Главная / Научные конференции / Инновационная наука / XXIX / Статья
Статья:

К вопросу о возможности использования порошка оксида иттрия как упрочняющей фазы при центробежном литье ферритных и аустенитных сталей

Конференция: XXIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: инновационная наука»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Чуманов В.И. К вопросу о возможности использования порошка оксида иттрия как упрочняющей фазы при центробежном литье ферритных и аустенитных сталей // Научный форум: Инновационная наука: сб. ст. по материалам XXIX междунар. науч.-практ. конф. — № 11(29). — М., Изд. «МЦНО», 2019. — С. 40-45.
К условиям публикации Скачать сборник
Конференция завершена
Мне нравится

XXIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: инновационная наука»

на печатьскачать .pdfподелиться

К вопросу о возможности использования порошка оксида иттрия как упрочняющей фазы при центробежном литье ферритных и аустенитных сталей

Чуманов Валерий Иванович
канд. техн. наук, профессор, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), РФ, г. Челябинск

 

TO THE QUESTION OF THE POSSIBILITY OF USING YTTRIUM OXIDE POWDER AS A STRENGTHENING PHASE FOR CENTRIFUGAL CASTING OF FERRITE AND AUSTENITIC STEELS

 

Valery Chumanov

Candidate of technical sciences, South Ural State University (National Research University), Russia, Chelyabinsk

 

Аннотация. В статье рассмотрены актуальность создания новых материалов, в которых искусственно объединены высокопластичные металлические матрицы и тугоплавкие высокопрочные, высокомодульные наполнители. Одной из таких технологий является механическое легирование. При использовании данной технологии в железной и никелевой матрице наиболее стабильными являются частицы оксида иттрия Y2O3. Рассмотрена технология повышения механических свойств металлических материалов за счёт введения дисперсных частиц в жидкий расплав при разливке с использованием машины центробежного литья, и обозначены направления разработки наиболее эффективной технологии создания металлических материалов на основе железной или никелевой матрицы, дисперсно-упрочненных оксидом иттрия.

Abstract. The article discusses the relevance of creating new materials that artificially combine high-plastic metal matrices and refractory high-strength, high-modulus fillers. One of these technologies is mechanical alloying. When using this technology in particles of iron and nickel, yttrium oxide particles Y2O3 are the most stable. The technology of increasing the mechanical properties of metallic materials by introducing dispersed particles into a liquid melt during casting using a centrifugal casting machine is considered, and the directions of developing the most effective technology for creating metallic materials based on iron or nickel dispersion-hardened yttrium oxide are indicated.

 

Ключевые слова: механическое легирование; оксид иттрия; ферритные и аустенитные стали; центробежное литье.

Keywords: mechanical alloying; yttrium oxide; ferritic and austenitic steels; centrifugal casting.

 

Одной из важнейших задач, стоящих перед металлургией и машиностроением, является разработка и внедрение новых металлосберегающих технологий, которые могли бы служить основой получения новых металлических материалов с улучшенными функциональными свойствами. В этом плане, несомненно большой интерес представляют литейные технологии, которые благодаря своей простоте реализации и возможности получения изделий близкого к конечной продукции позволяют существенно снизить затраты на последующую металлообработку [1, 2].

В последние годы особую актуальность  приобретают работы по созданию принципиально новых материалов, в которых искусственно объединены высокопластичные металлические матрицы и тугоплавкие высокопрочные, высокомодульные наполнители [3-5]. При таком сочетании фаз достигается значительное повышение несущих способностей улучшенного таким образом материала, высокая износостойкость и задиростойкость, стойкость против абразивного изнашивания, и даже воздействию различного излучения.  Армирующие наполнители с резко отличной от основной матрицы твёрдостью не только повышают износостойкость металлических материалов, но и выполняют роль поддерживающих опор, могут существенно снизить потери на трение и расширить диапазон нагружения [6]. В тоже время, для ряда сталей [7], движение дислокаций тормозится введением в металлическую матрицу дисперсных термодинамически стабильных в матрице неметаллических (керамических) частиц, а, как известно, движение дислокаций аналогично движению вакансий. По данным работы [8] в железной и никелевой матрице наиболее стабильными являются частицы оксида иттрия – Y2O3.

Получение мелкодисперсной оксидной фазы в металле традиционными методами, а главное её равномерное распределение, не представляется возможным. При традиционной схеме «жидкий металл – слиток» при введении иттрия в жидкий расплав с содержанием кислорода 0,08-0,1 % включения Y2O3   будут образовываться в жидком металле и иметь размеры от нескольких до десятков микрометров, что является неприемлемым. Не решает эту проблему и традиционные технологии порошковой металлургии, когда оксидные дисперсоиды смешиваются с порошками металлов и полученная смесь компактируется и спекается. При этом сохраняется исходный размер оксидных частиц и те ограничения, которые несет в себе порошковая металлургия (трудность изготовления заготовок больших размеров, большое количество используемого порошка при его высокой стоимости, использования специального оборудования с контролируемой атмосферой и др.) [9-11].

Сегодня проблема решается только с переходом на метод – технология механического легирования (МЛ). Технология МЛ была хорошо описана в работе [12]. При МЛ, технология предполагает, что смесь порошков различных металлов подвергается совместному высокоэнергетическому помолу с преобладающим механизмом трения. В процессе такого помола происходит измельчение частиц порошка (вплоть до нанокластерного размера) и взаимная твердофазная диффузия металлов друг в друга. В нанокласстерах термодинамически наиболее выгодным соединением становится твердый раствор, в который переходят имевшиеся в металле соединения типа интерметаллидов, силицидов и карбидов [13]. При последующем нагреве скомпактированных порошков эти соединения выпадают из раствора в виде наноразмерных частиц (преципитатов).

В работе [14] было установлено, что МЛ в твердом металле может растворяться и такой термодинамически прочный оксид, как Y2O3 с последующим выделением его нанокластерных преципитатов. При этом возможно укрупнение (коалисценция) нанопреципитатов в результате растворения мелких частиц и роста более крупных, что в конечном итоге сводит на нет все достоинства технологии МЛ.

В тоже время, опробована технология повышения механических свойств металлических материалов за счёт введения дисперсных частиц в жидкий расплав при разливке с использованием машины центробежного литья [15-17]. Данная технология, при достаточной простоте её реализации позволяет получать стабильные результаты с использованием карбида титана, карбида вольфрама, карбида кремния, а также используя дисперсные частицы различной плотности получать градиентные материалы. Оксид иттрия обладает плотностью близкой к плотности металлических материалов на основе железа 5,046 г/см3. Следовательно, при реализации технологической схемы  представленной в работе [15] оксид иттрия должен находиться на внешней (рабочей) стороне цилиндрической отливки. При небольшой толщине стенки заготовки, возможно, его распределение и на внутренней поверхности.

Усилить эффект от введения дисперсных частиц (более высокие значения механических свойств, более 300 МПа при 970 К, более высокая радиационная стойкость к нейтронному облучению, более высокая сопротивляемость коррозии по отношению к теплоносителям, при повышенных температурах) возможно при использовании дополнительной внутренней механической раскатки, т.е. термомеханическое упрочнение. Это подтверждают работы  [18,19] по проведению глубокой пластической деформации: в ходе экспериментальных исследований получены прутки стали из стали 08Х18Н10Т с размером зерна 300-600 нм, при этом механические свойства и микротвердость стали увеличиваются более чем в 2 раза по сравнению с исходными значениями.  

С целью разработки наиболее эффективной технологии создания металлических материалов на основе железной или никелевой матрице дисперсно-упрочненных оксидом иттрия необходимо создание сквозных технологических схем и инновационных технологий, включающих в себя как литейные технологии с введением упрочняющей фазы, так и термомеханическое теоретически упрочнение. Для чего необходимо экспериментально изучить влияние различных параметров (температуры, концентрации, скорости разливки и вращения печи, усилия раскатки, режимы термической обработки и др.) на ход процесса и его результаты. Для термодинамического моделирования высокотемпературных процессов  происходящих в систему оксид иттрия – металлическая матрица (расплав), и температур рекристаллизации целесообразно использован программный комплекс «FactSage» [20].

 

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы (соглашение № 05.608.21.0276 от 4.12.2019 г.) (уникальный идентификатор RFMEFI60819X0276).

 

Список литературы:
1. Вальтер, А. И. Основы литейного производства / А. И. Вальтер, А. А. Протопопов. – М.: Инфра-Инженерия, 2019. – 333 с.
2. Одарченко, И. Б. Основы технологии литейного производства. Плавка, заливка металла, кокильное литье / И. Б. Одарченко, Г. Б. Некрасов. – М.: Высшая школа, 2013. – 225 с.
3. Комшуков, В. П. Исследование влияния модифицирования металла нанопорошковыми материалами на качество сортовой непрерывнолитой заготовки / В. П. Комшуков, А. Н. Черепанов, Е. В. Протопопов и др. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2010. – №8. – С.57-63.
4. Al-Mangour, B. In-situ formation of novel TiC-particle-reinforced 316L stainless steel bulk-form composites by selective laser melting / B. Al-Mangour, D. Grzesiak, J.-M. Yang // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 706. – P. 409-418.
5. Иванов, И. И. Ферритные дисперсно-упрочненные стали горячей зоны реакторов на быстрых нейтронах / И. И. Иванов, А. Н. Демидик // Вопросы атомной науки и техники. – 2001. – №4. – С. 65-68.
6. 6 Singla, S. Wear behavior of weld overlays on excavator bucket teeth / S. Singla, J. S. Grewal, A. S. Kang // Procedia Materials Science. – 2014. – Vol. 5. – P. 256-266.
7. Портной, Н. И. Композиционные материалы на никелевой основе / Н. И. Портной, Б. И. Бабич, И. Л. Светлов. – М.: Металлургия, 1976. – 264 с. 
8. Белянчиков, Л. Н. Рациональная технология получения коррозионно-стойкой ферритной стали с нанокластерным оксидным упрочнением для атомной энергетики / Л. Н. Белянчиков // Электрометаллургия. – 2011. – №9. – С. 9-16.
9. Анциферов, В. Н. Порошковая металлургия и напыление покрытий / В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин и др. –  М.: Металлургия, 1987. – 792 с.
10. Анциферов, В. Н. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов / В. Н. Анциферов, В. Е. Перельман. – М.: Изд. дом «Грааль», 2001. – 631 с.
11. Harris, I. R. Grain boundaries: Their Character, Characterisation and Influence on Properties / I. R. Harris, A. J. Williams. – London: IОM Communications Ltd., 2001. – 328 p.
12. Benjamin, J. S. Dispersion strengthened superalloys mechanical alloying / J. S. Benjamin, P. D. Mercer // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. – 1970. – Vol. 1. – № 10. – P. 2943-2951. 
13. Badmos, A. V. The Evolution of Solutions: Thermodynamic Analysis of Mechanical Alloying / A. V. Badmos, H. K. D. H. Bhadeshia // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. – 1997. – Vol. 28A. – P. 2189-2194.
14. Olier, P. Structural and Chemical Characterisations of ODS Ferritic Steels Produced by Mechanical Extrusion / P. Olier, J. Мabaplate, M. H. Mathon and al. // Proceedings Powder Metallurgy World Congress and Exhibition, 10-14 October 2010, Florence, Italia. – 2010. – P. 151-158.  
15. Чуманов В.И., Аникеев А.Н., Чуманов И.В. Способ получения стальной трубной заготовки // Патент Российской Федерации №2443505, МПК B22D13/00, заявл.  06.10.2010; опубл. 27.02.2012.
16. Chumanov, I. V. Preparation of precipitation-strengthened hollow billets for rotary dispersers / I. V. Chumanov, V. I. Chumanov, A. N. Anikeev // Metallurgist. – 2011. – Vol. 55(5-6). – P. 439-443.
17. Chumanov, I. V. Study and Analysis of the Structural Constituents of Billets Hardened by Fine-Grained Particles and Formed by Centrifugal Casting / I. V. Chumanov, N. T. Kareva, V. I. Chumanov et al. // Russian Metallurgy (Metally). – Vol. 2012. – № 6. – P. 540-543.
18. Найзабеков, А. Б. Исследование влияния радиально-сдвиговой прокатки на микроструктуру и механические свойства нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т / А. Б. Найзабеков, Е. А. Панин, С. Н. Лежнев и др. // Современные инновации в области науки, технологий и интеграции знаний: сб. материалов юбилейной международной научно-практической конференции / под общ. ред. А. Б. Найзабекова. – Рудный: Изд-во Рудненского индустриального института, 2019. –Вып. 7. – С. 230-236.
19. Naizabekov, A. B. Computer modeling of radial-shear rolling of austenitic stainless steel AISI-321 / A. B. Naizabekov, S. N. Lezhnev, A. S. Arbuz et al. // Machines, Technologies, Materials. – 2018. – Vol. 12. – Iss. 12. – P. 497-500.
20. Bale, C. W. FactSage thermochemical software and databases – recent developments / C. W. Bale, E. BÈlisle, P. Chartrand et al. // Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. – 2009. – Vol. 33. – P. 295-311. 
 

Похожие статьи

Больше статей