ВАНАДИЯ СПЛАВЫ
Применяются со 2-й половины 20 в. Отличаются относительно высокой жаропрочностью при т-ре 500—600° С, низкой плотностью, коррозионной стойкостью в жидких щелочных металлах, низким сечением захвата быстрых нейтронов, хорошей обрабатываемостью. В. с. подразделяют на конструкционные жаропрочные сплавы и сплавы со специальными физ. и хим. св-вами. К особым относятся сверхпроводящие сплавы. Конструкционные жаропрочные ванадия сплавы в свою очередь подразделяют на малолегированные технологические сплавы на основе системы ванадий — титан с различными легирующими элементами и высоколегированные и более прочные сплавы на основе систем ванадий — ниобий и ванадий — ниобий — тантал.
Ванадий является хорошим растворителем многих хим. элементов, поскольку радиус его атома отличается от радиуса этих элементов незначительно. Нисходящий ряд растворимости легирующих элементов в ванадии при т-ре 1000° С (~0,6 tпл), близкой к возможным рабочим т-рам жаропрочных Ванадия сплавы имеет вид: ниобий, хром, молибден, вольфрам — 100%; титан — 95%; рений — 85%; тантал — 27 ч- 35%; алюминий — 28%; никель <7%; цирконий — 6%; гафний < 2%; кремний — 0,5ч-2,5%; азот < 1,0%; бор — 0,43%; углерод — 0,1%; кислород < 0,1%.
На температуру плавления и прочностные св-ва В. с. при высоких т-рах влияют добавки молибдена, рения, ниобия, тантала, хрома, алюминия, вольфрама и титана, которые повышают или мало снижают т-ру начала плавления. В многокомпонентных сплавах в небольших количествах (для образования гетерофазной структуры) могут быть полезными и те легирующие элементы (напр., цирконий, кремний, углерод), которые в двойных сплавах отнесены к числу неперспективных. Важной характеристикой при выборе легирующих элементов является т-ра рекристаллизации сплавов.
Легирование ванадиевым сплавом элементами замещения (ниобием, титаном, гафнием, молибденом и др.) повышает т-ру рекристаллизации примерно на 100° С, причем это повышение слабо зависит от количества вводимого элемента и от набора лигатур. Значительное повышение т-ры рекристаллизации (около 400— 500° С) наблюдается при введении в В. с. внедрения фаз (тугоплавких карбидов и др.). Так, если ванадий рекристаллизуется при т-ре 830° С, то В. с, содержащий 5% Ti, 20% Nb и 0,1% В, рекристаллизуется при т-ре 1320° С. По мех. св-вам конструкционные жаропрочные В. с. перспективны при т-ре до 1000—1100° С. Обладая меньшей твердостью и прочностью при комнатной и повышенных т-рах, ванадия сплавы по удельной прочности превосходят коррозионное той кую сталь, некоторые титана сплавы, никеля сплавы, кобальта сплавы, молибдена сплавы и ниобия сплавы.
Малолегированные технологические В. с. содержат в качестве основной легирующей добавки титан, который повышает жаропрочность сплава при т-ре не выше 850—900° С. У двойных В. с. с 5-20% Ti при т-ре 650° С (испытания в гелии) длительная прочность составляет 35 кгс/мм2, в то время как у более сложных по составу сплавов (напр., сплава с 50% Ti, 15% Аl, 15% Сr, остальное ванадий) она не превышает 15 кгс/мм2. Макс, длительной прочностью, при т-рах 650 и 800° С (47,6 и 19,6 кгс/мм2) отличается малолегированный сплав (2,5% Ti, 1% Si, остальное ванадий).
Макс, твердостью в системе ванадий — ниобий обладают сплавы с 36—80% Nb (HV = 292—380), а в системе ванадий — тантал — сплавы с 19—81% Та (HV = 400—460). После рекристаллизации сплав с 50% Та охрупчивается вследствие выделения на границах зерен второй фазы — хим. соединения TaV2- Легирование ниобием значительно повышает прочность В. с. при высоких т-рах, улучшает стойкость против окисления. Ниобий подавляет образование жидкого окисла на поверхности В. с. до т-ры 800—900° С. Молибден или вольфрам резко повышают твердость и прочность В. с при комнатной т-ре, однако при повышенных т-рах прочность этих сплавов меньше прочности сплавов с ниобием или танталом. Высокой прочностью и твердостью до высоких т-р обладают В. с. с хромом (HV = 200 при т-ре 1000° С). Однако их практическое применение ограничено вследствие низкой технологичности. В. со бериллием и кремнием (0,1 ч- 1,0%) отличаются большой хрупкостью. Добавка углерода к некоторым сплавам системы ванадий — титан, содержащим хром или алюминий, улучшает их ковкость и пластичность при высоких т-рах, не снижая предела прочности.
Наилучшим сочетанием прочностных и пластических характеристик обладает ванадия сплавы с 20% Nb 5% Ti, у которого при т-ре 980° С в отожженном состоянии σв= 48 кгс/мм2 02 — 44 кгс/мм2 при δ = 10%. Дополнительное легирование кремнием (0,5%) позволяет повысить жаропрочность этого сплава при кратковременных и длительных испытаниях без существенного снижения пластичности. Такой сплав можно подвергнуть упрочняющей термической обработке, в результате дисперсионного твердения его прочностные характеристики повышаются на 20—50%. Сплавы ванадия с ниобием, содержащие, кроме титана и кремния, другие легирующие элементы (тантал, цирконий, гафний и др.), наряду с жаропрочностью, характеризуются высокой ударной вязкостью, особенно при низких т-рах, хорошо деформируются и свариваются контактной и дуговой сваркой. При т-ре 1200-1250° С по удельной жаропрочности эти сплавы превосходят жаропрочные сплавы ниобия и молибдена. Оптимальным сочетанием прочности и пластичности в широком интервале т-р обладает В. с. с 20% Nb, 4% Ti, 1% Zr и 0,07% С.
Титан и цирконий при наличии углерода образуют в сплаве тугоплавкие карбиды TiC и ZrC, упрочняющие жаропрочные сплавы при термической обработке. Ванадия сплавы получают преимущественно вакуумной индукционной и аргоно-дуговой плавкой, реже — электроннолучевым переплавом. Первичную обработку слитков проводят горячим прессованием или ковкой в оболочках при т-ре 900—1450° С. Последующая обработка заключается в теплой или холодной прокатке на лист или пруток (профиль). Иногда термомеханическая обработка выполняется без оболочек, поскольку т-ра плавления материала оболочек ниже т-ры деформирования.
Охрупчивание ванадия сплавы при легировании уменьшают добавлением раскислителей: магния, иттрия, лантана и церия. В. с, содержащие 0,5—2% Y, прокатывают в холодном состоянии до тонкой ленты (0,2 мм). Сплавы, переплавленные с добавкой церия, очищают от кислорода, азота и серы. Сплавы со спец. физ. и хим. св-вами разрабатывают прежде всего применительно к ядерной технике и хим. машиностроению. В. с. по сравнению с чистым ванадием значительно меньше подвержены проникновению кислорода, что связано с повышением т-ры плавления окислов при легировании. У В. с. (типа сплавов, содержащих 40% Ti и 10% Сr, остальное ванадий; 50% Ti и 10% Аl, остальное ванадий; 50% Ti и 15% Сr, остальное ванадий) скорость окисления на порядок ниже, чем у ванадия.
По коррозионной стойкости В. с, содержащие 5—50% Nb, сравнимы с коррозионностой-кой сталью, а при повышенной т-ре — с лучшими материалами для хим. машиностроения. В. с. используют для плакирования ядерных реакторов, охлаждаемых жидким натрием или калием; при этом ванадия сплавы практически не взаимодействуют до т-ры 800—900° С с ядерным горючим и охлаждающими смесями, обеспечивая защиту от продуктов расщепления. Высокая коррозионная стойкость В. с. в морской воде и во многих хим. агрессивных средах обусловливает применение их как конструкционных материалов в судостроении, для изготовления хим. аппаратуры.
Фольгу ванадия и его сплавов используют в качестве прослойки между сталью и титаном или благородными металлами (напр., золотом). Облицовка такими комбинированными материалами удешевляет и расширяет возможности применения хим. аппаратуры. Сплавы ванадия с рением применяют для изготовления неокисляющихся электроконтактов. Возрастает значение ванадия сплавы как сверхпроводящих материалов, используемых для получения магнитных полей с высокой напряженностью. По сверхпроводящим характеристикам В.с. несколько уступают сплавам систем ниобий — цирконий и ниобий — титан, однако «конкурируют» с ними в конструкциях, где предъявляют жесткие требования к массе приборов. Особенно перспективны сверхпроводящие сплавы ванадия с галлием или кремнием. Так, у сплава ванадия, содержащего 8—18% Ga, критическая ЯМ)а перехода в сверхпроводящее состояние составляет 13,8 К при величине критического магнитного поля около 200 кв.
Лит.: Поляков А. Ю. Основы металлургии ванадия. М., 1959; Ефимов Ю. В., Барон В. В., Савицкий Е. М. Ванадий и его сплавы.
Статья на тему Ванадия сплавы