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鉄鋼業におけるバナジウムの用途
Oct 07,2022
バナジウムを鋼に添加すると、材料の強度、靭性、柔軟性、硬度、耐摩耗性が向上するため、バナジウムはさまざまな産業で使用されており、その消費量の3分の1を占める冶金部門で使用されています。バナジウムは現在、高炭素低合金鋼、高強度リブ付き鋼、軸受鋼、ばね鋼、金型鋼、マルテンサイト耐熱鋼、ハイス鋼など、さまざまな鋼において重要な合金元素として使用されています。
バナジウム鋼の用途
バナジウム ハイス鋼合金の重要な構成要素です。これは、タングステンを含むハイス鋼における結晶粒成長の抑制、赤色硬度の向上、切削能力の向上、耐摩耗性の向上、および耐用年数の向上に寄与します。ほとんどすべての種類の合金金型鋼（熱間加工工具鋼、冷間加工工具鋼、プラスチック金型鋼を含む）には、1〜3％のバナジウムが含まれています。ただし、用途が厳しいものには、最大5％が必要になる場合があります。バナジウムは、冷間金型鋼と熱間金型鋼の硬化に使用されます。
外科用器械や工具、さまざまな切削工具（ドリル、フライス、タップ、工具ビット、鋸刃、ギヤカッター、プレーナー、ルータービットなど）は、HSSの高硬度（最大60HRC）鋼製品の多くの用途の1つです。
バナジウム鋼が見られる場所の例としては、車軸、クランクシャフト、自転車フレーム、ギア、その他の機械部品などがあります。バナジウム合金鋼のカテゴリは、2つのサブカテゴリに分類できます。バナジウムリッチ高炭素鋼合金とハイス鋼です。ハイス鋼は60HRCを超える硬度まで硬化させることができます。たとえば、外科手術で使用される器械や工具は、通常、ハイス鋼で作られています。
これらの合金鋼に豊富に含まれるバナジウム炭化物は、耐摩耗性を大幅に向上させます。合金鋼のバナジウム濃度は最大18％に達することがあります。バナジウム合金鋼は、工具やナイフの製造にも使用されることがあります。さらに、バナジウムは特殊工具鋼に使用され、堅牢で耐摩耗性に優れたバナジウム炭化物を生成します。
バナジウム元素は、工具鋼の耐久性を向上させるために広く使用されています。その結果、バナジウム合金を含むいくつかの工具鋼板が市販されています。これらの鋼では、摩耗しにくくするバナジウムリッチ炭化物が、残留溶融物が凝固する際に形成されるか、別々に形成されます。
バナジウムは、熱処理鋼の結晶粒を微細化し、焼き戻し抵抗を向上させる能力が大きな利点です。焼き戻しによって高強度と高硬度を得ることができ、微細化された結晶粒は、材料を熱の影響に対してより耐性のあるものにすることで、このプロセスに貢献します。これらの鋼のバナジウム濃度は0.03％〜0.30％です。
バナジウムの析出強化特性は、圧延材および鍛造材、OCTG、発電および送電鋼に使用されています。これらの鋼のバナジウム濃度は平均0.03％〜0.10％ですが、それより高くなることもあります。
自動車用鋼では、バナジウムは部品の最終的な構造に応じてさまざまな方法で使用されます。
バナジウムと高強度低合金鋼
長年にわたり、高強度低合金（HSLA）構造鋼は、合金元素としてバナジウムを使用してきました。バナジウムは、最初に使用された微量合金元素でした（アルミニウムを除く）。
バナジウムは、アルミニウム、チタン、ニオブなどの他の微量合金元素と組み合わせて、窒化物と炭化物を析出させることで、構造鋼の強度を高めます。
HSLA鋼の結晶粒を微細化すると、低温靭性が向上するという追加の利点があります。アルミニウム添加の場合に見られるように、バナジウム析出物と他の微量合金元素析出物は、鋼への影響を相互に強化することができます。
これらの2つの微量合金の析出物は、バナジウムニオブ鋼板など、他の状況で材料の構造と特性を改質するために使用されます。たとえば、ニオブ炭化物は、微細な結晶粒サイズを実現することを可能にし、バナジウム炭窒化物は析出強化に役立ちます。
バナジウム含有HSLA鋼における析出強化と結晶粒サイズは、靭性と強度の両方に影響を与えます。結晶粒サイズはバナジウムと窒素の含有量と線形関係にあり、幅広い最終圧延温度範囲で非常に安定しています。析出強化により、窒素とバナジウムのレベルを高めることで、引張強度と降伏強度が向上します。これは一般的に炭素含有量の高い鋼に対して正確であり、靭性は温度と冷却速度を変えることで変更できます。
HSLA鋼の強度を高めるには、フェライト成分の結晶粒サイズを小さくすることができます。さらに、バナジウムと窒素の比率を4：1以上に維持すれば、窒素濃度が高いバナジウム含有鋼でも、窒素による時効硬化は見られません。
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