На сегодняшний день ванадий является одним из самых востребованных легирующих элементов в сталеплавительном производстве. В чем секрет такого спроса на него? Дело в том, что даже незначительное содержание ванадия в сплавах влияет на их качество положительным образом. Они становятся более прочными и устойчивыми. Соответственно, производитель может увеличить срок службы своей продукции. При добавлении данного легирующего элемента к ферросплавам увеличивается предел их текучести. Повышается также соотношение показателей предел текучести – предел прочности.
Уникальные свойства ванадия
Почему ванадий (феррованадий) имеет такое мощное действие на сплавы? Причиной этому являются уникальные свойства данного элемента. Он способен формировать карбиды. Их выделение из твердой массы ванадиевых ферросплавов происходит перед образованием цементита - химического соединения, называемого иначе карбид железа.
Таким образом, система в данном случае выглядит так: Fe—V—С.
Образованные ванадием карбиды, а также сложные ванадийсодержащие карбиды формируются из твердого раствора в мелкодисперсном виде. Данные вещества весьма сложно растворить в аустените (твердый раствор углерода в железе) или феррите (оксидные соединения железа с другими металлами). При их добавлении происходит значительное структурное измельчение стали и чугуна. Другое характерное для данного процесса явление – замедление интенсивности роста зерна в момент нагрева. Небольшое количество ванадия, не содержащееся в карбидах, формирует твердый раствор в феррите. Благодаря этому свойству рассматриваемого вещества значительно увеличивается растворимость в нем кислорода. Такой фактор, в свою очередь, положительно влияет на процесс очищения феррита от соединений оксидного типа, негативно сказывающихся на показателях его прочности.
При измельчении зерен аустенита и замедлении темпов их роста во время нагрева, карбиды ванадия оказывают тем самым несомненную пользу закаливаемым ферросплавам. Благодаря данному процессу изделия будут отличаться высокими показателями пластичности. Наиболее актуально данное свойство ванадия для закаливания крупногабаритной продукции. Наличие легирующего элемента в железных сплавах способствует их устойчивости к высоким температурам и повреждениям. В «цементируемых» сталях с низким содержанием углерода включение даже незначительного количества легирующего элемента замедляет темпы роста зерна аустенита при цементации. В результате закаливания цементированный слой стальных изделий будет отличаться высокой прочностью, тогда как глубинные слои сохранят свою пластичность.
Применение ванадия в производстве сплавов
Сегодня ванадий часто используется для типов стали, применяемых в производстве крупногабаритных конструкций. К ним относятся:
- Хромисто-ванадиевая сталь. Легирующий элемент в ней содержится в размере 0,2% от общего объема. Данный тип сплава отличается высокой прочностью и пластичностью, особенно в сравнении с хромисто-молибденовой сталью.
- Инструментальная сталь. Такой тип сплавов должен быть устойчивым к высоким температурам.
- Кипящая сталь. В нее ванадий начали добавлять всего несколько лет назад. Из таких сплавов производят листовой металл, который проходит обработку способами глубокой штамповки. При добавлении в кипящую сталь 0,03-0,05 % ванадия металлическое изделие получится износостойким и долговечным.
- Сплавы тройной системы Co—Fe—V. Для них характерно высокое магнитное качество. Они все больше и больше применяются производителями магнитов. В стали данного типа добавляют 10% ванадия. Их преимуществом перед сверхтвердыми никель-алюминиевыми сплавами, которые невозможно обрезать или согнуть, является то, что такую сталь легко ковать или обрабатывать на промышленных станках.
- Строительные стали.
- Стали для железнодорожного транспорта.
Рисунок 1. Инструменты из хромисто-ванадиевой стали
Ванадий вчера, сегодня и завтра
В последнее время наблюдаются интенсивные темпы производства тугоплавких металлических элементов таблицы Д.И.Менделеева. Так, титан и молибден используются без каких-либо примесей и добавок, в чистом состоянии. Они составляют основу значительного количества ферросплавов. И если в середине прошлого столетия они изготавливались лишь в пределах лабораторий, то сегодня масштабы их производства гораздо шире и представляют собой крупные потоки сталеплавительной продукции. Феррованадий как легирующий элемент высоко ценится в промышленности, а потому спрос на него производителей растет с каждым днем. Однако открытия, касающиеся его свойств, были сделаны довольно поздно. Во всяком случае, другие элементы были подробно изучены ранее феррованадия. Даже сегодня, несмотря на широкий спрос на данный продукт со стороны производителей легированной стали , специальной литературы, в которой были бы подробно описаны качества и особенности данного легирующего элемента, существует мало. Такой дефицит открытий, связанных с изучением феррованадия, связан с трудностями, возникающими при изготовлении ковкого металла.
Однако вследствие широкого применения ванадия в сталеплавительном производстве сегодня ученые вплотную заняты исследованием качественных характеристик ферросплавов с добавлением данного легирующего элемента. Тем более, что современное техническое оборудование способно преодолеть трудности, связанные с производством ковкого металла в крупных масштабах. В связи с этим можно прогнозировать, что в скором времени наступит «золотой век» в истории применения ванадия, спрос на него может возрасти в разы по сравнению с сегодняшним потреблением.
Ванадий в России и за рубежом
То, что ванадий представляет высокую ценность для производства стальных сплавов, было обнаружено еще во времена Советского Союза. Однако в то время промышленное оборудование не было настолько усовершенствованным, чтобы с его помощью стало возможным полностью изучить результаты добавления этого элемента в качестве легирующего в различные сплавы.
Больше всех полученными данными заинтересовались инженеры-конструкторы авиастроения. Их внимание привлекли такие свойства ванадиевых сплавов, как:
- Устойчивость к высоким температурам
- Пластичность
- Защита от коррозии даже при неблагоприятных условиях
- Прочность и устойчивость к механическим повреждениям
- Низкий удельный вес
Сегодня в самолето- и ракетостроении широко применяются сплавы с добавлением ванадия. С каждым годом все больший спрос на них появляется и в машиностроении. Применяют такие сплавы в химическом и судостроительном производстве. В Германии получен патент на ванадиевотитановый сплав, содержащий 30-49% ванадия. Широко применяются титанованадиевые сплавы и в Соединенных Штатах Америки и других развитых стран мира. Естественно, такой интерес обусловлен в первую очередь сверхпрочностью, которую обеспечивает даже незначительное содержание ванадия в сплавах. Если для техники будут использоваться такие устойчивые материалы – она будет долговечной и износостойкой.
