Хром ванадиевая сталь википедия

Хром ванадиевая сталь википедия

На упаковке ручных инструментов очень часто имеются сокращения: CrV, CrNI, Cr-Mo либо короткое описание "инструментальная сталь". Эти описания информируют потребителя о том, из какой стали изготовлен инструмент. Перед покупкой изделия стоит обратить внимание на эти знаки и ознакомиться с их значением.

Для понимания упомянутых знаков следует учесть, что сталь классифицируется по разным критериям. Одним из них является химический состав, по которому стали делятся на легированные и нелегированные.

Легированная сталь — сплав железа с углеродом с добавлением специально вводимых элементов. Эти элементы добавляются в различных количествах — от следовых концентраций до десятков процентов. Будучи составными компонентами, эти элементы являются очень важными, поскольку существенно влияют на свойства стали и изменяют их. Наиболее распространенные легирующие элементы: молибден, ванадий, алюминий, вольфрам, никель, хром, марганец, кремний, титан, ниобий и кобальт. Для увеличения прочности и уменьшения хрупкости в производстве ручных инструментов используются:

хромованадиевая сталь (CrV) – характеризующаяся повышенной устойчивостью к коррозии и образованию ржавчины. Добавление хрома значительно улучшает восприимчивость стали к закалке. Добавление ванадия увеличивает вязкость стали при термической обработке, что положительно влияет на устойчивость к высоким температурам и препятствует деформациям.
хромоникелевая сталь (CrNI) – характеризуется очень высокой устойчивостью к воздействию коррозионных факторов, таких как морская вода или серная кислота. Кроме кислотоустойчивости, данная сталь отличается жароупорностью и жаропрочностью.
хромомолибденовая сталь (Cr-Mo) – определенно самая легкая, благодаря чему изделия из этой стали более прочные при меньшем удельном весе. Добавление молибдена увеличивает растяжимость стали при высоких температурах и предотвращает деформацию. Также увеличивает общую устойчивость стали к коррозии во влажной и кислой среде.
Нелегированная сталь (углеродистая) — сплав железа с углеродом, не содержит специально вводимых элементов. Содержание других элементов (кроме углерода) является незначительным — это примеси и загрязнения. Учитывая стоимость, очищать их невыгодно. Доля углерода и термообработка сплава влияют на свойства и характеристики нелегированной стали. Как правило, нелегированная сталь используется для изготовления элементов простой конструкции, для которых требуется высокая прочность на растяжение (напр., напорные резервуары).
Из нелегированной инструментальной стали с содержанием углерода в диапазоне 0,6-1,5% изготовляются некоторые ручные инструменты. Рабочая поверхность таких инструментов является твердой, а сталь хорошо закаляется.

Ванадий
← Титан | Хром →

23 V

Nb
Внешний вид простого вещества Пластичный металл серебристо-белого цвета Свойства атома Название, символ, номер Вана́дий / Vanadium (V), 23 Атомная масса
(молярная масса) 50,9415(1) [1] а. е. м. (г/моль) Электронная конфигурация [Ar] 3d 3 4s 2 Радиус атома 134 пм Химические свойства Ковалентный радиус 122 пм Радиус иона (+5e)59 (+3e)74 пм Электроотрицательность 1,63 (шкала Полинга) Электродный потенциал Степени окисления 5, 4, 3, 2, 0 Энергия ионизации
(первый электрон) 650,1 (6,74) кДж/моль (эВ) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) 6,11 [2] г/см³ Температура плавления 2160 К (1887 °C) Температура кипения 3650 К (3377 °C) Уд. теплота плавления 17,5 кДж/моль Уд. теплота испарения 460 кДж/моль Молярная теплоёмкость 24,95 [2] Дж/(K·моль) Молярный объём 8,35 см³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая
объёмноцентрированная Параметры решётки 3,024 Å [2] Температура Дебая 390 K Прочие характеристики Теплопроводность (300 K) 30,7 Вт/(м·К) Номер CAS 7440-62-2 3d 3 4s 2

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.

Содержание

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.

Читайте также:  Направляющие тормозного суппорта рено логан

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 Шаблон:Iwq 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] () 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 50 V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51 V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5⋅10 17 лет, то есть для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в 50 Ti, а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад, превращаясь в 50 Cr.

Читайте также:  Тойота королла 1989 фото

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

Название Формула Плотность Температура плавления Температура кипения Цвет
Оксид ванадия(II) VO 5,76 г/см³

1830 °C

3100 °C Чёрный Оксид ванадия(III) V2O3 4,87 г/см³ 1967 °C 3000 °C Чёрный Оксид ванадия(IV) VO2 4,65 г/см³ 1542 °C 2700 °C Тёмно-голубой Оксид ванадия(V) V2O5 3,357 г/см³ 670 °C 2030 °C Красно-жёлтый

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.

  • С концентрированной азотной кислотой:

V + 6 H N O 3 → t ∘ V O 2 N O 3 + 5 N O 2 ↑ + 3 H 2 O <displaystyle <mathsf <3><xrightarrow >>VO_<2>NO_<3>+5NO_<2>uparrow +3H_<2>O>>>

Применение [ править | править код ]

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

Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах. Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода. [ источник не указан 1117 дней ]

Оксид ванадия(V) используется как катализатор [12] на стадии превращения сернистого ангидрида в серный [13] .

Свыше 90 % [14] 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 [15] , 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.

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 [16] . Ванадиевая сталь позволила уменьшить вес при увеличении прочности при растяжении [17]

Материал на основе диоксидов ванадия и титана используют при создании компьютеров и другой электроники [18] .

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

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 все его соединения токсичны. Наиболее токсичны соединения пятивалентного ванадия. Чрезвычайно ядовит его оксид(V) (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 1552 дня ] , 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 1745 дней ] .

Читайте также:  Китайский минивены все марки цены новые

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.

Слесарное дело

Инструмент

Материалы

Хромованадиевая сталь

Хромованадиевая сталь – это особый вид стали, получаемый путем различной комбинации входящих в её состав легирующих элементов. Так, сталь марки ASTM A-231 чаще всего используется для производства стальных инструментов (например, гаечных ключей), пружинной проволоки большого диаметра и других изделий, рассчитанных на высокие нагрузки.

Физические, химические и механические свойства хромованадиевой стали обусловливают её высокую устойчивость к механическим нагрузкам, коррозионную стойкость и твердость, что делает этот материал идеальным для определенных областей применения. В процессе производства хромованадиевая сталь подвергается холодному волочению и термообработке, приобретая способность выдерживать ударные нагрузки при повышенных температурах.

Данный сплав образуется путем комбинации в различных пропорциях входящих в его состав компонентов. Процент содержания каждого легирующего элемента зависит от требуемых характеристик конечного продукта. Как правило, хромованадиевая сталь содержит большое количество хрома (от 0,80 до 1,10 %), около 0,18 % ванадия и 0,70-0,90 % марганца. Кроме того, в ней содержатся 0,50 % углерода, 0.30 % кремния, а также ничтожные количества других металлов. При изменении пропорций компонентов сплава эта сталь может изменять свои свойства сообразно конкретным областям применения.

Твердость промышленных марок хромованадиевой стали является их обязательным физическим свойством, так как именно она определяет, для каких областей применения рассчитан конкретный материал. Согласно шкале твердости по Роквеллу этот сплав имеет твердость C41-55. Этот материал характеризуется структурной прочностью, которая в сочетании с ударной вязкостью обеспечивает ему высокую усталостную прочность и износостойкость.

Листовая хромованадиевая сталь хорошо поддается холодной формовке, в том числе фальцовке и расковке, при этом изделия из неё даже самой сложной формы не имеют никаких признаков растрескивания или деградации структуры материала. Существуют различные марки хромованадиевой стали, используемые в зависимости от их конкретных свойств. Так, например, марка SAE 6150 со средним или высоким содержанием углерода является идеальной для изготовления пружин, а высокоуглеродистая марка SAE 6195 используется в производстве шариковых и роликовых подшипников.

Минимальный предел прочности на разрыв хромованадиевой стали особенно высок по сравнению с другими сплавами и составляет, как правило, от 190 до 300 в зависимости от марки и номинального химического состава. Кроме того, этот материал обладает другими выгодными физическими свойствами, в том числе благоприятным модулем упругости и модулем упругости при кручении.

Модуль упругости – это математическая мера склонности материала к упругой (т.е. непостоянной) деформации под действием приложенной силы, а модуль упругости при кручении – это коэффициент, используемый для оценки его жесткости. Модуль упругости данного сплава равен 30, а модуль упругости при кручении 11,5.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector