Электронно-лучевая обработка горячеоцинкованной стали тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

Специальность: 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1996

Работа выполнена в Липецком государственном техническом

университете

I

Научный руководитель:

доктор физико математических Игорь Николаевич наук, член-корреспондент РАН, Мешков профессор, главный научный сотрудник

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Александр Егорович Лигачев

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Сергей Александрович Коренев

Ведущая организация:

Всероссийский электротехнический институт, г.Москва

Защита состоится " И " 199.tr. в ¿У^ 'час.

на заседании Специализированного -'Совета Д-047.01.06 при Лаборатории сверхвысоких энергий ОИЯИ, г.Дубна, Московской области. ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ Автореферат разослан " 1 " ' о.199^г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физико-математических наук

В/Г.Кривохижин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В практике производства автомобильного листа существует проблема его коррозионной стойкости., Экономически наиболее приемлимым метолом завиты, удовлетворяющим всем требованиям, являются цинковое и органическое покрытия, наносимые на лист. Для увеличения коррозионной стойкости оптового покрытия широко применяется диффузионный отжиг оцинкованной полосы, дальнейшее увеличение коррозионной стойкости и адгезионной прочности может быть получено с помощью электронно -лучевой обработки остросфокуслрованным пучком в вакууме. Проведение обработки в вакууме дополнительно позволяет существенно расширить выбор материала покрытия. Создание технологии электронно - лучевой обработки цинковых покрытий позволяет родить одну из главнейиих задач производства автомобильного листа, что и определяет ее актуальность.

. Цел^м работы являлось создание технЬлогии электроннолучевой обработки горячерциякованного стального листа, позволяющей получить увеличение коррозионной стойкости покрытия а повышение прочности его адгезии. Решение этой проблемы было невозможно без исследования особенностей процесса взаимодействия интенсивного пучка электронов с металлом. Конечной целы) работы была разработка основных принципов построения промышленной технологической системы для электроннЬ - лучевой обработки горячеоцинкованной стали. ||

Научная новизна. Дл« обработки цинкового покрытия в качестве энергоносителя предложено использовать остроефокусированный электронный пучок, что позволяет получать на поверхности покрытия микрорельеф обеспечивающий хорошее сцепление лакокрасочных покрытий. Низкий

\

коэффициент отражения электронов от поверхности металла (не более 10-15 Ч) позволяет получить высокий КПД процесса. Найден режим обработки, при1 котором тепло выделяется в поверхностном слое.

Практическая ценность. ( 6 результате проведенных исследований разработана технология электронно-лучево! обработки цинковых покрытий автолиста, которая может быть реализована в производстве. Разработанная технология позволяет выпускать автолист с увеличенной коррозионной стойкостью, повышенной пластичностью, более высокой адгезией лакокрасочных покрытий. Разработаны основные принципы построения промышленной технологической системы для электронно - лучевой обработки горячеоцинкованной стали.Среди преимуществ такой технологии перед традиционными методами термической обработки следует отметить: высокую производительность, возможность полной автоматизации и экологическую чистоту.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на заседании Координационного Совета ГНТП "Машины, технологии и производства будущего", Липецк, 1992; Семинаре "Обработка материалов пучками заряженных частиц", Липецк, ЛГТУ, 1993; 3-й Всероссийской конференции "Модификация конструкционных материалов пучхами заряженных частиц", Томск, 1994; Международном симпозиуме уПучковые технологии С Bean technologies ВТ'95 5", Дубна', ОИЯИ 1996; 15-ом Всероссийском семинаре-совеаании по проблеме промышленного технологического применения мощных электронных лучков, Москэа, ВЭИ 1995.

По теме диссертации опубликовано ( 2 статьи ' и 4 сообщения в тезисах конференций и семинаров.

Объем и структура диссертации, Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения и содержит 118 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 38 наименований.

2 1

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ТЕЗИСЫ

1.Метод электронно-лучевой обработки горячеоцинкован-ной стали в вакууме С включая выбор режима обработки),

2.Изменения макро и микроструктуры и структурно - ■ фазового состава приповерхностного слоя горячеоцинкованной стали в результате электронно - лучевой обработки в вакууме.

3.Повышение более чем в два раза коррозионной стойкости горячеоцинкованной стали в результате этих изменений.

4,Основные принципы построения промышленной технологической системы для электронно - лучевой обработки горячеоцинкованной стали.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены пути решения проблемы увеличения коррозионной стойкости горячеоцинкованной стали и пластичности цинкового покрытия стального листа, в частности', с помощью электронно-лучевой обработки. Дан краткий анализ подобных технологий, направленных на увеличение коррозионной стойкости горячеоцинкованного стального листа.

В главе X дается краткое описание технологии жидкофазного способа нанесения цинковых покрытий, Рассмотрено строение цинкового покрытия, полученного в расплаве, и процесс образования железоцинковых фаз. Представлено расположение фаз цинкового покрытия, их структура и микротвердость. Рассмотрены недостатки покрытия, полученного этим методом.

Цинковое покрытие состоит из нескольких слоев (фаз), В поверхностной зоне основного металла образуется а - фаза. Зрна а - фазы является переходной от основного металла к

слою покрытия. Непосредственно на поверхности стали находится Г - фаза в виде очень узкой С толщиной 1-3 ыкм) полосы. Стехиометрический состав Г - фазы соответствует соединению Ре.гп. или Ре Ип . В системе Ре - 2п Г-фаза наиболее твердая и, вероятно, наиболее хрупкая. После зоны Г - фазы в цинковом покрытии следует слой фазы <У(. При травлении обнаруживается две зоны фазы 61: примыкающая к Г - фазе компактная зона Сб11с), без выявленной структуры, и зона, состоящая из кристаллов с явно выраженной столбчатой (волокнистой) структурой - так называемая зона полисадов С(51п). Считают, что стехиометрический состав - фазы отвечает формуле Ре2пт или Ре2п1ол Следующая за 6 - фазой ( - фаза обычно имеет ярко выраженную столбчатую структуру. Стехиометрический состав отвечает Ре2п,, Несмотря на сравнительно низкую твердость! ( - фаза очень хрупкая, что, повидимому, объясняется ее строением. Верхний слоя покрытия (т) - фаза) представляет собой твердый раствор железа в цинке.

Такая оложная структура , цинкового покрытия и переходного слоя гп - Ре во многом объясняет проблемы, возникающие при практическом использовании горячеоцинкованной стали. Прежде всего, . покрытие имеет рисунок кристаллизации, образующийся на его поверхности в процессе цинкования, резко ухудшающий качество дальнейшей окраски. Затем присутствие Г - фазы приводит к охрупчиванию покрытия и снижению его пластичности. Наконец, структура покрытия и переходного слоя стимулирует возникновение коррозионных процессов. Изначальной задачей, которая ставилась в исследованиях описываемых в диссертации, был поиск метода обработки, позволяющего получить покрытие, лишенное этих недостатков.

Глава П посвящена электронно-лучевой обработке горячеоцинкованной стали релятивистскими электронами в атмосфере. Рассмотрены особенности теплофиэического процесса при взаимодействии электронного пучка с металлом.

Дано рраткое описание ускорителя ЭЛВ-4, промышленно выпускаемого ИЯФ СО РАН,( и результаты электронно-лучевой обработки горячеоцинкованной стали в атмосфере. Общий вид системы для обработки стальной полосы с покрытием представлен на рис.1.

В результате электронно-лучевой обработки электронами с энергией 1,5 МэВ удалось устранить рисунок кристаллизации на поверхности покрытия, было получено покрытие типа "зеркальная дорожка" (см. рис.2). Одновременно с этим положительным результатом, был установлен, с помощью электронно-зондового микроанализа и вторично-ионного масс-анализа, факт увеличения переходного слоя Fe-Zn С в среднем на 1 мкм) за сче1- термически стимулированной диффузии Fe t Zn. Увеличение размера переходной зоны приводит к увеличение размеров зоны существования хрупкой Г - фазы CFesZnio), что значительно ухудшает качество покрытия, прежде всего снижает его адгезионную прочность. Кроме того, обработка электронным пучком с энергией 1,5 МэВ вызывает падение пластичности материала.

Поэтому было решено перейти на обработку электронами достаточно низкой энергии - такой, чтобы вся энергия выделялась непосредственно в поверхностном слое цинкового покрытия.

В главе III рассматривается обработка нерелятивистскими электронами в вакууме. Дается описание технологической электронно-лучевой установки УРОК (см. рис.3), предназначенной для размерной обработки различных конструкционных материалов, разработанной в институте Ядерной физики СО РАН. Представлены результаты воздействия пучка и даны оценки теплового режима при электронно-лучевой обработке цинкового покрытия в вакууме.

В процессе обработки при сканировании пучка электронов по поверхности образца образуются дорожки, которые приводят к исчезновению рисунка кристаллизации, в итоге поверхность становится матовой и шероховатой. В результате улучшается

Рис.1 Общий вид системы для обработки стальной полосы с покрытием.

т

Рис.2 Образец горячеоцинкованной стали после электронно-лучевой обработки с покрытием типа "зеркальная дорожка".

качество окраски. Вид поверхности образца горячеоцинкованной стали до облучения представлен на рис.4, а после электронно-лучевой обработки на рис. "5 Макроструктура обработанной поверхности представлена на рис. 0.

Испытания на коррозионную стойкость, проводившиеся в камере с повышенной влажностью, выявили ее увеличение более чем в два) раз!.

Из-за ограниченности размеров обрабатываемых образцов не были проведены механические испытания стальной основы. Результаты микрорентгеноспектрального анализа распределения Ге в обработанной зоне показывают, что размеры переходной зоны изменились мало. Однако, граница раздела фаз с большим содержанием Ге и фаз с малым его содержанием выявилась более отчетливо. Можно полагать, что зона существования • хрупкой Г-фазы I СО,19 - 0,31 ат. доля Ге) существенно уменьшилась. Это предположение было проверено на модели, включающей описание динамики теплового процесса и диффузии в поверхностном слое при электронно-лучевом воздействии [1-3,5]. Результаты расчетов дали качественное совпадение с результатами эксперимента.

Контрольные испытания образцов, обработанных по |

традиционной технологии, на прочность сцепления покрытия с основным металлом и структурные исследования выявили присутствие сетки мелких несквозных трещин и наличие ; столбчатой структуры в переходной зоне. В результате ;

электронно-лучевой обработки эта сетка трещин и столбчатая , { структура исчезают. 1 I

Глава IV посвящена описанию эскизного проекта |

технологической установки для электронно-лучевой обработки |

I горячеоцинкованной стали. Сформулированы основные принципы |

построения этой установки для промышленного применения и к

оценены ее параметры. |

Принципиальная схема агрегата электронно-лучевой :

! обработки покрытий САЭЛОП) представлена на рис. 7 ;

9 ^

» | ;

Рис 4 Поверхность образца горячеоцинкованной стали . до облучения.

рис,6 Макроструктура обработанной поверхности X 50

к источнику питания

Направление движения листа

к источнику питания

Рио. 7.Схема агрегата термической обработки покрытий (описание в тексте}

Установка состоит из электронной пушки 1 , соединенной через шибер 2 с электронно-оптическим трактом, в котором обеспечивается дифференциальная откачка 3 . Тракт состоит из фокусирующих устройств 4 , камеры смещения-переноса пучка 5 , и камеры развертки б . Камера смещения переноса отделена от камеры магнитной фокусировки и камеры развертки диафрагмами. Развернутый (сканирующий) пучок поступает в рабочую камеру 7 , в которой происходит обработка листа. Установка симметрична относительно плоскости оцинкованного листа.

В заключении приводятся основные | результаты, полученные в диссертации.

1. Разработан метод электронно-лучевой ' обработки горячеоцинкованной стали.

2.Найден оптимальный режим обработки при котором существенно улучшаются физические характеристики покрытия:

исчезает узор кристаллизации и появляется микрорельеф;

- повышается однородность структуры покрытия;

- изменяется характер концентрационных распределений в переходной зоне, зона существования хрупкой Г - фазы существенно уменьшается;

уменьшается склонность покрытия к трещинообразованию. '' I

В результате этих изменений коррозионная стойкость горячеоцинкованной стали увеличивается более чем в 2 раза.

3.Показана возможность создания технологической установки, действующей на основе разработанного, метода, предложена и обоснована схема установки, определены ее расчетные' параметры.

Основные результаты диссертации излагались в следуюи1их работах:

1.А.H.Балакин, М.Г.Исаков, В.А.Карпёльев, А.П.Каденко, И. Н.Мешков. Электронно-лучевая обработка покрытий горячеоцинкованной стали. Тезисы докладов III конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Том 1 с. 58-99 Томск 1994

2. A.N.Balakln, M.G.Isakov, А. P.Kastchenko, J I.N. Meshkov, О,S.Slrokovsky. The electron beam treatment of

heat - ¿lnced steel. lst International symposium "Beam technologies" report thesls's CBT'95). Vol. Beams ln technologies p. 45 Dubna, Russia 1995.

, 3. A. H. Балакин, М.Г.Исаков, В. A. Карпельев, A. П. Кащенко, И. H. Мешков. Электронно-лучевая обработка горячеоцинкованной стали. Вороне*: ВГУ, 1996, 7 с.

4. H. М. Александрова,В.Н. Карпельев, А. П. Кащенко, В.Н.Лазарев, И.Н.Мешков, В.В.Селин,1 Г.С.Строковский. Радиационно-термическая обработка валков остросфокусированным пучком электронов//' Сталь, 1996, N1 с. 63-65.

5. А. Н. Балакин, М. Г. Исаков, В. А. Карпельев, А. П. Кащенко, С.А.Коренев, И.Н.Мешков, Г.С. Строковский. Электроннб-лучевая обработка горячеоцинкованной стали. Тезисы докладов IV Всероссийской конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц", с. 270-272 Томск 1996.

6. В. А. Голубев, А.П.Какенко, 0. Й. Левчегов, И.Н.Мешков, 0. Г. Сгепашкин, Г. С. Строковский. Размерная обработка материалов электронным пучком в вакууме. Тезисы докладов IV Всероссийской| конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц", с. 273 Томск 1996.

;!чназ£35^от996г.'Гир. jjtfjlaôораторич опертгишо"; полигинии В1У