Создание защитных и упрочняющих покрытий методами электронно-лучевой обработки в вакууме

СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНЫХ 
И УПРОЧНЯЮЩИХ 
ПОКРЫТИЙ МЕТОДАМИ 
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
ОБРАБОТКИ В ВАКУУМЕ

М.В. РАДЧЕНКО
Ю.О. ШЕВЦОВ
Т.Б. РАДЧЕНКО

Москва
ИНФРА-М
2020

МОНОГРАФИЯ

УДК 621.791.72(075.4)
ББК 30.61
 
Р15

Радченко М.В.
Р15 
 
Создание защитных и упрочняющих покрытий методами электронно-лучевой обработки в вакууме : монография / М.В. Радченко, 
Ю.О. Шевцов, Т.Б. Радченко. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 252 с. — 
(Научная мысль). — DOI 10.12737/1000599.

ISBN 978-5-16-014712-3 (print)
ISBN 978-5-16-107219-6 (online)
В монографии изложены основные теоретические и прикладные вопросы процессов электронно-лучевой термообработки, плакирования 
и наплавки в различных отраслях промышленности.
Рассмотрены аппаратурные и технологические аспекты, особенности 
формирования структуры металлов и сплавов, а также закономерности 
изменения таких физико-механических свойств, как твердость, износостойкость, коррозионная стойкость, теплопроводность. Даны конкретные 
примеры использования электронного луча для создания упрочняющих 
и защитных покрытий.
Может быть рекомендована как учебное пособие для студентов, аспирантов технических вузов, инженеров-исследователей и практических работников, занятых в области сварочного производства.

УДК 621.791.72(075.4)
ББК 30.61

Р е ц е н з е н т ы:
Атрощенко В.В., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой современных методов сварки и контроля конструкций 
Уфимского государственного авиационного технического университета;
Смирнов А.Н., доктор технических наук, профессор, директор, профессор кафедры технологии машиностроения Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева

ISBN 978-5-16-014712-3 (print)
ISBN 978-5-16-107219-6 (online)
© Радченко М.В., Шевцов Ю.О., 
Радченко Т.Б., 2020

Введение

Дальнейшее наращивание использования в машиностроении, 
станкостроении и инструментальном производстве дорогостоящих, 
высоколегированных сплавов как экономически, так и по комплексу прочностных свойств является малоперспективным. Большинство научно-технических программ как в нашей стране, так 
и за рубежом предусматривают развитие энерго-, материало- и ресурсосберегающих технологических процессов для создания упрочняющих, износостойких, антикоррозийных и других функциональных покрытий на деталях машин, механизмов и инструменте. 
Этим требованиям в полной мере отвечают процессы с использованием электронно-лучевого нагрева материалов в вакууме.
Дополнительным ресурсом повышения долговечности деталей 
является сочетание металлургических преимуществ вакуумной технологии плавки металлов и сплавов с достоинствами порошковых 
материалов с заданными физико-механическими свойствами.
Анализ современного состояния теории и практики создания 
защитных покрытий с использованием энергии электронных 
пучков показал, что существенное улучшение качества поверхности деталей невозможно без глубокого изучения основных теплофизических процессов модифицирования, закономерностей 
структурообразования, системного и комплексного исследования 
физико-механических и эксплуатационных свойств упрочняющих 
и защитных покрытий.
Использование электронных пучков различной мощности 
в разных защитных средах для термической и металлургической 
обработки поверхности сплавов без должного обоснования, отсутствие систематизированных сведений о характере формирования 
упрочняющих слоев металла и защитных покрытий во многих вариантах технологических процессов являются одними из основных 
причин, сдерживающих широкое применение прогрессивных технологических процессов в производстве машин, механизмов и инструмента.
Таким образом, решение проблемы создания деталей машин 
и инструмента с рабочими поверхностями, обладающими высокими 
эксплуатационными показателями: твердостью, износостойкостью, 
коррозионной стойкостью, и изучение теплофизических и физикомеханических свойств защитных покрытий и упрочняющих слоев, 
выполненных с использованием электронных пучков в вакууме, 
и технологических процессов, разработанных на этой базе, имеет 
большое значение в условиях рыночной экономики.

Глава 1
ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ 
МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ 
И ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ЭЛЕКТРОННЫМ 
ЛУЧОМ

1.1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

В настоящее время широко исследуются и промышленно применяются теплофизические процессы создания упрочняющих и защитных покрытий на поверхности деталей машин и инструмента 
с использованием высокоэнергетических источников теплоты. Так, 
наряду с методами термической, химикотермической обработки 
поверхности известны работы по изучению сферы возможного использования для этих целей энергии солнечных лучей [1], исследованию возможностей метода нанесения разнообразных по составу 
износостойких покрытий при ВЧ-распылении (распылением в высокочастотной плазме) [2...4], применению термомагнитной обработки (закалки поверхности) сталей [5].
В области теоретических и практических разработок с использованием концентрированных потоков энергии для улучшения свойств металлов и получения упрочняющих и защитных 
покрытий широко известны работы М.Ф. Жукова, В.Е. Панина, 
Б.Е. Патона, Б.А. Мовчана, В.С. Чередниченко, Л.И. Тушинского, 
П.В. Решедько, А.А. Дерибаса, Б.Д. Цемаховича, В.В. Башенко, 
Ю.С. Борисова, О.П. Солоненко, В.В. Марусина, А.П. Алхимова, 
С.П. Бугаева, Н.В. Спиридонова, Л.К. Дружинина, А.Н. Шалая 
и др. авторов, в области теории и технологии лазерной обработки — 
А.Г. Григорянца, А.Н. Сафонова, Г.А. Абильсиитова, Л.И. Миркина, 
А.А. Углова, В.В. Шибаева.
Известны работы, в которых рассматриваются структурные и металлофизические особенности процесса нанесения защитных покрытий с использованием ударных волн или энергии взрыва [6...8].
При этом отмечается, что особенностью покрытий, полученных 
из расплава порошковых сталей типа Х18Н15, является высокая 
скорость охлаждения расплава — 104...106 оС/с, что позволяет обеспечить их высокие эксплуатационные показатели [6].
Некоторые работы посвящены более изученным процессам 
поверхностного упрочнения, например, при помощи эрозионной 
обработки быстрорежущих инструментальных сталей типа Р6М5 

с энергией импульса 0,001...0,004 Дж и длительностью импульса 
3...12 мкс [9, 10]. Такие покрытия обладают малой толщиной 
(20...30 мкм) при закалке основного металла, а при использовании 
предварительно нанесеннного защитного материала и его локального оплавления толщина покрытий может достигать десятых 
долей миллиметра.
Наиболее известны в этой области работы по использованию 
высококонцентрированных потоков энергии, таких как ионные, 
плазменные, лазерные и электронные пучки. Так, при использовании метода ионно-лучевой обработки поверхности различных 
сталей отмечается повышение износостойкости в широком диапазоне: среднеуглеродистых сталей — в 2...3 раза [11...13], а штам-
повых сталей для изготовления фурм для литья пластиков — в 20 
раз [14].
Конкурентоспособность ионной имплантации обусловлена достаточно низкими температурами ведения процесса, отсутствием 
короблений и необходимости доводочных операций механической 
обработки. В зарубежной практике считается, что этот метод 
вышел за пределы лабораторных исследований и нашел применение для упрочнения конкретных изделий: волок из инструментальных сталей для волочения прутков, шнеков, вырубного инструмента [12]; частично это нашло отражение в отечественной 
технической литературе [15]. Но ввиду недостаточной изученности базовых технологических положений, сложности, высокой 
стоимости и недостаточной распространенности оборудования эти 
процессы пока не получили широкого применения в практике отечественных предприятий.
Существенный вклад в развитие процессов создания защитных 
покрытий с применением электронных пучков внесли Б.А. Мовчан, 
А.Л. Тихоновский, Н.А. Ольшанский, И.Л. Поболь, Г.А. Месяц, 
Ю.Е. Крейндель, С.И. Белюк, В.И. Итин, В.Л. Ауслендер, Р.А. Салимов, Л.П. Фоминский, I. Arata, A. Ivata, R. Zenker, S. Shiller, 
I. Artinger и др. исследователи.
К достаточно изученным и эффективным процессам нанесения 
защитных покрытий относится метод напыления композиционных 
покрытий прямым испарением материала в вакууме с использованием мощных электронных и ионных пучков [16...26]. Одним из достоинств этого метода является возможность получения жаростойких 
многокомпонентных покрытий, например системы Ni-Co-Cr-Al-Y, 
обладающих в диапазоне температур 750...850оС высокими показателями термоциклической и циклической прочности в течение 10...15 
тыс. часов. [16, 17, 24]. Это позволяет использовать метод осаждения 
покрытий из парогазовой фазы для защиты таких ответственных 
изделий, как лопатки газотурбинных установок с экономическим 

эффектом 300 тысяч рублей на одну установку (все цены и тарифы 
здесь и далее указаны по уровню декабря 1990 г.).
К достоинствам этого метода также можно отнести возможность 
использования не только специальных установок для электроннолучевого испарения материалов в вакууме, но и существующих достаточно распространенных в промышленности установок для электронно-лучевой сварки, термообработки типа А.306.13 [22] и других 
подобного типа, как с термонакальными, так и плазменными электронно-лучевыми пушками. Аналогичные приемы использования 
существующей электронно-лучевой аппаратуры отмечаются и в зарубежных организациях. Так, фирмой «ЛЭВ-Нахрихтен» совместно 
с научно-исследовательским институтом Манфреда фон Арденне 
в г. Дрезден создана установка для электронно-лучевого напыления 
в вакууме на стальной прокат (ленту, проволоку, полосы) на базе 
установки типа ЕВА 150–80/80 c пушкой мощностью 80 кВт, используемой также с 1985 г. в Японии [18]. Установка имеет широкие технологические возможности по нанесению разнообразных 
металлов и сплавов, как тугоплавких (Та, Мо), так и легкоплавких 
(типа Sn), в виде однослойного, многослойного, одностороннего, 
двухстороннего покрытий на ленте или проволоке.
Наряду с отмеченными положительными сторонами метода 
прямого электронно-лучевого (ПЭЛ) испарения в вакууме в работе [16] отмечается, что возможны две причины (нестабильность 
параметров процесса испарения и осаждения или избирательность 
массопереноса компонентов), которые могут привести к неоднородности в распределении концентраций элементов по глубине 
покрытий. Последнее приводит к неоднородности физикомеханических и эксплуатационных свойств. Кроме того, этот способ 
до недавнего времени имел существенное ограничение по толщине 
создаваемых покрытий, которая составляла 20...50 мкм, и в редких 
случаях несколько больше.
Последние 10...12 лет стали эпизодически появляться публикации (Б.Е. Патон, Б.А. Мовчан, R.W. Gardiner, McMaconelly) 
о разработке способов, позволяющих методом электронно-лучевого 
испарения и осаждения из паровой фазы при производительности 
10...15 кг/ч получать массивные заготовки, например сплава Al-CrFe толщиной до 150 мм, шириной до 1 м и массой до нескольких 
тонн, пригодные для прокатки и экструзии [20, 27].
Однако необходимо отметить, что эти разработки еще не имеют 
широкого распространения в практике предприятий и фирм. Кроме 
того, с учетом необходимости большой мощности электронного 
пучка и длительности процесса испарения и осаждения композиционных материалов, такой способ больше пригоден для специфических изделий, при выполнении которых стоимость произ

водственного процесса не имеет решающей роли, а используемый 
метод является единственно возможным.
Математическое моделирование тепловых процессов при воздействии электронных пучков на материалы достаточно подробно представлено в работах известных авторов — Н.Н. Рыкалина, И.В. Зуева, 
А.А. Углова и других ученых. Однако в большинстве работ не учитывается наиболее часто используемый в практике упрочнения случай 
оплавления поверхности сканирующим электронным пучком. Этот 
случай требует своего подхода для анализа теплового состояния обрабатываемых материалов и влияния основных технологических параметров процесса упрочнения на такие определяющие характеристики, 
как скорость охлаждения металла в интервале температур кристаллизации, время нахождения металла в жидком состоянии и др.
Наряду с наличием в технической литературе сведений о рассмотренных способах создания упрочняющих и защитных покрытий, использующих интенсивные и высококонцентрированные 
источники энергии, по степени научной обоснованности теплофизических процессов и развития производственной практики наиболее заметную роль имеют следующие:
ЗАКАЛОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ
 
– высокочастотная закалка (индукционная, высокочастотная 
импульсная закалка — ВИЗ);
 
– лазерная закалка (ЛЗ);
 
– электронно-лучевая закалка в вакууме:
а) без оплавления поверхности (ЭЛЗ);
б) с оплавлением (ЭЛО).
ПРОЦЕССЫ НАНЕСЕНИЯ И ЗАКРЕПЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ
ПОКРЫТИЙ
 
– нанесение композиционных покрытий струйно-плазменным 
способом;
 
– газодетонационное напыление;
 
– оплавление покрытий пламенем газовой горелки и струей 
плазмы;
 
– лазерное оплавление покрытий, предварительно нанесенных 
на защищаемую поверхность;
 
– электронно-лучевое оплавление покрытий, предварительно 
нанесенных на поверхность (плакирование).
МЕТОДЫ НАПЛАВКИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
 
– наплавка порошковых материалов токами высокой частоты 
(ТВЧ);
 
– наплавка плазменной струей (ПН);
 
– газопорошковая наплавка (ГПН) лучом лазера;
 
– электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) защитных материалов 
в вакууме.

В соответствии с вышеприведенной классификацией далее рассмотрены основные виды создания упрочняющих и защитных покрытий высококонцентрированными потоками энергии (ВКПЭ).

1.1.1. Закалочные процессы
Индукционная закалка является одним из наиболее изученных 
и распространенных способов поверхностного упрочнения поверхности деталей машин и инструмента, используемых в самых 
различных отраслях промышленности: сельхозмашиностроении, 
двигателестроении, инструментальном производстве [28...35]. 
Этот способ, впервые разработанный и внедренный в производство В.П. Вологдиным в 1936—1937 гг., позволяет получать 
равномерную толщину закаленного слоя по контуру поверхности, 
высокую твердость (например, 56...62 HRC для сталей 40, 40Х, 
30ХГСА) при малой остаточной деформации [29]. Причем процесс 
ТВЧ-закалки характеризуется высокой технологичностью, что обусловило его применение для таких сложных по профилю рабочей 
части деталей, как шестерни автомобилей, зубья фрез и пил.
Кроме процесса закалки поверхности, индукционный нагрев в отдельных случаях используется для создания защитных покрытий 
припеканием порошковых покрытий. Это дает возможность получать покрытия с относительно высокими физико-механическими 
свойствами: объемной пористостью до 3%, прочностью сцепления 
с основой 250...300 Н/мм2 и твердостью до 65 HRC (И.А. Сосновский) [31], а при использовании многократного цикла заряд-разряд 
на порошковом самофлюсующемся сплаве типа ПР-Н70Х17С4Р4 — 
получить микротвердость 1170 МПа [36]. Известны также примеры 
использования индукционного нагрева для повышения прочности 
сцепления до 200...210 МПа гальванических и газотермических покрытий на титановом сплаве (А.А. Шипко и др.) [37, 38].
Однако сравнение метода индукционного нагрева с методами 
нагрева высококонцентрированными потоками энергии по экономическим и физико-механическим характеристикам показывает 
преимущество последних. Так, при сравнении процессов закалки 
с помощью сканирующего электронного пучка в вакууме, лазерной 
закалки и индукционной закалки инструментальных Cr-Mo-Vсталей по показателям твердости ученые технического университета г. Браншвейг (Германия) Дж. Руг, С. Остман, И. Декер отдают 
предпочтение электронно-лучевому нагреву [39]. В процессе аналогичных сравнительных исследований сотрудников фирмы «Хитати 
сэйко» (Япония) и российских ученых установлено, что твердость 
стали 45 и ее японского аналога, обработанных электронным 
пучком, составляет 830 HV, а в случае ТВЧ-закалки — 690 HV 
(Т. Миянаги, П.В. Белков, А.Н. Бодров и др.) [40, 41].

Сравнение индукционного и электронно-лучевого нагрева по показателям энергоемкости процессов также указывает на преимущество последнего, т.к. при этом на единицу изделия необходимы 
примерно в 10 раз меньшие затраты, чем при ТВЧ-закалке [42, 43].
Последние 8—15 лет в Санкт-Петербургском государственном 
электротехническом университете, Институте теплофизики СО 
РАН, Алтайском НИИ технологии машиностроения и некоторых 
других организациях проводились достаточно интенсивные исследования по использованию нового способа — высокоэнергетической импульсной закалки (ВИЗ) токами высокой частоты [44, 45]. 
Этот способ характеризуется высокой плотностью энергии на площади нагрева (на уровне показателей для лазерной и электроннолучевой закалки), позволяет интенсивно закаливать материалы 
с получением твердости, превышающей значения твердости при 
обычных способах индукционной закалки, например, для чугуна 
СЧ 20 — до 56 HRC. Структура закаленного этим способом металла 
имеет очень мелкое зерно, а в отдельных случаях приобретает вид 
бесструктурного мартенсита, что обусловливает высокие показатели износостойкости поверхности.
Авторы работы [44] В.Г. Щукин и В.В. Марусин рассматривают 
динамику процесса закалки поверхности методом ВИЗ, исходя 
из положения, что этот способ при мощности генератора до 100 кВт 
позволяет отключать импульс энергии за время 10–4оС, что обеспечивает высокую скорость закалки.
Кроме того, что твердость поверхности, закаленной методом 
ВИЗ, обычно на 3...4 единицы по шкале HRC выше, чем при 
обычной ТВЧ-закалке, способ ВИЗ, выполняемый, как правило, 
в охлаждающей среде (воде), характеризуется малыми короблениями деталей. Такие преимущества нового способа служат залогом его широкого перспективного использования в производстве 
самых разнообразных деталей машин и инструмента.
Однако следует отметить и некоторые особенности этого способа, сдерживающие его распространение. К таким относятся, вопервых, высокая энергоемкость процесса (до 150...180 кВт в сравнении с 2...5 кВт при электронно-лучевой закалке с оплавлением 
поверхности), во-вторых, более низкий КПД даже в сравнении 
традиционным способом ТВЧ-закалки (за счет потерь на охлаждение индуктора). Кроме того, необходимо отметить сложность 
подготовки зазоров между индуктором и поверхностью детали для 
реализации условий высокой концентрации энергии и некоторое 
удорожание технологической аппаратуры за счет высокой стоимости специальных материалов в индукторе — ферритов.
Наиболее близким к электронно-лучевому нагреву по своей технической сущности является нагрев с целью закалки поверхности 

деталей лазерными пучками различной мощности. Это одно из направлений, наиболее интенсивно развивающихся в последние годы, 
получившее достаточно широкое развитие, как в научно-исследовательском, так и в прикладном аспектах, в различных странах 
мира (Россия, Беларусь, Украина, США, Германия, Япония, Китай, 
Италия и др.). Имеется большое количество научно-технических 
публикаций по исследованию структур, физико-механических 
и теплофизических особенностей самых разнообразных металлов 
и сплавов (стали, чугуны, сплавы на основе Al, Ti, Cu, Ni) после 
воздействия лазерного излучения [46...53].
В этих работах приводятся результаты исследований теплофизических основ лазерной закалки (ЛЗ), структурных и прочностных 
показателей материалов. Показано, например, что термообработка 
с применением лазеров мощностью 0,5...15 кВт позволяет получить закаленный слой толщиной до 1 мм с твердостью 55...65 HRC 
в сравнении с 50...60 HRC при ТВЧ-закалке [49]. Отмечается, 
что для лазерного упрочнения таких массивных деталей, как, например, коленчатые валы (ВНПО «Ремдеталь») [47], на глубину 
более 1 мм и ширину 8...10 мм с достаточно высокой производительностью процесса необходимо использование лазеров непрерывного действия мощностью 2...3 кВт и обязательное использование 
покрытий, повышающих способность поверхности поглощать лазерное излучение. При этом упрочнение повышает износостойкость 
в 1,5...3 раза по сравнению с неупрочненными валами.
На примере лазерного оплавления поверхности сплава на основе 
Al показано, что в оплавленном слое формируются три зоны: поверхность раздела между основным металлом и зоной сплавления 
с относительно грубой структурой, зона столбчатых дендритов 
и приповерхностная зона дисперсных равноосных дендритов. Твердость приповерхностной зоны на 25% выше твердости неоплавленного металла. При использовании дополнительного легирования 
поверхности порошком Fe происходит повышение твердости 
до 600 HV, что связано с быстрым затвердеванием поверхностного 
слоя расплава и созданием в нем пересыщенного раствора легирующих элементов в алюминии [51].
Однако способ лазерной обработки металлов имеет ряд недостатков, сдерживающих его более широкое применение в производстве и делающих его неконкурентоспособным в сравнении, например, с обработкой электронными пучками в вакууме. К таким 
недостаткам относится довольно высокая стоимость электромеханических систем управления лазерными лучами, которая может 
превышать стоимость самой лазерной установки [54]. По данным 
Лазерного центра г. Осака (Япония) в 1988 г. из 350 лазерных 
установок на СО2-лазерах 90% имели мощность в диапазоне