автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии выплавки сталей аустенитного класса, микролегированных скандием

Г Б Ой

1 и ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

На правах рукописи

ВАНЖА Александр Федорович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ СКАНДИЕМ

05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1994

Диссертация есть рукопись.

Работа выполнена в Национальном Научном центре Харьковский физико-технический институт.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Неклюдов Иван Матвеевич

Оффициальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Шифрин Владимир Моисеевич

кандидат технических наук Карпов Николай Алексеевич

Ведущая организация: Никопольский южнотрубный завод

Защита состоится " октяорЯ 1994г. в часов н

заседании специализированного ученого совета К 068. 02.01 при Государственной металлургической акдемии Украины (320635, г. Днепропетровск, пр. Гагарина, 4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государстве Металлургической академии Украины

Автореферат разослан " ^ " сактЯа^Л 1994г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

кандидат технических наук —Т~ Ю. С. Паниотов

//,(.< у'/1 г )1 £ -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В проектируемых вариантах реакторов на быстрых нейтронах (БР) и термоядерных установок (ТЯР) закладываются чрезвычайно жесткие условия эксплуатации и высокие требования к конструкционнным материалам. Кроме хороших технологических свойств и ядерно-физических характеристик, материалы оболочек твэлов БР и первой стенки ТЯР при дозах облучения за всю кампанию работы 2-3-1023нейтр/см2 и температурах 400-800 °С не должны распухать более чем на 5 %, изменять линейные размеры за счет ползучести не более чем на 1 'Л, а прочность и пластичность должны соответствовать уровню, обеспечивающему надежную и безопасную эксплуатацию аппаратов.

К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных по радиационной стойкости аустенитных хромо-никелевых нержавеющих сталей, однако, ни одна из используемых ныне сталей не удовлетворяет указанным выше требованиям. Так, результаты реакторных испытаний и иммитационных исследований образцов сталей 12Х18Н10Т, 06X16Н15МЗБ, 09Х16Н15МЗБР, 08Х16Н15МЗТР свидетельствуют, что при флюенсах свыше 1-Ю23 нейтр/см2 практически полностью исчерпывается ресурс их возможной эксплуатации.

Можно выделить несколько направлений в решении проблемы реакторных материалов, которые реализуются в настоящее время:

- совершенствование технологии выплавки материалов, изготовления и обработки полуфабрикатов и готовых изделий;

- использование в качестве конечной операции технологии изготовления изделий холодной деформации;

- оптимизация химического состава используемых сталей и сплавов за счет легирования малыми добавками химически активных элементов;

- разработка принципиально новых радиационностойких материалов для изделий активных зон БР и ТЯР.

Наиболее экономически выгодным способом создания новых материалов для оболочек и чехлов активной зоны БР и первой стенки ТЯР является совершенствование технологии выплавки, оптимизация состава и термо-механиической обработки используемых в настоящее время и хорошо освоенных промышленностью сталей. При этом повышение радиационной стойкости материалов возможно благодаря подбору сочетания дополнительно вводимых в стали и сплавы элементов. Так, делегирование аустенитных хромо-никелевых сталей небольшим количеством П, ЫЬ,

В, Мо, V, а также редкоземельными элементами (РЗЭ), в части Бс, повышает радиационную стойкость сталей.

Цель диссертации. Разработка технологии выплавки сталей а енитного класса, микролегированных Бс, исследование влияния ра: чных методов выплавки и уровня микролегирования на их структур свойства.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

- разработать технологию опытно-промышленной выплавки стал-оптимальные способы их микролегирования Бс;

- исследовать влияние микролегирования Бс и различных споо выплавки на макро- и микроструктуру сталей, их фазовый I тав, на механические, коррозионные свойства аустенитных < лей, на радиационное распухание аустенитных сталей.

Научная новизна работы характеризуется тем, что впервые ™ чены и исследованы аустенитные стали, микролегированные скандие] Определена концентрационная зависимость влияния микролеп вания скандием на растворимость азота в расплаве стали 06Х16Н151 Рассчитаны условия нитридообразования БсИ в расплаве при различ; температурах.

Показано, что микролегирование скандием существенно изме] микроструктуру слитков, модифицируя неметаллические включени. интерметаллидные фазы скандием.

Исследовано влияние уровня микролегирования скандием на к* чество и величину скоплений скандийсодержащих неметалличе! включений и интерметаллидных фаз. Установлен максимально допуст] уровень микролегирования сталей аустенитного класса скандием, 1 воляющий проводить горячую деформацию слитков.

Показано, что фазовый состав исследумых сталей выплавки о] деляется уровнем микролегирования, чистотой исходных материалов сере, фосфору и степенью рафинирования расплава от растворенных зовых примесей.

Исследована растворимость скандия в стали 06Х16Н15МЗБ. 0] делен оптимальный, с точки зрения фазового состава стали, уро] микролегирования.

Изучено влияние способа выплавки на величину микрохимиче< неоднородности слитков и трубных заготовок. Отмечен минимал] уровень микрохимической неоднородности при выплавке аустени' сталей методом вакуумного центробежного литья.

На основе теории капиллярной коагуляции неметаллических В1 чений рассмотрены закономерности образования и распределения ш

таллических включений при различных способах выплавки. Объяснена причина значительно меньшего загрязнения слитков скоплениями РЗЭ-содержащих включений при вакуумном центробежном литье по сравнению со стационарным литьем.

Исследовано влияние микролегирования скандием на физико-механические и коррозионные свойства сталей аустенитного класса. Показано, что микролегирование через структурные факторы оказывает существенное влияние на свойства трубных заготовок и готовых изделий - тонкостенных твэльных труб.

Показано, что микролегирование скандием приводит к подавлению вакансионного распухания аустенитных сталей при ионном и нейтронном облучениии.

Практическая значимость работы. В процессе проведения исследований были разработаны и испытаны химически- и эрозионностойкие тигли для индукционной выплавки сталей, вакуумная индукционная печь с донным разливом металлов и сплавов, способы микролегирования скандием аустенитных сталей и скандийсодержащие лигатуры.

Разработан метод вакуумного центробежного литья сталей и сплавов (ВЦБЛ) и технологическое оборудование, позволяющее получать высококачественные трубные заготовки.

На основании проведенных экспериментов отработана технология производства трубных заготовок методом вакуумной индукционной плавки с последующим вакуумным дуговым переплавом и термо-механической обработкой (ВИП+ВДП). Проведены опытно-промышленные плавки в условиях завода "Электросталь" общим объемом 50 т, что позволило изготовить около 6 км чехловых и твэльных труб. Выпущены технические условия на трубную заготовку из разработанной аустенитной стали, микролегированнной скандием, 06X1! ~Ч2ТРч ИД, которой присвоена Гос. марка ЭК99 ИД.

На защиту выносится:

1. Технология получения аустенитных сталей, микролегированных скандием, устойчивых к радиационному распуханию и обеспечивающая получение требумых технологических, прочностных и коррозионных свойств.

2. Метод вакуумного центробежного литья, позволяющий получать трубные заготовки из сталей и сплавов с низким уровнем неметаллических включений, с высокой плотностью и однородностью химического состава, а также существенно повышающий технико-экономические показатели их производства.

3. Параметры оптимальных технологических режимов вакуумной

индукционной выплавки, вакуумного дугового переплава и спос микролегирования скандием аустенитных сталей.

4. Оптимизированная по химическому составу аустенитная ст микролегированная скандием, - 06Х16Н15М2ТРч (Гос. марка ЭК99 обладающая высокой технологичностью и радиационной стойкостью.

Апробация работы. Основные результаты исследований по диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных совещания физике радиационных повреждений и радиационному материаловед (Харьков: 1982, 1984, 1986 гг.), на V, VI, VII, VIII школах по зике радиационных повреждений (Харьков 1985 г., Алушта: 1987 1989 г., 1992 г.),на 7 Всесоюзном научно-техническом совещании проблемам спецэлекртометаллургии (Москва 1987 г. ), Всесоюзном вещании "Опыт производства нержавеющих труб для атомной энерг ки" (Москва, 1989 г.), Международной конференции по радиацион материаловедению (Алушта 1990 г. ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных ра получено 4 авторских свидетельства.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введ 3 глав, выводов и приложения, изложена на 168 страницац, вкл 130 страниц машинописного текста, 31 таблицу, 44 рисунка и сп использованных литературных источников в количестве 130 наимен ний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность поставленной з чи, определена цель ты, сформулированы основные положения, носимые автором на защиту, изложено краткое содержание диссерта

В первой главе диссертации дан анализ современных методов : лавки аустенитных сталей при производстве чехловых и твэльных т; Описано влияние сопутсвующих примесей и растворенных газов на с: ства сталей, влияние вакуума на поведение примесей и газов при i лавке сталей, способы воздействия на величину и количество неме' лических включений и фазовый состав слитков. Рассмотрены Teopi ческие основы процесса кристаллизации слитка, влияние кинетиче! и термодинамических факторов на процесс кристаллизации. Систем; зированы литературные данные по влиянию микролегирования РЗЭ свойства сталей, влиянию легирования различными элементами на р; ационную стойкость сталей аустенитного класса.

Во второй главе изложены результаты экспериментов по разра< ке способов выплавки и микролегирования скандием аустенитных ст;

12Х18Н10Т, 08X16Н11МЗ, 00Х16Н15МЗБУ (ЭИ844), 06Х16Н15МЗБ (ЭИ847), 09Х16Н15МЗБР (ЭП172), 08Х16Н15МЗТР (ЧС68) методами вакуумной металлургии. Технология изготовления, физико-механические свойства и данные по термостойкости разработанных для вакуумной индукционной выплавки сталей термо- и эрозионностойких муллитокорундовых и цир-кономуллитокорундовых тиглей.

Обоснован выбор исходных шихтовых материалов для индукционной выплавки. Показана необходимость применения основных легирующиих элементов с низким содержанием примесей цветных металлов, кобальта, кислорода, азота и водорода.

Описаны исследованные способы выплавки и получения трубных заготовок: вакуумная индукционная плавка (ВИП), вакуумная индукционная плавка в холодном тигле (ИХТ), вакуумный дуговой рафинирующий переплав (ВДП), метод вакуумного центробежного литья (ВЦБЛ). Приведены конструкции разработанного экспериментального оборудования и особенности процесса выплавки.

Способы легирования Бс сталей при различных методах выплавки, показано, что минимальные технологические потери Бс достигаются при его введении в расплав в виде разработанных лигатур системы Ге-Бс и компактируемой смеси Мо-Ш-Ге-Бс (усвоение Бс расплавом - 60-65 % мае. при введении на стадии ВИП и до 85 % мае. - при ИХТ).

Описана отработанная технология выплавки оптимизированной по хим. составу аустенитной микролегированной Бс стали 06Х16Н15М2ТРч (ЭК99 ИД) методом ВИП+ВДП (Таблица 1), и схема получения трубных заготовок по разработанным техническим условиям.

Таблица 1. Хим. состав стали 06Х16Н15М2ТРч ИД по ТУ 14-1-4476-88

Марка Массовая доля элементов, %

С Сг N1 Мо Т1 Мп Б1 Б Р N В Бс

ЭК99 ИД 0,04 15,0 15,0 2,0 0,2 0,9 0,2 н. б. н. б. н. б. 0,0010,05 0.08 16,0 16,0 2,5 0,4 1,3 0,4 0,006 0,010 0,010 0,005 0,20

Третья глава посвящена исследованию влияния различных способов выплавки и уровня микролегирования Бс на свойства аустенитных сталей.

Известно, что РЗЭ, используемые для раскисления и десульфации сталей и сплавов, значительно снижают концентрацию [01 и [N1 в расплавах железа и сталей, а значит и в твердом растворе выплавляемого металла, однако, данные по влиянию такого РЗЭ как Бс неполны, в

связи с чем были исследованы физико-химические закономерности вл! ния Se на поведение азота при выплавке сталей.

Сталь 06Х16Н15МЗБ получали методом ВИП+ВДП, содержание Se металле составило 0,06-0,18 % мае. Анализ поведения газов в проце се выплавки показал, что после введения Se содержание С N1 в про< значительно уменьшается (с 0,0150-0,0120 % мае. до 0,0015-0,00] мае. ), тогда как уровень [0], в силу хорошей раскисленности ра< лава, меняется слабо и остается в пределах 0, 006-0, 002 X мае.

Дополнительные эксперименты проводились по изохорному вариа] метода Сивертса, основанного на изменении давления газа в гермет! ной системе постоянного объема вследствие поглощения газа распла1 Образцы плавили индукционными токами в корундовых тиглях i температуре 1600 °С. Se в расплав после достижения равновесия в < стеме газообразный азот - основа сплава. Использовался как чис Se, так и Fe-Sc лигатура.

Определив, в результате математической обработки экспериментальных кинетических зависимостей растворимости азота в стали 06Х16Н15МЗБ со Se, величину коэффициента активности Se (Tgc= 0,34) и, используя табличные данные по изменению стандартной энергии Гиббса, с учетом промежуточных реакций диссоциации и растворения азота, были вычислены условия образования ScN в расплаве по реакции

[Se] + (N1 = ScN . Результаты расчета приведены на рис.1. Полученные результаты используются для прогнозирования

первичного нитридообразования в аустенитных сталях со Se.

Изучение влияния методов выплавки аустенитных сталей и уро микролегирования на макро- и микроструктуру показало, что ели после ВИП и слива в изложницы имеют как поверхностные дефекты (т щины, плены), так и внутренние, первопричиной которых являе большая физическая, структурная и химическая неоднородность закр таллизовавшегося металла. Отличительной особенностью макрострукт после ИХТ является наличие большого количества внутренних пор

цГьфа>

Рис.1. Кривые двухфазного рав весия растворенный М-ЭеИ в р плаве стали 06Х16Н15МЗБ + при различных температурах.

раковин, что связано с техонологической невозможностью перегрева расплава при выплавке и сливе. После ВДП структура слитков становится более совершенной, увеличивается их плотность и однородность, формируется ярко выраженная столбчатая структура в которой кристаллы ориентированы под некоторым углом к оси слитка, уменьшающемся при увеличении скорости плавки и кристаллизации. Слитки сталей, выплавленных методом ВЦБЛ, характерезуются наличием нескольких структурных зон, причем подбором параметров литья можно формировать их макроструктуру вплоть до слитков с одним типом кристаллизации (например, мелких равноосных, либо столбчатых кристаллов). Металл при этом способе выплавки имеет минимальный уровень макро- и микродефектов кристаллизационного происхождения. Макроструктура кованых трубных заготовок характеризуется наличием силь-нодеформированных рекристаллизованных зерен без видимых макродефектов. Микролегирование Бс значительно сокращает центральную зону равноосных кристаллов при ВИП, измельчая макроструктуру слитков при ВДП, ВЦБЛ и в кованых трубных заготовках.

Исследование микроструктуры аустенитных сталей, микролегированных Бс, проводилось с помощью металлографического анализа. Определялось количество неметаллических включений (НВ) и интерметаллид-ных фаз, характер распределения их скоплений, микротвердость, плотность слитков, трубных заготовок и готовых твэльных труб.

Показано, что на микроструктуру слитков стали после ВИП определяющее влияние имеет чистота исходных шихтовых материалов, эрозионная и химическая стойкость материалов плавильных тиглей, способ и уровень микролегирования скандием, условия кристаллизации металла. Отмечено, что применение разработанных муллитокорундовых и цирконо-муллитокорундовых тиглей в сочетании с донной разливкой расплава в водоохлаждаемый кристаллизатор позволило практически очистить слитки от экзогенных НВ, а использование чистых шихтовых материалов резко снижает загрязненность слитка газовыми и вредными примесями.

Микролегирование Бс сильно влияет на микроструктуру слитков после ВИП, поскольку скандий в силу своей химической активности, склонен к образованию соединений с растворенными газами, активно взаимодействует с огнеупорами печи и шлаком.

Слитки после ВДП характеризуются наименьшим содержанием скан-дийсодержащих НВ в средней части слитка и повышенным в узкой пере-ферийной зоне у стенок кристаллизатора , а при ВЦБЛ - вблизи осевой полости. Распределение скоплений НВ по высоте слитков практически равномерно при всех способах выплавки.

Термо-механическая обработка существенно влияет на микрострук туру аустенитных сталей, микролегированных Бс. Горячая деформация сочетаниии с промежуточными высокотемпературными отжигами измельча ет зерно, а процессы рекристаллизации существенно улучшают микрс структуру. Сопоставление уровня Бс-содержащих НВ в трубных заготс вках, полученных методом ВИП+ВДП с последующей термо-механическс обработкой и методом ВЦБЛ, показало, что при одинаковом уровне мик ролегированя количество строчечных НВ в твэльных трубах после ВЦЕ ниже, чем при ВИП+ВДП, однако в обоих случаях приемлемо для прове дения дальнейших трубных переделов, что указывает на перспективное! выбранных технологических схем их производства (Таблица 2).

Таблица 2. Влияние способов выплавки на содержание НВ в трубных заготовках из стали 06Х16Н15М2ТРч.

Способ Содержание включений в баллах

выплавки оксиды силикаты карбонитриды скопления

ВЦБЛ 0,5 <0,5 1,5-2,5 <1

ВИП+ВДП, кованый 0,5 - 1,0 0,5-1,0 2,0-3,0 1

Исследование зависимости общей загрязненности слитков Бс-содержащими включениями и интерметаллидными фазами выявило рафинирующую роль Бс при малых концентрациях (примерно 0,01-0,03 % мае. ), увеличение числа избыточных фаз при содержании Бс в металле более 0,11 % мае. (рис. 2). Исходя из критериев технологичности трубного передела слитков сталей был определен предел ный уровень микролеги-кролегирования Бс, связанный с общим уровнем содержания в металле Бс-содержащих НВ и интерметаллидных фаз - не более 0,13 % мае.

а,(ми

о

41 0,15 ЬЦтс.

Рис.2. Объемная доля НВ (1) и ин терметаллидных фаз (2) в стал 06Х16Н15МЗБ в зависимости о уровня микролегирования Бс.

Исследование фазового состава металла проводилось на микроз

ндовых анализаторах MS-46 "Cameca", СХ-42 "Camebax" и микрозондовой приставке "Link system 860" к электронному микроскопу ЕМ-100 СХ. Изучалось влияние методов выплавки и уровня микролегирования на тип, морфологию, количественный и качественный состав избыточных фаз, образующихся в процессе плавки, кристаллизации и деформации радиационностойких аустенит ных сталей.

При анализе исследуемых аустенитных сталей ( таких, как 06Х16Н15МЗБ, 12Х18Н10Т, 08Х16Н111МЗ, 06Х16Н15М2ТР), выплавленных методами вакуумной металлургии, оказалось, что в них наблюдаются относительно мелкие карбонитриды Ti и Nb, а также более крупные и сложные интерметаллидные включения с 49 % Ti, 35, 5 % Nb и 1,5 % Fe. При микролегировании скандием появляются отдельные включения оксида скандия, Бс-содержащие карбонитриды, интерметаллиды и фосфиды сложного состава, причем, если общее количество фаз и скоплений НВ зависит от способа выплавки сталей, то их качественный состав зависит только от чистоты исходной шихты по фосфору и газам и уровня микролегирования Sc. Так, было определено, что при содержании фосфора в расплаве менее 0,008 У. при 0,08-0,13 % Sc в металле не образуется

легкоплавкая эвтектика (Ni+Sc+Fe)+(Ni,Sc,Fe) Р , а величина и кох у

личество оксида скандия Sc203 резко падает.

В структуре трубных заготовок, полученных методом ВИП+ВДП с последующей термо-механической обработкой, наблюдаются четыре типа включений: ограненные выделения карбида скандия содержащего около 80 % Ni, 7 % Sc, 4 % Mo, 1 % Сг, 0,5 % Ni, остальное - углерод; включения оксида скандия Sc203, равномерно распределенные по телу зерна; фосфоросодержащая эвтектическая фаза с большими по сравнению с литым металлом колебаниями состава (Fe - 8-32 %, Ni - 25-41 %, Sc - 8-36 %, Р - 0,2-20 %); четвертый и основной тип включений -строчечные остроугольные включения нитрида скандия, образующиеся в процессе горячей деформации по реакциям:

FexSc Niz+ у[N] yScN +х[ Fe] +ztNi 1;

(Fe Sc Ni) P +xfNI xScN +xtFe]+x[Ni]+y[PI.

X у '

Проведенные исследования позволили сформулировать требования к способам выплавки и составу радиационностойких сталей обеспечивающие проведение горячей деформации стали без образования нитридов скандия: глубокое раскисление расплава перед вводом скандия, минимальную концентрацию фосфора в исходных шихтовых материалах (менее 0, 008 % мае.), подавление ликвационных процессов при кристаллизации, чему способствует выплавка сталей методом ВЦБЛ.

При проведении микрозондовых исследований был определен предел

растворимости скандия в стали 06Х16Н15МЗБ при микролегирования, который составил 0, 080 % мае. Se.

С помощью микрохимического анализа проведенного на микрорентгеновском анализаторе MS-4B "Сатеса" и металлографических исследований изучено влияние способа выплавки аустенитных сталей на величину микрохимической неоднородности. Установлено, что минимальная химическая неоднородность между осями дендритов по основным легирующим элементам (Fe, Cr, Ni, Мо, Nb) наблюдается при выплавке сталеР методом ВЦБЛ, при этом их объемная доля максимальна (рис. 3).

11 ш ш

а) б) в)

Рис.3. Структура слитков стали 0БХ16Н15МЗБ после травления на микрохимическую неоднородность (темные участки - оси дендритов, светлые - междендритные области), х50:

а) - без микролегирования,: ВИП+ВДП;

б) - микролегированная Se, ВИП+ВДП;

в) - микролегированная Se, ВЦБЛ.

На основе теории капиллярной коагуляции НВ объяснена причт значительно меньшего загрязнения слитков скоплениями НВ при ВЦБЛ i сравнению со стационарным литьем в изложницу. Показано, что главн: фактором влияющим на степень рафинирования металла от скоплений S -содержащих включений, является величина гравитационного коэффиц ента К = Оценены максимальные размеры скоплений при раз

чных способах литья, удерживаемых в ликвационной зоне (око 0,5 мкм - при ВЦБЛ и около 50 мкм при стационарном литье). Подтверждено, что приимущества ВЦБЛ сохраняются во всех структури зонах кристаллизущегося металла: вблизи изложницы в зоне коркоЕ кристаллов, в зоне столбчатых кристаллов и вблизи осевой полос отливки в зоне равноосных кристаллов, однако они наиболее выражс в зоне столбчатых кристаллов, которая формируется подбором оп' мального гравитационного коэффициента и технологических парамет] литья (Рис. 4). Установлено подавление встречного фронта кристал.

зации при ВЦБЛ по сравнению с центробежным литьем на воздухе.

Изучение физико-механических и коррозионных свойств аустенит-

ных сталей, микролегированных Бс, показало, что их уровень зависит, главным образом, от степени рафинирования металла от скоплений Бс-со-держащих включений и степени микролегирования сталей. Так, кратковременные мех. свойства чистых по скоплениям НВ аустенитных сталей при содержании Бс до 0,18 % мае. находятся на уровне сталей без микролегирования и остаются достаточно высокими во всем исследованном интервале температур (20-1000 °С). Необходимо отметить, что трубные заготовки выплавленные методом ВЦБЛ показали более высокую прочность и пластичность по сравнению с заготовками полученными методом ВИП+ВДП, что связано с их меньшей хим. неоднородностью.

Исследования по влиянию микролегирования Бс на длительную прочность показали, что при микролегировании происходит дополнительное дисперсионное твердение. Так, если исходная микротвердость стали 06Х16Н15МЗБ, микролегированной до уровня 0,064 % мае. Бс, была 1100 МПа, то после старения длительностью 600 часов при 650-750 °С она достигает 1400 МПа, что свидетельствует о том, что при микролегировании происходит экранирование дислокаций, а рост избыточных фаз происходит не на дислокациях, а гомогенно в твердом растворе.

Микролегирование Бс слабо влияет на скорость коррозии аустенитных сталей, однако отмечается их несколько более высокая склонность к межкристаллитной коррозии (МКЮ, поскольку это свойство является структурнозависимым. Выбранные способы выплавки и термообработки позволили получить сталь не склонную к МКК при концентрациях Бс до 0,18 % мае.

Воздействие микролегирования Бс на радиационностимулированное изменение микроструктуры и вакансионное распухание аустенитных сталей изучалось после облучения ионами хрома на ускорителях УТИ-1 (с энергией 1 МэВ) и ЭСУВИ (4 МэВ) при температурах 500-700 °С на электронном микроскопе ЕМ-100 СХ. Исследования показали, что под действием облучения в базовых аустенитных сталях происходит уве-

Рис. 4. Макроструктура стали 06Х16Н15М2ТРч, полученной методом ВЦБЛ (хО, 3).

личение плотности дислокаций, которая при дозе 30-40 сна достигав насыщения и составляет 8-101101Осм-2, причем в процессе облученш происходит выпадение из твердого раствора карбонитридов, фаз Лаве са, с- и С-фазы. В сталях микролегированных Бс, кроме того, отме чены мелкие (до 50 нм) радиационноиндуцированные пластинчатые выде ления карбонитридов титана и ниобия, интерметаллидов на снове Ш -Бс. В процессе облучения развивающаяся дислокционная структур и радиационноиндуцированные выделения взаимодействуют между собой в результате чего образуется мелкоячеистая термодинамически устой чивая дислокационно-примесная структура.

Микролегирование Бс (0,08-0,13 % мае. ) приводит к значительно* уменьшению радиационной пористости аустенитных сталей (рис. 5), причем увеличивается инкубационный период (отсутствие распухания) и снижается скорость распухания на установившейся стадии во всем интервале температур облучения исследованных аустенитных сталей. Значение распухания при дозе 100 сна находится в пределах 0,4-3 %. Различные методы выплавки косвенно влияют на величину распухания, поэтому

Рис. 5. Распухание стали 06Х16Н15М31 в зависимости от дозы облучения ио нами хрома при температуре 650 °С

1 - исходная, отжиг 1050 °С, 30 мин

2 - исходная, с 30% холодной дефор.

3 - со Бс, отжиг 1050 °С, 30 мин

4 - со Бс, с 30% холод, деформацией

Таблица 3. Распухание и остаточное равномерное относительно удлинение после облучения тепловыделяющих сборок в ре акторе на быстрых нейтронах БН-350 до дозы 50 сна.

Материал Температура облучен., °С Температура, испытан., °С Распухание, ЛУ/У, % Удлинени 6 , % р

06Х16Н15МЗБ 480 500 10 0

-"- + 0,1%Бс 480 500 <1,5 9, 4

06Х16Н15М2ТР 480 500 10 0

06X16Н15М2ТРч 480 500 <0, 5 9, 5

наименьшие величины распухания наблюдаются в образцах имеющих минимальную хим. неоднородность, величину и число Бс-содержащих НВ и интерметалидов, т.е. после ВИП+ВДП и ВЦБЛ).

Реакторные испытания тепловыделяющих сборок с оболочками из аустенитных сталей, микролегированных Бс, подтвердили результаты им итационных исследований относительно их высокой радиационной стойкости по сравнению с базовыми сталями ( табл. 3).

Оценка технико-экономической эффективности производства аустенитных сталей, микролегированных скандием.

Исследования качества трубных заготовок проводилось на деформированном металле после ковки опытных заводских плавок слитков весом 0,5 и 1.0 т на заготовку Я 105 мм и после выплавки методом ВЦБЛ 0 140 мм с толщиной стенки 65 мм. Кроме хим. состава контролировались содержание газов, загрязненность стали НВ, механические и коррозионные свойства. Выяснено, что при введении до 0,13 % вес. Бс технологии выплавки методом ВИП+ВДП и ВЦБЛ позволяют получать трубные заготовки с уровнем пластичности достаточным для изготовления из них особотонкостенных твэльных труб 0 6, 9x0, 4 мм и 0 6, 0x0,3 мм. Основным источником эффективности применения этого метода получения трубных заготовок является введение Бс на стадии ВИП в виде Ге-Бс--Мо-^-Ге-Бс лигатур, что позволило уменьшить угар РЗЭ до 30%.

Основными преимуществами получения трубных заготовок методом ВЦБЛ является:

- исключение операции рафинирующего переплава;

- исключение операции ковки слитков;

- снижение расходного коэффициента металла при мех. обработке слитков (с 3-4 при ВИП+ВДП до 1,2-2 при ВЦБЛ).

Результаты экономического расчета при проведении опытно-промышленных плавок и получения трубных заготовок из микролегированных скандием аустенитных сталей показали, что при годовом объеме производства 5,000 т трубных.заготовок экономическая эффективность от внедрения метода ВЦБЛ составляет 248,2 тыс. руб/т (в ценах 1990 г.).

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология производства трубных заготовок из микролегированных скандием сталей аустенитного класса методом вакуумной индукционной плавки с последующим вакуумным дуговым переплавом

и термо-механической обработкой. Выполнена серия опытно-промышл ных плавок в заводских условиях, изготовлены трубные заготовки, позволило получить конечную продукцию: тонкостенные твэльные тр} чехловые трубы для постановки на реакторные испытания. Выпу! технические условия на трубную заготовку из микролегирова! скандием стали 06Х16Н15М2ТРч ИД, ей присвоена Гос. марка ЭК99 И,

2. Разработаны и испытаны химически- и эрозионностойкие т для индукционной выплавки сталей и сплавов, вакуумая индукцио печь с донным сливом расплава, модули для вакуумного центробеж литья, способы микролегирования скандием аустенитных сталей, с дийсодержащие лигатуры.

3. Разработан метод вакуумного центробежного литья стале сплавов, позволяющий получать высококачественные трубные заго' и существенно повышающий технико-экономические показатели их п] водства.

4. Исследовано влияние микролегирования скандием на раст мость азота в расплавах чистого железа и стали 06Х16Н15МЗБ. Р таны термодинамические параметры взаимодействия и условия нит образования БсИ при различных температурах.

5. Исследовано влияние методов выплавки на структуру ми* гированных скандием сталей аустенитного класса. Показано, что более предпочтительными для формирования требуемой макро- и ! структуры трубных заготовок являются:

- метод вакуумной индукционной плавки с последующим вак дуговым переплавом;

- метод вакуумного центробежного литья.

6. Исследовано влияние степени микролегирования скандием тенитных сталей на концентрацию и распределение неметаллу включений и интерметаллидных фаз. Установлено, что введение I скандия выше предела растворимости сопровождается появлением лений из скандийсодержащих неметаллических включений и инте] лидных фаз. Определен максимально допустимый уровень микроле: ния скандием сталей аустенитного класса, позволяющий проводи рячую деформацию слитков (не более 0,13 % мае.).

7. Определен фазовый состав микролегированных скандием нитных сталей различных способов выплавки. Показано, что состав не зависит от способа выплавки, а определяется уровне ролегирования, чистотой исходных материалов по сере, фосфор; пенью рафинирования расплава от растворенных газовых примес«

8. Исследовано влияние способа выплавки на величину ми;

ческой неоднородности стальных слитков и трубных заготовок. Отмечено минимальное значение микрохимической неоднородности при выплавке аустенитных сталей методом вакуумного центробежного литья.

9. На основе теории капиллярной коагуляции неметаллических включений рассмотрены закономерности образования и распределения неметаллических включений при различных способах разливки сталей, микролегированных скандием. Объяснена причина значительно меньшего загрязнения скоплениями скандийсодержащих включений отливок при вакуумном центробежном литье по сравнению со слитками, полученными разливкой стали в изложницы.

10. Исследовано влияние микролегирования скандием на физико-механические и коррозионные свойства сталей аустенитного класса. Показано, что микролегирование, через структурные факторы, оказывает влияние на свойства трубных заготовок и конечных изделий.

11. Исследовано влияние облучения на микростуктуру и распухание аустенитных сталей, микролегированных скандием. Выяснено, что микролегирование скандием до 0,13 % мае. приводит к подавлению вакансионного распухания аустенитных сталей при ионном облучениии в интервале температур 500 - 700 °С до дозы 100 сна.

Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах:

1. Исследование радиационного распухания и структурно-фазовых превращений аустенитнитной нержавеющей стали Х1ЭН13ТЗГЗ после облучения тяжелыми ионами / Брык В.В., Ванжа А.Ф. , Матвиенко Б.В. и др. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - Харьков,1986. - Вып. 3, 4. - С. 17-22.

2. Выплавка и исследование литой структуры сталей ХНС / Беспалова В. Р. , Зейдлиц М. П. , Рябчиков Л. Н. , Рыбальченко Н. Д. , Саенко Е. М., Черный Б. П., Шевченко С. В., Ванжа А. Ф // Там же. - С. 68-73.

3. Рафинирование стали ХНС при центробежном литье в вакууме / Зеленский В. Ф. , Неклюдов И. М., Черный Б. П., Беспалова В. Р., Ванжа А. Ф. и др. // Там же. - С. 74-78.

4. Освоение промышленной технологии производства трубной заготовки из стали ХНС / Зеленский В. Ф. , Неклюдов И. М. , Черный Б. П., Зейдлиц М. П., Рябчиков Л. Н., Ванжа А. Ф. и др. // Там же. - 1988. -Вып. 1.-С. 35-39.

5. Разработка метода вакуумного центробежного литья из сталей

и сплавов / Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Черный Б.П., Зейд М. П., Ванжа А. Ф. и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение Харьков, 1988. - Вып. 1. - С. 40-43.

6. Исследование фазового состава центробежнолитых труб сталей ХНС-1 и ЭИ847. Рабинович А.В., Заславский Ю.Б., Милова И. Волюшко К.И., Черный Б. П., Зейдлиц М.П., Рыбальченко Н. Д., Бес лова В. Р., Ванжа А. Ф. и др. // Там же. - С. 44-48.

7. Сравнительный анализ структуры и свойств металла особот костенных холоднодеформированных труб, полученного методом ваку ного центробежного литья и по традиционной технологии / Лезинс Е. Я. , Попов М. В., Гудзенко Л. Н. , Даниленко Т. П. , Зеленский В. Неклюдов И. М. , Черный Б. П. , Зейдлиц М. П., Ванжа А. Ф. , Сафонов В // Там же. - С. 49-53.

8. Исследования качества слитков, полученных методом цент бежного литья в вакууме / Черный Б.П., Рябчиков Л.Н., Зейдлиц М. Ванжа А. Ф. и др. // Проблемы и перспективы развития спецэлект металлургии: Отраслевой тематический сборник. - Москва, 1989. Ч. 3. - С. Б4-67.

9. Рафинирование жидкой стали в условиях вакуума путем при нения керамических фильтров / Сосков Д.А., Шалимов А. Н., Юнак И. В., Топилина Т. А., Волков А. Е., Петровский В. А., Зеленский В. Неклюдов И. М., Черный Б. П., Зейдлиц М. П., Рубашко В. Г., Ванжа А // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных п реждений и радиационное материаловедение. - Харьков, 1989. - В 1, 2. - С. 88-92.

10. Влияние высокотемпературных обработок на микроструктуру механические свойства стали Х16Н15М2ТР, легированной скандием / клюдов И. М., Черный Б. П., Ванжа А. Ф. и др. // Там же. - С. 97 -

11. Неклюдов И. М. , Черный Б. П., Ванжа А. Ф. Особенности обра вания и удаления неметаллических включений при вакуумном центроб ном литье // Там же. - С. 104-109.

12. Производство трубных заготовок и оболочек твэлов мето центробежного литья / Зеленский В. Ф., Неклюдов И. М., Черный Б. Зейдлиц М. П., Ванжа А.Ф. и др. // Атомная энергия. - Москва, 1989 Т. 67., Вып. 1.- С. 35-37.

13. Особенности структуры трубных заготовок коррозионност ких сталей для атомной энергетики, полученных центробежным литье вакууме /Зеленский В. Ф., Неклюдов И. М., Черный Б. П., Зейдлиц М. Рябчиков Л. Н., Ванжа А. Ф. и др. // Радиационное материаловеден

Тр. Международной конф. - Харьков, 1991. - Т. 7. С. 132-138.

14. Исследование фазового состава радиационностойкой стали 06Х16Н15М2Т / Зеленский В. Ф. , Неклюдов И. М. , Ванжа А. Ф. и др. // Там же. - Т. 8, С. 7-14.

, / /

V , I' /а* -