СПОСОБ РАДИАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ Российский патент 2004 года по МПК C21D1/09 

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационной модификации металлических сплавов на основе железа, в частности к быстрорежущим сталям, применяемым для изготовления изделий 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 4•10¹⁸ эл/см² при потоке электронов ϕ ≈6•10¹³ 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 5•10¹⁷-2•10¹⁸ 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 5•10¹⁷ эл/см², с энергией электронов, равной 2 МэВ, и потоком электронов ϕ ≈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 вследствие малости достигаемого положительного результата - во всех исследованных материалах микротвердость в пределах ошибок измерений не изменялась после облучения электронами.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение эффективности и повышение экономичности способа.

Указанный результат достигается тем, что облучение ведут в интервале интегральных потоков от 10¹ до менее 5•10¹⁷ эл/см².

Отличительными признаками заявляемого способа обработки изделий из металлических сплавов являются:
- выбор в качестве нижнего предела интервала интегральных потоков электронов значения, равного 10¹ эл/см²;
- выбор в качестве верхнего предела интервала интегральных потоков электронов значения, меньшего 5•10¹⁷ эл/см².

Нижний предел интегральных потоков электронов, используемых в изобретении, составляет 10¹ эл/см². Нашими опытами установлено, что в ряде случаев даже при столь малых значениях Ф, как 10¹÷10² эл/см², наблюдаются заметные относительные изменения механических характеристик металлических сплавов.

Верхний предел интегральных потоков электронов, указанный в формуле изобретения, составляет менее 5•10¹⁷ эл/см². Это значение найдено нами экспериментально и основано на том, что наблюдаемый положительный эффект - относительное изменение микротвердости - отсутствует при Ф=5•10¹⁷ 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.

Металлические сплавы на основе железа облучают электронами в интервале интегральных потоков от 10¹ до менее 5•10¹⁷ 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 Е_max ≈1/3Е₀≅0,76 МэВ [3] . В наших опытах поток электронов ϕ варьировался в широких пределах: в зависимости от значений интегрального потока электронов Ф он изменялся от 0,14 эл/см²с до ≈10¹² эл/см²с. Время облучения t, зависящее от сочетания ϕ и Ф, также изменялось в широких пределах от секунды или нескольких секунд до ≈23 суток при ϕ ≈10¹² эл/см²с и Ф=2•10¹⁸ 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, изготовленные из инструментальной стали ХВГ с нанесенным на них гальванически покрытием из Сr толщиной ≈6 мкм, подвергались облучению электронами от источника Sr⁹⁰+Y⁹⁰. Интервал использованных интегральных потоков электронов (Ф) составил 1•10¹³-2•10¹⁸ эл/см². После облучения образцы исследовались методом измерений микротвердости. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Из табл. 1 видно, что в начале интервала Ф уменьшение микротвердости (ΔН/Н₀) достигало (-19,3) ÷ (-20,1)%, а в конце интервала Ф (≈10¹⁷ эл/см²) максимальное уменьшение микротвердости достигало - 29%. На остальном интервале Ф, в том числе и при значении Ф, использованном в прототипе [2] (Ф= 5•10¹⁷ эл/см²), микротвердость в пределах ошибок измерения не изменялась. ΔH = H_β-H₀,, где H_β- значение микротвердости на облученной стороне, Н₀ - начальное (исходное) значение микротвердости).

Пример 2. Образцы, изготовленные из стали 40Х13, подвергались облучению электронами от источника Sr⁹⁰+Y⁹⁰. Интервал использованных интегральных потоков электронов (Ф) составил 1•10²-1•10¹⁸ эл/см². До и после облучения измерялась микротвердость на исследуемых образцах. Результаты измерений представлены в таблице 2.

Из табл.2 видно, что максимальное увеличение микротвердости (ΔН/Н₀=+9%) достигается в середине интервала интегральных потоков Ф. В начале и конце интервала Ф уменьшение микротвердости достигало (-8,2)÷(-12,6)%. В самом конце интервала Ф, в том числе и при значении Ф, использованном в прототипе [2] (Ф=5•10¹⁷ эл/см²) и при Ф=1•10¹⁸ эл/см² микротвердость в пределах ошибок не изменялась.

Пример 3. Образцы, изготовленные из быстрорежущей стали Р6М5, подвергались облучению электронами от источника Sr⁹⁰+Y⁹⁰. Интервал использованных интегральных потоков электронов составил 1•10¹-1•10¹² эл/см². До и после облучения измерялась микротвердость на исследуемых образцах. Результаты измерений представлены в таблице 3.

Из табл.3 видно, что максимальное уменьшение микротвердости (ΔH/H₀ = -19,3%) достигается в начале интервала Ф, а максимальное ее увеличение (ΔH/H₀ = +13,7%) - в середине интервала Ф. Необходимо отметить, что уменьшение микротвердости ΔH/H₀ = -12,0% соответствует Ф= 10¹ эл/см², а ΔH/H₀ = -19,3%-Φ = 10² эл/см². Таким образом, максимальное увеличение пластичности быстрорежущей стали Р6М5 происходит при облучение ее крайне малыми значениями интегральных потоков электронов.

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=5•10¹⁸ эл/см², поток ϕ= 5•10¹³ эл/см²с), микротвердость в пределах ошибок измерения 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 1-3, наблюдались изменения микротвердости при облучении электронами. Весьма важно оценить ошибки измерений в наших экспериментах и сопоставить их с относительными изменениями микротвердости ΔH/H₀. Это сопоставление проведено в таблицах 1-3. В большинстве случаев приведенные в них значения ΔH/H₀ хотя и невелики (5-29%), но явно превосходят ошибки измерений.

Таким образом, совершенно ясно, что неизменность (в пределах ошибок измерения) микротвердости в способе-прототипе обусловлена выбором значения Ф: Ф=const=5•10¹⁷ эл/см². Действительно, в примерах 1-3, там, где ΔH/H₀ превосходит ошибку измерения, Ф <5•10¹⁷ эл/см².

Предлагаемое изобретение основано на обнаруженном авторами новом эффекте, который может быть назван "эффект аномально малых доз". Действительно, полученные результаты, изложенные в примерах 1-3, отнюдь не являются тривиальными. При характеристике способа-аналога [1] выше отмечалось, что микротвердость в [1] заметно изменялась лишь в интервале Ф=5•10¹⁷-2•10¹⁸ 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].

Выполнение сформулированных выше условий обеспечивает увеличение износостойкости и срока службы инструмента в несколько раз. Напротив, невыполнение данных условий незначительно увеличивает или даже резко снижает работоспособность изделий из инструментальных сталей.

Источники информации
1. Механизм радиационного упрочнения инструмента из твердого сплава на основе кобальта / Петренко П.В., Кулиш Н.П., Мельникова Н.А., Грицкевич А.Л. , Мищенко О. П. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 1991. - В.1(55). - С. 105-107.

2. Изменение износостойкости инструментальных сталей при электронном облучении / А.Е.Брагинская, В.Н.Манин, А.В.Македонский, Н.А.Мельникова, Л.М. Пакчанин, П.В.Петренко // Физика и химия обработки материалов. - 1983. - 1. - С.8-12. (Прототип).

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

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

5. Изменение структуры сплава ВК при воздействии малых доз γ-облучения / Чернов И П., Тимошников Ю.А., Мамонтов А.П., Коротченков В.А., Лапскер И.А., Семухин B.C. // Атомная энергия. - 1984. - Т.57, вып.1. - С.58-59.

6. Радиационное упорядочение структуры несовершенных полупроводниковых кристаллов / И.П.Чернов, А.П.Мамонтов, В.А.Коротченко, Ю.А.Тимошников, Е.Ю. Боярко, Ю. Ю. Крючков, В. В.Копылов // Физика и техника полупроводников. - 1980. - Т.14, В.11. - С.2271-2273.

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

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационной модификации металлических сплавов на основе железа, в частности к быстрорежущим сталям, применяемым для изготовления изделий 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 облучение электронами ведут в интервале интегральных потоков от 1•10¹ до менее 5•10¹⁷ эл/см². 3 табл.

Способ радиационной обработки металлических сплавов на основе железа, включающий облучение электронами, отличающийся тем, что облучение ведут в интервале интегральных потоков от 1·10¹ до менее 5·10¹⁷ эл/см².