ונדיום: היסטוריה, תכונות ושימושים בפלדות
ונדיום, יסוד עם מספר אטומי 23 ומשקל אטומי 50,942, הוא אחד מיסודות הסגסוגת החשובים ביותר במטלורגיה הודות ליכולתו לשפר את התכונות המכניות והתרמיות של פלדה. גילויו ופיתוח יישומים טכנולוגיים הם היסטוריה של התקדמות מדעית ותעשייתית שהחלה בשנת 1801, כאשר המינרלוג הספרדי אנדראס מנואל דל ריו , בעת שחקר עפרות עופרת, זיהה לראשונה את היסוד החדש. בתחילה הוא כינה אותו "אריתרוניום" על סמך הצבע האדום האופייני של תרכובותיו, אך טעות בזיהוי הובילה אותו לחזור בו ממסקנותיו.
בשנת 1830, הכימאי השוודי נילס גבריאל ספסטרום גילה מחדש את היסוד בעפרות ברזל, ונתן לו את השם ונדיום על שם אלת היופי הסקנדינבית, ונדיס . השימוש התעשייתי בוונדיום לא החל בקנה מידה גדול יותר עד סוף המאה ה-19, כאשר יכולתו לשפר את חוזק הפלדה נצפתה ונוצלה במפעל שניידר הצרפתי בלה קרוסו.
בשנת 1905, בעקבות גילוי מרבצים גדולים יותר של ונדיום בפרו, החלה ייצורו לעלות, מה שאפשר את השימוש בו בפלדות שריון ובפלדות מיוחדות. יישומי הונדיום המשיכו להתרחב, במיוחד בפלדות מהירות, פלדות קפיץ, פלדות כלים, פלדות מבניות ופלדות עמידות בחום.
תכונות פיזיקליות וכימיות של ונדיום
ונדיום הוא מתכת מעבר בעלת תכונות ייחודיות שהופכות אותו ליקר ערך רב במדע החומרים. יש לו נקודת התכה גבוהה של 1910 מעלות צלזיוס ונקודת רתיחה של 3407 מעלות צלזיוס, מה שמאפשר שימוש בו בסביבות טמפרטורה גבוהה. צפיפותו, 6,07 גרם/סמ"ק, נמוכה יחסית בהשוואה למתכות סגסוגת אחרות, מה שהופך פלדות סגסוגת ונדיום לקלילות וחזקות כאחד. ונדיום טהור עמיד בפני אלקליות ורוב החומרים המאכלים, מה שהופך אותו לאטרקטיבי גם עבור יישומים כימיים. יתר על כן, הוא גמיש, קל לעיבוד, וקל לריתוך באטמוספרת ארגון.
ונדיום - תכונות פיזיקוכימיות
| פרמטר | נתונים ישנים יותר (אנציקלופדיה) | נתונים עכשוויים (IUPAC / CRC 2023) |
| סמל כימי | V | V |
| מספר אטומי Z | 23 | 23 |
| מסה אטומית [u] | 50,942 | 50,9415 |
| קבוצה בטבלה המחזורית | 5 (מתכות מעבר) | 5 (מתכות מעבר) |
| תצורת אלקטרונים | [Ar] 3d³ 4s² | [Ar] 3d³ 4s² |
| צפיפות (20 מעלות צלזיוס) [גרם/סמ"ק] | 6,07 | 6,11 |
| נקודת התכה [°C] | 1730 ° C | 1910 ° C |
| נקודת רתיחה [°C] | 3000 ° C | 3407 ° C |
| קשיות (מוהס) | ~6-7 | ~6-7 |
| צבע ומראה | אפור פלדה, גמיש, גמיש | אפור פלדה, גמיש, גמיש |
| מודול יאנג (E) [GPa] | אין מידע | ~ 128 |
| מודול גזירה (G) [GPa] | אין מידע | ~ 47 |
| מודול נפח (K) [GPa] | אין מידע | ~ 160 |
| מוליכות חשמלית [MS/m] | אין מידע | ~5,0 (27% מכלל המערכות הניהוליות הממשלתיות) |
| מוליכות תרמית [W m⁻¹ K⁻¹] | אין מידע | ~ 30,7 |
| חום סגולי cp [J kg⁻¹ K⁻¹] | אין מידע | 489 |
| אנתלפיה של איחוי [kJ/mol] | אין מידע | ~ 22,8 |
| אנתלפיה של אידוי [kJ/mol] | אין מידע | ~ 444 |
| אלקטרונגטיביות (פאולינג) | ~ 1,63 | 1,63 |
| פוטנציאל סטנדרטי (V³⁺/V) | אין מידע | -1,18V |
| איזוטופים יציבים | ⁵¹V (99,75%) | ⁵¹V (99,75%) |
מסיסות של ונדיום בברזל
ונדיום מציג מסיסות משתנה בהתאם לפאזה של הברזל ולטמפרטורה. בברזל-γ (אוסטניט), מסיסותו של ונדיום היא כ-1%, אך בנוכחות 0,2% פחמן, היא עולה ל-4%. בברזל-α (פריט), ונדיום בעל מסיסות כמעט בלתי מוגבלת בטמפרטורות גבוהות. תכונות אלו מאפשרות שימוש יעיל בוונדיום במגוון רחב של הרכבי סגסוגות פלדה.
השפעת הונדיום על תכונות הפלדה
ונדיום הוא אחד מתוספי הסגסוגת היעילים ביותר, המשפר משמעותית את התכונות המכניות והתרמיות של פלדה.
- חוזק וקשיחות מוגברים
ונדיום יוצר קרבידים VC קשים במיוחד, אשר מגבירים את עמידות הפלדה בפני שחיקה ובלאי. תכונות אלו הופכות פלדות ונדיום למתאימות לשימוש בכלים בעלי דרישות חוזק גבוהות. - גמישות ועמידות בפני עייפות
תוספת הונדיום מגבירה את גמישות הפלדה, דבר שחשוב במיוחד בפלדות קפיץ המשמשות במתלים לרכב ובמכונות תעשייתיות. - עמידות לזחילה
בפלדות עמידות בחום, ונדיום משפר את היציבות המיקרו-מבנית ואת עמידות הזחילה בטמפרטורות גבוהות, במיוחד בשילוב עם מוליבדן, ניוביום וכרום. - השפעה על המיקרו-מבנה
ונדיום מעכב את צמיחת הגרעינים במהלך טיפול בחום, וכתוצאה מכך נוצר מבנה גרגירי עדין בפלדה. מיקרו-מבנה זה מגביר את חוזק המתיחה וההומוגניות של החומר. - עמידות בפני הרפיה
בפלדות מהירות גבוהה, ונדיום משפר את היכולת לשמור על קשיות בטמפרטורות הפעלה גבוהות, דבר חיוני לכלי חיתוך.
השימוש בוונדיום בפלדות
ונדיום משמש בסוגים רבים של פלדה המשמשים בתעשיות הרכב, התעופה והחלל, האנרגיה והמכונות.
- פלדות מהירות גבוהה (HSS)
ונדיום בפלדות מהירות גבוהה (בדרך כלל 1-5%) יוצר קרבידים קשים המשפרים את עמידות השחיקה והבלאי. דוגמאות:- 1.3355, SW18, HSS T1 – פלדה קלאסית, המשמשת במקדחות ובכרסומים.
- 1.3343, רוחב 7 מטר, HSS M2 – פלדה עם עמידות מוגברת בפני שחיקה ועמידות.
- HSS M42 – פלדה עם תוספת ונדיום וקובלט, המשמשת בכלי חיתוך בעלי ביצועים גבוהים.
- פלדות קפיץ
תוספת ונדיום לפלדות קפיץ כגון 50CrV4, משפר את גמישותם, עמידותם לעייפות ועמידותם בפני עיוות. - פלדות כלים
ונדיום מספק קשיות ועמידות בפני שחיקה לפלדות כלים כגון 31CrV3, המשמש במתות ובכלי עבודה חמים. - פלדות מבניות
ונדיום מגביר את חוזקן של פלדות מבניות כגון 42CrV4אשר משמשים ברכיבי מכונות וכלי רכב. - פלדות עמידות בחום וזחילה
בפלדות עמידות בחום, ונדיום פועל בסינרגיה עם מוליבדן וכרום כדי להגביר את עמידות הזחילה והיציבות בטמפרטורות גבוהות. דוגמאות:- X12CrMoWVNbN10-1-1 (P92) – פלדה המשמשת בדוודים ובטורבינות.
- T91/P91 – פלדה פריטית עמידה בחום המשמשת בתעשיית האנרגיה.
דוגמאות לפלדה עם ונדיום
- 50CrV4 – פלדת קפיץ, עמידה בפני עייפות.
- 31CrV3 – פלדת כלים בעלת עמידות גבוהה בפני שחיקה.
- 42CrV4 – פלדת מבנה בעלת חוזק גבוה.
- HSS M42 – פלדה מהירה עם יעילות עיבוד גבוהה.
- P92 – פלדה עמידה בחום לטורבינות ודוודי ייצור.
סיכויים לוונדיום במטלורגיה
ונדיום, כסגסוגת, צובר חשיבות הודות לטכנולוגיות מתפתחות בתעשיות התעופה והחלל, הרכב והאנרגיה. תכונותיו המכניות והתרמיות הייחודיות הופכות אותו לחיוני בפלדות איכותיות. בעתיד, מחקר נוסף על סגסוגות ונדיום עשוי להוביל ליצירת חומרים מתקדמים אף יותר שיענו על הדרישות הגוברות של התעשייה המודרנית.
בַּרזֶל פֶּחָם Chrom ניקיאל ונדיום מנגן סִילִיקוֹן מוליבדן וולפרם נְחוֹשֶׁת טִיטָן אֲלוּמִינְיוּם קובלט ניוביום זרחן גוֹפרִית חַמצָן חנקן מגנזיום אָבָץ חיים