blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-7-499-503blackmet-1939Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESО возможности использования порошка оксида иттрия как упрочняющей фазы при центробежном литье коррозионностойких сталейPossibility of using yttrium oxide powder as a strengthening phase for centrifugal casting of corrosion-resistant steelsЧумановВ. И.ChumanovI. V.

к.т.н., старший научный сотрудник кафедры «Техника и технологии производства материалов»

456217, Россия, Челябинская обл., Златоуст, ул. Тургенева 16

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Technique and Technology of Materials Production”

Zlatoust, Chelyabinsk Region

chumanovvi@susu.ruЧумановИ. В.ChumanovV. I.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Техника и технологии производства материалов»

456217, Россия, Челябинская обл., Златоуст, ул. Тургенева 16

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Chair “Technique and Technology of Materials Production”

Zlatoust branch of the South Ural State University

chumanoviv@susu.ruЮжно-Уральский государственный университет, филиал в г. ЗлатоустеРоссияZlatoust branch of the South Ural State UniversityRussian Federation202004102020637499503Copyright © Чуманов В.И., Чуманов И.В., 20202020Чуманов В.И., Чуманов И.В.Chumanov I.V., Chumanov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1939

Представлен анализ необходимости работ по совершенствованию составов имеющихся конструкционных материалов ответственного назначения в направлении создания металломатричных материалов, в которых объединена высокопластичная металлическая основа и тугоплавкие высокопрочные высокомодульные наполнители. Для сплавов на основе железной матрицы предпочтительными являются дисперсные частицы оксида иттрия (Y2O3 ) из-за их стабильности при температурах пирометаллургических процессов и инертности в отношении компонентов сплава. Рассмотрена технология получения новых материалов за счет введения дисперсных частиц в жидкий расплав при разливке с использованием машины центробежного литья для получения полой (трубной) заготовки. Показана возможность повышения механических и эксплуатационных свойств металломатричных материалов в сравнении с мономатериалом. Приведены результаты термодинамического моделирования высокотемпературных процессов, происходящих в системе оксид иттрия – металлическая матрица (расплав). Моделирование проведено с использованием программного комплекса FactSage. В качестве моделирующего состава матричного материала использовали состав, соответствующий стали марки 12Х18Н10Т. Расчеты выполнены из соотношения 1 г добавки оксида иттрия на 100 г матричного металлического расплава. Из результатов моделирования можно сделать вывод, что введенный дисперсный порошок оксида иттрия не взаимодействует с компонентами сплава, не диссоциирует и не претерпевает аллотропических превращений. Показана целесообразность проведения экспериментов по получению отливок центробежного литья с применением оксида иттрия в качестве упрочняющей фазы с целью возможного повышения радиационной стойкости. Обозначены направления разработки наиболее эффективной технологии создания металлических материалов на основе железной матрицы, дисперсно-упрочненной оксидом иттрия.

The authors have made an analysis of necessity to improve the composition of the existing structural materials for critical purposes in the direction of creating metal matrix materials, which combine a highly plastic metal base and refractory high-strength high-modulus fillers. For iron matrix alloys, dispersed yttrium oxide (Y2O3 ) particles are preferred because of their stability at pyrometallurgical process temperatures and inertness to alloy components. The technology of obtaining new materials by introducing dispersed particles into a liquid melt during casting using a centrifugal casting machine to obtain a hollow (pipe) billet is considered. The possibility of increasing the mechanical and operational properties of metal matrix materials in comparison with monomaterial is shown. The article describes results of the thermodynamic modeling of high-temperature processes occurring in the yttrium oxide - metal matrix (melt) system. Modeling was carried out using the FactSage software package. A composition corresponding to 12Cr18Ni10Ti steel was used as the modeling composition of the matrix material. The calculations were made according to the ratio of 1 g of yttrium oxide additive per 100 g of matrix metal melt. From the simulation results it is possible to conclude that the introduced dispersed yttrium oxide powder does not interact with the alloy components, does not dissociate, and does not undergo allotropic transformations. The expediency of conducting experiments on the production of centrifugal castings using yttrium oxide as a hardening phase with the aim of a possible increase in radiation resistance is shown. Directions are indicated for developing the most effective technology for creating metallic materials based on an iron matrix dispersed-hardened by yttrium oxide.

расплавупрочняющая фазацентробежное литьеоксид иттриякоррозионностойкие сталиmelthardening phasemechanical alloyingcentrifugal castingyttrium oxidecorrosion resistant steelsReferencesВальтер А.И., Протопопов А.А. Основы литейного производства. – М.: Инфра-Инженерия, 2019. – 333 с.Val’ter A.I., Protopopov A.A. Osnovy liteinogo proizvodstva [Basics of foundry technology]. Moscow: Infra-Inzheneriya, 2019, 333 p. (In Russ.).Одарченко И.Б., Некрасов Г.Б. Основы технологии литейного производства. Плавка, заливка металла, кокильное литье. – М.: Высшая школа, 2013. – 225 с.Odarchenko I.B., Nekrasov G.B. Osnovy tekhnologii liteinogo proizvodstva. Plavka, zalivka metalla, kokil’noe lit’e [Basics of foundry technology. Melting, metal casting, chill casting]. Moscow: Vysshaya shkola, 2013, 225 p. (In Russ.).Комшуков В.П., Черепанов А.Н., Протопопов Е.В. и др. Исследование влияния модифицирования металла нанопорошковыми материалами на качество сортовой непрерывнолитой заготовки // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 8. С. 57 – 63.Komshukov V.P., Cherepanov A.N., Protopopov E.V. etc. Influence study of metal modification with nanopowder materials on continuously cast rod billet quality. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010, no. 8, pp. 57–63. (In Russ.).Al-Mangour B., Grzesiak D., Yang J.-M. In-situ formation of novel TiC-particle-reinforced 316L stainless steel bulk-form composites by selective laser melting // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 706. P. 409 – 418.Al-Mangour B., Grzesiak D., Yang J.-M. In-situ formation of novel TiC-particle-reinforced 316L stainless steel bulk-form composites by selective laser melting. Journal of Alloys and Compounds. 2017, vol. 706, pp. 409–418.Иванов И.И., Демидик А.Н. Ферритные дисперсно-упрочненные стали горячей зоны реакторов на быстрых нейтронах // Вопросы атомной науки и техники. 2001. № 4. С. 65 – 68.Ivanov I.I., Demidik A.N. Ferritic dispersion hardened steels of the hot zone of fast nuclear reactors. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. 2001, no. 4, pp. 65–68. (In Russ.).Singla S., Grewal J.S., Kang A.S. Wear behavior of weld overlays on excavator bucket teeth // Procedia Materials Science. 2014. Vol. 5. P. 256 – 266.Singla S., Grewal J.S., Kang A.S. Wear behavior of weld overlays on excavator bucket teeth. Procedia Materials Science. 2014, vol. 5, pp. 256–266.Портной Н.И., Бабич Б.И., Светлов И.Л. Композиционные материалы на никелевой основе. – М.: Металлургия, 1976. – 264 с.Portnoi N.I., Babich B.I., Svetlov I.L. Kompozitsionnye materialy na nikelevoi osnove [Nickel-based composite materials]. Moscow: Metallurgiya, 1976, 264 p. (In Russ.).Белянчиков Л.Н. Рациональная технология получения коррозионно-стойкой ферритной стали с нанокластерным оксидным упрочнением для атомной энергетики // Электрометаллургия. 2011. № 9. С. 9 – 16.Belyanchikov L.N. Rational technology for producing corrosionresistant ferritic steel with nanocluster oxide hardening for nuclear energy. Elektrometallurgiya. 2011, no. 9, pp. 9–16. (In Russ.).Порошковая металлургия и напыление покрытий / В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин и др. – М.: Металлургия, 1987. – 792 с.Antsiferov V.N., Bobrov G.V., Druzhinin L.K. etc. Poroshkovaya metallurgiya i napylenie pokrytii [Powder metallurgy and coating spraying]. Moscow, 1987, 792 p. (In Russ.).Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. – М.: ИД «Грааль», 2001. – 631 с.Antsiferov V.N., Perel’man V.E. Mekhanika protsessov pressovaniya poroshkovykh i kompozitsionnykh materialov [Mechanics of the processes of pressing powder and composite materials]. Moscov: ID Graal’, 2001, 631 p. (In Russ.).Harris I.R., Williams A.J. Grain boundaries: Their Character, Characterisation and Influence on Properties. – London: IОM Communications Ltd., 2001. – 328 p.Harris I.R., Williams A.J. Grain boundaries: Their Character, Characterisation and Influence on Properties. London: IОM Communications Ltd., 2001, 328 p.Benjamin J.S., Mercer P.D. Dispersion strengthened superalloys mechanical alloying // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 1970. Vol. 1. No. 10. P. 2943 – 2951.Benjamin J.S., Mercer P.D. Dispersion strengthened superalloys mechanical alloying. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 1970, vol. 1, no. 10, pp. 2943–2951.Badmos A.V., Bhadeshia H.K.D.H. The evolution of solutions: thermodynamic analysis of mechanical alloying // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 1997. Vol. 28A. P. 2189 – 2194.Badmos A.V., Bhadeshia H.K.D.H. The evolution of solutions: thermodynamic analysis of mechanical alloying. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 1997, vol. 28A, pp. 2189–2194.Olier P., Мabaplate J., Mathon M.H. etc. Structural and chemical characterisations of ODS ferritic steels produced by mechanical extrusion. – In: Proceedings Powder Metallurgy World Congress and Exhibition, 10-14 October 2010, Florence, Italia, 2010. P. 151 – 158.Olier P., Мabaplate J., Mathon M.H. etc. Structural and chemical characterisations of ODS ferritic steels produced by mechanical extrusion. In: Proceedings Powder Metallurgy World Congress and Exhibition, 10-14 October 2010, Florence, Italia, 2010, pp. 151–158.Пат. 2443505 РФ. Способ получения стальной трубной заготовки / Чуманов В.И., Аникеев А.Н., Чуманов И.В.; заявл. 06.10.2010; опубл. 27.02.2012. Бюл. № 6.Chumanov V.I., Anikeev A.N., Chumanov I.V. Sposob polucheniya stal’noi trubnoi zagotovki [Method of obtaining a steel pipe billet]. Patent RF no. 2443505. Byulleten’ izobretenii. 2012, no. 6. (In Russ.).Chumanov I.V., Chumanov V.I., Anikeev A.N. Preparation of precipitation-strengthened hollow billets for rotary dispersers // Metallurgist. 2011. Vol. 55. No. 5-6. P. 439 – 443.Chumanov I.V., Chumanov V.I., Anikeev A.N. Preparation of precipitation- strengthened hollow billets for rotary dispersers. Metallurgist. 2011, vol. 55, no. 5-6, pp. 439–443.Chumanov I.V., Kareva N.T., Chumanov V.I. etc. Study and Analysis of the Structural Constituents of Billets Hardened by Fine-Grained Particles and Formed by Centrifugal Casting // Russian Metallurgy (Metally). 2012. Vol. 2012. No. 6. P. 540 – 543.Chumanov I.V., Kareva N.T., Chumanov V.I. etc. Study and analysis of the structural constituents of billets hardened by fine-grained particles and formed by centrifugal casting. Russian Metallurgy (Metally). 2012, vol. 2012, no. 6, pp. 540–543.Найзабеков А.Б., Панин Е.А., Лежнев С.Н. и др. Исследование влияния радиально-сдвиговой прокатки на микроструктуру и механические свойства нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т. – В кн.: Современные инновации в области науки, технологий и интеграции знаний. Сб. материалов юбилейной международной научно-практической конференции. № 7. – Рудный: Изд-во Рудненского индустриального института, 2019. С. 197 – 204.Naizabekov A.B., Panin E.A., Lezhnev S.N. etc. Study of the effect of radial-shear rolling on microstructure and mechanical properties of 08Cr18Ni10Ti stainless steel. In: Sovremennye innovatsii v oblasti nauki, tekhnologii i integratsii znanii. Sb. materialov yubileinoi mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, no. 7 [Modern Innovations in Science, Technology and Knowledge Integration. Proceedings of the Anniversary Int. Sci. – Pract. Conf., no. 7]. Rudnyi: Izd-vo Rudnenskogo industrial’nogo instituta, 2019, pp. 197–204. (In Russ.).Naizabekov A.B., Lezhnev S.N., Arbuz A.S. etc. Computer modeling of radial-shear rolling of austenitic stainless steel AISI-321 // Machines. Technologies. Materials. 2018. Vol. 12. No. 12. P. 497 – 500.Naizabekov A.B., Lezhnev S.N., Arbuz A.S. etc. Computer modeling of radial-shear rolling of austenitic stainless steel AISI-321. Machines. Technologies. Materials. 2018, vol. 12, no. 12, pp. 497–500.Bale C.W., Belisle E., Chartrand P. etc. FactSage thermochemical software and databases – recent developments // Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2009. Vol. 33. P. 295 – 311.Bale C.W., Belisle E., Chartrand P. etc. FactSage thermochemical software and databases – recent developments. Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2009, vol. 33, pp. 295–311.Bale C.W., Bélisle E., Chartrand P., Decterov S.A. etc. FactSage thermochemical software and databases, 2010 – 2016 // Calphad – Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2016. Vol. 55. P. 35 – 53.Bale C.W., Bélisle E., Chartrand P., Decterov S.A. etc. FactSage thermochemical software and databases, 2010 – 2016. Calphad – Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2016. vol. 55, pp. 35–53.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.