Ванадий в природе и технике
Слотвинский-Сидак Н.П., Андреев В.К.
Знание, 1979 г.
В 1900 г. в Париже на Всемирной выставке внимание посетителей привлек токарный станок, резец которого снимал стальную стружку примерно в 3 раза быстрее, чем обычный.
Уникальный для того времени инструмент, позволивший увеличить втрое скорость резания металлов, был изготовлен из стали, легированной хромом и вольфрамом.Позже, в 1907 г., для легирования сталей, идущих на изготовление резцов, был использован ванадий. После соответствующей термической обработки скорость резания резцом из такого материала стала в 6 раз больше, чем при употреблении резца из обычной инструментальной стали.
Известно, что расплавленная сталь поглощает много газов, прежде всего кислорода и азота. Когда металл остывает, газы остаются в слитках в виде мельчайших пузырьков. При ковке пузырьки вытягиваются, и прочность слитка в разных направлениях становится неодинаковой. Ванадий, введенный в сталь, активно реагирует с кислородом и азотом, продукты этих реакций всплывают на поверхность металла в виде шлака, который удаляется в процессе плавки. Тем самым повышается прочность отливок. Ванадий раньше других элементов взаимодействует с растворенным в стали углеродом, образуя твердые и жаростойкие соединения — карбиды, которые распределяются в железе, препятствуя образованию крупных кристаллов. Сталь получается мелкозернистой, твердой и ковкой. Придавая стали мелкозернистую структуру, ванадий повышает сопротивление сталей разрыву, повышает предел упругости при одновременном сохранении ковкости металла и его способности свариваться; кроме того, ванадий повышает ударную вязкость металла при пониженных температурах и снижает склонность металла к старению. Он уменьшает чувствительность стали к перегреву. Отмечают, что ванадий способствует образованию тонкой сорбитовой микроструктуры и волокнистого излома стали, причем в этом отношении его действие на сталь выражено сильнее, чем действие таких металлов, как хром, вольфрам и даже молибден. Все сказанное позволяет понять, почему ванадий является незаменимым элементом в черной металлургии.
В нашей стране насчитывается более 200 марок сталей, в которые вводится ванадий. Больше всего он применяется при получении быстрорежущих сталей.
Изготовление быстрорежущих сталей вызвало настоящий переворот во всех производствах, так или иначе связанных с обработкой металлов. Быстрорежущая сталь отличается красностойкостью. Она сохраняет свои свойства при нагревании до 600°С, в то время как обычная углеродистая инструментальная сталь утрачивает их уже при 200—300°С.
Использование инструментальных сталей с ванадием, особенно быстрорежущих, содержащих 2,5—5% ванадия,
позволяет существенно улучшить стойкость инструмента и сократить производство сталей с высоким содержанием вольфрама. Это дает большую экономию вольфрама — одного из наиболее дорогих и дефицитных легирующих элементов.
Стали, содержащие ванадий, употребляют для изготовления ударных инструментов, резцов, сверл, пил, земляных буров, пружин, метчиков, разверток, лерок, роликовых подшипников, штампов, авиационных деталей, коленчатых валов, распределительных валиков.
В литейном деле присадка ванадия повышает прочность и качество литейного чугуна, препятствуя графитообразованию. Ванадистые чугуны используют для отливок шестерен, цилиндров, втулок, букс, валков, броневых плит.
Из ванадиевых сталей прокатывают листы, идущие на изготовление котлов и колонн, работающих при высоких давлениях и повышенных температурах; например, в колоннах синтеза аммиака давление достигает 350 атм, а температура более 550°С.
Стали с ванадием применяют для получения паровозных рам, автомобильных рессор, отливок ответственного назначения. Использование таких сталей позволило создать большегрузные вагоны на 1,5 т легче прежних, рельсы, срок службы которых в 1,5 раза выше обычных. Именно здесь ванадий способен совершить в буквальном смысле слова революцию. В строительном деле стали с ванадием идут на сооружение высотных зданий. Штампы из ванадия незаменимы для горячей штамповки.
Производство высокопрочных и жаропрочных сталей практически невозможно без ванадия. А производство этих материалов сейчас особенно быстро развивается. Наконец, ванадий совместно с другими элементами, например, титаном, ниобием, молибденом, кобальтом, используется для придания тому или иному металлу особых свойств, требуемых для работы в устройствах специальной техники. Добавка ванадия способствует сильному упрочению титана.
Оказалось, что комплексное легирование сталей — ванадием, кремнием, марганцем, хромом и азотом — повышает их прочностные характеристики на 30—40% по сравнению с лучшими сталями, легированными дефицитными никелем и молибденом.
Как и другие тугоплавкие металлы пятой группы периодической системы, ванадий обладает высоким химическим сродством к азоту, образуя два прочных нитрида.
Когда в сталь совместно с сотыми долями процента ванадия вводится азот для образования нитридов ванадия, она приобретает высокую сопротивляемость к хрупким разрушениям при пониженных температурах. Из-за неприспособленности части техники к современным условиям наша страна ежегодно терпела убытки 600—700 млн. руб. По данным советских металловедов, хладостойкость малоуглеродистых сталей повышается благодаря присадкам V на 20°С. Оборудованию и металлоконструкциям, изготовленным из таких сталей, не страшны даже шестидесятиградусные морозы и ветер до 40 м/с. Из таких сталей изготавливают нефте- и газопроводы большого диаметра для трасс Крайнего Севера.
Высокие прочностная стойкость, пластичность, ударная вязкость, низкая критическая температура хрупкости и хорошая свариваемость — все это необходимые качества для сварных труб большого диаметра, большой протяженности и высокого рабочего давления. Именно этими свойствами обладают стали, легированные ванадием. Сейчас- только в нашей стране находится в эксплуатации около 7 гыс. км газо- и нефтепроводов диаметром более 1400 мм, работающих при давлении 75 атм. Все они изготовлены из ванадийсодержащей стали.
Ванадий как легирующий элемент зарекомендовал себя с самой лучшей стороны. Однако кто мог подумать, что в некоторых случаях приходится отказываться от его введения в сталь. Известно, что каркас тяжелого самолета экономически выгодно делать из цельнотянутых — без шва — труб большого диаметра с тонкими стенками. Хромованадиевая сталь дает требуемую прочность. Однако в холодном состоянии трубу из такой стали не доведешь до нужного диаметра — собственно трубы не получаются. Хуже того, хромованадиевые стали в местах сварки теряют прочность, и от их применения пришлось отказаться. Вместо них используется сталь, легированная молибденом.
Еще один пример. Газовые турбины — самый распространенный в авиации тип двигателя. Одним из преимуществ этих двигателей является то, что они могут работать на недефицитных фракциях нефти. Но из сплавов, идущих на приготовление турбинных лопаток, ванадий пришлось исключить: лопатки из ванадийсодержащих сплавов «худеют» — теряют в весе — недопустимо быстро. Опасен для них ванадий, содержащийся в самом топливе.
В свое время венесуэльская нефть особенно ценилась из-за ванадия, который извлекали из золы, получаемой при ее сжигании. Теперь с ванадием, содержащимся в нефтях, приходится бороться. В процессе горения при избытке кислорода ванадий окисляется до пятиокиси ванадия, которая, имея низкую температуру плавления (670°С), способствует образованию на лопатках турбин липких зольных отложений. Последние ускоряют окисление металла. Установлено, что с 1 м2 площади лопаток в течение часа улетучивается до 28 г металла.
Обычно к ванадийсодержащему топливу добавляют присадки (соли алюминия, магния и кальция), образующие с ванадием более тугоплавкие соединения, не прилипающие к лопаткам и выбрасывающиеся вместе с газами. При добавке 3% ванадия в алюминий этот металл становится очень твердым, хорошо противостоит разрушающему действию влажного воздуха и соленой воды.
Из подобного же сплава (но с 2% V) изготовляются духовые музыкальные инструменты. Хорошо известен сплав меди (92%) и ванадия (8%). Он используется как исходное сырье для получения сплавов меди с другими металлами. Бронзы и латуни, содержащие 0,5% V, не уступают по механическим свойствам стали и поэтому идут на изготовление ответственных узлов и деталей сложного профиля. Химическая стойкость сплава Ni с ванадием (18—20%) соизмерима с инертностью благородных металлов; поэтому из него делают лабораторную посуду. Добавки ванадия в золото придают последнему несвойственную ему твердость.
Легкость, с которой атом ванадия изменяет свою валентность и, следовательно, свой энергетический уровень, является предпосылкой для его каталитических свойств.
Еще в середине прошлого века было установлено, что при пропускании S02 через слой смеси пятиокиси ванадия с окисью олова в присутствии кислорода происходит ускорение образования S03, при растворении которой в воде получается серная кислота. Применение в качестве катализатора пятиокиси ванадия при производстве серной кислоты контактным методом позволило исключить из этого процесса дорогую и дефицитную платину. Оказалось, что ванадиевые катализаторы значительно устойчивее к контактным ядам.