Какие свойства стали придает ванадий

04.02.2015

Широкое применение ванадия в сталеплавильной промышленности в качестве одного из наиболее распространенных легирующих элементов основано на чрезвычайно сильном влиянии небольших добавок ванадия на свойства железных сплавов. При введении в сталь всего 0,15—0,25% V, резко повышается прочность, вязкость, сопротивление усталости и износоустойчивость металла. Небольшие добавки ванадия способствуют повышению предела текучести стали и увеличению отношения предела текучести к пределу прочности.
Причиной влияния, оказываемого уже небольшими добавками ванадия на свойства железоуглеродистых сплавов, является свойство ванадия образовывать прочные карбиды, выделение которых из твердого раствора в ванадистых сталях всегда предшествует выделению цементита. Фазовый состав системы Fe—V—С при комнатной температуре представлен на рис. 2.
Карбиды ванадия и сложные ванадийсодержащие карбиды выпадают из раствора в мелкодисперсном состоянии. Они трудно растворимы в аустените и слабо растворимы в феррите. Карбидные включения вызывают сильное измельчение структуры стали и чугуна и способствуют замедлению роста зерна при нагреве. Незначительная доля ванадия, не входящая в состав карбидов, образует твердый раствор в феррите, способствуя повышению растворимости в нем кислорода. Это благоприятно сказывается на очищении феррита от окисных включений по границам зерен, ослабляющих его механическую прочность.

В табл. 1 приведены данные, иллюстрирующие влияние ванадия на повышение прочности феррита в отожженных образцах мягкого железа, содержащего менее 0,01% углерода.
Измельчая зерно аустенита и затрудняя его рост при нагреве, дисперсные включения карбидов ванадия способствуют сохранению в закаленных изделиях достаточно высоких пластических свойств, что особенно важно при закалке крупных изделий. Присутствие ванадия в стали делает ее таким образом менее чувствительной к перегревам и менее склонной к образованию закалочных трещин. В низкоуглеродистых цементуемых сталях присутствие небольших добавок ванадия затрудняет рост зерна аустенита в процессе цементации. После закалки цементованный слой в ванадиевых сталях характеризуется высокой твердостью, в то время как подкорковые и глубинные слои металла остаются пластичными.
Одним из основных типов стали, при легировании которых применяется ванадий, является конструкционная сталь для изделий средних и крупных размеров, работающих со знакопеременными нагрузками. Например, хромистованадиевая сталь, содержащая около 1% Cr и 0,20% V, как в закаленном, так и отожженном состоянии характеризуется более высокими прочностными и пластическими свойствами, чем аналогичная по составу хромистомолибденовая сталь. Второй тип стали, содержащей ванадий, — инструментальная сталь, к которой предъявляется требование сохранения твердости при повышенных температурах. К числу наиболее важных сталей этого типа относятся быстрорежущие стали, содержащие от 1 до 2% V.
В последние годы ванадий получил применение в кипящей стали, предназначенной для изготовления листового металла, который в дальнейшем обрабатывается методами глубокой штамповки. Уже 0,03—0,05% V устраняет вызываемую азотом склонность к старению в листовом металле. Качество поверхности листа при этом не ухудшается как в случае устранения старения с помощью алюминия.
Сплавы тройной системы Co—Fe—V обладают высокими магнитными свойствами и в последнее время широко используются для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы содержат около 50% Co и 10% V; в отличие от высококоэрцитивных никельалюминиевых сплавов, не деформирующихся в горячем состоянии и не поддающихся обработке резанием, они хорошо куются и легко обрабатываются на станках.
Ванадий может с успехом применяться в строительных сталях, сталях для железнодорожного транспорта и других типах стали массового назначения. Наиболее употребительные низколегированные ванадиевые стали подробно рассмотрены в монографии Гудремона.
Последние годы отмечены бурным развитием производства тугоплавких, химически активных металлов IV, V и VI групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Некоторые из них, например титан и цирконий, применяются в высокочистом состоянии, а также являются основой большой группы новых технически важных сплавов. Производство этих металлов, которое еще в годы второй мировой войны не выходило за пределы лабораторных опытов, осуществляется теперь в крупных промышленных масштабах.
Ванадий как новый материал с особыми свойствами приобретает самостоятельное значение позднее других тугоплавких, химически активных металлов переходной группы. Это в значительной степени объясняется особенностями физических свойств ванадия, которые создают чрезвычайно большие технические трудности при получении ковкого металла. Литературные данные по применению ковкого ванадия и сплавов на его основе еще очень скудны.
В настоящее время подробно изучаются свойства сплавов на основе ванадия, а также возможности использования ковкого металла для улучшения свойств сплавов на основе других тугоплавких и химически активных металлов. Однако современные технические средства позволяют преодолеть трудности, стоящие на пути организации производства ковкого ванадия в промышленных масштабах. Поэтому можно ожидать, что ближайшие годы явятся переломными в истории ванадия и этот металл станет для современной техники таким же необходимым, как и другие тугоплавкие и химически активные металлы переходной группы.

• Историческая справка о ванадии
• Применение металлизованного сырья в литейном производстве
• Непрерывные процессы плавки
• Электрошлаковый процесс
• Шахтные печи
• Индукционная плавка
• Кислородно-конверторный процесс
• Трансформаторная сталь
• Подшипниковая сталь
• Конструкционные стали

Вана́дий — химический элемент с атомным номером 23[3]. Принадлежит к 5-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к побочной подгруппе V группы, или к группе VB), находится в четвёртом периоде таблицы. Атомная масса элемента 50,9415(1) а. е. м.[1]. Обозначается символом V (от лат. Vanadium). Простое вещество ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета.

История[править | править код]

Ванадий был открыт в 1801 году профессором минералогии из Мехико Андресом Мануэлем Дель Рио в свинцовых рудах. Он обнаружил новый металл и предложил для него название «панхромий» из-за широкого диапазона цвета его соединений, сменив затем название на «эритроний». Дель Рио не имел авторитета в научном мире Европы, и европейские химики усомнились в его результатах. Затем и сам Дель Рио потерял уверенность в своём открытии и заявил, что открыл всего лишь хромат свинца.

В 1830 году ванадий был открыт заново шведским химиком Нильсом Сефстрёмом в железной руде. Новому элементу название дали Берцелиус и Сефстрём.

Шанс открыть ванадий был у Фридриха Вёлера, исследовавшего мексиканскую руду, но он серьёзно отравился фтороводородом незадолго до открытия Сефстрёма и не смог продолжить исследования. Однако Вёлер довёл до конца исследование руды и окончательно доказал, что в ней содержится именно ванадий, а не хром.

Названия[править | править код]

Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини любви и красоты Фрейи (др.-сканд. Vanadís — дочь Ванов; Ванадис)[4]. В 1831 году геолог Джордж Уильям Фезерстонхау[en] предложил переименовать ванадий в «риониум», но это предложение не было поддержано[5].

Нахождение в природе[править | править код]

Ванадий является 20-м наиболее распространённым элементом в земной коре[6]. Он относится к рассеянным элементам и в природе в свободном виде не встречается. Содержание ванадия в земной коре 1,6⋅10−2% по массе, в воде океанов 3⋅10−7%. Наиболее высокие средние содержания ванадия в магматических породах отмечаются в габбро и базальтах (230—290 г/т). В осадочных породах значительное накопление ванадия происходит в биолитах (асфальтитах, углях, битуминозных фосфатах), битуминозных сланцах, бокситах, а также в оолитовых и кремнистых железных рудах. Близость ионных радиусов ванадия и широко распространённых в магматических породах железа и титана приводит к тому, что ванадий в гипогенных процессах целиком находится в рассеянном состоянии и не образует собственных минералов. Его носителями являются многочисленные минералы титана (титаномагнетит, сфен, рутил, ильменит), слюды, пироксены и гранаты, обладающие повышенной изоморфной ёмкостью по отношению к ванадию. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

Ванадил ион[en] (VO2+) в изобилии находится в морской воде, имеющий среднюю концентрацию 30 нМа[7]. Некоторые источники минеральной воды также содержат ион в высоких концентрациях. Например, источники около горы Фудзи содержат до 54 мкг на литр[7].

Месторождения[править | править код]

В течение первого десятилетия XX века большая часть ванадиевой руды добывалась американской компанией Vanadium из Минас-Рагра в Перу. Позднее увеличение спроса на уран привело к увеличению добычи руды этого металла. Одной из основных урановых руд был карнотит, который также содержит ванадий. Таким образом, ванадий стал доступным как побочный продукт производства урана. Со временем добыча урана стала обеспечивать большую долю спроса на ванадий[8][9].

Известны месторождения в Перу, США, ЮАР, Финляндии, Австралии, Армении, России[10], Турции, Англии.

Получение[править | править код]

В промышленности при получении ванадия из железных руд с его примесью сначала готовят концентрат, в котором содержание ванадия достигает 8—16 %. Далее окислительной обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат натрия (Na) NaVO3. При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90 % ванадия.
Первичный концентрат восстанавливают в доменных печах и получают концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и железа — так называемого феррованадия (содержит от 35 до 80 % ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом (H), термическим восстановлением оксидов ванадия (V2O5 или V2O3) кальцием, термической диссоциацией VI2 и другими методами.

Некоторые из разновидностей асцидий обладают уникальной особенностью: в их крови содержится ванадий. Асцидии поглощают его из воды.

В Японии разводят асцидий на подводных плантациях, собирают урожай, сжигают и получают золу, в которой ванадий содержится в более высокой концентрации, чем в руде многих его месторождений.

Физические свойства[править | править код]

Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему виду похож на сталь. Кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная, a=3,024 Å, z=2, пространственная группа Im3m. Температура плавления 1920 °C, температура кипения 3400 °C, плотность 6,11 г/см³. При нагревании на воздухе выше 300 °C ванадий становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия и повышают его твёрдость и хрупкость[2].

Изотопы[править | править код]

Природный ванадий состоит из двух изотопов: слаборадиоактивного 50V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5⋅1017 лет, то есть для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в 50Ti, а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад, превращаясь в 50Cr.

Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний). Из них наиболее стабильны 49V (T1/2=337 дней) и 48V (T1/2=15,974 дня).

Химические свойства[править | править код]

Химически ванадий довольно инертен. Он имеет хорошую стойкость к коррозии, стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей[11].

С кислородом ванадий образует несколько оксидов: VO, V2O3, VO2,V2O5. Оранжевый V2O5 — кислотный оксид, тёмно-синий VO2 — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные.

Известны следующие оксиды ванадия:

Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX3, VX4 (X = F, Cl, Br), VF5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl2, VOF3 и др.).

Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 — сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей. Известны тугоплавкий карбид ванадия VC (tпл=2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V2S5, силицид ванадия V3Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V2O5 с осно́вными оксидами образуются ванадаты[de]* — соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO3.

Взаимодействует с кислотами.

• С концентрированной азотной кислотой:

Применение[править | править код]

Водородная энергетика

Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс», США).

Химические источники тока

Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах[12].

В производстве серной кислоты

Оксид ванадия(V) используется как катализатор[13] на стадии превращения сернистого ангидрида в серный[14].

Металлургия

Свыше 90 %[15] всего производимого ванадия находит применение в качестве легирующей добавки в сталях, главным образом, высокопрочных низколегированных, в меньшей степени, нержавеющих и инструментальных, а также в производстве высокопрочных титановых сплавов[16], основанных на системе Ti-6Al-4V (англ.)русск. (в российской классификации — ВТ6, содержит около 4 % ванадия). В сталях ванадий образует мелкодисперсные карбиды VC, что повышает механические свойства и стабильность структуры. Его применение особенно эффективно совместно с вольфрамом, молибденом и никелем. В конструкционных сталях содержание ванадия не превышает, как правило, 0,25 %, в инструментальных и быстрорежущих доходит до 4 %. В российской номенклатуре сталей ванадий обозначается буквой Ф.

Автомобильная промышленность

Ванадий используется в деталях, требующих очень высокой прочности, таких как поршни автомобильных двигателей. Американский промышленник Генри Форд отмечал важную роль ванадия в автомобильной промышленности. «Если бы не было ванадия — не было бы автомобиля». — Говорил Форд[17]. Ванадиевая сталь позволила уменьшить вес при увеличении прочности при растяжении[18]

Нефтедобыча

Ванадиевая сталь используется при создании погружных буровых платформ для бурения нефтяных скважин[19].

Сувенирная продукция

Частные компании США выпускают медали и коллекционные жетоны из чистого ванадия. Одна из ванадиевых медалей вышла в 2011 году[20].

Производство[править | править код]

• Россия: Евраз Ванадий Тула, Чусовской металлургический завод[21]
• Чехия: Мнишек-под-Брди
• США: Хот-Спрингс
• ЮАР: Бритс

Биологическая роль и воздействие[править | править код]

Ванадий и многие его соединения токсичны (для человека) в высоких концентрациях. Наиболее токсичны соединения пятивалентного ванадия. Ядовит его оксид(V) V2O5 (ядовит при попадании внутрь организма и при вдыхании, поражает дыхательную систему). Смертельная доза ЛД50 оксида ванадия(V) для крыс орально составляет 10 мг/кг.

Ванадий и его соединения очень токсичны для водных организмов (окружающей среды).

Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем[источник не указан 1725 дней], тормозит фосфорилирование и синтез АТФ, снижает уровень коферментов А и Q, стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается[источник не указан 1918 дней].

Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах. Возникают и системные аллергические реакции типа астмы и экземы; а также лейкопения и анемия, которые сопровождаются нарушениями основных биохимических параметров организма.

При введении ванадия животным (в дозах 25—50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.

Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2—4 мг.

Повышенное содержание белков и хрома в рационе снижает токсическое действие ванадия. Нормы потребления для этого минерального вещества не установлены.

Кроме того, высокое содержание выявлено у некоторых морских беспозвоночных (голотурий и асцидий), у которых ванадий входит в состав белковых комплексов плазмы и форменных элементах крови и целомической жидкости. В клетках крови асцидий массовая доля ванадия может доходить до 8,75 %[22]. Функция элемента в организме до конца не ясна, разные учёные считают его отвечающим либо за перенос кислорода в организме этих животных, либо за перенос питательных веществ. С точки зрения практического использования — возможна добыча ванадия из этих организмов, экономическая окупаемость таких «морских плантаций» на данный момент не ясна, но в Японии имеются пробные варианты.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]

• Ванадий на Webelements
• Ванадий в Популярной библиотеке химических элементов