鈮的簡要介紹

1、鈮的簡要介紹第一節(jié)鈮的基本知識1.1元素簡介鈮是一種化學元素?；瘜W符號Nb,原子序數(shù)41,原子量92.90638 ,屬第5周期第5V B族o 1801年英國C.哈切特從鈮鐵礦中分離出一種 新元素的氧化物，并命名該元素為 niobium (中譯名鈳)。鈮是一種 銀灰色、具有順磁性，質地較軟且具有延展性的稀有高熔點金屬。高純度鈮金屬的延展性較高，但會隨雜質含量的增加而變硬。常溫下， 鈮在地殼中的含量為20 ppm,鈮資源分布也相對集中。由于鈮具有 良好的超導性、熔點高、耐腐蝕、耐磨等特點，被廣泛應用到鋼鐵、 超導材料、航空航天、原子能等領域。兀素符號：Nb兀素央文名稱： niobium兀素類型：金

2、屬兀素原子體積：10.87 (立方厘米/摩爾)兀素在太陽中的含0.004(ppm)兀素在海水中的含量：0.0000009 (ppm)地殼中含量：20 (ppm)相對原子質量：92.90638原子序數(shù)：41所屬周期：5所屬族數(shù)：VB電子層排布：2-8-18-11-2晶體結構：晶胞為體心立方晶晶胞參數(shù)：a = 330.04 pm, b =330.04 pm胞，每個晶胞含有2個金屬原c=330.04 pm, a =90°, 3 =90°, 丫 =90°子。氧化態(tài)：Nb莫氏硬度：6(+5,-3,-1,+1,+2,+3+4)聲音在鈮中的傳播速率：3480電離能（kJ /mo

3、l）M - M+ 664 , M+ - M2+ 1382，M2+ - M3+ 2416，M3+ - M4+ 3695，M4+ - M5+（m/s）4877 M5+ - M6+ 9899 ，M6+ - M7+ 121001.2物理性質鈮是灰白色金屬，熔點 2468C,沸點4742C，密度8.57克/立 方厘米。鈮是一種帶光澤的灰色金屬，具有順磁性，屬于元素周期表 上的5族。高純度鈮金屬的延展性較高，但會隨雜質含量的增加而變 硬。它的最外電子層排布和其他的5族元素非常不同。同樣的現(xiàn)象也 出現(xiàn)在前后的釘（44）、銠（45）和鈀（46）元素上。鈮在低溫狀態(tài)下會呈現(xiàn)超導體性質。 在標準大氣壓力下，它的臨

4、 界溫度為9.2K，是所有單質超導體中最高的。其磁穿透深度也是所 有元素中最高的。鈮是三種單質第II類超導體之一，其他兩種分別 為釩和锝。鈮金屬的純度會大大影響其超導性質。鈮對于熱中子的捕獲截面很低，因此在核工業(yè)上有相當?shù)挠锰帯?.3化學性質鈮金屬室溫下在空氣中是極其穩(wěn)定的， 不與空氣作用。雖然它在 單質狀態(tài)下的熔點較高（2468° C），但其密度卻比其他難熔金屬低。 鈮還能抵御各種侵蝕，并能形成介電氧化層。室溫下鈮在空氣中穩(wěn)定，在氧氣中紅熱時也不被完全氧化，高溫 下與硫、氮、碳直接化合，能與鈦、鋯、鉿、鎢形成合金。不與無機 酸或堿作用，也不溶于王水，但可溶于氫氟酸。鈮的氧化態(tài)為-1

5、、+ 2、 +3、+4和+5，其中以+5價化合物最穩(wěn)定。鈮的電正性比位于其左邊的鋯元素低。其原子大小和位于其下方的鉭元素原子幾乎相同，這是鑭系收縮效應所造成的。這使得鈮的化 學性質與鉭非常相近。雖然它的抗腐蝕性沒有鉭這么高，但是它價格 更低，也更為常見，所以在要求較低的情況下常用以代替鉭， 例如作 化工廠化學物槽內涂層物料。1.4鈮的制取金屬鈮可用電解熔融的七氟鈮酸鉀制取，也可用金屬鈉還原七氟 鈮酸鉀或金屬鋁還原五氧化二鈮制取。純鈮在電子管中用于除去殘留 氣體，鋼中摻鈮能提高鋼在高溫時的抗氧化性，改善鋼的焊接性能。 鈮還用于制造高溫金屬陶瓷。1.5化合物鈮在很多方面都與鉭及鋯十分相似。它會在室

6、溫下與氟反應，在 200°C下與氯和氫反應，以及在400°C下與氮反應，產物一般都是 間隙非整比化合物。鈮金屬在 200°C下會在空氣中氧化，且能抵御 熔融堿和各種酸的侵蝕，包括王水、氫氯酸、硫酸、硝酸和磷酸等。 不過氫氟酸以及氫氟酸和硝酸的混合物則可以侵蝕鈮。鹵化物鈮可以形成擁有+5和+4氧化態(tài)的鹵化物，以及各種亞化學計量 化合物。五鹵化鈮（NbX5含有八面體型鈮中心原子。五氟化鈮（NbF5 是一種白色固體，熔點為79.0 ° C,而五氯化鈮（NbCl5則呈黃色）， 熔點為203.4 ° C兩者均可經水解形成氧化物和鹵氧化物，例如 NbOCl

7、3五氯化鈮也是一種具揮發(fā)性的試劑，可用于合成包括二氯二 茂鈮（C5H5）2NbCI2）在內的各種有機金屬化合物。鈮的四鹵化物（NbX4都是深色的聚合物，內含鈮-鈮鍵，如呈黑色、具吸濕性的 四氟化鈮（NbF4）和棕色的四氯化鈮（NbC4）。鈮的鹵化物負離子也存在，這是因為鈮的五鹵化物都是路易斯 酸。最重要的一種為NbF7，它是鈮和鉭的礦物分離過程中的一個中 間化合物。它比對應的鉭化合物更易轉換為氧五氟化物。氮化物及碳化物氮化鈮（NbN在低溫下會變成超導體，被用在紅外線探測器中。 最主要的碳化鈮是NbC其硬度極高，是一種耐火的陶瓷材料，可用 作切割工具刀頭材料。1.6分布根據(jù)估算，鈮在地球地殼中的

8、豐度為百萬分之20，在所有元素中排列第33位。部分科學家認為，鈮在整個地球中的含量更高，但 因密度高而主要聚集在地核中。鈮在自然界中不以純態(tài)出現(xiàn)，而是和 其他元素結合形成礦物。這些礦物一般也含有鉭元素，例如鈳鐵礦（即 鈮鐵礦，（Fe,Mn）（Nb,Ta）2O6 ）和鈳鉭鐵礦（Fe,Mn）（Ta,Nb）2O6 ）。 含鈮、鉭的礦物通常是偉晶巖和堿性侵入巖中的副礦物。其他礦物還有鈣、鈾和釷以及稀土元素的鈮酸鹽， 例如燒綠石和黑稀金礦等。這 些大型鈮礦藏出現(xiàn)在碳酸鹽巖（一種碳酸鹽、硅酸鹽火成巖）附近， 亦是燒綠石的組成成份。巴西和加拿大擁有最大的燒綠石礦藏。 兩國 在1950年代發(fā)現(xiàn)這些礦藏，至今仍

9、是鈮精礦的最大產國。世界最大 礦藏位于巴西米納斯吉拉斯州阿拉沙的一處碳酸鹽侵入巖地帶，屬于CBMM巴西礦物冶金公司）；另一礦藏位于戈亞斯，屬于英美資源， 同樣是碳酸鹽侵入巖。以上兩個礦場的產量占世界總產量的75%第三大礦場位于加拿大魁北克省薩格奈附近，產量占世界7%第二節(jié)課題涉及名詞解釋2.1微合金化微合金化技術是近20年來出現(xiàn)的一種新型冶金技術，它是在鋼 中加人極少量微合金元素，利用這些微合金化元素的強化作用，加之 之以高純潔度冶煉工藝、無缺陷連鑄坯生產技術、控冷控軋手段，在 盡可能少加或不加貴重合金元素（主要指Cr, Ni, Mo）的條件下，使 鋼在熱軋狀態(tài)即可獲得高強度、高韌性、高可焊接

10、性和良好的成型性 能，該技術具有很高的經濟效益和推廣價值。常用的微合金化元素主要有 Nb, V, Ti,B，它們在鋼中的加人量 一般在0.1%左右（B為0.001%左右）。這些元素可以固溶于鋼中，造 成晶格的點陣畸變，從而起到固溶強化作用。但由于這些元素的加人 量極少，因而鋼材性能的提高主要不是依靠合金元素的固溶強化作 用，而主要是由于Nb,V,Ti可以和C,N形成碳化物和氮化物從而引起 晶粒細化和析出強化，這是這些微合金化元素強烈影響性能的原因所 在。2.2鈮微合金化的作用Nb的作用：在超低碳貝氏體鋼（ULCB的整個發(fā)展過程中，微 量Nb起著獨特的作用。這類鋼中 C含量已經降到0.05%,又

11、不加入 較多合金元素，因此強化主要靠位錯強化，析出強化特別是組織強化。 近年來的研究表明，微量 Nb在超低碳貝氏體鋼（ULCB中的作用， 主要體現(xiàn)在以下兩個方面。1）微量Nb抑制變形再結晶行為，加劇變形奧氏體中的應變積累，大幅度提高相變前組織中的位錯密度。 超低碳貝氏體鋼（ULCB的優(yōu) 良綜合性能主要來自鋼的組織細化以及貝氏體中的高位錯密度，再實現(xiàn)這一目標，首先需要在控軋過程中，在非再結晶區(qū)軋制時引入大量 高密度畸變區(qū)，這些高密度畸變區(qū)在隨后的冷卻過程中成為相變核心，大幅度促進相變組織細化。同時，要在發(fā)生切變形型貝氏體相變 過程中，能把相當一部分變形位錯保留在貝氏體基體中，從而大幅度提高貝氏體

12、基體強度。為了達到這一點，要求鋼種有相當高的熱軋再 結晶終止溫度以及抑制冷卻時擴散型鐵素體轉變的能力，合金成分設計充分考慮了 Nb及Nb-B這方面的作用。2）微量Nb與B、Cu的復合作用加快了誘導析出，穩(wěn)定變形位錯結構。微量Nb加入貝氏體鋼中的第二個作用是，這類鋼高溫非再結 晶軋制階段會應變誘導形成極細的 Nb（C、N）析出物。這些析出物 主要析出在變形晶界及變形位錯網(wǎng)上，它們阻礙了位錯的恢復以及消 失的過程，穩(wěn)定了位錯結構，為隨后冷卻過程相變形核提供更多機會， 同時組織新相的長大，最終細化組織。實驗研究表明當Nb和B、Cu綜合加入時，它們的綜合作用會進一步促進析出過程加速，并且進一步降低冷卻

13、時的相變溫度，使最終組織進一步細化。2.3咼碳鋼高碳鋼（High Carbon Steel ）常稱工具鋼，含碳量從 0.60%至1.70%,它的特點是硬而較脆，可以淬硬和回火。錘、撬棍等由含碳 量0.75%的鋼制造；切削工具如鉆頭，絲攻，鉸刀等由含碳量0.90%至1.00%的鋼制造高碳鋼在經適當熱處理或冷拔硬化后，具有高的強度和硬度、高 的彈性極限和疲勞極限（尤其是缺口疲勞極限），切削性能尚可，但焊 接性能和冷塑性變形能力差。由于含碳量高，水淬時容易產生裂紋， 所以多采用雙液淬火（水淬+油冷），小截面零件多采用油淬。這類鋼 一般在淬火后經中溫回火或正火或在表面淬火狀態(tài)下使用。主要用于制造彈簧和

14、耐磨零件。碳素工具鋼是基本上不加入合金化元素的高碳 鋼，也是工具鋼中成本較低、冷熱加工性良好、使用范圍較廣的鋼種。 2.4高碳鋼的性能特點高碳鋼的硬度、強度主要取決于鋼中固溶的碳量， 并隨固溶碳量 的增加而提高。固溶碳量超過 0.6%時，淬火后硬度不再增加，只是 過剩的碳化物數(shù)量增多，鋼的耐磨性略有增加，而塑性、韌性和彈性 有所降低。為此，常根據(jù)使用條件和對鋼的強度、 韌性匹配來選用不 同的鋼號。例如，制造受力不大的彈簧或簧式零件， 可選擇較低碳量 的65鋼。一般高碳鋼可用電爐、平爐、氧氣轉爐生產。要求質量較 高或特殊質量時可采用電爐冶煉加真空自耗或電渣重熔。冶熔時，嚴格控制化學成分，特別是硫

15、和磷的含量。為減少偏析，提高等向性能， 鋼錠可進行高溫擴散退火（對工具鋼尤為重要）。熱加工時，過共析鋼 的停鍛（軋）溫度要求低（約800C）,鍛軋成材后應避免粗大網(wǎng)狀碳化 物的析出，在700C以下應注意緩冷，以防熱應力造成裂紋。熱處理 或熱加工過程中要防止表面脫碳（對彈簧鋼尤為重要）。熱加工時要有 足夠的壓縮比，以保證鋼的質量和使用性能。優(yōu)點：熱處理后可以得到高的硬度(HRC60 65)和較好的耐 磨性。退火狀態(tài)下硬度適中，具有較好的可切削性。原材料易得， 生產成本低。缺點：熱硬性差，當?shù)毒吖ぷ鳒囟却笥?200 C時，其硬度和 耐磨性急劇下降。淬透性低。水淬時完全淬透的直徑一般僅為 15 一

16、18mm油淬時完全淬透的最大直徑或厚度(95%馬氏體)僅為6mm左 右，并易變形開裂。2.5珠光體珠光體是由奧氏體發(fā)生共析轉變同時析出的，鐵素體與滲碳體 片層相間的組織，是鐵碳合金中最基本的五種組織之一。19世紀中葉利用光學顯微鏡在碳素鋼中觀察到珠光體，后命名為珠光體。20世紀上半葉對珠光體轉變進行了較多的研究，由于受觀察設備的限 制，理論上研究不深人。20世紀下半葉，材料學術界主要在馬氏體 和貝氏體相變中的研究較為集中，由于珠光體轉變理論的研究缺乏迫 切性，所以應用有限。組成珠光體的相有鐵素體、滲碳體、合金滲碳 體和各類合金碳化物等。由于各相的形態(tài)不同，珠光體組織形貌十分 復雜。珠光體組織有

17、片狀、細片狀、極細片狀等 ；有點狀、粒狀、球 狀、柱狀、纖維狀等;還有碳化物不規(guī)則形態(tài)的類珠光體以及所謂“相間沉淀”等多種組織形態(tài)。2.6珠光體性能珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，強韌性較好。其抗拉 強度為750900MPa 180280HBS伸長率為2025% 沖擊功為2432J。力學性能介于鐵素體與滲碳體之間，強度較高，硬度適中,塑性和韌性較好 (T b=770MPa 180HBS S =20%r35% AKU=232J)。珠光體的綜合力學性能比單獨的鐵素體或滲碳體都好。珠光體 的機械性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度、硬度適中，并不脆，這 是因為珠光體中的滲碳體量比鐵素體量少得多的緣故

18、。第三節(jié)應用舉例3.1應用總述隨著科學技術的發(fā)展，鈮的應用在不斷增加，現(xiàn)在舉例如下。超導材料具有超導性能的元素不少，鈮是其中臨界溫度最高的一種。而用 鈮制造的合金，臨界溫度高達絕對溫度十八點五到二一度，是目前最重要的超導材料。人們曾經做過這樣一個實驗：把一個冷到超導狀 態(tài)的金屬鈮環(huán)，通上電流然后再斷開電流，然后，把整套儀器封閉起 來，保持低溫。過了兩年半后，人們把儀器打開，發(fā)現(xiàn)鈮環(huán)里的電流 仍在流動，而且電流強弱跟剛通電時幾乎完全相同。 從這個實驗可以 看出，超導材料幾乎不會損失電流。如果使用超導電纜輸電，因為它 沒有電阻，電流通過時不會有能量損耗，所以輸電效率將大大提高。高溫合金世界上很大一

19、部份鈮以純金屬態(tài)或以高純度鈮鐵和鈮鎳合金的 形態(tài)，用于生產鎳、鉻和鐵基高溫合金。這些合金可用于噴射引擎、 燃氣渦輪發(fā)動機、火箭組件、渦輪增壓器和耐熱燃燒器材。鈮在高溫 合金的晶粒結構中會形成 丫 ''相態(tài)。這類合金一般含有最高 6.5%的 鈮。I neo nel 718合金是其中一種含鈮鎳基合金，各元素含量分別為： 鎳 50% 鉻 18.6%、鐵 18.5%、鈮 5% 鉬 3.1%、鈦 0.9%以及鋁 0.4%。 應用包括作為高端機體材料，如曾用于雙子座計劃。鈮基合金C-103合金是1960年代初由華昌公司和波音公司共同研發(fā)的鈮 合金。由于冷戰(zhàn)和太空競賽的緣故，杜邦、美國聯(lián)合碳

20、化物、通用電 氣等多個美國公司都在同時研發(fā)鈮基合金。 鈮和氧容易反應，所以生 產過程需在真空或惰性氣體環(huán)境下進行，這大大增加了成本和難度。 真空電弧重熔（VAR和電子束熔煉（EBM是當時最先進的生產過程， 促使了各種鈮合金的發(fā)展。1959年起，研究項目在測試了 “C系”（可 能取了舊名鈳“ Columbium”的首字母）中共256種鈮合金后，終于 制得了 C-103。這些合金都可熔化成顆粒狀或片狀。醫(yī)療應用鈮在外科醫(yī)療上也占有重要地位，它不僅可以用來制造醫(yī)療器 械，而且是很好的“生物適應性材料”。比如說吧，用鈮片可以彌補頭蓋骨的損傷，鈮絲可以用來縫合神 經和肌腱，鈮條可以代替折斷了的骨頭和關節(jié)

21、， 鈮絲制成的鈮紗或鈮 網(wǎng)，可以用來補償肌肉組織在醫(yī)院里，還會有這樣的情況：用鉭條代替人體里折斷了的骨頭 之后，經過一段時間，肌肉居然會在鈮條上生長起來， 就像在真正的 骨頭上生長一樣。鋼鐵應用在鋼的各種微合金化元素中，廢鈮是最有效的微合金化元素，鈮 的作用如此之大，以至于鐵原子中含有豐富的鈮原子， 就能達到改善 鋼性能的目的。實際上鋼中加入 0.001% 0.1%的鈮，就足以改變鋼 的力學性能。例如：當加入 0.1%的合金化元素時，提高鋼的屈服強 度依次為：鈮118MPa釩71.5MPa;鉬40MPa錳17.6MPa;鈦為零。實 際上鋼中只需加入0.03% 0.05%Nb鋼的屈服強度便可提高

22、30%以 上。而鋼的成本每噸僅增1美元。電瓷鈮酸鋰是一種電鐵性物質，在手提電話和光調變器中以及表面聲 波設備的制造上有廣泛的應用。它的晶體結構屬于ABO3型，與鉭酸鋰和鈦酸鋇相同。鈮可以代替鉭電容器中的鉭，降低成本，但鉭電容 器仍較為優(yōu)勝。3錢幣在錢幣上，鈮有時會與金和銀一起用在紀念幣上作貴重金屬。例 如，奧地利自2003年起，生產了一系列銀鈮歐羅幣，其顏色是陽極 化過程形成的氧化物表層衍射所產生的。2012年，共有十種中心顏色不同的錢幣，共包括藍、綠、棕、紫和黃。另外含有鈮的錢幣還有 2004年的奧地利賽梅林鐵路150周年紀念幣，以及2006年歐洲衛(wèi)星 導航紀念幣。2011年，加拿大皇家造幣

23、廠開始鑄造稱為“狩獵月”(Hunter's Moon )的5加元純銀和鈮幣。其中的鈮經過特殊的氧化 過程，所以沒有兩件成品是完全一樣的。3其他鈮（或摻有1%告）是高壓鈉燈電弧管的密封材料，因為鈮的熱膨脹 系數(shù)與經燒結的磯土弧光燈陶瓷材料非常相近。 這種用于鈉燈的陶瓷 可以抵御化學侵蝕，也不會與燈內的高溫鈉液體和氣體產生還原反 應。鈮也被用在電弧焊條上，用來焊接某些穩(wěn)定化不銹鋼。3.1鈮微合金化高碳鋼研究1）微合金化在中高碳鋼中的應用高碳鋼一般指碳含量在含碳量從 0.60%至 1.70%的鋼，主要用于 高強度、抗疲勞、耐磨損以及非焊接鋼結構。以及非焊接鋼結構。生 產高質量、高附加值鋼材，

24、TMCP或TSC+AN與微合金化元素Nb, V, Ti 聯(lián)合應用是必不可少的。中高碳鋼幾乎專門用于軌鋼生產，鈮的加入 鋼軌鋼可細化鋼軌鋼中的珠光體團， 使得珠光體的片層間距減小，從 而提高鋼軌鋼的耐磨性，且Nb, V的沉淀同時還能提高鐵素體片的強 度。在硬線材的生產中，含V鋼較不含V鋼在細化珠光體團和鐵素體 多變化細化晶粒以及強化鐵素體和珠光體的鐵素體片上更為優(yōu)越。而Nb在高速先線材生產中的應用較 V廣泛，包括中碳螺紋鋼筋，而固 溶Nb能有效的阻止再結晶后而阻止晶粒的長大，這對高速鋼大變形 量生產中保證晶粒不被長大的前提下提咼變形溫度大有益處。2）合金元素對珠光體相變的作用共析碳鋼的微觀組織為

25、珠光體，珠光體相變是過冷奧氏體在 A1-500C的高溫發(fā)生的分解為鐵素體和滲碳體的機械混合物的典型 的擴散型相變。隨著微合金化的普遍應用，人們將合金元素對珠光體 相變的影響也進行了研究。而合金元素對珠光體在動力學上的影響主要表現(xiàn)在形核率和晶體的長大速度。大部分合金元素都有推遲珠光體 相變的作用，其中Ni, Mn, Mo因為在很大程度上增大了過冷奧氏體 在珠光體相變區(qū)域的熱力徐穩(wěn)定性，即增大了相變的孕育期，故其作 用尤為顯著，而Si卻稍有增大過冷奧氏體穩(wěn)定性的作用，對珠光體 轉變速度的影響較小，AI對珠光體轉變動力學的影響很小，強碳化 物形成元素如 V Ti, Zr,Nb , Ta等在鋼中會形成

26、難容的碳氮化物，在低于此類碳氮化物的全固溶溫度加熱時，由于未能完全溶解，故反而會降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性。2)Nb含量對高碳鋼組織和性能的影響Nb在低碳鋼中的作用已研究的相當廣泛和深入，加入適量Nb可細化晶粒，提高晶粒粗化溫度，即可提高其在高溫區(qū)的奧氏體晶粒穩(wěn) 定性。普通低合金鋼加入微量 Nb,可提高屈服強度和沖擊韌性，降 低韌脆轉變溫度，改善其可焊性。在高碳鋼中加入微量Nb也能起到良好的效果。近年來，我國微合金化技術和含妮鋼生產取得了快速發(fā) 展，Cr-Nb軌的開發(fā)也取得了良好的效果。研究結果如下：Nb有利 于高碳鋼中鐵素體析出，隨著 Nb含量的增加其影響越明顯;Nb的加 入可使珠光體的片層變的短小、不規(guī)則。 Nb的加入使得鋼的強度 降低，韌性變好，微量的Nb就能起到明顯的作用，繼續(xù)加入效果增 長不明顯。高碳鋼中加入 Nb,可使其CCT曲線向右下方移動，但 是Nb含量的增加對珠光體轉變區(qū)的影響不大；在相同冷速條件下，含 鈮鋼珠光體片層細化。3）鈮微合金化高碳鋼的連續(xù)冷卻轉變高碳鋼線材是生產制繩用高強度鋼絲的重要原材料。國內生產的高碳鋼線材普遍存在抗拉強度低、塑韌性差、拉拔