Ванадий тугоплавкий металл. Область применения. История открытия, свойства, достоинства и недостатки
Тугоплавкий металл ванадий
Ванадий — химический элемент с атомным номером 23. Минеролог из Мексики А. М. Дель Рио в начале XIX века обратил внимание на вкрапления в свинцовой руде. Разноцветные частицы были приняты за оксид хрома, открытый ранее и часто встречающийся на рудниках. В природе ванадий в чистом виде не встречается, но входит в состав титановых и железных руд, магматических и осадочных пород, пироксенов, минералов патронит и ванадинит, слюду.
Очень часто ванадий металл получают в виде побочного продукта в процессе производства урана. Большие месторождения расположены в Южной Америке, США, ЮАР, Австралии, России, Турции, Армении, Финляндии, Англии. Высокая стойкость к коррозии и большинству агрессивных химических соединений, возможность образования карбидов, нитридов, сульфидов и силицидов позволяет широко применять металл в металлургии для создания высокопрочных низколегированных сплавов, титановых, нержавеющих и инструментальных сталей.
История открытия
Минеролог А. М. Дель Рио из Мехико был близок к первенству открытия нового элемента, но принял его за разновидность оксида хрома. В начале XIX столетия были открыты месторождения железной руды в Швеции и в этой стране начался настоящий металлургический бум. Но металлурги обратили внимание, что качество выплавляемой стали значительно отличается в зависимости от места нахождения железной руды. Определенные образцы готового сплава обладали повышенной прочностью и ковкостью. Пересмотр технологии изготовления стали не решил проблему и металлурги призвали на помощь ученых. В 1830 году Нильс Сефстрём выделил из шлака «хорошей стали» черный порошок, присутствие которого придавало сплавам улучшенные свойства. Химик открыл новый элемент, названный Ванадис — как скандинавскую богиню любви и войны. К открытию нового металла был близок и немецкий ученый Фридрих Вёлер, который серьезно изучал мексиканские образцы руды и только отравление не позволило ему вовремя закончить исследования. Хотя впоследствии Ф. Вёлер завершил работу и доказал, что в руде находится именно ванадий, а не хром. Сегодня все знают ответ на вопрос что такое ванадий — отдельный элемент с уникальными свойствами.
Свойства ванадия
Металл имеет серебристо-серый оттенок и сочетает в себе повышенную прочность и пластичность. Температура плавления ванадия составляет 1900°C, температура кипения 3400°C. Металл в чистом виде можно обрабатывать под давлением, имеет объемную кристаллическую решетку кубической формы с периодом 3,0282. Плотность ванадия соответствует параметрам 6,11 г/см³. После отжига предел прочности металла равен 120 нм/м2, относительное удлинение составляет 17%, твердость по методу Бринелля – 700 нм/м2. Наличие газов в качестве примесей значительно уменьшает параметры пластичности, повышает твердость и хрупкость.
В обычных температурных условиях металл инертен к кислороду, не вступает в реакцию с водой (в том числе, морской), щелочью, отличается стойкостью к кислотам (кроме плавиковой). Неподверженность процессам коррозии при воздействии кислоты соляной или серной существенно опережает титан и сплавы нержавеющих металлов. При увеличении температуры выше 300°C вступает к реакцию с кислородом и приобретает хрупкость. Дальнейшее нагревание (до 600 - 700°C) приводит к окислению с получению V2O5 (пятиокись ванадия), а нагрев выше 700°C способствует образованию нитрида ванадия (VN), температура плавления которого равна 2050°C. Металл контактирует с углеродом, в результате образуется тугоплавкий карбид ванадия, отличающийся высочайшей твердостью и способностью плавится при температуре 2800°C.
Ванадий: марки и сплавы
В промышленной области ванадий используется в чистом виде и в качестве сплавов:
• ВЭЛ-1, ВЭЛ-2, ВЭЛ-3 – металл с содержанием до 99,84%;
• ВнМ-1, Вн-М-2 – металл с содержанием до 99,04%, полученный электродуговым способом;
• ВнП-1, ВнП-2 – металл в виде круга;
• ВнПр-1, ВнПр-2 – металл в виде проволочной продукции;
• ВнПл-1, ВнПл-2 – металл в виде штрипса;
• ВВ-8 – сплав с вольфрамом с содержанием вольфрама до 8%;
• 1201, Св1201, AlV10, AlV5 – сплавы с алюминием с содержанием 0,05 – 11%;
• ЭИ698МП, ВВ751П, ЭП962П – сплавы жаропрочные с никелем, содержание от 0,1 до 1,5%;
• 15х5ВФ – сталь жаропрочная низколегированная, содержание 0,4 – 0,6%;
• 40Х15Н7Г7Ф2МС – высоколегированная жаропрочная сталь с содержанием 1,5 – 9,0%.
Достоинства и недостатки
К достоинствам ванадия можно отнести свойства, которые он придает конечному сплаву:
• высокая температура плавления;
• сопротивление ванадия химической коррозии;
• хорошая пластичность, свариваемость, высокая прочность;
• небольшая цена, по сравнению с аналогами.
Недостатком металла можно считать его небольшое количество, которое находится в руде и минералах.
Области применения
Основными потребителями металла и его сплавов являются металлургическая (87%) и химическая промышленность. В основном применение ванадия происходит в качестве легирующего элемента, добавляемого в сплавы конструкционных сталей высокого качества для повышения их эксплуатационных характеристик. На данное время элемент является лидером в сфере легирующих металлов. В химической промышленности применяются соединения для изготовления красителей и катализаторов. В основном используются соли ванадиевых кислот, оксиды и карбиды ванадия.
