钒在钢铁冶金方面的应用

发布日期:2023/6/2 11:47:10

钒，元素符号V，银灰色金属，在元素周期表中属VB族，原子序数23，原子量50.9414，体心立方晶体，常见化合价为+5、+4、+3、+2。钒的熔点很高，常与铌、钽、钨、钼并称为难熔金属。有延展性，质坚硬，无磁性。具有耐盐酸和硫酸的本领，并且在耐气、耐盐、耐水腐蚀的性能要比大多数不锈钢好。室温下致密状态的金属钒较稳定，不与空气、水和碱作用，也能耐稀酸。

金属钒是具有战略意义的稀有金属，应用领域十分广泛。含钒钢具有强度高，韧性大，耐磨性好等优良特性，广泛应用于机械、汽车、造船、铁路、航空、桥梁、电子技术、国防工业等行业，其期量约占钒消耗量的85%。大约有10%的钒用于生产航天工业所需的钛合金，钒在钛合金中可以作为稳定剂和强化剂，使钛合金具有很好的延展性和可塑性。金属钒具有高熔点、易加工、耐腐蚀性强、快中子吸收截面小等特点，主要用于原子能工业、超导合金材料、特种合金的添加剂以及电子工业等方面。此外，钒在化学工业中主要作为催化剂和着色剂。钒还被用于生产可充电氢蓄电池或钒氧化还原蓄电池等。

钒在微合金钢中的应用

微合金结构钢起源于20世纪50年代后期，由于碳含量对材料的焊接结构韧性有不利影响，单一通过增加碳含量增加钢强度的手段受到很大的限制。人们认识到在钢中添加微合金元素钒，具有细化晶粒提高材料的强度和韧性的作用，微合金元素的析出强化作用代替了碳的强化作用，还可以改善材料的焊接性能。由于微合金技术的发展，钒广泛用于工具钢、高速钢、合金钢和高温低合金钢等。世界各国由于生产工艺的不同，生产每吨钢消耗的钒也不相同。在北美生产每吨钢大约消耗0.08 kg的钒，在日本和欧洲，生产每吨钢大约消耗0.06 kg的钒，在国内生产每吨钢大约消耗0.035 kg的钒”。

钒在航天航空领域的应用

每年大约有8%~10%的金属钒用于生产钛合金，主要是先生产出钒铝合金，再将钒铝合金作为添加剂用于Ti-6Al-4V的生产。Ti-6Al-4V具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优异的综合性能，又可以长时间在400℃以上服役并且保持高的强度。由于Ti-6Al-4V良好的高温性能，可用于制造“飞机发动机的风扇、叶片、压力机盘和承压件等。Ti-6Al-6V-2Sn是另一种用于航空航天领域的重要钛合金，其在常温下有较高的强度，有较好的加工性能和焊接性能，易于锻造，可用于飞行器较低温度的零部件，如飞机起落架支架、飞机结构件、武器结构件核导弹外壳等。

钒在核反应堆中的应用

20世纪60年代起，钒基合金就被考虑用于核反应堆材料。他的优点是对快中子的俘获面积小，抗液体金属钠的腐蚀以及具有良好的高温蠕变强度，当时在美、德等国的研究机构里进行了研究，但尚未达到使用的阶段。用于热核反应堆的包套材料，要求具有高温机械强度，可抵抗辐射引起的膨胀、易脆问题以及与氢、锂各种冷却剂的兼容性良好。最近美、德等国开发的V15Cr5Ti和V3Cr1Si有较高的热导性和较低的膨胀系数，可产生较低的热应力，这一性质可延长核反应堆壁的负荷与寿命，与碳钢壁相比，可取得较高的反应温度。

钒在贮氢材料中的应用

钒基固溶体作为贮氢材料有许多优点，贮氢量大，贮氢密度高，吸放氢速度快，贮存和运输安全等，近年来受到越来越多的学者关注。钒基贮氢材料的种类较多，每一-类型都有某一项或几项指标较好，有一定的使用方向。V-Ti-Cr+M和V-Ti-Fe+M主要用于氢的贮存、运输和提纯，V-Ti-Ni+M主要用作电池材料的贮氢合金，其中M起调节和强化其他功能元素，比如加入元素锆不仅有抗粉化作用，还有固氦和超导的性能。钒基固溶体贮氢材料今后研究的方向主要是优化合金成分，进一步提高吸氢量，提高平台分压。通过改进钒基固溶体的热处理方式提高贮氢性能，通过研究原材料配比而降低钒合金的用量，以便降低生产成本。

钒在金属基陶瓷材料中的应用

目前应用最广泛的金属基陶瓷材料为WC-Co基金属陶瓷，由于钨和钴资源逐渐枯竭，生产过程中必须节约使用或开发其他金属基陶瓷，降低钨的消耗。研究表明，在钨基陶瓷中添加VC，在WC烧结过程中起到细化晶粒的作用。VC在金属陶瓷的Co相中有较大的溶解度，并和Co的共晶温度较低，即使在较高温度下(1300℃~1350℃)也会抑制WC晶粒的长大。从理论上分析，VC是的晶粒长大抑制剂，也比其他的金属碳化物更经济。另外VC还可以降低WC-Co基金属陶瓷的居里点，产生非磁性。