podmornica. Ima prečnik vakuumske komore od 13 m, a može da primi obratke mase do 25 t.

10

Page 11: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

6. TEHNOLOŠKE KARAKTERISTIKE EBM-OBRADE

6.1. UTICAJNI PARAMETRI NA PROCES OBRADE

U zavisnosti od područja primene, pri obradi snopom elektrona se mogu regulisati sledeći parametri obrade, s obzirom da oni bitno utiču na proces EBM-obrade:

Intenzitet snopa elektrona pomoću struje grejanja katode i napona upravljanja Wehnelt-ovom elektrodom;

Prečnik snopa na površini obratka fokusiranjem pomoću magnetnih sočiva; Vreme delovanja snopa, kontinualnim ili impulsnim radom; Brzina kretanja snopa po površini obratka.

Podešavanje prethodno datih parametara vrši se korišćenjem određenih fizikalnih ili empi-rijskim zavisnosti vezanih za snop elektrona od kojih su najvažnije:

Kinetička energija elektrona:

E=12me ∙ νe

2=e ∙U s

gde je: me=9,1 ∙10−28 (g) - masa elektrona,

e=1,602 ∙10−19 (C) - elektromagnetno naelektrisanje elektrona. Snaga snopa elektrona:

P = Ub · Is – neprekidni režim rada P = Ub · Is · f · ti = Ub · Li · f - impulsni režim radagde je: Ub = (20÷200) kV ± 0,01% - napon ubrzanja,

Is = 0,01÷100 mA, - jačina struje snopa elektrona,Li (C) - impulsno naelektrisanje snopa elektrona,f = 50 Hz do 50 kHz - frekvencija impulsa ti = 0,1÷106 μs - vreme delovanja impulsa.

Brzina elektrona u snopu:νe=5,9∙107 √U s

pri čemu je Ub u (V). Specifična snaga ili intenzitet snopa u fokusu:

q= 4 ∙ P

d f2 ∙ π

−102÷102 (kW/cm2) zavisno od područja primene

Prečnik snopa u fokusu:

d f=√ 4πPq

(mm)

df = 0,001 do više mm zavisno od područja primene. Dubina prodiranja elektrona u materijalu:

δ ≈2,1 ∙10−12U s2

p (cm) - važi za 10keV ≤eU s≤100keV

11

Page 12: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

δ ≈6,67 ∙10−11U s

53

p (cm) - važi za 10keV ≤eU s≤1MeV

gde je p(g/cm3) - specifična masa - gustina materijala obratka.Specifična snaga - intenzitet snopa u fokusu q i vreme delovanja impulsa snopa elektrona t i

su dva najvažnija tehnološka parametra kojima se definiše područje primene snopa elektrona, kako je prikazano na dijagramu slika 9.

Slika 9. Pregled područja različitih primena obrade snopom elektrona

12

Page 13: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

6.2. PROIZVODNOST, TAČNOST I KVALITET OBRADE

Proizvodnost pri obradi elektronskim snopom zavisi od niza faktora kao što su: specifična snaga u fokusu, vreme impulsa i pauze, površina na koju se snop fokusira, položaj fokusa u odnosu na površinu obratka, broj impulsa, brzina kretanja obratka, toplotno-fizičke karakteristike materijala koji se obrađuje i dr. Može se izražavati na različite načine u zavisnosti od područja primene. Tako npr. kod obrada skidanjem materijala, proizvodnost se izražava u mm3/min ili kom/s, kod perforiranja limova kao br. otvora/s, kod zavarivanja brzinom u m/s itd.

Slika 10. Eksperimentalno-računske vrednosti prečnika fokusiranog snopa u zavisnosti od napona ubrzanja i struje snopa

13

Page 14: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 11. Uticaj naelektrisanja impulsa na max. dubinu bušenja koja se može postići sa 10 000 impulsa

Slika 12. Uticaj položaja fokusa na potreban broj impulsa za različita naelektrisanja impulsa.Uslovi pri obradi: UB = 130 kV; ti = 10 μs; fi = 1000 Hz; MO čelik za opruge

14

Page 15: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Na slikama 10, 11 i 12 dati su dijagrami na kojima su prikazane neke međuzavisnosti parametara EBM-obrade koji uti-ču na proizvodnost, a dobijeni su eksperimentalnim putem. Sa dijagrama na slici 10 može se videti kako napon ubrzanja Us i struja snopa Is utiču na prečnik snopa u fokusu. Dijagram pokazuje da se manji prečnik snopa može dobiti pri većim naponima ubrzanja Us i manjim strujama snopa Is (za Us > 150 kV i Is = 1 mA prečnik snopa iznosi oko 9 μm). Kao što pokazuje dijagram na slici 11, veće dubine bušenja, pri istom broju impulsa, postižu se većim impulsnim naelektrisanjem Li, tj. većom strujom snopa Is i dužinom delovanja impulsa t (Li = Is·ti). Dijagram na slici 12 pokazuje pri svim vrednostima impulsnog naelektrisanja znatan uticaj položaja fokusa na broj impulsa koji je potre-ban da se izbuši jedan otvor. Za podatke date na dijagramu, optimalni položaj fokusa snopa iznosi oko 2 mm ispod površine obratka.

Tačnost obrade elektronskim snopom zavisi od energetskih parametara snopa i njihove stabilnosti, sistema za fokusiranje, tačnosti sistema za upravljanje impulsima, kao i tačnosti mehaničkih uređaja za pomak. Ona je vrlo visoka i obično se kreće u granicama 2÷4 μm. Konusni oblik fokusiranog snopa elektrona utiče da i oblik izbušenog otvora ima blagi konus kako je prikaza-no na slici 13. Ovde se radi o vrlo malim otvorima koji se buše sa jednim ili više impulsa bez skreta-nja snopa. Međutim, kod većih prečnika otvora ova greška se može ispraviti zakretanjem snopa tako da jedna strana konusa bude paralelna sa osom otvora, a potom njihovim rotiranjem u krug.

Kvalitet obrade koji se postiže elektronskim snopom spada u područje srednje fine obrade i kreće se od N7 do N9, dok je obrađena površina čista. Treba znati da se povećanjem kvaliteta obrade smanjuje pro-izvodnost pri obradi, pa zbog toga treba ići na minimalni kvalitet obrade koji zadovoljava funkciju dela koji se obrađuje.

15

Page 16: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

7. PODRUČJE PRIMENE

Tehnologija obrade snopom elektrona razvija se u nekoliko karakterističnih pravaca: Obrada skidanjem materijala, Zavarivanje i lemljenje mikro elemenata, Topljenje i isparavanje metala; Kaljenje i površinsko oplemenjavanje.

Koristi se za obradu svih vrsta materijala (metalnih i nemetalnih), bez obzira na njihova mehanička svojstva i hemijski sastav. S obzirom na dimenzije „reznog alata”, koje mogu biti mikrometarske vrednosti, ovim postupkom se obavljaju prvenstveno mikro obrade (npr. izrada integralnih kola – čipova), ali je isto tako moguća primena i za makro obrade (npr. zavarivanje velikih delova i rezervoara). U nastavku se daju neki karakteristični primeri primene EBM–obrade.

7.1. OBRADE SKIDANJEM MATERIJALA

Proces EBM–obrade u kome se oblikovanje postiže odstranjivanjem materijala sa mesta obrade opisan je u tački 3, dok je u tački 4. dat pregled najvažnijih proizvodnih operacija. Kao što se iz toga može videti, na ovaj način mogu se bušiti otvori (normalni, duboki malog prečnika, konični ili pod određenim uglom), perforirati tanki limovi, obrađivati profilni prorezi i gravure, vršiti različite vrste graviranja, seći različiti materijali i dr.

7.1.1. Bušenje otvora elektronskim snopom

Ovim postupkom se mogu bušiti različiti otvori, kako po geometrijskom obliku, tako i po dubini i položaju ose. Ako je odnos dubina otvora/prečnik veći, onda se to smatra klasičnim bušenjem i izvodi se sa više impulsa koji slede jedan za drugim. Međutim, ako je odnos dubina otvora/prečnik manji (najviše 5:1), što je slučaj kod tankih limova, a uz to je i broj istih otvora vrlo veliki, onda se to naziva perforiranjem, koje se tako izvodi da se sa jednim impulsom najčešće obradi jedan otvor.

Raznovrsnost materijala koji se na ovaj način mogu obrađivati (čelik, mesing, aluminijum, rubin, safir, sintetički i prirodni dijamant itd.) i mogućnost bušenja ekstremno malih otvora prečnika svega 10 μm, glavne su odlike i prednosti ovog postupka u odnosu na druge konvencionalne i nekonvencionalne metode obrade.

16

Page 17: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 14. Primer bušenja glave komore za sagorevanje kod helikoptera

Na slici 14 prikazana je glava komore za sagorevanje kod helikoptera prečnika 317 mm od legure kobalta sa 3730 kosih otvora Ø0,9 mm sa uglovima nagiba između 90° i 25° u odnosu na po-vršinu obratka, koji služe za hlađenje. Ovi otvori su izbušenih snopom elektrona sa tolerancijom međusobnog položaja ±0,1 mm, tako da vreme takta, koje se računa od početka rada vakuumske pumpe za radnu komoru do izlaska izbušenog dela, iznosi oko 20 min. Ovi podaci dovoljno rečito govore o efikasnosti postupka EBM–obrade.

Drugi primer se takođe odnosi na otvore za hlađenje na turbinskim lopaticama, slika 15. Na izlaznoj ivici lopatice izbušen je niz gusto poređanih otvora Ø0,4 mm dubine 5 mm, a na ulaznoj ivici u istom skladu niz kosih otvora. Kroz koso izbušene otvore ubacuje se hladan vazduh koji se kao laminarni film raspoređuje iznad površine metalnog dela i tako ga štiti od delovanja pregrejanih radnih gasova.

Slika 15. Turbinske lopatice sa gusto izbušenim otvorima za hlađenje na ulaznoj i izlaznoj ivici

17

Page 18: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Perforiranje otvora je veoma čest proizvodni zadatak. Radi se o gusto izbušenim otvorima različitog geometrijskog oblika na tankim limovima. Ova obrada se veoma efikasno izvodi primenom snopa elektrona, što potvrđuju i podaci dati na dijagramima, slika 16. Pada u oči da se ovom tehnikom mogu bušiti otvori najmanjeg prečnika od 50 μm na materijalima debljine 50 μm, a najvećeg prečnika 1 mm na materijalima debljine 5 mm. To je uglavnom područje u kome se klasično bušenje ili prosecanje teško može primeniti, dok bi to za elektrohemijsku i elektroerozivnu obradu bio specifičan slučaj obrade.

Slika 16. Područje prečnika i brzina perforiranja primenom snopa elektrona

Tipičan primer primene perforiranja prikazan je na slici 17. Radi so o filterskom bubnju od nerđajućeg čeličnog lima debljine 0,1 mm sa otvorima Ø0,2 mm, za potrebe prehrambene industrije, izbušenim postupkom perforiranja sa brzinom obrade od 3000 otvora u sekundi.

Slika 17. Filterski bubanj za prehrambenu industriju

18

Page 19: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

7.1.2. Izrada profilnih proreza i gravura

Obrada otvora, proreza, gravure i dru-gih formi složenih oblika (vidi sliku 4/a,b,c i f) sa jednim jedinim impulsom se ne može uvek ostvariti. U takvim slučajevima se koristi višeimpulsna tehnika koja najčešće podrazumeva i skretanje elektronskog snopa ili pomeranje obratka. Skidanje materijala snopom elektrona ostvaruje se slično obradi klasičnim glodanjem ili bušenjem. Skretanje elektronskog snopa i pomeranje obratka ostvaruje se odgovarajućim računarskim programima saglasno datoj konturi, uz istovremeno delovanje snopa elektrona visokom frekvencijom.

Na ovaj način se može obrađivati: metal, grafit, staklo, keramika, sintetički materijali i dr. Na slici 18 dat je primer profilnih proreza izrađenih EBM–glodanjem.

Slika 18. Profilni prorezi izrađeni EBM–glodanjem

7.1.3. Graviranje metala i keramike

Visoka preciznost i brzina obrade snopom elektrona omogućile su još jedno područe njegove racionalne primene, koje je ranije bilo ograničeno na hemijsko nagrizanje ili mehaničko graviranje. Radi se, dakle, o graviranju, koje ovde nije ograničeno samo na označavanje delova radi identifikacije, već znatno šire. Na slici 19 dat je primer sitnih gravura na valjku za duboku štampu izrađenih pomoću snopa elektrona.

Mala udubljenja-gravure, prečnika oko 100 μm i dubina koje odgovaraju rasteru slike (kreću se od 0 do preko 30 μm), nose farbu za štampanje. Mala zapremina znači slabije, a velika jače tonove boje. Pored različitih štamparsko-tehničkih preimućstava, ovaj ekstra brzi postupak graviranja valjaka imaće u budućnosti mogućnost da se aktuelne informacije u slici digitaliziraju i prenesu na daljinu, a potom u kratkom vremenu visokokvalitetno odštampaju.

Napredak elektronske industrije, posebno kompjuterske tehnike, umnogome zavisi od načina gradnje i proizvodnih postupaka koji će omogućiti dobijanje finih struktura. Graviranje i bušenje nepečene keramike snopom elektrona dovodi do proizvodnje delova višeslojne keramike. Više tanko graviranih ploča (širina gravure oko 50 μm), se postave jedna na drugu, a fini kanali se zaliju metalom, čime se dobija trodimenzionalno sastavljeni sistem mreže provodnika.

19

Page 20: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 19. Primeri gravura na valjcima za duboku štampu izrađenih snopom elektrona a), b) i c) – primeri udubljenja za prijem boje različitog prečnika i dubine

7.1.4. Graviranje naparenih metalnih slojeva

Na sličan način, kao kod prethodno opisanog graviranja keramike, vrši se i graviranje naparenih metalnih slojeva. Snop elektrona se upravlja pomoću računarskog programa, tako da se obradom postigne gravura željene geometrije električnih kola, slika 20.

Iz naparenog metalnog sloja (npr. tantal na substratu stakla) izrade se mreže otpornika. U toku obrade mogu se precizno meriti otpornosti kola i vršiti kalibrisanje. Visoka brzina kalibrisanja omogućuje ekonomičnu proizvodnju velikih serija. Jednostavnom izmenom računarskog programa, menja se i geometrija električnog kola, što je od posebnog značaja kod pojedinačne ili maloserijske izrade za potrebe istraživanja.

Slika 20. Gravura hibridnog električnog kola širina traga 40 μm, bizina graviranja 5 m/s

20

Page 21: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

7.1.5. Sečenje elektronskim snopom

Postupak sečenja se bazira na zagrevanju obratka kontinualnim ili pulzirajućim elektronskim snopom sa lokalnim razvojem takve specifične snage koja je u stanju da proizvede najpovoljnije termofizičke, termohemijske, hidrodinamičke, gasodinamičke i erozivne procese za odvajanje materijala.

Snop elektrona pada na površinu obratka i u prvom trenutku jedan deo površine materijala isparava, dok se potpovršinski sloj zagreva do tačke topljenja. Čim ispareni materijal napusti zonu delovanja, snop elektrona pada na već zagrejani sloj materijala i izaziva njegovo isparavanje ili sagorevanje, čime nastaje procep (rez) u obratku. Pomeranjem snopa elektrona ili obratka po određenoj putanji ostvaruje se isecanje željene konture.

Brzina sečenja može biti i do 50 m/s, zavisno od snage elektronskog snopa, materijala obratka i njegove debljine, vrste uređaja i sistema za fokusiranje. Posebna pogodnost koju pruža ova vrsta obrade je izuzetno mala širina reza (oko 25 μm), što je posebno značajno pri sečenju skupih i kvalitetnih materijala. Mala širina reza obezbeđuje preciznu obradu elemenata najsloženije konfiguracije.

7.2. TOPLOTNE OBRADE POMOĆU SNOPA ELEKTRONA

Kao što je ranije rečeno u ovu grupu spadaju obrade kod kojih se razvijena toplota koristi samo za zagrevanje ili topljenje materijala. Prema tome, pri obradi se vrši samo promena metalurškog stanja, ali ne i odvajanje materijala.

7.2.1. Topljenje materijala

Proces topljenja materijala se koristi za livenje, čišćenje metala od nemetalnih uključaka, legiranje itd. Kod njega se elektronski snop koristi za zagrevanje do prelaska materijala iz čvrstog u tečno stanje.

Na slici 21 data je opšta šema topljenja materijala pomoću elektronskog snopa. Šipka 5 za topljenje stoji u horizontalnom položaju i pomera se lagano prema snopu 2 koji je usmeren prema otvoru kristalizatora. Istopljeni materijal 6 pada u kristalizator 9 koji se intenzivno hladi vodom. Izliveni blok 8 se lagano pomera naniže pomoću šipke 10, tako da istopljeni materijal uvek pada sa iste visine u zonu koja se intenzivno hladi.

Proces topljenja elektronskim snopom omogućava istovremeno i precizno livenje, tako što se rastopina dobijena pomoću elektronskog snopa, kada dostigne potrebnu masu, automatski sipa u kalupe za precizno livenje, slika 21 - dole desno.

Elektronske peći se izrađuju kako za male količine materijala (nekoliko grama) tako i za velike (nekoliko tona), slika 22. U njima se koriste snažni elektronski snopovi snage koja se kreće i do nekoliko MW, sa naponom ubrzanja od 20 do 30 kV i relativno malom specifičnom snagom snopa do 102 kW/cm2.

21

Page 22: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 21. Šema topljenja materijala elektronskim snopom1. elektronski top; 2. elektronski snop; 3. ostvarivanje vakuuma; 4. radna komora;

5. šipka za topljenje; 6. kapljice materijala; 7. rastopina; 8. telo izlivenog bloka; 9. kristalizator hlađen vodom; 10. šipka za povlačenje bloka; 11. senzor za praćenje procesa

Slika 22. Čelični blok dobijen u elektronskoj peći EMO 1200 Dimenzije: prečnik 800 mm; dužina 3000 mm; masa 12 t

22

Page 23: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

7.2.2. Isparavanje materijala

Kod ove primene se snop elektrona koristi za zagrevanje rastopljenog materijala do temperature pri kojoj nastaje isparavanje tj. za prelaz materijala iz tečnog u gasovito stanje.

Slika 23. Princip isparavanja materijala pomoću elektronskog snopa 1. elektronski top; 2. elektronski snop; 3. površina delovanja elektronskog snopa;

4. vakuumska komora; 5. grejač substrata; 6. substrat; 7. dobijena prevlaka; 8. struja metalne pare; 9. zaklon za paru; 10. ostvarivanje vakuuma; 11. površina isparavanja; 12. otopljeni deo materijala;

13. materijal za isparavanje; 14. lonac koji se hladi vodom.

Proces isparavanja materijala se koristi za nanošenje prevlaka različitog tipa i kvaliteta, površinsko legiranje itd. Na slici 23 prikazana je uprošćena šema uređaja za isparavanje mate-rijala pomoću elektronskog snopa u cilju presvlačenja. Materijal na koji se nanosi prevlaka – substrat 6 se zagreva na određenu temperaturu, dok se lonac 14 u kome se zagreva materijala za isparavanje iznutra hladi vodom. Površinski sloj materijala 12 je rastopljen, a na njegovoj spolja-šnoj površini 11, na koju pada elektronski snop, se ostvaruje proces isparavanja. Manji deo kine-tičke energije snopa elektrona troši se na zagrevanje materijala po dubinu, dok se najveći deo troši za postizanje visoke temperature na površini materijala koji isparava. Ispareni materijal se kondenzuje na obratku u vidu tanke presvlake.

Za isparavanje se koriste uređaji snage nekoliko MW, sa naponima ubrzanja od 20 do 30 kV. Specifična snaga iznosi do 102 kW/cm2.

23

Page 24: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

7.2.3. Zavarivanje

Primena elektronskog snopa u tehnologiji zavarivanja datira još od 50-tih godina ovog veka. Ono predstavlja tehnološki proces koji karakteriše topljenje materijala na mestu spajanja-zavarivanja elemenata i odvija se bez primene dodatnog materijala.

Efekat dubinskog zavarivanja pomoću snopa elektrona, opisanog u tački 3, bitno se razlikuje od uobičajenih metoda zavarivanja kod kojih se toplotna energija odaje samo na površini, a odatle provođenjem prodire u unutrašnjost materijala. Na taj način se ostvaruju relativno plitki a široki zavari, slika 24/a. Kod dubinskog zavarivanja snopom elektrona, kako je već opisano, nastaje uska i duboka zona topljenja materijala, pa se tako obrazuju uski i duboki zavari, slika 24/b. Zbog toga se primenom ovog postupka zavarivanja postižu vrlo visoke tačnosti, tako da se mogu zavarivati i prethodno obrađeni delovi bez potrebe za njihovom naknadnom doradom.

Slika 24. Primeri zavara ostvarenih na leguri titanaa) izveden WIG–postupkom; b) izveden snopom elektrona

Kod velikih zupčanika i drugih po-gonskih elemenata (kaišnici, lančanici, zamajci i dr.) ovim načinom konstruisanja postiže se, osim bolje tehnološke pro-hodnosti, i povoljnije iskorišćenje materijala; primer na slici 27 gde je razlika u prečnicima zupčanika vrlo velika.

Ovakav način konstruisanja delova pogodan je i sa stanovišta racionalnijeg korišćenja materijala, zbog toga što se na svakom mestu mogu primeniti oni materijali koji su najpovoljniji zavisno od opterećenja tog dela u eksploataciji, slika 26.

24

Page 25: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 25. Primer dvojnog zupčanika izrađenog primenom EBM-zavarivanja

Slika 26. Propeler pumpe izrađen od dva različita materijala i zavaren snopom

Slika 27. Primer konstrukcije pogonskog zupčanika zavarenog EBM-postupkom

25

Page 26: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Na slici 28 dat je izgled postrojenja za zavarivanje snopom elektrona sa CNC upravljanjem koje se koristi u istraživačke svrhe. Termički stepen iskorišćenja elektronske mašine za zavarivanje iznosi 70÷98%, zavisno od parametara zavarivanja i materijala. U tome je znatna prednost zavarivanja snopom elektrona u poređenju sa zavarivanjem pomoću lasera.

Termički stepen iskorišćenja elektronske mašine za zavarivanje iznosi 70÷98%, zavisno od parametara zavarivanja i materijala. U tome je znatna prednost zavarivanja snopom elektrona u poređenju sa zavarivanjem pomoću lasera.

Najveći nedostatak zavarivanja snopom elektrona je potreba postojanja vakuuma u pro-storu za zavarivanje, koji inače veoma korisno utiče na metalurške efekte u zoni zavara, ali je njegovo održavanje skupo. Radi toga su razvijene poluvakuumske mašine za zavarivanje, a po-znate su i mašine koje zavaruju snopom elektrona u atmosferi. Pod normalnim pritiskom snop elektrona se intenzivno rasipa (zbog sudaranja elektrona sa molekulima gasa), ali je ipak moguće ostvariti intenzitet snopa od 106 W/cm2 i stepen iskorišćenja od 95%.

Slika 28. Postrojenje za zavarivanje, kaljenje i oplemenjivanje površina pomoću snopa elektrona ESA 5/60-CNC

(Istraživački institut „Manfred von Ardenne“ - Dresden)

26

Page 27: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

7.2.4. Kaljenje i površinsko oplemenjavanje

Kod postupka kaljenja i oplemenjivanja površina, vidi šemu na slici 4/i, energija snopa elektrona se koristi za zagrevanje površinskog sloja materijala obratka na određenu temperaturu koja se može regulisati u skladu sa sledećom jednačinom:

θ=I s ∙U s

c √ t i3πgde je: US (V) - napon ubrzanja,

Is (A) - jačina struje snopa, c (J/kg·K) - specifična toplota materijala obratka i ti (s) - vreme delovanja impulsa snopa elektrona.

Pod kaljenjem se podrazumeva transformacija strukture materijala u čvrstoj fazi bez rastapanja, dok se površinsko oplemenjavanje odvija topljenjem preko faza: čvrsta - tečna - čvrsta. Temperaturski ciklus pri kaljenju bez topljenja traje od 10-5 do 10-1s, a pri površinskom oplemenjavanju sa topljenjem od 10-3 do 1 s.

27

Page 28: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

8. JONSKA IMPLANTACIJA

8.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE PROCESA

Pored nanošenja prevlaka, primenjuju se i drugi postupci za poboljšanje svojstava površinskih slojeva, zasnovani na promeni hemijskog, strukturnog i fizičko-mehaničkog stanja materijala u tankim površinskim slojevima. Jedan od tih postupaka je i implantiranje legirajućih elemenata u površinske slojeve osnovnog materijala, odnosno jonska implantacija, slika 29.

Postupak jonske implantacije razvijen je, sredinom šezdesetih godina prošlog veka, za proizvodnju poluprovodnika. Bombardovanje površina jonima visokog energetskog stanja, pri implantiranju legirajućih elemenata u površinske slojeve osnovnog materijala, stvara velike mogučnosti oplemenjavanja površinskih slojeva. Proces ne podleže složenim termodinamičkim zakonima koji važe za ravnotežne procese difuzije i rastvaranja, a omogućuje formiranje metastabilnih površinskih struktura i značajno unapređenje karakteristika površinskih slojeva.

Slika 29. Jonska implantacija

Jonska implatacija je proces implantacije jona legirajućeg materijala u površinsku strukturu osnovnog materijala. Proces se odvija u vakuumskoj komori, bombardovanjem snopom jona velike brzine, energije od nekoliko MeV. Joni prodiru do dubine od 0,01 µm, gubeći pri tom energiju u sudarima sa atomima osnovnog materijala.

Osnovne prednosti jonske implantacije su: brza promena sastava površinskog sloja, realizacija procesa pri niskim temperaturama, nema promena dimenzija predmeta obrade, nema oštrine granice između oplemenjenog sloja i osnovnog materijala, kontrolisana dubina i raspodela koncentracije legirajućih elemenata, vakuumska čistoća procesa i visok stepen kontrole i pouzdanosti procesa.

28

Page 29: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Osnovni nedostaci jonske implantacije su: nemogućnost obrade predmeta složene konfiguracije, relativno skupa oprema i znatno povećanje cene radnog komada podvrgnutog ovoj obradi.

Tipičan uređaj za jonsku implantaciju (slika 30) se sastoji od izvora jona, akcelatora, separatora, sistema za fokusiranje, rešetke - dijafragme i sistema za skeniranje površine. Joni se ekstrakuju iz jonskog izvora elektrodom visokog potencijala, a zatim ubrzavaju prema „cilju“. Jonski izvor proizvodi jone različitih vrsta, a među njima i jone koji nisu neophodni za proces jonske implantacije. Zbog toga svaki uređaj poseduje separator, koji obezbeđuje da do predmeta obrade stižu samo joni određene vrste. Po prolasku kroz separator snop se fokusira i usmerava prema komori sa radnim predmetom i kroz dijafragmu dospeva na površinu. Skeniranje snopa, po obrađenoj površini, obezbeđuje ravnomernu implantaciju jona.

Slika 30. Šema tipičnog uređaja za jonsku implantaciju

29

Page 30: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

8.2. EFEKTI JONSKE IMPLANTACIJE

Joni visoke energije, pri prodiranju u osnovni materijal, izazivaju na svom putu veliki broj sudara u tankom površinskom sloju. To dovodi do izbijanja atoma i gubitka osnovnog materijala iz površinske zone (slika 31). Joni argona, na primer, sa energijom 60keV, koji padaju upravno na površinu bakra, mogu izbiti približno sedam atoma bakra. Energija prodirućih jona se prenosi na veliki broj atoma osnovnog materijala, ali samo prvi suradi mogu imati za posledicu izbijanje atoma.

Osim izbijanja atoma, dolazi i do premeštanja i međusobnog mešanja atoma različitih vrsta unutar materijala. Svaki od atoma u nanosloju površine tvrdog tela (koji sadrži približno 10 15

atoma/cm2) se, u procesu implantacije, pod udarima jona pomera u proseku sto puta. Koncentracija legirajućih elemenata, po dubini implantiranog sloja pri maloj dozi jona, odgovara Gausovom zakonu raspodele, sa centrom u sredini dubine prodiranja jona. Praktična primena jonske implantacije zahteva uvećanje koncentracije implantirane promene u osnovnom materijalu za nekoliko procenata, što zahteva velike gustine jona. Uobičajena doza za to iznosi oko 10 17

jona/cm2. Pri ovako velikim gustinama jona, izbijanje atoma, mešanje atoma i izmena hemijskog sastava, postaju dominantan faktor u određivanju stanja implantiranog materijala tako da je debljina sloja materijala uklonjenog udarima jona, uporediva sa dubinom prostiranja implantiranih jona. Raspodela koncentracije implantiranih jona po dubini dostiže maksimum u blizini same površine (slika 32).

Slika 31. Prikaz izbijanja atoma osnovnog materijala

30

Page 31: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 32. Koncentracija atoma po dubini implantiranog sloja

8.3. TRIBOLOŠKI ASPEKTI IMPLANTACIJE POVRŠINA

Rezultati eksperimentalnih istraživanja ukazuje na pozitivno dejstvo implantacije na povećanje otpornosti na habanje i smanjenje disipacije energije u tehničkim sistemima (slika 33).

Rezultati istraživanja promene koeficijenata trenja (µ) u funkciji puta trenja (s), za slučaj kada su implantirani azot (N+) i aluminijum (Al+) u gvožđe (Fe) i azot (N+) u titan (Ti), pre i posle implantacije, prikazani su na slikama 33 i 34.

Slika 33. Promena koeficijenta trenja na putu trenja implantiranog (a) ineimplantiranog (b) čelika

31

Page 32: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 34. Prikaz stanja nitriranog sloja i osnovnog materijala pre (a) i posle (b) jonske implantacije

Povećanje otpornosti na habanje je prikazano na slici 35. Eksperiment je obavljen na „pin-on-disk“ tribometru. Sa navedenih slika se vidi da su koeficijenti trenja znatno manji kod implantiranih kontaktnih površina. Osim bitnog smanjenja koeficijenta trenja, za implantiranje materijale ostvareno je i veliko povećanje otpornosti na habanje, posebno za slučaj implantacije azota u titan (N+/Ti). Implantiranje je obavljeno sa gustinom od 1017 jona/cm2.

Slika 35. Tipičan profil pohabanog dela diska

32

Page 33: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Kao primer mogu poslužiti i rezultati istraživanja jonske implantacije, borom (B) i argonom (Ar) na nerđajućem čeliku, prikazan je na slici 36.

Dijagram zavisnosti koeficijenta trenja od broja ciklusa relativnog kretanja čelične kugle po ploči pokazuje izrazitu redukciju koeficijenta trenja (od 0,75 na 0,15),koja nastaje B -implantacijom.

Slika 36. Zavisnost koeficijenta trenja od broja ciklusa za neimplantirani i B - implantirani čelik (50 keV, 1017 jona/cm2)

Uticaj implantacione doze B - jona na koeficijent trenja je prikazan na slici 37. Kada je implataciona doza ispod 1016 jona/cm2, uticaj je zanemarljiv, međutim, sa porastom doze iznad 1017

jona/cm2 dejstvo postaje signifikantno. Ako je količina izbijenih atoma 2 atoma/jonu, onda kritična doza, pri kojoj površinski sloj ima maksimalnu koncentraciju, iznosi aproksimativno oko 3·1017

jona/cm2.

33

Page 34: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 37. Uticaj implatacione doze B - jona na koeficijent trenja

Međutim pri istim uslovima ispitivanja, implantacija argonom pokazuje savim suprotne rezultate. Na slici 38 prikazan je uticaj Ar - implantacije na koeficijenat trenja pri kontaktnom normalnom opterećenju od 0,98 N. Slični rezultati dobijeni su i pri drugim opterećenjima.

Slika 38. Zavisnost koeficijenta trenja od broja ciklusa neimplantiranog i Ar - implantiranog čelika (40 keV, 1017 jona/cm2)

34

Page 35: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Na smanjenje disipacije energije u procesu trenja implantiranih površina i povećanje njihove otpornosti na habanje, u svakom slučaju, utiče formiranje hemijskih jedinjenja (TiC i Al2O3), metastabilnih rastvora i amorfnih mešavina, promena radijusa zaobljenja vrhova mikrogeometri-jskih neravnina (usled raspršivanja materijala) i stvaranje polja zaostalih unutrašnjih napona. Na slici 39 prikazan je izgled jednog uređaja koji se koristi za jonsku implantaciju.

Slika 39. Prikaz uređaja za jonsku implantaciju

35

Page 36: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

9. ZAKLJUČAK

Danas se postupak obrade snopom elektrona primenjuje za širok spektar proizvodnih operacija kao što su: bušenje malih otvora, izrada prostornih gravura, sečenje materijala, graviranje, topljenje i isparavanje metala, zavarivanje i lemljenje, termička obrada i oplemenjavanje površina itd, pri čemu u nekim slučajevima bez ikakve druge alternative.

36

Page 37: Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

10. LITERATURA

1. B. Vasiljević i B. Nedić, Modifikovanje Površina, Kragujevac, 2003.2. D. Milikić, Nekonvekcionalni postupci obrade, Novi Sad, 2002.3. Web adresa: www.google.com

www.wikipedia.org

37