Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава
Рассмотрена возможность получения дисперсно-упрочненной наноструктурными оксидами циркония стали 08Х18Н10Т методом вакуумно-дугового переплава. Теоретическими и экспериментальными методами исследовано влияние режимов выплавки и размера легирующих частиц на распределение оксидов циркония в слитке ста...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80363 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава / Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, И.М. Короткова, В.И. Сытин, В.И. Ткаченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 4. — С. 117-124. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860010374147866624 |
|---|---|
| author | Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Короткова, И.М. Сытин, В.И. Ткаченко, В.И. |
| author_facet | Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Короткова, И.М. Сытин, В.И. Ткаченко, В.И. |
| citation_txt | Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава / Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, И.М. Короткова, В.И. Сытин, В.И. Ткаченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 4. — С. 117-124. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Рассмотрена возможность получения дисперсно-упрочненной наноструктурными оксидами циркония стали 08Х18Н10Т методом вакуумно-дугового переплава. Теоретическими и экспериментальными методами исследовано влияние режимов выплавки и размера легирующих частиц на распределение оксидов циркония в слитке стали 08Х18Н10Т. Исследованы влияния легирования оксидами циркония на размеры зерен и неметаллических включений, микротвёрдость и механические свойства стали 08Х18Н10Т. Показано, что уменьшение размера частиц оксидов циркония приводит к более равномерному распределению их в объеме расплава.
Розглянута можливість отримання дисперсно-зміцнененої наноструктурними оксидами цирконію сталі 08Х18Н10Т методом вакуумно-дугового переплаву. Теоретичними і експериментальними методами досліджено вплив режимів виплавки та розміру легуючих частинок на розподіл оксидів цирконію в зливку сталі 08Х18Н10Т. Досліджено вплив легування оксидами цирконію на розміри зерен і неметалевих включень, мікротвердість і механічні властивості сталі 08Х18Н10Т. Показано, що зменшення розміру часток оксидів цирконію призводить до більш рівномірного розподілу їх в обсязі розплаву.
The paper considers the production of dispersion-strengthened by nanosturctural zirconium oxides steel
08Cr18Ni10Ti by the method of vacuum-arc re-melting. Influence of the regimes of melting and of the size of alloying
particles on distribution of zirconium oxide in the ingot of steel 08Cr18Ni10Ti is investigated by theoretical and
experimental methods. Influence of alloying by zirconium oxides on the size of grains and non-metallic inclusions,
microhardness and mechanical properties of steel 08Cr18Ni10Ti is investigated. It is shown, that decrease of zirconium
oxide grains size results in more even distribution of particles in the melt volume.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:41:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №4(92) 117
УДК 621.384.6:620.198
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНО-
УПРОЧНЕННЫХ ОКСИДАМИ (ДУО) СТАЛЕЙ МЕТОДОМ
ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА
Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, И.М. Короткова, В.И. Сытин, В.И. Ткаченко
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: borts@kipt.kharkov.ua; тел./факс +38(057)335-17-03
Рассмотрена возможность получения дисперсно-упрочненной наноструктурными оксидами циркония
стали 08Х18Н10Т методом вакуумно-дугового переплава. Теоретическими и экспериментальными методами
исследовано влияние режимов выплавки и размера легирующих частиц на распределение оксидов циркония
в слитке стали 08Х18Н10Т. Исследованы влияния легирования оксидами циркония на размеры зерен и не-
металлических включений, микротвёрдость и механические свойства стали 08Х18Н10Т. Показано, что
уменьшение размера частиц оксидов циркония приводит к более равномерному распределению их в объеме
расплава.
1. СОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К КАЧЕСТВУ И СВОЙСТВАМ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
АКТИВНОЙ ЗОНЫ АТОМНЫХ
РЕАКТОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
В последнее время активно проводятся исследо-
вания по созданию конструкционных материалов
активной зоны атомных реакторов нового поколе-
ния, обладающих высокой радиационной стойко-
стью, жаропрочностью, низкой активацией при экс-
плуатации.
Одним из методов решения поставленной задачи
является разработка конструкционных материалов
на основе дисперсно-упрочненной оксидами (ДУО)
стали [1, 2]. ДУО стали содержат частицы оксида
нанометрового размера высокой плотности, обога-
щенные иттрием, кислородом, марганцем, хромом и
кремнием. Эти частицы играют решающую роль в
увеличении прочности материала и улучшении ра-
диационной стойкости закреплении дислокаций.
Однако существующая порошковая технология из-
готовления ДУО сталей является трудоемкой и до-
рогостоящей. Поэтому в данной работе изучена
возможность получения ДУО сталей с равномерным
распределением частиц по всему объёму альтерна-
тивным методом – вакуумно-дуговым переплавом
(ВДП).
2. ОПИСАНИЕ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ,
ЛЕГИРОВАННОЙ ОКСИДНЫМИ
НАНОПОРОШКАМИ
Использованная схема получения ДУО сталей с
помощью дугового переплава в объеме жидкого
металла с распределенными в нём нано- или микро-
дисперсными частицами ZrO2 приведена на рис. 1.
По этой схеме кристаллизатор изготовлен из медно-
го сплава и представляет собой стакан диаметром
0,06 м. Кристаллизатор, охлаждаемый водой и по-
мещенный в нержавеющий корпус, является анодом.
В него вводится стальной цилиндрический катод
диаметром 0,03 м, в котором перпендикулярно его
оси, равномерно по азимуту и по длине просверлены
цилиндрические отверстия диаметром
0,003…0,005 м, плотно заполненные дисперсными
частицами оксида и закупоренные изготовленными
из такой же стали пробками. Между анодом и като-
дом зажигается и поддерживается электрическая
дуга. Поддержание горения дуги осуществляется за
счет плавления катода, а также медленного переме-
щения его вверх вдоль оси стакана.
Рис. 1. Движение жидкого металла при наплавлении
слитка в вакуумной дуговой печи (а направление
электрического тока; б круговое движение
металла в горизонтальной плоскости; в движение
металла в вертикальной плоскости):
1 корона; 2 расплавляемый электрод (катод);
3 жидкий металл; 4 слиток; 5 медный
кристаллизатор (анод); 6 – охладитель (вода);
7 – полости с легирующей добавкой
Стекающий по поверхности электрода расплав
стали захватывает частицы оксидов, которые вымы-
ваются на поверхность капли, удерживаемой на
торце электрода силами поверхностного натяжения.
При превышении критической массы капли проис-
ходит её отрыв и падение на поверхность расплава с
mailto:borts@kipt.kharkov.ua
118 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №4(92)
образованием горизонтального цилиндрического
слоя расплавленного металлического композита в
виде жидкой ванны. Плавка ведется в вакууме около
10
-3
Па; при этом дно и внутренняя стенка медного
водоохлаждаемого кристаллизатора способствуют
быстрой кристаллизации расплава.
Рассмотрим процессы, протекающие в зоне жид-
кого расплава металла.
В описанных экспериментальных условиях чис-
ло Рэлея отрицательно и, казалось бы, не может
формироваться конвективная ячейка, так как все
возмущения должны затухать [3]. Однако, как сле-
дует из экспериментальных [4-5] и теоретических
данных [6], образование конвективных ячеек инва-
риантно от способа подогрева слоя жидкости: про-
цесс наблюдается как при подогреве снизу (R > 0),
так и при подогреве сверху (R < 0).
Таким образом, исходя из вышеизложенного,
можно утверждать, что в цилиндрическом стакане
созданы условия для формирования цилиндриче-
ской конвективной ячейки в виде жидкой ванны [7].
Как показано [7], вязкая несжимаемая жидкость в
такой ячейке (жидкой ванне) осуществляет конвек-
тивное движение, при котором жидкость движется
вверх вблизи оси ячейки и вниз на ее внешней гра-
нице. Это конвективное движение наиболее эффек-
тивно (равномерно) перемешивает частицы оксида,
так как охватывает всю внутреннюю область ячей-
ки.
Установлено, что в результате хемосорбции во-
ды из окружающего пространства в наночастицах
диоксида циркония в тонком граничном слое также
обнаружены химические соединения ZrxOyHz [8].
Наличие связанной воды на поверхности наноча-
стиц диоксида циркония может приводить к образо-
ванию тонкой пленки оксида железа, что делает
возможным выделение второй фазы в жидком рас-
плаве железа. Образование этой пленки препятству-
ет возникновению конгломератов. Это обстоятель-
ство также способствует равномерному распределе-
нию диоксида циркония в расплаве.
3. КОНВЕКТИВНАЯ ЯЧЕЙКА В ЖИДКОЙ
ВАННЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКОВ
В НЕЙ
Для определения влияния конвективных потоков
на механическое перемешивание ультрадисперсных
частиц опишем их распределение внутри ячейки
жидкой ванны.
Согласно [7] распределение по координатам r,z
возмущений вертикальной v,(r,z) и горизонтальной
v,(r,z) скоростей в аксиально-симметричной цилин-
дрической ячейке имеет вид:
0
1
1
v ,
v , cos
,
,
z r
r r r
r z A sin z J k r
r z A k z J k r
(1)
где r и z обезразмеренные на глубину слоя попе-
речная и продольная координаты ячейки соответ-
ственно; J x
n
функции Бесселя первого рода n-го
порядка от аргумента x; 1
1,r i ck R радиальное
волновое число, характеризующее зависимость воз-
мущений от координаты r, Rc радиус конвектив-
ной ячейки,
1,i i-й нуль функции Бесселя первого
рода первого порядка ( 1 1, 0iJ ), i=1,2,3… . Для
справки приведем значения первых пяти нулей
функции Бесселя 1J x : 1,1 3,832 ; 1,2 7,016 ;
1,3 10,173 ; 1,4 13,324 ; 1,5 16,471 [9].
На рис. 2 изображены изолинии проекций скоро-
стей (в относительных единицах) в конвективной
ячейке, описываемые решениями (1). Из рисунка
следует, что в отличие от ячейки прямоугольной
геометрии [3] максимальное значение модуля вер-
тикальной скорости цилиндрической ячейки vz A
на оси больше его значения на внешней границе при
cr R , а максимумы радиальной скорости vr A на
нижней и верхней границах ячейки равны и одина-
ково смещены к ее оси.
а
б
Рис. 2. Изолинии относительных проекций
скоростей в конвективной ячейке (обозначены на
линиях цифрами): а вертикальной vz A
и б радиальной vr A
В жидких средах конвективное движение
направлено вверх в центре ячейки и вниз на пери-
ферии (см. рис. 2).
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №4(92) 119
Экспериментально установлено, что отношение
диаметра конвективной ячейки к глубине слоя жид-
кости оказывается порядка 3 [10, 11].
4. ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ZrO2
НА РАВНОМЕРНОСТЬ ИХ РАСПРЕДЕ-
ЛЕНИЯ В ОБЪЕМЕ ОБРАЗЦА
Рассмотрим процесс выплавки ДУО стали на
примере распределения в объеме переведенной в
жидкое состояние нержавеющей стали 08Х18Н10Т
нано- или микродисперсных включений из диоксида
циркония (ZrO2). Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т
выбрана в качестве модельного материала для отра-
ботки технологии получения ДУО стали, но при
соблюдении определенных требований к металлу
может быть использована для получения твэльных
труб активной зоны реактора.
При рассмотрении считаем, что:
1 вводимые наночастицы не растворяются в
нержавеющей стали;
2 образуется поверхностная пленка вокруг ча-
стиц или их конгломератов;
3 так как сталь 08Х18Н10Т + ZrO2 образует но-
вую фазу в чистом расплаве металла, будем считать
граничные условия для конвективной ячейки сво-
бодными, т. е. на границах ячейки отсутствуют ка-
сательные напряжения τ.
В жидком состоянии при температуре
1450…1600 ºС плотность стали порядка
37,27 10l кг/м
3
, а ее кинематическая вязкость
порядка 610 м
2
/с [12]. В указанном диапазоне
температур нано- или микродисперсные включения
ZrO2 в жидком металле будут находиться в твердой
фазе, так как температура их плавления составляет
величину порядка (0,75…1)∙2700 ºС [13, 14], что
заведомо превышает температуру плавления нержа-
веющей стали. Плотность нано- или микродисперс-
ных частиц ZrO2 изменяется в диапазоне
3 5,7...5,4 10p кг/м
3
с увеличением температу-
ры: от комнатной до температуры плавления, что
меньше плотности жидкой стали.
По нашим предположениям, твердые нанодис-
персные частицы ZrO2 образуют дисперсный рас-
твор в жидкой стали. Это означает, что вокруг этих
частиц образуется смачивающая поверхностная
пленка жидкого металла.
Поскольку вес частицы ZrO2 легче веса вытес-
ненного ею жидкого металла, в отсутствие конвек-
тивного движения они будут выталкиваться вверх
архимедовой силой A l pF gV из объема жидкого
металла, где pV объем частицы, g ускорение
свободного падения. Для упрощения оценки скоро-
сти перемещения нано- или микрочастиц ZrO2 в
жидком металле полагаем, что они имеют сфериче-
скую форму. Кроме выталкивающей силы на части-
цу будут действовать силы тяжести g p pF V g и
трения (сила Стокса) 6 vS p ppF r , направленные
вниз. Здесь rp радиус сферической частицы;
l динамическая вязкость жидкости
( кинематическая вязкость жидкости); v p
ре-
зультирующая скорость частицы. Из баланса дей-
ствующих на частицу сил следует выражение для
определения скорости движения частицы ZrO2 в
покоящемся жидком металле:
2
2
v
9
p l p
pp
l
r g
. (2)
Из (2) следует, что скорость всплытия пропорци-
ональна квадрату радиуса частицы. В движущейся
со скоростью vl
жидкости скорость перемещения
частицы будет определяться суммой векторов ско-
ростей: v vp z le . В частном случае, когда
v v ,l p ze частица будет находиться в состоянии
покоя.
Если такую частицу поместить в конвективную
ячейку (1) со скоростью движения жидкости
v , v , v ,z z r rr z e r z e r z (значения проекций
скорости изображены на рис. 2), то результирующее
расположение частиц в ячейке будет зависеть от их
размера.
Обоснуем это утверждение.
Первоначально введенные с каплями жидкого
металла частицы диоксида циркония будут распре-
деляться вблизи оси ячейки и переноситься конвек-
тивным потоком вверх со скоростью v 0, vz ppz ,
затем от центра ячейки к стенке кристаллизатора
со скоростью v ,1 1r r h z , а вблизи стенки
кристаллизатора вниз со скоростью
v , vz c c ppR R r R z , где
cR R и 1h .
Из выражения для вертикальной скорости в конвек-
тивной ячейке (1) следует, что вблизи радиуса
1
0 0, 1,c i ir r R вертикальная скорость равна ну-
лю, и воздействие выталкивающей силы Архимеда
максимально. Поэтому для определения перемеще-
ния частицы диоксида циркония в окрестности этой
точки в поле скоростей v ,z r z и v ,r r z сравним
скорость ее всплытия с горизонтальной скоростью.
Такое сравнение в соответствии с выражением (2)
позволит определить размеры микро- и наночастиц,
при которых возможно их равномерное распределе-
ние в объеме ячейки. Критерий равномерного рас-
пределения частичек диоксида циркония в объеме
ячейки имеет вид:
2 9
10 v
2
l
p c
c l p
l
r
g R
, м, (3)
где 2v 10c
м/с экспериментально измеренная
максимальная скорость перемещения жидкого ме-
талла на верхней горизонтальной поверхности ячей-
ки; l среднее расстояние между микро- и нано-
частицами. Расчеты показывают, что величина l
для частиц размером менее 17…20 нм определяется
величиной порядка 10
-8
м.
Из выражения (3) следует, что сферические ча-
стички с радиусом pr , удовлетворяющим неравен-
120 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №4(92)
ству, будут равномерно распределены по объему
конвективной ячейки.
В условиях эксперимента все нано- или микро-
частицы ZrO2 вместе с жидким материалом катода
будут поступать (впрыскиваться) в объем ячейки,
условно отмеченный серым прямоугольником в
верхнем левом углу ячейки (рис. 3). Затем попавшие
в жидкий металл ячейки частицы будут переме-
щаться с линиями тока внутрь ячейки (линии ІІ) или
к стенке кристаллизатора (линии І).
а
б
Рис. 3. Линии тока внутри конвективной ячейки:
а с добавлением
и б без добавления частичек ZrO2
В экспериментальных условиях частицы ZrO2
вместе с расплавленным в электрической дуге ме-
таллическим катодом после капельного стекания в
ячейку, вблизи ее оси, будут подхвачены конвек-
тивным потоком и двигаться к ее верхней границе.
Затем вблизи верхней границы ячейки частицы на
линиях тока І будут переноситься горизонтальным
конвективным потоком к стенке кристаллизатора, а
частицы на линиях тока ІІ также будут сноситься
этим потоком в направлении стенки кристаллизато-
ра и далее по этим же линиям тока будут распреде-
ляться внутри ячейки (см. рис. 3,а).
Для сравнения на рис. 3,б показаны линии тока
внутри конвективной ячейки без добавления части-
чек ZrO2. Также на рисунке видно, что все линии
тока замкнуты и не пересекаются со стенками ячей-
ки.
Оценка неравенства (3) для экспериментальных
условий показывает, что частицы ZrO2 с размерами
80...100pr нм будут равномерно распределены по
объему слитка, в то время как для частиц c размером
порядка и более 150 нм должен наблюдаться интен-
сивный вынос их на его боковую поверхность.
Исходя из вышеизложенного можно сформули-
ровать следующие выводы:
чем глубже проникает материал катода в ячей-
ку (чем меньше ордината нижней стороны серого
прямоугольника (cм. рис. 3)), тем равномернее рас-
пределяются частицы ZrO2 в объеме ячейки;
для частиц ZrO2 с размерами менее 80…100 нм
должно наблюдаться равномерное распределение в
объеме образца.
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТА-
ТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДУО СТАЛИ,
ПОЛУЧЕННОЙ МЕТОДОМ ВАКУУМНО-
ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА
В ННЦ ХФТИ методом ВДП была получена пар-
тия слитков из стали 08Х18Н10Т с различной кон-
центрацией нанолегирующей добавки ZrO2, стаби-
лизированной оксидом иттрия Y2O3 с размерами
частиц 30…50 нм (рис. 4, 5) [15]. Вес слитков
1800…2600 г.
Рис. 4. Слитки стали 08Х18Н10Т ВДП
с концентрацией добавки ZrO2+Y2O3
0,02 и 0,2 вес.% и слиток без добавок
На слитках проводились анализ элементного со-
става, металлографические исследования структуры
литого и деформированного материалов, а также
изучались механические свойства чистой и легиро-
ванной стали. Полученные результаты сравнивались
с серией слитков, где размер легирующих частиц
ZrO2+Y2O3 составлял 100…150 нм [16, 17]. На об-
разцах, вырезанных из середины слитка, определял-
ся элементный состав.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №4(92) 121
Рис. 5. Макроструктура слитка стали 08Х18Н10Т
с 0,02 вес.% ZrO2+Y2O3
Приведены результаты анализа элементного со-
става слитков, который проводился по возбуждае-
мому протонами характеристическому рентгенов-
скому излучению на аналитическом ядерно-
физическом комплексе (АЯФК) «Сокол» ННЦ
ХФТИ [16] (рис. 6,а,б) и методом рентгенофлуорес-
центного анализа (РФА) на лабораторном энерго-
дисперсионном рентгенофлуоресцентном спектро-
метре ElvaX (компании «Элватех») (рис. 6,в).
а
б
в
Рис. 6. Распределение циркония по сечению
слитков с разными размерами легирующих частиц:
а – 100…150 нм; б – 50 нм; в – 30 нм
Сравнивая с результатами выплавки с легирую-
щими частицами размером 100…150 нм [16], где
концентрация колебалась в пределах
0,01…0,11 вес.%, мы можем увидеть значительное
улучшение в равномерности распределения цирко-
ния по слитку. Предполагая, что цирконий связан в
оксиде, можно говорить о более равномерном рас-
пределении упрочняющих оксидных частиц по мас-
сиву слитка.
На литой и деформированной структуре прово-
дили металлографические исследования. Твердость,
замеренная на темплетах из чистой нержавеющей
стали и на легированном материале, существенно не
отличается и составляет HV ≈ 170 кгс/мм
2
.
На образцах из стали 08Х18Н10Т с добавкой
ZrO2 в виде проката толщиной 0,5 мм провели мик-
роструктурный анализ. Образцы дополнительно
отжигали при 1050
0
С в течение 1 ч с охлаждением
на воздухе. Результаты анализа показаны в таблице.
Номер
образ-
ца
ZrO2,
вес.%
Балл
нв
Балл
зерна
dср,
мкм
Hµ,
кг/мм
2
0 0 1 5 63 180
1 0,02 1 6 49 200
2 0,2 1,5 8 21 206
Для подготовки шлифов использовался металло-
графический комплекс оборудования компании
LECO. Микротвердость Hµ измерялась на цифровом
микротвердомере марки LM-700AT при нагрузке
25 г. Средний размер зерен (dср) определялся по
ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления
и определения величины зерна». Балл неметалличе-
ских включений (Балл нв) определялся по ДСТУ
3295-95 «Труби сталеві. Металографічний метод
визначення забрудненості металу неметалевими
включеннями». Элементный анализ проводился на
деформированных образцах методом РФА на спек-
трометре ElvaX.
Образцы имеют однородную микроструктуру с
множественными двойниками, типичную для аусте-
нитных сталей. С внесением диоксида циркония
микротвёрдость повышается на 10% по сравнению с
исходным материалом. При этом с увеличением
концентрации добавок значительно уменьшается
средний размер зерен. Так в образцах с 0,2 вес.%
ZrO2 размер зерен в три раза меньше, чем в чистой
стали 08Х18Н10Т (рис. 7).
Полученные результаты согласуются с выска-
занным в разд. 4 предположением о влиянии вели-
чины нанолегирующих оксидов. При легировании
ZrO2 с размерами частиц 30…50 нм возможно полу-
чить равномерное распределение добавки, которая
влияет на однородность структуры материала, что
неосуществимо при размере частиц 100…150 нм.
В слитках с добавкой частичек оксидов размером
100…150 нм наблюдалась значительная разнород-
ность структуры стали с размерами зерен
20…150 мкм. К тому же проведенные на деформи-
рованных образцах механические испытания пока-
вес.%
122 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №4(92)
зали, что при увеличении концентрации легирую-
щей добавки прочностные характеристики остава-
лись на уровне нелегированной стали. При этом от-
мечалась тенденция к снижению значений пределов
прочности и текучести легированной добавками
ZrO2 стали при 20 °С по сравнению с исходной [17].
а
б
Рис. 7. Микроструктура стали 08Х18Н10Т
без добавок (а) и с добавкой 0,2 вес.% ZrO2 (б)
На рис. 8 приведены результаты исследований
механических свойств стали 08Х18Н10Т с различ-
ной концентрацией добавки ZrO2 с размерами ча-
стиц 50 нм на холоднокатаных образцах, предвари-
тельно отожженных в вакууме при Т = 1050 °С
60 мин, с остыванием на воздухе. Испытания прово-
дились на сервогидравлической испытательной
сиcтеме NANO при 20 °С со скоростью деформиро-
вания 2 мм/мин в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Из этого рисунка следует, что в области концен-
траций добавки ZrO2 в стали до 0,3 вес.% наблюда-
ется повышение значений предела прочности по
сравнению с исходной 08Х18Н10Т.
Для нелегированной стали предел прочности со-
ставляет 540 MПa, а при концентрации ZrO2
0,2 вес.% прочность стали увеличивается до
590 MПa. Также наблюдается увеличение значений
предела текучести в этой области. С дальнейшим
ростом концентрации добавки ZrO2 до 1,2 вес.%
значения пределов прочности и текучести снижают-
ся. Значения относительного удлинения уменьша-
ются с ростом концентрации легирующей добавки.
При достижении концентрации 1,2 вес.% ZrO2 отно-
сительное удлинение снижается на 18% по сравне-
нию с исходной сталью. Из анализа полученных
результатов можно сделать вывод, что при концен-
трации добавок ZrO2 выше 0,4 вес.% происходит
ухудшение механических свойств легированной
стали, что, по-видимому, связано с укрупнением
конгломератов оксидных частиц на границах зерен
[18].
а
б
в
Рис. 8. Механические свойства стали 08Х18Н10Т
с различной концентрацией добавки ZrO2 при 20 °С:
а предел прочности; б предел
текучести; в относительное удлинение
ВЫВОДЫ
1. Методом ВДП получена аустенитная сталь
08Х18Н10Т, легированная наноструктурным окси-
дом циркония.
2. Оптимизированы температурные и токовые
параметры дугового переплава получения дисперс-
но-упрочненного сплава на основе нано- или микро-
дисперсных частиц ZrO2.
вес.%
вес.%
вес.%
М
П
а
М
П
а
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №4(92) 123
3. Теоретически исследовано влияние режимов
выплавки и размера легирующих частиц на распре-
деление диоксидов циркония в слитке стали
08Х18Н10Т. Показано, что наноразмерные частицы
ZrO2 более равномерно распределяются в объеме
расплава, чем конгломераты ZrO2 микронных раз-
меров.
4. Исследованы влияния легирования оксидом
циркония на размеры зерен и неметаллических
включений, микротвёрдость и механические свой-
ства стали 08Х18Н10Т.
5. Исследования механических свойств легиро-
ванной оксидом циркония стали 08Х18Н10Т пока-
зали, что в области концентраций частиц ZrO2 до
0,3 вес.% наблюдается повышение значений преде-
лов прочности и текучести по сравнению с исходной
сталью. При концентрациях легирующих частиц
ZrO2 выше 0,4 вес.% происходит снижение механи-
ческих свойств стали. Дальнейшие исследования и
определение оптимальной концентрации легирую-
щих частиц ZrO2 в стали 08Х18Н10Т следует прово-
дить в области концентраций 0,1…0,2 вес.%.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. S.V. Rogozhkin, A.A. Aleev, A.G. Zaluzhnyi,
A.A. Nikitin, N.A. Iskandarov, P. Vladimirov,
R. Lindau, A. Moeslang. Atom probe characterization
of nano-scaled features in irradiated ODS Eurofer steel
// Journal of Nuclear Materials. 2011, v. 409, р. 94-99.
2. S.V. Rogozhkin, A.A. Nikitin, A.A. Aleev,
A.B. Germanov, A.G. Zaluzhnyi. Atom probe study of
radiation induced precipitates in Eurofer 97 Ferritic-
Martensitic steel irradiated in BOR-60 reactor // Inor-
ganic Materials: Applied Research. 2013, v. 4, Issue 2,
р. 112-118.
3. Г.З. Гершуни, Е.М. Жуховицкий. Конвектив-
ная устойчивость несжимаемой жидкости. М:
«Наука», 1972, с. 393.
4. S. Leibovich. The Form and Dynamics of Lang-
muir Circulations // Ann. Rev. Fluid Mech. 1983, v. 15,
p. 391-427.
5. С.В. Рянжин, Н.В. Кочков, Л.Н. Карлин. Зага-
дочные циркуляции // Природа. 2008, №4, с. 16-23.
6. И.М. Неклюдов, Б.В. Борц, В.И. Ткаченко.
Описание ленгмюровских циркуляций упорядочен-
ным набором конвективных кубических ячеек //
Прикладная гидромеханика. 2012, т. 14(86), №2,
с. 29-40.
7. Л.С. Бозбей. Элементарная конвективная
ячейка в слое несжимаемой, вязкой жидкости //
Конференция молодых ученых и специалистов,
ИПМаш НАН Украины. Харьков, 2013, с. 29.
8. В.А. Кутовой, Ю.Г. Казаринов, А.С. Луценко,
А.А. Николаенко, В.И. Ткаченко. Термовакуумный
метод получения нанодисперсных материалов //
ВАНТ. Серия «Физика радиационных повреждений и
радиационное материаловедение». 2014, №2, с. 153-
157.
9. Royal Society Mathematical Tables: V. 7. Bessel
functions, P. Ш. Zeros and associated values. Cam-
bridge: Cambridge Univ. Press, I960. Русский пере-
вод: Таблицы нулей функций Бесселя. М.: «ВЦ АН
СССР», 1967 (БМТ, в. 44).
10. М. Ван-Дайк. Атлас течения жидкости и га-
зов. М.: «Мир», 1986, с. 184.
11. Е.Д. Эйдельман. Влияние толщины слоя жид-
кости на соотношение размеров ячейки конвекции //
Журнал технической физики. 1996, т. 68, №11,
с. 7-11.
12. Таблицы физических величин / Ред.
И.К. Кикоин. М.: «Атомиздат», 1976, 1008 с.
13. Ю.Е. Шелудяк, Л.Я. Кашпоров и др. Тепло-
физические свойства компонентов горючих систем.
М.: «Москва», 1992, 184 с.
14. Э.Л. Нагаев. Малые металлические частицы
// УФН. 1992, т. 162, №9, с. 49-124.
15. В.М. Ажажа, Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа,
Э.П. Шевякова, Н.Д. Рыбальченко. Возможности
применения редкоземельных материалов при созда-
нии конструкционных материалов для атомной
промышленности Украины // ВАНТ. Серия «Вакуум,
чистые материалы, сверхпроводники». 2008, №1,
c. 195-201.
16. И.М. Неклюдов, В.Н. Воеводин, Б.В. Борц,
В.В. Левенец, А.Ф. Ванжа, А.П. Омельник,
А.А. Щур. Исследование распределения элементов в
экспериментальных слитках ДУО стали методом
индуцированной протонами рентгеновской спектро-
скопии //Физика и химия обработки материалов.
2011, №4, с. 92-98.
17. В.М. Аржавитин, Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа,
И.М. Короткова, В.И. Сытин. Исследование влияния
легирования наноструктурными оксидами ZrO2 на
свойства стали Х18Н10Т // ВАНТ. Серия «Физика
радиационных повреждений и радиационное мате-
риаловедение». 2013, №5, с. 58-62.
18. В.Н. Boeводин Ю.Б. Заславский, В.Ф. Зелен-
ский, И.М. Неклюдов, А.В. Рабинович, Б.П. Черный.
Разработка и исследование радиационно-стойких
хромоникелевых сталей, легированных скандием //
Проблемы специальной электрометаллургии. 1995,
№1, с. 47-55.
Статья поступила в редакцию 25.06.2014 г.
http://vant.kipt.kharkov.ua/CONTENTS/CONTENTS_2014_2rus.html
http://vant.kipt.kharkov.ua/CONTENTS/CONTENTS_2014_2rus.html
124 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №4(92)
ДОСЛІДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТІ ОТРИМАННЯ ДИСПЕРСНО-ЗМІЦНЕНИХ ОКСИДАМИ
(ДЗО) СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВУ
Б.В. Борц, О.Ф. Ванжа, І.М. Короткова, В.І. Ситін, В.І. Ткаченко
Розглянута можливість отримання дисперсно-зміцнененої наноструктурними оксидами цирконію сталі
08Х18Н10Т методом вакуумно-дугового переплаву. Теоретичними і експериментальними методами дослі-
джено вплив режимів виплавки та розміру легуючих частинок на розподіл оксидів цирконію в зливку сталі
08Х18Н10Т. Досліджено вплив легування оксидами цирконію на розміри зерен і неметалевих включень,
мікротвердість і механічні властивості сталі 08Х18Н10Т. Показано, що зменшення розміру часток оксидів
цирконію призводить до більш рівномірного розподілу їх в обсязі розплаву.
RESEARCH OPPORTUNITIES CASTING OF OXIDE DISPERSION STRENGTHENED (ODS)
STEELS BY THE METHOD OF VACUUM ARC RE-MELTING
B.V. Borts, A.F. Vanzha, I.M. Korotkova, V.I. Sitin, V.I. Tkachenko
The paper considers the production of dispersion-strengthened by nanosturctural zirconium oxides steel
08Cr18Ni10Ti by the method of vacuum-arc re-melting. Influence of the regimes of melting and of the size of alloy-
ing particles on distribution of zirconium oxide in the ingot of steel 08Cr18Ni10Ti is investigated by theoretical and
experimental methods. Influence of alloying by zirconium oxides on the size of grains and non-metallic inclusions,
microhardness and mechanical properties of steel 08Cr18Ni10Ti is investigated. It is shown, that decrease of zirco-
nium oxide grains size results in more even distribution of particles in the melt volume.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80363 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:41:36Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Короткова, И.М. Сытин, В.И. Ткаченко, В.И. 2015-04-16T16:04:29Z 2015-04-16T16:04:29Z 2014 Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава / Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, И.М. Короткова, В.И. Сытин, В.И. Ткаченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 4. — С. 117-124. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80363 621.384.6:620.198 Рассмотрена возможность получения дисперсно-упрочненной наноструктурными оксидами циркония стали 08Х18Н10Т методом вакуумно-дугового переплава. Теоретическими и экспериментальными методами исследовано влияние режимов выплавки и размера легирующих частиц на распределение оксидов циркония в слитке стали 08Х18Н10Т. Исследованы влияния легирования оксидами циркония на размеры зерен и неметаллических включений, микротвёрдость и механические свойства стали 08Х18Н10Т. Показано, что уменьшение размера частиц оксидов циркония приводит к более равномерному распределению их в объеме расплава. Розглянута можливість отримання дисперсно-зміцнененої наноструктурними оксидами цирконію сталі 08Х18Н10Т методом вакуумно-дугового переплаву. Теоретичними і експериментальними методами досліджено вплив режимів виплавки та розміру легуючих частинок на розподіл оксидів цирконію в зливку сталі 08Х18Н10Т. Досліджено вплив легування оксидами цирконію на розміри зерен і неметалевих включень, мікротвердість і механічні властивості сталі 08Х18Н10Т. Показано, що зменшення розміру часток оксидів цирконію призводить до більш рівномірного розподілу їх в обсязі розплаву. The paper considers the production of dispersion-strengthened by nanosturctural zirconium oxides steel
 08Cr18Ni10Ti by the method of vacuum-arc re-melting. Influence of the regimes of melting and of the size of alloying
 particles on distribution of zirconium oxide in the ingot of steel 08Cr18Ni10Ti is investigated by theoretical and
 experimental methods. Influence of alloying by zirconium oxides on the size of grains and non-metallic inclusions,
 microhardness and mechanical properties of steel 08Cr18Ni10Ti is investigated. It is shown, that decrease of zirconium
 oxide grains size results in more even distribution of particles in the melt volume. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы реакторов на тепловых нейтронах Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава Дослідження можливості отримання дисперсно-зміцнених оксидами (ДЗО) сталей методом вакуумно-дугового переплаву Research opportunities casting of oxide dispersion strengthened (ODS) steels by the method of vacuum arc re-melting Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Короткова, И.М. Сытин, В.И. Ткаченко, В.И. Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| title | Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава |
| title_alt | Дослідження можливості отримання дисперсно-зміцнених оксидами (ДЗО) сталей методом вакуумно-дугового переплаву Research opportunities casting of oxide dispersion strengthened (ODS) steels by the method of vacuum arc re-melting |
| title_full | Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава |
| title_fullStr | Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава |
| title_full_unstemmed | Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава |
| title_short | Исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей методом вакуумно-дугового переплава |
| title_sort | исследование возможности получения дисперсно-упрочненных оксидами (дуо) сталей методом вакуумно-дугового переплава |
| topic | Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| topic_facet | Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80363 |
| work_keys_str_mv | AT borcbv issledovanievozmožnostipolučeniâdispersnoupročnennyhoksidamiduostaleimetodomvakuumnodugovogopereplava AT vanžaaf issledovanievozmožnostipolučeniâdispersnoupročnennyhoksidamiduostaleimetodomvakuumnodugovogopereplava AT korotkovaim issledovanievozmožnostipolučeniâdispersnoupročnennyhoksidamiduostaleimetodomvakuumnodugovogopereplava AT sytinvi issledovanievozmožnostipolučeniâdispersnoupročnennyhoksidamiduostaleimetodomvakuumnodugovogopereplava AT tkačenkovi issledovanievozmožnostipolučeniâdispersnoupročnennyhoksidamiduostaleimetodomvakuumnodugovogopereplava AT borcbv doslídžennâmožlivostíotrimannâdispersnozmícnenihoksidamidzostaleimetodomvakuumnodugovogopereplavu AT vanžaaf doslídžennâmožlivostíotrimannâdispersnozmícnenihoksidamidzostaleimetodomvakuumnodugovogopereplavu AT korotkovaim doslídžennâmožlivostíotrimannâdispersnozmícnenihoksidamidzostaleimetodomvakuumnodugovogopereplavu AT sytinvi doslídžennâmožlivostíotrimannâdispersnozmícnenihoksidamidzostaleimetodomvakuumnodugovogopereplavu AT tkačenkovi doslídžennâmožlivostíotrimannâdispersnozmícnenihoksidamidzostaleimetodomvakuumnodugovogopereplavu AT borcbv researchopportunitiescastingofoxidedispersionstrengthenedodssteelsbythemethodofvacuumarcremelting AT vanžaaf researchopportunitiescastingofoxidedispersionstrengthenedodssteelsbythemethodofvacuumarcremelting AT korotkovaim researchopportunitiescastingofoxidedispersionstrengthenedodssteelsbythemethodofvacuumarcremelting AT sytinvi researchopportunitiescastingofoxidedispersionstrengthenedodssteelsbythemethodofvacuumarcremelting AT tkačenkovi researchopportunitiescastingofoxidedispersionstrengthenedodssteelsbythemethodofvacuumarcremelting |