Патент на изобретение №2221056

(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационной модификации изделий из металлических сплавов на основе железа, в частности, к изделиям из быстрорежущих сталей, применяемых для холодной и горячей механической обработки металлов и металлических сплавов, например резанием. Изобретение направлено на увеличение эффективности и повышение экономичности способа. Результат достигается тем, что облучают электронами обратную, противоположную рабочей, поверхность изделия в интервале интегральных потоков 110¹ – 110¹⁸ эл/см². 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационной модификации изделий из металлических сплавов, в частности, к изделиям из быстрорежущих сталей, применяемым для холодной и горячей механической обработки металлов и сплавов, например резанием.

Известен способ радиационной обработки твердых сплавов на основе кобальта [1], заключающийся в облучении их интегральными потоками электронов Ф в интервале от 10¹³ до 410¹⁸ эл/см² при потоке электронов 610¹³ эл/см²с и энергиях электронов 1,2 и 1,8 МэВ.

Недостатками известного способа являются:
– недостаточная эффективность при относительно малых значениях интегрального потока электронов: при Ф=10¹³-10¹⁵ эл/см² микротвердость изменялась незначительно и лишь в интервале 10¹⁷-210¹⁸ эл/см² она возрастала на 18%;
– малая экономичность из-за большой длительности процесса обработки (8000-32000 секунд, т.е. (2 ч 13 мин – 9 ч).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ радиационной обработки металлических сплавов интегральными потоками электронов, равными 510¹⁷ эл/см², с энергией электронов, равной 2 МэВ, и потоком электронов 6 10¹³ эл/см²с [2].

Недостатками известного способа являются:
– низкая экономичность способа из-за большой длительности процесса обработки (8000 секунд 2 ч 13 мин);
– недостаточная эффективность способа в части увеличения пластичности обрабатываемых материалов.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение эффективности и повышение экономичности способа.

Указанный результат достигается тем, что облучают обратную, противоположную рабочей поверхность изделия в интервале интегральных потоков от 10¹ до менее 110¹⁸ эл/см².

Отличительными признаками заявляемого способа обработки изделий из металлических сплавов являются:
– облучение электронами обратной, противоположной рабочей поверхности изделия;
– выбор в качестве нижнего предела интервала интегральных потоков электронов, значения, равного 110¹ эл/см²;
– выбор в качестве верхнего предела интервала интегральных потоков электронов значения, меньшего 110¹⁸ эл/см².

Установлено, что облучение электронами обратной, противоположной рабочей поверхности изделия почти всегда (почти при всех значениях Ф) приводит к увеличению пластичности приповерхностного слоя, прилегающего к рабочей поверхности, тогда как на облучаемой поверхности весьма часто увеличивается твердость, т.е. уменьшается пластичность.

Нижний предел интегральных потоков электронов, используемых в изобретении, составляет 110² эл/см². Нашими опытами установлено, что в ряде случаев даже при столь малых значениях Ф, как 10¹10² эл/см², наблюдаются заметные относительные изменения механических характеристик металлических сплавов.

Верхний предел интегральных потоков электронов, указанный в формуле изобретения, составляет менее 110¹⁸ эл/см². Это значение найдено нами экспериментально и основано на том, что наблюдаемый положительный эффект – относительное изменение микротвердости – отсутствует в пределах ошибки измерений при Ф=110¹⁸ эл/см².

Необходимо подчеркнуть, что резкое уменьшение используемых значений интегральных потоков электронов не только повышает экономичность способа, но и увеличивает его эффективность.

Заявленный способ осуществляют следующим образом. Изделия из металлических сплавов на основе железа облучают электронами в интервале интегральных потоков от 110¹ до менее 110¹⁸ эл/см². При этом используют радиоизотопный источник электронов, содержащий смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90 (Sr⁹⁰+Y⁹⁰), применявшийся во всех наших экспериментах. Этот источник электронов обладает рядом преимуществ по сравнению с обычно используемыми ускорителями электронов (как, например, в способе-аналоге [1] и способе-прототипе [2]), главными из которых являются: отсутствие потребления электроэнергии, большой срок службы, малые габариты и простота эксплуатации. Энергетический спектр электронов источника Sr⁹⁰+Y⁹⁰ весьма широк: он простирается от практически нулевых энергий до Е₀=2,27 МэВ [3, 4] . Кривая распределения бета-частиц по энергиям имеет максимум E_max1/3E₀ 0,76 МэВ [3]. В наших опытах поток электронов варьировался в широких пределах: в зависимости от значений интегрального потока электронов Ф он изменялся от 0,14 эл/см² с до 10¹² эл/см²с. Время облучения t, зависящее от сочетания и Ф, также изменялось в широких пределах от секунды или нескольких секунд до 11,5 суток при 10¹² эл/см²с и Ф=110¹⁸ эл/см². Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом.

Образцы, изготовленные из металлических сплавов до и после радиационной обработки, исследовались методом измерений микротвердости. Результаты представлены в приводимых ниже примерах.

Пример 1. Образцы толщиной 4,5 мм, изготовленные из стали 40Х13, подвергались облучению электронами от источника Sr⁹⁰+Y⁹⁰. Интервал использованных интегральных потоков электронов (Ф) составил 110²-110¹⁸ эл/см². До и после облучения измерялась микротвердость на обеих плоских поверхностях образцов, облученной электронами и противоположной ей. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Из табл. 1 видно, что, как правило, облучение электронами приводит к уменьшению микротвердости на необлученной стороне, тогда как на облученной стороне наблюдается как уменьшение, так и увеличение микротвердости. Максимальные изменения микротвердости на необлученной стороне наблюдаются как в начале, так и в середине и конце (110¹⁷ эл/см²) интервала Ф (H/H₀ равно соответственно – 13,3% и – 31,6 и -15,6%. В то же время при Ф=510¹⁷ эл/см² H/H₀= +10,0%. При Ф=110¹⁸ эл/см² H/H₀ мало и находится в пределах ошибок измерения. (H = H-H₀, где H– микротвердость на необлучаемой стороне образца после облучения электронами другой стороны, Н₀ – начальное (исходное) значение микротвердости на необлучаемой стороне). Из табл. 1 следует также, что на облученных электронами поверхностях образцов уменьшение микротвердости наблюдается гораздо реже, чем на необлученных поверхностях (в трех и восьми случаях соответственно). Кроме того, максимальное относительное уменьшение микротвердости на облученной поверхности существенно меньше, чем на необлученной поверхности (-12,6% и -31,6% соответственно). Поскольку уменьшение микротвердости означает увеличение пластичности, то отсюда следует вывод о значительно большем увеличении пластичности на необлученных электронами поверхностях образцов.

Необходимо подчеркнуть, что относительное увеличение микротвердости на необлученной электронами поверхности образца (+10,0% при Ф=510¹⁷ эл/см²) сравнимо или превышает относительное увеличение микротвердости на облученных электронами поверхностях образцов (соответственно +9,0% и +5,0%).

Следует особо отметить, что относительное уменьшение микротвердости (H/H₀= -13,3%) на необлученной поверхности достигается при минимальном в условиях опыта значении Ф=110² эл/см².

Пример 2. Образцы толщиной 5 мм, изготовленные из быстрорежущей стали Р6М5, подвергались облучению электронами от источника Sr⁹⁰+Y⁹⁰. Интервал использованных интегральных потоков электронов составил 110¹-110¹² эл/см². До и после облучения измерялась микротвердость на обеих плоских поверхностях образцов, облучаемой электронами и противоположной ей. Результаты измерений представлены в таблице 2.

Из табл. 2 видно, что облучение электронами всегда приводит к уменьшению микротвердости на необлученной стороне, тогда как на облученной стороне наблюдается как уменьшение, так и увеличение микротвердости при Ф=110⁶ эл/см². Максимальные изменения микротвердости на необлученной стороне наблюдаются в середине и конце интервала Ф (H/H₀ равно соответственно -14,6% и -22,0%).

Следует особо подчеркнуть, что в способе [2], выбранном нами за прототип, отмечалось, что при использованном в [2] режиме облучения электронами (энергия электронов Е= 2 МэВ, интегральный поток Ф=510¹⁷ эл/см², поток = 510¹³ эл/см²с), микротвердость в пределах ошибок не изменялась при облучении как быстрорежущих сталей Р18 и Р6М5, так и сталей 9ХС, 9Х6Ф, У8 и Ст. 55. В наших опытах, результаты которых представлены в примерах 1, 2, наблюдались изменения микротвердости при облучении электронами. Весьма важно оценить ошибки измерений в наших экспериментах и составить их с относительными изменениями микротвердости H/H₀.
Это сопоставление проведено в таблицах 1-2. Из них следует, что во многих случаях как в инструментальной стали 40Х13, так и в быстрорежущей стали Р6 М5 изменения микротвердости явно превосходят ошибки измерений. Однако при 110¹⁸ эл/см² (сталь 40Х13) ошибка измерений в 5 раз превосходит H/H₀. Подчеркнем также, что всюду, за исключением значения Ф=510¹⁷ эл/см² для стали 40Х13, на необлученных поверхностях образцов наблюдалось уменьшение микротвердости.

Отметим еще раз отличия между облученными электронами и необлученными, противоположными поверхностями образцов. Для инструментальной стали 40Х13 на облученных поверхностях наблюдается как уменьшение, так и увеличение микротвердости. На противоположных облученным поверхностях (кроме вышеупомянутой точки Ф=510¹⁷ эл/см²) наблюдается только уменьшение микротвердости, причем для необлученных поверхностей значения H/H₀ по модулю в основном выше, чем для облученных. Для быстрорежущей стали Р6М5 наблюдается иная картина. Во всех случаях, кроме точки Ф=110⁶ эл/см², когда значения H/H₀ превышали ошибку измерений, микротвердость уменьшалась на обеих поверхностях образцов. Однако надо иметь в виду, что образцы из быстрорежущей стали Р6 М5 исследовались только в интервале Ф=110¹-110¹² эл/см², тогда как образцы из инструментальной стали 40Х13 исследовались в интервале 110²-110¹⁸ эл/см².

Предлагаемое изобретение основано на обнаруженном авторами двух новых эффектах, один из которых может быть назван “эффектом аномально малых доз”, а другой – “эффектом аномального дальнодействия”.

1. Эффект аномально малых доз
При характеристике способа-аналога [1] выше отмечалось, что микротвердость в [1] заметно изменялась лишь в интервале Ф=510¹⁷– 210¹⁸ эл/см². Более того, предпринятая в [1] проверка результатов работы [5] о влиянии малых доз ионизирующей радиации на механические свойства твердых сплавов не подтвердила эти результаты: в [1] микротвердость не изменялась в интервале Ф= 10¹³-10¹⁵ эл/см². В наших опытах не только подтверждены результаты работы [6] о влиянии малых значений Ф, равных 10¹²-10¹⁴ эл/см², на свойства материалов, но показано, что даже аномально малые значения Ф=10¹-10² эл/см² изменяют микротвердость сталей 40Х13 и Р6М5. Таким образом, установлено, что уменьшение значений Ф на 10-11 порядков по сравнению с минимальным значением Ф в работе [6] не препятствует проявлениям “эффекта малых доз” [7].

2. Эффект аномального дальнодействия
Глубина проникновения d электронов в железо – основной компонент стали 40Х13, рассчитываемая по формуле [8]:

где Е – энергия электронов, выраженная в МэВ, а – плотность мишени, выраженная в г/см³, даже для максимальной энергии электронов источника, равной 2,27 МэВ, составляет 1,21 мм. Напомним, что толщина образцов из стали 40Х13 равнялась 4,5 мм.

Предположение о том, что свойства на противоположной поверхности образца изменяет тормозное излучение, также не выдерживает критики. Рассчитываемая по формуле [8]
D(P)=510^-10E(МэВ)N(-квантов/см²),
где N – число -квантов/cм², D – экспозиционная доза -излучения, выраженная в рентгенах, при принятых нами допущениях (N=Ф) равна 10^-7 P=0,1 мкР. В то же время образец получает каждый час 10-12 мкР благодаря естественному фону радиоактивного излучения.

Выполнение сформулированных выше условий обеспечивает увеличение пластичности и соответственно срока службы инструмента при тяжелых условиях работы (черновая обработка, работа по корке и т.п.) в несколько раз. Напротив, невыполнение данных условий незначительно увеличивает или даже резко снижает работоспособность изделий из инструментальных сталей при тяжелых условиях их работы.

Источники информации

3. Яворский Б. М. , Детлаф А.А. Справочник по физике / М.: Физматгиз, 1963. – 848с. – С.751.

4. Таблицы физических величин. Справочник под ред. академика И.К. Кикоина / М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с. – С.834.

5. Изменение структуры сплава BK при воздействии малых доз

7. Мамонтов А.П., Чернов И.П. Эффект малых доз ионизирующего излучения / М.: Энергоатомиздат, 2001. – 286с.

8. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика / М.: Наука. – 672с.

Формула изобретения

Способ обработки изделий из металлических сплавов на основе железа, включающий облучение электронами, отличающийся тем, что облучают обратную, противоположную рабочей поверхность изделия в интервале интегральных потоков от 110¹ до менее 110¹⁸ эл/см².

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 05.04.2007

Извещение опубликовано: 27.02.2008 БИ: 06/2008

Изменения:

Публикацию о досрочном прекращении действия патента считать недействительной.

Номер и год публикации бюллетеня: 6-2008

Извещение опубликовано: 27.03.2008 БИ: 09/2008

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 05.04.2008

Извещение опубликовано: 20.05.2009 БИ: 14/2009