Ванадий

Ванадий. В 1830 г. металлурги Швеции обратились к профессору Н.-Г. Сефстрёму (1787-1845) с вопросом: «Почему сталь, выплавленная из железных руд одних месторождений, получается хрупкой, а из других - пластичной?» Ответ был дан в том же году: «В рудах, дающих пластичную сталь, содержится новый элемент». Автор открытия назвал новый элемент - металл - именем скандинавской богини красоты Ванадис. Но Н.-Г. Сефстрём получил оксид нового элемента, а чистый ванадий был получен лишь в 1893 г. французским металлургом А. Муассаном (1852-1907) и в том же году использован в качестве легирующего элемента в стали для изготовления клапанов автомобильного двигателя. В 1901 г. ванадий был применен для легирования сталей, используемых в производстве коленчатых валов.

Металлурги установили, что ванадий, добавленный к стали в количестве 0,1-0,2 %, повышает прочность стали почти на 50 %. Оказалось, ванадий освобождает сталь от растворенных в ней азота, кислорода и водорода, а избыточная часть, соединяясь с углеродом, образует карбиды. Кроме того, ванадий делает сталь мелкозернистой. Об этом лучше всего сказал академик А. Е. Ферсман: «...сказочны те силы, которые ванадий придает железу и стали, вооружая их твердостью и прочностью, вязкостью и гибкостью, неразрушимостью...»

В настоящее время более половины выпускаемых марок стали содержат ванадий. Но применяется он в качестве легирующего элемента, как правило, не один, а совместно с никелем, вольфрамом, молибденом и некоторыми другими химическими элементами - комплексное влияние более эффективно.

Чем объясняется такая популярность ванадия среди железоуглеродистых сплавов? Для ответа на этот вопрос вернемся к началу нашего века. Энергичный Генри Форд, тогда еще только изобретатель-конструктор, разработал автомобиль модели «Форд-Т». Будущий миллионер, используя стали, легированные никелем и ванадием, за десяток лет довел массу автомобиля до 550 кг, что было в 3-5 раз меньше, чем масса машин подобного класса. Некоторые конструкторские разработки позволили установить на машины в 2 раза меньшую цену. К 1920 г. по дорогам земного шара ездило более 30 млн. автомобилей, из них более половины - фордовские.

В наши дни ванадий желателен во всех отраслях машиностроения. Он помог решить ряд технических проблем. Например, потребовалось народному хозяйству получить биметалл титан - сталь. Главная проблема такого производства - прочное сцепление между листами. Решил эту проблему ванадий. Фольга ванадия между листами железа и титана обеспечивает прочное сцепление, устраняет хрупкость сварных швов. Такой многослойный конструкционный материал повышает срок службы и дает значительный экономический эффект.

Высокие прочностные показатели при повышенных температурах, отличная пластичность и обрабатываемость при обыкновенной температуре способствовали широкому применению ванадия в производстве нитей накаливания в вакуумных трубках, в производстве термопарной проволоки. Вместе с платиной такая проволока в термопаре устойчиво работает при температуре до 1500 °С.

Ванадий помог решить проблему «северного исполнения» техники. Обычная сталь ненадежно несет службу в суровых условиях Крайнего Севера и Сибири - она становится хрупкой. А ванадиевая сталь надежно служит даже при минус 60 °С.

Двойные и многокомпонентные сплавы ванадия с ниобием, титаном и хромом как высокопрочные коррозионностойкие материалы перспективны для ракетно-космической техники, химического машиностроения, самолетостроения. По коррозионной стойкости такие сплавы сравнимы с нержавеющей сталью, но значительно превосходят ее по прочности, твердости и другим механическим свойствам.

С 1956 г. ванадий стали применять для легирования чугунов - добавка 0,1 % ванадия к чугуну повышает глубину отбела, что исключительно важно для производства валков прокатных станов, головок цилиндров, гильз, поршней, поршневых колец и других деталей, работающих в условиях повышенного трения.

Положительный эффект дает легирование ванадием цветных сплавов. Он оказался эффективным модификатором для меди, алюминия, магния и их сплавов. В результате модифицирующего действия ванадия повышается прочность цветных металлов и сплавов на их основе. Подобное влияние оказывает ванадий и в сплавах на основе циркония, вольфрама, молибдена и хрома.

Применяется ванадий и в урановых сплавах, являющихся ядерным горючим. Урановые стержни во время работы значительно деформируются вследствие необратимого формоизменения, возникающего при теплосменах. Легирование урановых сплавов ванадием до 1 % значительно повышает их термическую стойкость, долговечность и надежность работы ядерных реакторов. Известны варианты тепловыделяющих элементов диспергированного типа, в которых уран в виде частиц диспергирован в металлической основе неделящегося вещества - в сплавах на основе ванадия или в металлическом ванадии. Такая конструкция исключительно термостойка.

Даже драгоценные металлы «обратились за помощью» к ванадию. В сплавы палладия, серебра и золота, применяемые для электрических контактов, термопар, электросопротивлений, добавляется незначительное количество (не более 8 %) ванадия, что повышает износостойкость, прочность, сопротивление привариванию и эрозии под действием электрической дуги.

Специалисты зубопротезного и ювелирного дела также используют ванадий - незначительное легирование (до 1-2%) повышает механические свойства, особенно прочность и сопротивление износу без изменений внешнего вида и коррозионной стойкости. Это значительно увеличивает срок службы изделий из драгоценных металлов.

В последние десятилетия применяются некоторые соединения ванадия, например бориды ванадия. Они тугоплавки, обладают высокими твердостью и антикоррозионными свойствами в соляной, плавиковой и серной кислотах. Основная область использования - композиционные материалы.

Широко применяется пятиокись ванадия. Это отличный катализатор, конкурирующий в ряде случаев с платиной. Пятиокись ванадия позволила человеку получить ряд материалов с особыми свойствами, например стекла с полупроводниковыми свойствами, стекла, абсорбирующие ультрафиолетовые лучи. Пятиокись ванадия используется также в производстве эмалей, красок, лаков и красителей в фотографии и кинематографии. Многие медицинские, в основном общестимулирующие и антисептические препараты, содержат соли ванадия.

Мировое производство ванадия составляет более 30 т; цена 1 кг 26-30 р.

Металлы: