Vanadium
Vanadium is meer dan alleen maar een legeringelement. Vanadium is bij vele technici bekend als een legeringelement in gereedschapsstaal. De oplettende 'sleutelaar' zal ongetwijfeld op zijn steeksleutels de term 'chroom-vanadium' gelezen hebben. Dit komt omdat een weinig vanadium (0,01-0,1 %) voldoende is om de taaiheid van staal aanmerkelijk te vergroten en om de overgangstemperatuur die tot verbrossing leidt aanzienlijk te verlagen. Niet velen hebben stilgestaan bij het feit dat vanadium als legeringselement ook een op zichzelf staand metaal kan zijn met zijn eigen specifieke eigenschappen en toepassingen.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Vanadium is ruimschoots in de aardkorst aanwezig in allerlei gebonden vormen. Het wordt nooit puur gevonden, doch veelal als vanadiumpentoxide (V2O5) dat door middel van een metaalreductie vrijgemaakt wordt van zuurstof. Vanadiumpentoxide wordt veelal als bijproduct verkregen tijdens de winning van bijvoorbeeld titaanmagnetiet en uraniumertsen. In tabell is de relatieve aanwezigheid weergegeven van vanadium en andere metalen in de aardkorst. Hieruit blijkt dat vanadium in ruime mate is vertegenwoordigd, zodat we niet kunnen spreken van een zeldzaam voorkomend metaal. Alhoewel de aanwezigheid van vanadium zich geheel niet kan meten met de ruime aanwezigheid van aluminium, ijzer en magnesium, is het toch opmerkelijk dat het in veel grotere mate voorkomt dan de bekende elementen nikkel, titaan en chroom.
Een gieteling van vanadium van 350 mm diameter. Gewichten tot 1600 kg zijn mogelijk.
Commercieel is de productie van vanadium pas in opgang gekomen in het begin van de jaren zestig, omdat het werd onderzocht op de bruikbaarheid als constructiemetaal in kweekreactoren. Voor dit doel zijn toen in de USA geringe hoeveelheden vanadium geproduceerd. Aan het eind van de jaren zeventig werden er al gietelingen van 200 tot 350 kgfstuk geproduceerd ten behoeve van allerlei halffabrikaten. Recentelijk werden gietelingen geproduceerd van circa 2000 kg die een diameter hebben van maar liefst 400 mm. Dit getuigt toch van een relatief snelle commerciële ontwikkeling in Amerika, die nauwelijks of niet in Nederland nagevolgd is. De combinatie van zeer aantrekkelijke eigenschappen hebben het gebruik van dit metaal tot een behoorlijk succes gemaakt. De hoofdkenmerken zijn:
- relatief laag soortelijk gewicht (6,1);
- lage neutronenvangst;
- relatief hoge sterkte bij verhoogde temperaturen;
- goede verwerkbaarheid;
- lage verbrossingsnelheid door neutronen;
- voldoende aanwezigheid als delfstof;
- hoge corrosiebestendigheid;
- zeer hoge geleidbaarheid;
- goede vervormbaarheid bij lage temperatuur.
Tabel 1 Aanwezigheid van vanadium en andere metalen in de aardkorst (bron: CRC Handhook 61 st Edition West) .
Productie
Teneinde vanadium vrij te krijgen uit zijn sterke oxideverbindingen, wordt er veelal gebruikgemaakt van een thermische reductie met behulp van het metaal aluminium. Deze reactie kan als volgt worden voorgesteld:
10Al + 3V2O5V → 6V + 5AI2O3. Op deze wijze bereidt men het metaal vanadium, echter met die opmerking dat het de bedoeling is dat er ook een weinig aluminium als legeringelement aanwezig blijft, waardoor de rekgrens aanzienlijk toeneemt. Ook zal dit aluminium weer gedeeltelijk verdwijnen doordat het zich laat binden aan zuurstof tijdens het smelten met behulp van een elektronenbundeL Dit feit is uiterst welkom, want op deze wijze voorkomt men dat het vanadium gaat reageren met zuurstof tijdens dat smeltproces. Andere elementen die als zuurstofverwijderaars functioneren zijn koolstof, yttrium en silicium. Het thermisch reductieproces moet in vacuüm plaatsvinden, teneinde stikstofopname te voorkomen. Stikstofopname veroorzaakt verlaging van de ductiliteit en de verwerkbaarheid van het vanadium. Na dit reductieproces volgt het smelten met een elektronenstraaL Deze smeltmethode is nog steeds de beste manier om hittebestendige metalen, zoals tantaal, niobium en vanadium, te smelten. De hoge smelttemperaturen met de relatief lage dampdrukken opent de mogelijkheid om dergelijke metalen te zuiveren van verontreinigingen, die in het algemeen hogere dampdrukken hebben.
Vanadium wordt gezuiverd m.b.v. elektronenstraalsmelten.
Tabel 2 Chemische samenstelling van commercieel vanadium.
Tabel 3 Eigenschappen van vanadium.
Wel blijkt in de praktijk dat metalen zoals tantaal en niobium zich beter op deze wijze laten zuiveren dan vanadium, omdat dit laatstgenoemde element een lager smeltpunt heeft en een hogere dampdruk. Toch is het ondanks dit nadeel mogelijk een zuiverheidgraad te bereiken van minimaal 99,9%, door de gieteling meerdere keren te smelten. De chemische samenstelling van vanadium van de huidige commerciële vanadiumkwaliteiten is weergegeven in tabel 2. De ppm-waarden (deeltjes per miljoen eenheden) zijn gebaseerd op het gewicht van de aanwezige elementen. Vanadium is commercieel verkrijgbaar in folie, plaat, staven, gietelingen en draad. Ook kunnen op speciale bestelling buizen worden vervaardigd. Legeringen. Enige recentelijk ontwikkelde vanadiumlegeringen zijn weergegeven in tabel4. Het betreffen voornamelijk legeringen met titaan en chroom. Het zal duidelijk zijn dat ook hier verontreinigingen aanwezig zijn, zoals zuurstof, stikstof, koolstof, silicium, waterstof, zwavel, ijzer en aluminium. De aanwezigheid van dergelijke verontreinigingen loopt van circa 10 tot 1200 ppm. Om een indruk te krijgen hoe deze materialen zich gedragen bij kamer- en verhoogde temperatuur, wordt verwezen naar tabelS. Opmerkelijk is dus dat deze mechanische eigenschappen door de aanwezigheid van de legeringelementen enorm wordt beïnvloed. Ook zijn er op de markt speciale voorlegeringen verkrijgbaar die het legeren van bepaalde ijzer- en aluminiumlegeringen moeten vergemakkelijken. We kunnen hierbij denken aan FeV-(ferro-vanadium) en VAl-(vanadiumaluminium) legeringen.
Tabel 4 Enige vanadiumlegeringen.
Tabel 5 Mechanische eigenschappen van diverse vanadium legeringen bij verschillende temperaturen.
Bewerken
Tijdens het bewerken dient men snijdgereedschappen van sneldraaistaal of hardmetaal te gebruiken met een gecontroleerde vloeistofkoeling die moet voorkomen dat het metaal gaat vreten. In tabel 6 staan enkele grootheden vermeld die men moet aanhouden tijdens het bewerken c.q. draaien van vanadium. Vanadium heeft zeer goede koudvervormingseigenschappen en kan daarom prima gesmeed, gewalst of gestuikt worden bij kamertemperatuur. Gloeien is pas nodig nadat de koudvervorming circa 80 - 85% heeft bedragen. Het gloeien, dat in vacuüm dient te geschieden (<0,0133 Pa), gebeurt bij een temperatuur van 'Care MSC'-conductor met een vanadium diffusiewand. 900°C gedurende 1,5 uur. Dit gloeien bewerkt een complete rekristallisatie van de koud gedeformeerde structuur. Vanadium is bijzonder geschikt om diep te trekken en neigt een weinig tot het terugspringeffect. Vanadium kan niet worden geanodiseerd, zoals de meeste andere reactieve metalen. De oxidefilm (V2O5) smelt bij 675°C en daarom moet vanadium onder deze temperatuur worden bewerkt. Indien men toch bij hogere temperaturen wil bewerken, dan moet men het metaal beschermen tegen ongewenste oxidatie. Vanadium reageert zeer heftig met gassen zoals stikstof, zuurstof en waterstof. Het zal duidelijk zijn dat deze gassen dus niet in de buurt mogen komen bij het te lassen onderdeel. De meestgebruikte lasmethoden zijn TIG- en plasmalassen, die plaatsvinden onder het gebruik van een inert gas, zoals argon of helium. Dit inerte gas moet aan beide zijden van het te lassen object overvloedig aanwezig zijn. Vanadium kan ook prima worden gelast aan metalen zoals titaan, zirkoon en chroom. Ook blijkt dat het zelfs onder bepaalde condities goed te lassen is aan austenitische en ferritische roestvast staalsoorten. Indien men vanadium aan koolstofstaal wil lassen dient er in de lastoorts gelijktijdig chroom te worden toegevoegd.
Tabel 6 Aanbevolen bewerkingsparameters voor het bewerken van vanadium.
'Care MSC'-conductor met een vanadium diffusiewand.
Conclusie
Vanadium is een van de reactieve metalen die zich dankzij een taaie, hechte en natuurlijke oxidehuid uiterst passief gedraagt in zeer veel reagentia. De specifieke eigenschappen maken het metaal geschikt om technisch zuiver of gelegeerd te gaan gebruiken voor toepassingen die thans nog te vinden zijn in kernfusiereactoren, supergeleidingunits, medische diagnosteerapparatuur, lucht- en ruimtevaart e.d. Vanadium is veellichter dan vele andere reactieve metalen. Deze eigenschap maakt vanadium en vanadiumlegeringen zo aantrekkelijk voor toepassingen waarbij de gewicht/sterkteverhouding relevant is. Vooral voor de lucht- en ruimtevaart is dit bijzonder van belang. Gebleken is dat de gewicht/sterkteverhouding van vanadium voor deze industrie het meest gunstigst is van alle andere reactieve metalen. Vanadium is in Nederland nog maar uiterst spaarzaam toegepast. Wellicht zal de toekomst van dit metaal ook in ons land er anders uit gaan zien, omdat de unieke eigenschappen dit rechtvaardigen.
Verantwoording
Dank is verschuldigd aan Teledyne Wah Chang Albany
USA, die voor relevante informatie heeft gezorgd.