Анотація до роботи:

Цісар В.П. Закономірності оксидоутворення на армко-залізі та хромистих сталях у розплаві кисневмісного свинцю. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАНУ, Львів, 2005.

Досліджено окиснення армко-заліза та хромистих сталей 20Х13 і ЭП-823 у розплаві кисневмісного свинцю (10^-610^-3 мас. %) за температури 650С. Встановлені кінетичні параметри росту оксидних шарів на досліджуваних матеріалах залежно від концентрації кисню у розплаві свинцю. Ідентифіковані продукти взаємодії, визначено розподіл реагентів та досліджено будову дифузійних зон в околі початкової межі розділу „твердий метал / розплав”. Оцінена роль розміру зерна сталей на склад і морфологію оксидних шарів. Проведений порівняльний аналіз окиснення матеріалів в рідкометалевому та газовому середовищах. Визначені механічні властивості матеріалів після дії рідкометалевого і газового середовищ. Виявлені особливості формування оксидних фаз в системі „Fe[Cr] - Pb[O]”. На основі отриманих результатів та аналізу літературних даних запропонований механізм росту подвійного оксидного шару на поверхні хромистих сталей при контакті з розплавом кисневмісного свинцю.

У дисертації виявлені особливості формування оксидних фаз на поверхні армко-заліза та хромистих сталей за умов контакту з розплавом кисневмісного свинцю, запропонований механізм окиснення та рекомендовано оптимальну концентрацію кисню у розплаві і структурно-фазовий стан сталей, які сприяють зменшенню корозійного впливу свинцевих теплоносіїв.

1. Встановлено закономірності формування оксидних шарів на поверхні армко-заліза та хромистих сталей 20Х13 і ЭП-823 у рідкому свинці за температури 650єС залежно від концентрації домішки кисню (C_O[Pb] ~ 10^-5…10^-3 мас.%). Виявлено, що в околі початкової межі розділу „твердий метал / розплав” формується подвійний оксидний шар, який складається з зовнішнього підшару магнетиту (Fe₃O₄), що росте від початкової межі розділу в напрямку розплаву, внутрішньої збагаченої хромом шпінелі (Fe, Cr)₃O₄, яка формується на базі матриці та зони внутрішнього окиснення з вибірковим окисненням хрому (кремнію). Інтенсивність окиснення армко-заліза та сталей зростає зі збільшенням окислювального потенціалу свинцевого середовища.

2. Виявлено вплив величини зерна на інтенсивність окиснення сталей у розплаві свинцю різної концентрації кисню. Так, при однаковому вмісті хрому (13 мас. %), стійкість до окиснення дрібнозернистої сталі ЭП-823 в свинцевому середовищі з низьким окислювальним потенціалом (C_O[Pb] 10^-5 мас. %) є вища порівняно з крупнозернистою 20Х13 і, навпаки, за умов підвищеної концентрації кисню у розплаві (C_O[Pb] ~ 10^-3 мас. %) стійкість до окиснення крупнозернистої сталі зростає, в той час як дрібнозернистої різко знижується.

3. Встановлено, що інтенсивність окиснення армко-заліза та сталей в розплаві кисневмісного свинцю (C_O[Pb] ~ 10^-6 ч 10^-3 мас. %) значно вища порівняно з газовими середовищами. Суттєво відрізняється морфологія та фазовий склад оксидних шарів. Зокрема, на поверхні контрольних зразків сталей, окиснених на повітрі, формуються оксидні плівки на основі хрому (кремнію), в той час як окиснення в розплаві насиченого киснем свинцю (C_O[Pb] ~ 10^-3 мас. %) супроводжується формуванням оксидних шарів складної подвійної будови на основі магнетиту.

4. Встановлено, що витримки в рідкометалевому і газовому середовищах суттєво не впливають на структурно-фазовий стан матриці досліджуваних матеріалів. Зниження міцності і пластичності зразків армко-заліза та сталі ЭП-823 після витримок в розплаві насиченого киснем свинцю спричинено зменшенням ефективного поперечного перерізу зразків як наслідок їх інтенсивного окиснення.

5. Запропоновано механізм росту складного подвійного оксидного шару на поверхні хромистих сталей, що контактують з розплавом кисневмісного свинцю. Показано, що ріст зовнішнього і внутрішнього оксидних підшарів є взаємозалежним. Рух катіонів заліза в зовнішню оксидну плівку спричинює виникнення потоку вакансій, направленого в твердий метал. Вакансії, осідаючи на структурних дефектах металу (границях зерен, субзерен, дислокаціях тощо), формують у приповерхневому шарі матриці сітку мікроканалів. Кисень мікроканалами проникає з розплаву в твердий метал, формуючи зону внутрішнього окиснення з виділенням оксидів хрому і кремнію. З часом, або ростом концентрації кисню зона внутрішнього окислення трансформується в шпінель (Fe, Cr)₃O₄. Підвищення концентрації кисню у розплаві (С_O[Pb] > 10^-3 мас. %) сприяє формуванню у поверхневому шарі оксиду складних потрійних сполук типу n PbOm Fe₂O₃, що значно погіршує його захисні властивості.

6. Рекомендовано, за умов підтримки оптимальної концентрації кисню у розплаві свинцю (C_O[Pb] = 10^-610^-5 мас.%), використовувати хромисті сталі з дрібним зерном (7-10 мкм), що забезпечує формування захисних оксидних шарів на основі хрому (кремнію) здатних до самозаліковування в процесі тривалої експлуатації рідкометалевих систем.

Публікації автора:

1. Взаємодія твердих металів з розплавами, що містять неметалеві домішки / О.І. Єлісеєва, В.М. Федірко, Я.С. Матичак, В.П. Цісар // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2000. - № 5. - С. 69-76.

2. Реакційна дифузія в системі Fe-Pb-O з урахуванням нестаціонарних умов на міжфазних границях / Я. Матичак, В. Федірко, О. Єлісеєва, В. Цісар // Спецвипуск журналу Фізико-хімічна механіка матеріалів. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України. - 2000. - Т.1. - С. 208-213.

3. Концепції використання та захисту конструкційних та функціональних матеріалів для ядерних енергетичних установок / З.А. Дурягіна, О.І. Єлісеєва, В.М. Федірко, В.П. Цісар // Металознавство та обробка металів. - 2001. - №3. - С. 77-84.

4. Дослідження структури та механічних властивостей сталей 20Х13 і ЭП-823 після витримки у кисневмісному свинці / В. Цісар, О. Єлісеєва, В. Федірко, О. Яськів // Машинознавство. - 2001. - № 4-5. - С. 51-54.

5. Особливості корозійної поведінки a-Fe та сталі 20Х13 у контакті з розплавом кисневмісного свинцю / В.П. Цісар, О.І. Єлісеєва, В.М. Федірко, В.А Лопушанський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2003. - № 4. - С. 65-69.

6. Зміна фазового складу оксидної плівки на сталі ЭП-823 під час контакту з розплавом статичного свинцю / О.І. Єлісеєва, В.П. Цісар, В.М. Федірко, Я.С. Матичак // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2004. - № 2. - С. 90-98.

7. Цісар В., Єлісеєва О. Порівняльний аналіз окиснення армко-заліза у розплаві свинцю і газових середовищах. Спецвипуск журналу „Фізико-хімічна механіка матеріалів”. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України. - 2004. - Т.1. - С. 258-262.

8. Kinetic model of components interaction in Fe-Pb-O system / O. Yeliseyeva, Ya. Matychak, V. Fedirko, V. Tsisar, V. Chernov. // IEA Workshop on reduced activation ferritic-martensitic steels at Japan Atomic Energy Research Institute, Tokyo, Japan. - 2000. - P. 458-471.

9. Цісар В.П. "In-situ" технології інженерії поверхні конструкційних матеріалів. Матеріали конференції "Інженерія поверхні", 22-23 березня, м. Львів. - 2001. - С. 15-18.

10. Цісар В.П. Корозійна поведінка сталей ферито-мартенситного класу при контакті з рідким свинцем / Матеріали відкритої конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України – КМН-2002”, 16-18 травня, м. Львів. - 2002. - С. 66-69.

11. Yeliseyeva O., Fedirko V., Tsisar V. Formation of protective self-recovering oxide layers on the stainless steels surface during the contact to heavy metals coolants / Proceedings of Second International Conference “Materials and Coatings for Extreme Performances”, 16-20 September, Katsiveli-town, Crimea, Ukraine. - 2002. - P. 429.

12. Yeliseyeva Olga, Tsisar Valentyn, Fedirko Viktor. Oxidation behavior of stainless steels in melts of heavy metals // Труды XVI международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению - XVI-ICPRP, Алушта, Крым. - 2004. - С. 241 - 242.