Ванадий в стали

Голиков И.Н., Гольдштейн М.И., Мурзин И.И.

Металлургия, 1968 г.

Прецизионные сплавы

Сплавы с высоким магнитным насыщением

Железокобальтовый сплав пермсндюр, содержащий равные количества железа и кобальта, обладает уникальным свойством — высокой магнитной индукцией насыщения, не имеющей себе равных среди других ферромагнитных материалов при удовлетворительной магнитной мягкости. Достоинство этого сплава не только его высокое магнитное насыщение — более 2,4 тл (24000 гс), но и наиболее высокие значения проницаемости при больших индукциях. Кроме того, пермсндюр имеет сравнительно высокие значения магиитострикции.

Однако производство сплава пермсндюр и его использование затруднены из-за большой хрупкости, которую он приобретает при отжиге в процессе атомного упорядочения и образования упорядоченной структуры типа FeCo. Исследование влияния большого числа присадок на хрупкость и пластичность пермендюра показало, что наиболее эффективно действует ванадий. Введение 1,8— 2% V в качестве технологической присадки ослабляет действие упорядочения и дает возможность обрабатывать сплав давлением. Сплав примерного состава 49% Fe, 49% Со и 2% V в отечественной практике имеет обозначение 49КФ2. Легированные ванадием слитки этого сплава, выплавленного в печах с магнезитовым тиглем, можно подвергать ковке и горячей прокатке в полосы толщиной до 2 мм, а после нагрева до 930—950° С и закалки  в воде — холодной про-

катке в листы и ленты толщиной 0,2—0,1 мм.

Легирование пермен-дюра ванадием несколько повышает его электрическое сопротивление (в 4—5 раз), это выгодно при использовании его в магнитопроводах, работающих в знакопеременных полях (снижает потери на вихревые токи), но ухудшает магнитные свойства сплава (снижает магнитное насыщение и магнитную проницаемость, повышает коэрцитивную силу) [281, 282]. Технология производств  улучшенного ванадиевого пермендюра (супермендюра), включающая водородный отжиг, дает возможность получать высококачественный материал соединительных деталей  для полюсных наконечников и всевозможных магнитопроводов.

Как известно, магнитномягкими сплавами могут быть только гомогенные твердые растворы. Ухудшение магнитной мягкости пермендюра обусловлено тем, что уже при небольших содержаниях ванадия FeCo-сплав из области гомогенного твердого раствора переходит в гетерогенную область тройной системы. На рис. 103, по данным [283|, показан иолитермический разрез тройной диаграммы Fe—Со—V, параллельный стороне Fe—V треугольника концентраций, проходящий через точки, соответствующие составам сплавов, содержащих 52% Со. Видно, что сплавы, содержащие больше —1,5% V, в равновесном состоянии находятся в гетерогенной области и должны иметь двухфазную структуру. Однако, по данным [284], гетерогенными являются сплавы с еще меньшим содержанием ванадия. На рис. 104 показано семейство изотермических кривых, выражающих относительное изменение электросопротивления предварительно закаленных с 930° С и холоднодеформированных с суммарным обжатием с 90% железокобальтовых сплавов, легированных различными количествами ванадия, в зависимости от длительности последующего отжига при 525° С. В то время как у железокобальтового сплава понижение электросопротивления имеет обычный для упорядочивающихся сплавов характер, в сплавах, легированных ванадием, это изменение имеет более сложный характер и все кривые могут быть истолкованы как результат наложения двух зависимостей — повышения, связанного с подготовкой к выделению Ύ-фазы, и понижения, обусловленного упорядочением в а-фазе и выделением γ-фазы.

Таким образом, практически установленную концентрацию 1,7—1,8% V для легирования железокобальтового сплава, хотя она и

переводит его в гетерогенную область, следует считать компромиссной в том смысле, что она в достаточной степени ограничивает процесс упорядочения в FeCo-сплаве, чтобы сделать возможной обработку его давлением, и в то же время лишь незначительно ухудшает магнитные свойства.

Необходимо отметить, что от легирования ванадием целесообразно отказаться в тех случаях, когда изделия

Относительное изменение электросопротивления Fe—Co-сплава, легированного ванадием, после отжига при 525° С, Предварительная обработка: закалка с 930°С в воде и холодная деформация с суммарным обжатием:

имеют сравнительно большие сечения и могут быть изготовлены ковкой или горячей прокаткой (например, детали магнитопроводов, работающих в постоянных полях, для которых потери на вихревые токи отсутствуют). В этих случаях удается полностью использовать хорошие магнитные свойства бинарного пермендюра.

Сплавы с высокой магнитной энергией

В сплавах викаллой, содержащих 52% Со, от 4 до 14% V, остальное Fe, благодаря ванадию создается структура, благоприятная для горячей и холодной обработки давлением и обработки резанием. Содержание ванадия имеет решающее значение для получения после заключительной термической обработки совокупности свойств, определяющих достоинства этого сплава как материала для постоянных магнитов. Благодаря хорошей деформируемости и обрабатываемости целесообразно производство из пикаллоя постоянных магнитов, имеющих небольшое поперечное сечение и применяемых в виде полосок, проволок и т. п. Некоторые из сплавов этого типа используют для роторов специальных «гистерезисных» электродвигателей. Магнитные свойства викаллоя данного состава зависят от температуры и продолжительности заключительного отпуска и степени предшествующей холодной деформации.

Когда требуется сравнительно небольшая магнитная энергия, но высокая остаточная индукция, может быть использован сплав с низким содержанием ванадия (около 4%), если же необходимо получить большую коэрцитивную силу и высокую магнитную энергию, то следует использовать сплавы с большим содержанием ванадия (до 14%) [282].

Из рис. 105 видно, что в холоднокатаных листах викаллоя после отпуска коэрцитивная сила растет, а остаточная индукция падает с увеличением содержания ванадия. Оптимальная температура отпуска лежит между 580 и 620° С [285].

В состоянии с высокой магнитной энергией структура викаллоев состоит из небольших ферромагнитных областей α-фазы, размеры которых близки к размерам областей спонтанного намагничивания, окруженных областями немагнитной у -фазы, чем обусловлена большая коэрцитивная сила, тогда как текстурование сплава при холодной деформации вызывает повышение остаточной индукции и увеличение выпуклости спинки петли гистерезиса. Характер превращений, приводящих к структурам, обеспечивающим оптимальные магнитные свойства викаллоев, освещен в исследованиях [283, 286—289].

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением

Интересные результаты показывает легирование ванадием сплавов на основе никеля с целью получения материалов с высоким электрическим сопротивлением. В бинарных сплавах Ni—V электросопротивление повышается до значений, превышающих соответствующие значения  в  сплавах Ni—Сг, Электрическое сопротивление в сплавах с никелем, по данным [290], получается более высоким при легировании ванадием, чем при введении хрома, марганца, кобальта, меди, железа. При легировании Ni—Fe-сплавов ванадием получаются еще более высокие  значения  электрического  сопротивления.  На

рис. 106, по данным [291], показано электрическое сопротивление сплавов Ni—Fe —V в разрезах тронной системы, параллельных стороне Ni —Fe. При содержании около 15% V, 80% Ni, остальное Fe удельное электросопротивление достигает 1,5—1,8 ομ·μμ²/μ. Интересно отметить [290] постоянство температурного коэффициента сопротивления сплава 10% V, 80% Ni, остальное Fe, что может иметь практическое значение для использования его в схемах электронных устройств.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью

Сплавы Ni — Fe—V также могут быть использованы как магнитномягкие материалы. Показано [292], что термической обработкой (закалкой и последующим отпуском с оптимальной выдержкой)  в сплаве с 80% Ni,

4,5% V, остальное Fe могут быть получены свойства, характерные для магнитномягких сплавов с высокой магнитной проницаемостью пермаллоев [281, 282]. Однако ванадиевый сплав по свойствам, характеризующим магнитную вязкость (высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила), несколько уступает сплаву того же типа — молибденовому пермаллою (79% Ni, 4% Mo, остальное Fe). При соответствующем составе и термической обработке в вакууме или рафинирующей среде для получения высокой магнитной проницаемости в пермаллое любого состава необходимым условием является чистота исходных шихтовых материалов. В связи с этим весьма вероятно, что применение чистейшего ванадия для легирования Ni—Fe-основы может привести к улучшению магнитной мягкости ванадиевого пермаллоя и сделать его эффективным заменителем молибденового пермаллоя.

Сверхпроводящие сплавы

Ванадий может быть использован в качестве основы сверхпроводящих интерметаллических соединений, которые образуются при сплавлении элементов А и В-под-групп и имеют структуру β-вольфрама (или Cr₃Si). В частности, такими соединениями являются V₃Ga и V3S1 с температурами перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 и 17,1° К соответственно. Оба эти соединения образуются по перитектической реакции и имеют узкую концентрационную область гомогенности.

Титаноаые сплавы

Большое промышленное значение имеет использование ванадия в сплавах титана.

Немногим более 10—15 лет назад титан относился еще к малоизученным элементам и был доступен лишь для лабораторных исследований. Такие свойства технического титана, как относительно высокая прочность и твердость при хорошей пластичности и небольшом удельном весе, позволили ему занять прочное положение среди материалов, используемых в современной технике.

Мировое производство титана из года в год растет и составляет в настоящее время десятки тысяч тони в год.

Титан производят в чистом виде и в виде технического титана, содержащего до 0,15% Fe, 0,05% Si, 0,05% С, 0,03% N₂, 0,1% О,.

Чистейший йодидный титан высокой пластичности имеет прочностные характеристики значительно ниже, чем технический титан. Механические свойства титана характеризуются данными, приведенными в табл. 61 [296].

Титан — полиморфный металл, расположен в IV группе периодической таблицы Менделеева, принадлежит к переходным металлам с недостроенной электронной α-оболочкой. Титан имеет две аллотропические модификации, различающиеся по структуре кристаллической решетки: низкотемпературную модификацию (а-титан), имеющую гексагональную плотноупакованную решетку (с/а—1,587); высокотемпературную модификацию (β-титан), стабильную при температуре 865—900°С (в зависимости от примесей), имеющую кубическую объемноцентрированную решетку.

При повышенных температурах титан обладает большой химической активностью, начиная с 600° С заметно образование окалины.

На основе титана в настоящее время известно большое количество различных сплавов, устойчивых до 500 — 600^ϋ С; одним из важнейших легирующих элементов в них является ванадий.

Ванадий образует с β-титаном непрерывный ряд твердых растворов. В α-титане растворимость ванадия ограничена и составляет примерно 4%.

Ванадий увеличивает устойчивость β-фазы, понижая температуру полиморфного превращения титана.

Ванадий в группе изоморфных стабилизаторов является наиболее сильным упрочнителем сплавов титана

 (даже по сравнению с ниобием и танталом), β-фаза фиксируется в закаленных сплавах, содержащих до 15% ванадия. Установлено [297), что температура мартенситного превращения в сплавах титан — ванадий не зависит от скорости охлаждения, но понижается при увеличении содержания ванадия.

С повышением содержания ванадия стабильность β-твердого раствора увеличивается. При нагреве до 400°С β-твердый раствор в высокованадиевых сплавах (30% ванадия) распадается, превращаясь непосредственно в α-фазу [298]. Твердость β-сплавов практически равна твердости титанованадиевых сплавов со структурой α+β.

Механические свойства сплавов титан —ванадий приведены на рис. 107 и 108 [299].

Характерной особенностью сплава титана с ванадием является то, что при затвердевании этого сплава не обнаруживается ликвации, так как на диаграмме состояния линия ликвидуса почти сливается с линией солидуса.

Титанованадиевые сплавы имеют повышенную жаропрочность.   Показано  [300], что  ванадий  значительно повышает жаропрочность α-твердых растворов титана. Максимум жаропрочности установлен на границе предельного насыщения α-твердого раствора. При содержании 12—14% V жаропрочность понижается до минимума и затем при переходе из двухфазной области (α +β) в область   β-твердого раствора снова повышается.

В сплавах тройных систем титан — ванадий — ниобий и титан — ванадий — молибден максимальную жаропрочность и твердость в первом случае имеют те сплавы, которые расположены на границе предельного насыщения α-твердого раствора [297]; во втором случае наиболее жаропрочными при температурах 500—700° С являются сплавы, лежащие в области β-твердого раствора с постоянным содержанием ванадия 10, 20 и 30% [297].

Наибольшая устойчивость β-фазы титанованадиево-молибденового сплава при 100—400° С установлена [301] для содержаний 21,12% Мо и 9,72% V. Увеличение ванадия до 20% почти не влияет на устойчивость β-фазы. Распад β-фазы в этом сплаве происходит с образованием метастабильной ω-фазы по схеме Многочисленные исследования, проведенные в Советском Союзе и за рубежом, убедительно показали, что сплавы титана с ванадием и некоторыми другими элементами (А1, Nb, Та, Hf, Мо, Сr и др.) обладают ценными для техники служебными свойствами.

Высокая жаропрочность этих сплавов, их пластичность и устойчивость против коррозии в агрессивных средах, достаточные механические свойства и низкий удельный вес привлекли внимание прежде всего специалистов самолето- и ракетостроения. В этих отраслях промышленности титановые сплавы в настоящее время завоевали прочное место. Все больше титановые сплавы начинают использовать в других отраслях машиностроения, а также химической и судостроительной промышленности.

В Англии [302] титановые сплавы рассматривают как «важнейший материал космических кораблей», используемый преимущественно для топливных баков. Из сплавов с ванадием для этой цели в основном применяют сплавы типа Ti — 6Al — 4V. Сплавы применяют с весьма малым содержанием примесей. По своим прочностным и весовым характеристикам баки изготовленные, из тн-танованадиевых сплавов, зарекомендовали себя весьма положительно.

В ФРГ запатентован  ванадиевотитановый сплав, содержащий 30—49% V и до 16% Sn или 20—30% V при содержании более 16% Sn; допускается содержание до 1% С, 0,5% Ог и до 0,4% N, количество титана должно быть не менее 50%. Сплав, содержащий —0,25—16,0% Sn, — 30% V, до 1,0% С, до 0,5% 0₂, до 0,4% N, —' 50% Ti, может применяться для изготовления полуфабрикатов, которые после 48 ч старения при 400° С, обеспечивающего значительное повышение прочности, сохраняют высокую пластичность и деформируемость.

Установлено [303, 304], что сплав ванадия с титаном обладает ценнейшим свойством сверхпроводимости.

Если это до некоторой степени экзотические примеры использования сплавов титана с ванадием, то без большой ошибки можно утверждать, что в количествах 2—4% ванадий постоянно сопутствует титану.

В табл. 62 приведены данные но использованию титанованадиевых сплавов в США [214].

Аналогичное производство характерно для всех промышленно- развитых стран, в том числе и СССР.