تاثیر واندیم در فولادها

وانادیم فلز نرم و داکتیل به رنگ خاکستری نقره ای رنگ است که مقاومت خوردگی خوبی در برابر بازها و اسیدسولفریک و هیدروکلریک دارد.وانادیم به راحتی در دمای 933 K اکسید می شود.این فلز از استحکام ساختاری خوبی برخوردار است و در صنایع هسته ای کاربرد فراوانی دارد.

وانادیم ابتدا در سال 1801 در مکزیکوسیتی توســــط یک کــــــــــانی شناس اسپانــــــیایی به نام آندرس مانئول دل ریو (Andres Manuel del Rio) کشف شد.وی آن را سرب قهوه ای نامید(آنچه که امروزه بنام وانادینیت مشهور است).سپس در طی آزمایش هایی که انجام می داد،رنگ آن ایشان را به یاد کروم می انداخت از اینرو آن را پان کروم نامید.او بعد آن را اریترونیوم نام نهاد زیرا نمک های آن هنگام حرارت دهی به رنگ قرمز در می آمد.البته شیمیدان فرانسوی به نام هیپولیت ویکتور کالت دستکوتلس (Hippolyte Victor Collet-Descotils)به اشتباه اعلان کرد که عنصر جدیدی که توسط دل ریو کشف شده است،تنها کروم ناخالص است.دل ریو نیز به این فکر افتاد که کشفش اشتباه بوده و نظر او را قبول کرد.

در سال 1831،دانشمند سوئدی هنگام انجام تحقیقاتی بر روی سنگ آهن ،وانادیم را در حالت اکسیدی دوباره کشف نمود و در همان سال،فریدریش وهـــــــــلر تحقــــــــــــــــیقات دل ریو را تایید کرد.بعد از این بود که جورج ویلیام فیدرستونهاف (George William Featherstomhaugh) پیشنهاد کرد که اسم این فلز  ریونیوم باشد که هیچ وقت عملی نشد.

وانادیم فلز در سال 1867 توسط هنری اینفیلد(Henry Einfield) از احیاء کلرید وانادیم (III) (VCl₃) بهمراه هیدروژن بدست آمد.واژه وانادیم از Vanadis گرفته شده است که یکی از الهه ها در خداشناسی اسکاندیناوی بود زیرا این عنصر دارای ترکیبات رنگی زیبایی بود.

در زیست شناسی ،وانادیم یکی از اجزای اصلی برخی از آنزیم ها بالاخص نیتروژناز وانادیم است که  بوسیله بعضی از میکروارگان های تثبیت کننده نیتروژن استفاده می شود.موش صحرایی و جوجه ها به مقدار کمی وانادیم نیاز دارند و فقدان آن باعث کاهش رشد و تولید مثل آنها می شود.

در ژاپن،از پنتا اکسید وانادیم V₂O₅ به عنوان مکمل سلامتی در آبهای معدنی استفاده می شود.منبع این آب نوشیدنی از دامنه های کوه فوجی است.میزان پنتااکسید وانادیم در آب های معدنی از 80 تا 130 میکروگرم در هر لیتر متغیر است.این میزان پنتااکسید وانادیم در کاهش ابتلا به بیماری هایی هم چون دیابت،اگزما و چاقی بسیار موثر است.

با افزودن وانادیم به فولادهای ابزار و آلیاژی سختی پذیری آنها  افزایش یافته و کاربیدهای کمپلکس در ریزساختار تشکیل می شود.اعتقاد بر این بود که وجود ذرات کاربیدی برای افزایش سختی است در حالیکه مقاومت به نرم شدن در حین برگشت را بالا می برد.درصد وانادیم در این فولادها 0.10-0.15 %  بوده که در فولادهای تند بر در ابزار برش تا 1 درصد نیز می رسد.

اخیرا وانادیم به عنوان عنصر آلیاژی در فولادهای HSLA و کربنی میکروآلیاژی استفاده می شود. وتنها به مقدار کمی در حدود 0.05 تا 0.10 درصد کافی است تا افزایش قابل توجهی در استحکام فولاد بدست آید.وزن اتمی وانادیم 51  و نقـــــطه ذوب 1900 C دارد. ساختار کریستالی وانادیم bcc بوده و در ریزساختار فریت زاست و دمای کوری را افزایش می دهد.و منطقه پایداری آستنیت را می کاهد.وانادیم تمایل متوسطی به ترکیب با اکسیژن داشته ولی تمایل ترکیب با  نیتروژن آن قوی است و به ترکیب با کربن تمایل بسیار قوی دارد.در دماهای بالا Ac₃ ، وانادیم از درشت شدن دانه های آستنیت جلوگیری می کند.وانادیم ، مقاومت به سایش و حفظ دندانه های تیز و استحکام  در دماهای بالا را افزایش میدهد.هم چنین بخاطر ریز کردن دانه های آستنیت ، قابلیت جوشکاری را بهبود بخشیده و نیز مقاومت در برابر هیدروژن با فشار بالا راافزایش می دهد.

ذرات نیترید وانادیم باید تا دمای 1350 C حرارت داده شوند. برای استحکام گردانی فولادهای آلیاژی شده با وانادیم ، می توان از نورد کنترل شده یا عملیات حرارتی استفاده کرد. گاها از ترکیب هر دو روش می توان استفاده کرد.

به خاطر تاثیر وانادیم بر مورفولوژی کاربیدها ، سختی فولادهای مارتنزیتی را افزایش می دهد. این عنصر بیشتر در فولادهای زنگ نزن سختی پذیر بکار می رود.

وانادیم از طریق تشکیل محلول جامد ، فریت را تا حد متوسط استحکام گردانی می کند و با حل شدن در آستنیت ،سختی پذیری را شدیدا می افزاید.در ترکیب فولاد با کربن واکنش داده و کاربید وانادیم V₄C₃ تشکیل می دهد.این کاربید در فریت بطور جزیی حل می شود ولی در آستنیت تا حد قابل توجهی حل می شود.وانادیم موجود در فولاد سبب ریز شدن دانه ها می شود. کاربید ها هم می توانند در حین ذوب رسوب کنند و هم امکان دارد در طی عملیات حرارتی بعد از استحاله رسوب کند.تمایل به ریز کردن ساختار از طرف این عنصر موجب شده که در ساختار های کاربیدی ریز در فولادهای هایپریوتکتوئید استفاده شود.

وانادیم اکسیژن زدای نسبتا قوی بوده ولی نیترید آن بسیار پایدار است از اینرو، به ترکیب نیتروآلوی ها اضافه می شود تا پایدار بودن نیترید آن باعث شود تا خواص لایه سطحی افزایش یابد.

از آنجاییکه وانادیم استحکام فریت را از طریق تشکیل محلول جامد افزایش می دهد، از اینرو به ترکیب فولادهای آلیاژی کم کربن اضافه می شود تا استحکام کششی آنها بدون هیچگونه کاهش در داکتیلیتی افزایش یافته و این موجب گشته تا در کاربردهای مهندسی استفاده شود. وانادیم درصد کربن یوتکتوئید را می کاهد . به عنوان مثال، وجود 1%  وانادیم ، درصد کربن یوتکتوئید را تا 0.6 %  می کاهد.

برای چقرمه کردن و اصلاح اندازه دانه فولادهای کربنی متوسط ، درصد وانادیم در محدوده 0.1-0.3 % کافی است.سختی پذیری لازم نیز از حضور کاربیدهای منگنز و آهن در ریزساختار بدست می آید.فولاد کربنی 0.5% C,0.8 % Mn,0.15% V برای قطعات بزرگ فورج، قطعات لکوموتیو، میل لنگ ها و قطعات مشابه که نیاز به استحکام کششی و چقرمگی دارند، مناسب است.فولاد کربنی ساده با سخت گردانی سطحی حاوی 0.12-0.15 % C,0.35-1.0 % Mn,0.10 % V  قابلیت جوشکاری خوبی داشته و در سیم جوش های گازی بکار می رود. فنر ها از فولاد 0.7 % C,1% Mn,0.1% V  که در شرایط کوئنچ و تمپر شده استحــــــکام کششی بالایی دارند، نیز ساخته می شـــــــــــــوند. فولاد ریختـــــــــــگی یاتاقانها معمــــــــــــولا شامل 0.35 % C,0.85 % Mn,0.35 % Si,0.15 % V می باشد.

فولادهای با درصد کربن بالا  (0.2-0.5 % V,0.25-0.5 % Mn,0.60-1.4 % C) قبل از استفاده در ابزارها و قالب های چکش  و مته ها کوئنچ و تمپر می شوند. بنابر این می توان به استحکام کششی و خواص ضربه ای بالاتری دست یافت.

مقاومت سایشی فولادهای ابزار با افزودن وانادیم و تشکیل کاربیدهای وانادیم پایدار افزایش می یابد. در گروه فولادهای ابزار کم آلیاژ ، دو نوع فــــــــــــــــــــــــــــــولادهـــای کروم-وانادیــــــــــــــــــــم وجــــود دارند: یـــــــــــــــکــــــــی دارای ترکیب 0.1-0.2 %V,0.6-1.2 %Cr,0.1-0.35 % Mn,0.5-1.4 %C  بوده و دیگری دارای منگنز بالایــــــــــــی تا 0.4-0.60 % می باشد.فولاد با منگنز کم در آب کوئنچ می شود ولی فولاد  دیگر با درصد منگنز بالاتر در روغن کوئنچ می شود.

برخی از انواع معینی از فولادهای پرکربن کم تنگستن دارای وانادیم می باشند.این نــــوع فولادهای تنگـــــــــستن دار حاوی 0.10-0.25 %V,1.75-2.5 % W,0.15-0.35 %Mn,1.15-1.25 % C بوده و در ابزار های برش و قالبهای شکل دهی سرد و ابزار تمام کاری برای آلیاژ های غیرآهنی کاربرد فراوانی دارند.

در فولادهای منگنز دار (0.85-0.95 % C,1.5-1.75 % Mn) که در روغن کوئنچ می شود، درصد کمـــــی از وانادیم (0.10-0.25 %) وجود دارد که از رشد دانه جلوگیری می کند. نوع دیگری از این این نوع فولادها، که در قالبها بکار می رود و قبل از کوئنچ ماشینکاری می شوند، درصد کمی کروم دارند.در هنگام تولید مقاطع بزرگ ، بجای کروم از مولیبدن استفاده می شود و این باعث می شود سختی پذیری افزایش یافته و اثر اصلاح دانه ای رخ دهد.

فولادهای ابزار کربن- وانادیم،کروم-نیکل-وانادیم و کروم- نیکل- مولیبدن-وانادیم همگی تا 0.15درصد وانادیم دارند. مقدار انرژی ضربه خوبشان ، آنها را برای قالبهای چکش و اینسرتی ها مناسب کرده است.

برخی از فولادهای پرکربن پر کروم (فولادهای Wartle) مقداری وانادیم نیز دارند که مقاومت سایشی آنها را افزوده و دمای درشت شدن دانه ها را تا 1030 C  بالا می برد.نوعـــــــــــی از این فولاد، 0.75-1.0% V,12-14 % Cr,2%C بوده و نوع دیگر 0.6-1.0 %  کبالت دارد.فولاد گرم کار تنگستن دار عموما 0.3-0.6  درصد وانادیم دارد که استحکام گرم و مقاومت سایشی را می افزاید.فولاد قالب دیگر ، فولاد 7-7-1  ، فولاد تنگستن-کروم-سیلیس می باشد که دارای 0.3-0.6 % V می باشد و اندازه دانه را اصلاح می کند.فولاد تنگستن-کروم-وانادیم18-4-1 شامل 0.6-1.2 درصد وانادیم است.فولادهــــایی همچون 6-6-2 (فولادهای تنگستن-مولیبدن-وانادیم) تولید می شوند و فولادهای تندبر Mo-W دارای 4%  وانادیم هستند.درصد کربن این فولادها معمولا با افزایش درصد وانادیم بیشتر می شود ودر نهایت در یک مقدار مشخصی از کربن و وانادیم مقدار سختی کاهش می یابد.از اینرو اکثر فولادهای با وانادیم زیاد دارای کربن پایین می باشند ودرصد قابل توجهی فریت دارند و در واقع با افزایش درصد وانادیم فورج آنها مثل فولادهای کربنی انجام خواهد شد.در کربن 0.7 % متداول است که درصد وانادیم 1.0% باشد و البته برای رسیدن به ترکیبی از فورج پذیری و قابلیت برشکاری ، بهتر است به ازای افزایش 1% وانادیم ،0.2%  کربن زیادتر شود.وانادیم هم چنین می تواند جایگزین تنگستن در فولادهای تندبر شود و مثل آن فریت زای قوی است.عموما اخیرا درصد تنگستن از 14% کمتر بوده ولی درصد وانادیم برابر 2%  و بالاتر می تواند باشد.نوعی از این فولاد 4.5%V,4%Cr,14% W خواص برشکاری بسیار خوبی داشته و در مته ها بکار می رود.

وانادیم در فولادهای مارتنزیتی مقاوم به خزش نیز کاربرد دارد.کاربید نقش اصلی در مکانیسم رسوب سازی ایفاء می کند . نظیـــــــر فولادهای با ترکیب زیر:

0.1%C,11% Cr,0.75% Mo,0.4% Nb,0.15-0.25 %V.

 وانادیم در چدن کاربید زای بسیاز قوی بوده و از گرافیت زایی جلوگیری می کند و پرلیت را پایدار می سازد. وانادیم خصوصا در مقاطع نازک نقش مبرد chiller  را بازی می کند.

افزودن 0.10-0.50 % V به چدن سمنتیت را پایدار کرده ، توزیع ورق های گرافیت را یکنواخت و اصلاح می کند،اندازه دانه زمینه را بهبود می دهد و ساختار های سوربیتی را ارتقاء می دهد.لاینر های موتورهای دیــــزل که از چدن ساخته می شود دارای 0.1-0.2 % V هستند تا سختی و استحکام و مقاومت سایشی را افزایش دهد.برای بهبود قابلیت ماشینکاری چدن های پرآلیاژی ممکن است تا 0.12 % وانادیم نیز اضافه شود.

از آنجاییکه وانادیم کاربید زا بوده و در حضور مولیبدن مناطق حاوی کاربیدهای کمپلکس را تشکیل می دهد و در نتیجه زمینه را از مولیبدن خالی می کند و بر ساختار سوزنی تاثیر منفی دارد، فلذا در ترکیب چدن های سوزنی عنصر نامطلوبی محسوب می شود.Vantit چدن خام وانادیم-تیتانیوم بوده و حاوی 4% C,0.3-0.5 % Ti , 0.5-0.7 % V  می باشد.