铌的简要介绍

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1、第一节 铌的基本知识1.1 元素简介铌是一种化学元素。化学符号Nb,原子序数41,原子量92.90638, 属第5周期第5VB族。1801年英国C.哈切特从铌铁矿中分离出一种 新元素的氧化物，并命名该元素为niobium (中译名钶)。铌是一种 银灰色、具有顺磁性,质地较软且具有延展性的稀有高熔点金属。高 纯度铌金属的延展性较高,但会随杂质含量的增加而变硬。常温下, 铌在地壳中的含量为20 ppm,铌资源分布也相对集中。由于铌具有 良好的超导性、熔点高、耐腐蚀、耐磨等特点,被广泛应用到钢铁、 超导材料、航空航天、原子能等领域。兀素符号：Nb元素英文名称：niobium兀素类型：金属兀素原子体积

2、：10.87 (立方厘米/摩尔)兀素在太阳中的含0.004(ppm)元素在海水中的含量：0.0000009 (ppm)地壳中含量：20 (ppm)相对原子质量：92.90638原子序数：41所属周期：5所属族数：VB电子层排布：2-8-18-11-2晶体结构：晶胞为体心立方晶 胞,每个晶胞含有2个金属原子。晶胞参数：a = 330.04 pm, b =330.04 pm,c=330.04 pm,a=90,B=90, Y=90氧化态：Nb(+5,-3, -1,+1,+2, +3+4)莫氏硬度：6声音在铌中的传播速率：3480(m/s)电离能(kJ /mol)M - M+ 664, M+ - M2

3、+ 1382, M2+ - M3+ 2416, M3+ - M4+ 3695, M4+ - M5+ 4877 M5+ - M6+ 9899, M6+ - M7+ 121001.2 物理性质铌是灰白色金属，熔点2468C，沸点4742C，密度8.57克/立 方厘米。铌是一种带光泽的灰色金属，具有顺磁性，属于元素周期表 上的5族。高纯度铌金属的延展性较高，但会随杂质含量的增加而变 硬。它的最外电子层排布和其他的5族元素非常不同。同样的现象也 出现在前后的钌（44）、铑（45）和钯（46）元素上。铌在低温状态下会呈现超导体性质。在标准大气压力下，它的临 界温度为9.2K，是所有单质超导体中最高的。其

4、磁穿透深度也是所 有元素中最高的。铌是三种单质第II类超导体之一，其他两种分别 为钒和锝。铌金属的纯度会大大影响其超导性质。铌对于热中子的捕获截面很低，因此在核工业上有相当的用处。1.3 化学性质铌金属室温下在空气中是极其稳定的，不与空气作用。虽然它在单质状态下的熔点较高（2468C）,但其密度却比其他难熔金属低。 铌还能抵御各种侵蚀，并能形成介电氧化层。室温下铌在空气中稳定，在氧气中红热时也不被完全氧化，高温 下与硫、氮、碳直接化合，能与钛、锆、铪、钨形成合金。不与无机 酸或碱作用，也不溶于王水，但可溶于氢氟酸。铌的氧化态为-1、+ 2、 +3、+4 和+5，其中以+5 价化合物最稳定。铌的

5、电正性比位于其左边的锆元素低。其原子大小和位于其下方 的钽元素原子几乎相同，这是镧系收缩效应所造成的。这使得铌的化 学性质与钽非常相近。虽然它的抗腐蚀性没有钽这么高，但是它价格 更低，也更为常见，所以在要求较低的情况下常用以代替钽，例如作 化工厂化学物槽内涂层物料。1.4 铌的制取金属铌可用电解熔融的七氟铌酸钾制取，也可用金属钠还原七氟 铌酸钾或金属铝还原五氧化二铌制取。纯铌在电子管中用于除去残留 气体，钢中掺铌能提高钢在高温时的抗氧化性，改善钢的焊接性能。 铌还用于制造高温金属陶瓷。1.5 化合物铌在很多方面都与钽及锆十分相似。它会在室温下与氟反应，在 200C下与氯和氢反应，以及在400C

6、下与氮反应，产物一般都是 间隙非整比化合物。铌金属在 200C 下会在空气中氧化，且能抵御 熔融碱和各种酸的侵蚀，包括王水、氢氯酸、硫酸、硝酸和磷酸等。 不过氢氟酸以及氢氟酸和硝酸的混合物则可以侵蚀铌。卤化物铌可以形成拥有+5和+4氧化态的卤化物，以及各种亚化学计量 化合物。五卤化铌（NbX5）含有八面体型铌中心原子。五氟化铌（NbF5） 是一种白色固体，熔点为79.0C,而五氯化铌（NbCl5则呈黄色）， 熔点为203.4C。两者均可经水解形成氧化物和卤氧化物，例如 NbOCl3。五氯化铌也是一种具挥发性的试剂，可用于合成包括二氯二 茂铌（C5H5）2NbCl2）在内的各种有机金属化合物。铌

7、的四卤化物 （NbX4 ）都是深色的聚合物，内含铌-铌键，如呈黑色、具吸湿性的 四氟化铌（NbF4 ）和棕色的四氯化铌（NbCl4）。铌的卤化物负离子也存在，这是因为铌的五卤化物都是路易斯酸。最重要的一种为NbF7,它是铌和钽的矿物分离过程中的一个中间化 合物。它比对应的钽化合物更易转换为氧五氟化物。氮化物及碳化物氮化铌（NbN）在低温下会变成超导体，被用在红外线探测器中。最主要的碳化铌是NbC，其硬度极高，是一种耐火的陶瓷材料，可用 作切割工具刀头材料。1.6 分布根据估算,铌在地球地壳中的丰度为百万分之20,在所有元素 中排列第33 位。部分科学家认为,铌在整个地球中的含量更高,但 因密度

8、高而主要聚集在地核中。铌在自然界中不以纯态出现,而是和 其他元素结合形成矿物。这些矿物一般也含有钽元素,例如钶铁矿（即 铌铁矿，(Fe,Mn)(Nb,Ta)206)和钶钽铁矿(Fe,Mn)(Ta,Nb)206 )。含铌、钽的矿物通常是伟晶岩和碱性侵入岩中的副矿物。其他矿物还 有钙、铀和钍以及稀土元素的铌酸盐,例如烧绿石和黑稀金矿等。这 些大型铌矿藏出现在碳酸盐岩（一种碳酸盐、硅酸盐火成岩）附近, 亦是烧绿石的组成成份。巴西和加拿大拥有最大的烧绿石矿藏。两国 在 1950 年代发现这些矿藏,至今仍是铌精矿的最大产国。世界最大 矿藏位于巴西米纳斯吉拉斯州阿拉沙的一处碳酸盐侵入岩地带,属于CBMM

9、（巴西矿物冶金公司）；另一矿藏位于戈亚斯，属于英美资源, 同样是碳酸盐侵入岩。以上两个矿场的产量占世界总产量的75%。第 三大矿场位于加拿大魁北克省萨格奈附近，产量占世界 7%。第二节 课题涉及名词解释2.1 微合金化微合金化技术是近20年来出现的一种新型冶金技术，它是在钢 中加人极少量微合金元素，利用这些微合金化元素的强化作用，加之 之以高纯洁度冶炼工艺、无缺陷连铸坯生产技术、控冷控轧手段，在 尽可能少加或不加贵重合金元素（主要指Cr, Ni, Mo）的条件下，使 钢在热轧状态即可获得高强度、高韧性、高可焊接性和良好的成型性 能，该技术具有很高的经济效益和推广价值。常用的微合金化元素主要有N

10、b, V, Ti,B,它们在钢中的加人量 一般在0.1%左右（B为0.001%左右）。这些元素可以固溶于钢中，造 成晶格的点阵畸变,从而起到固溶强化作用。但由于这些元素的加人 量极少，因而钢材性能的提高主要不是依靠合金元素的固溶强化作用 而主要是由于Nb,V,Ti可以和C,N形成碳化物和氮化物从而引起晶粒 细化和析出强化，这是这些微合金化元素强烈影响性能的原因所在。2.2 铌微合金化的作用Nb的作用：在超低碳贝氏体钢（ULCB）的整个发展过程中，微 量Nb起着独特的作用。这类钢中C含量已经降到0.05%，又不加入 较多合金元素，因此强化主要靠位错强化，析出强化特别是组织强化。 近年来的研究表明

11、，微量Nb在超低碳贝氏体钢（ULCB）中的作用， 主要体现在以下两个方面。1）微量Nb抑制变形再结晶行为，加剧变形奥氏体中的应变积累， 大幅度提高相变前组织中的位错密度。超低碳贝氏体钢QLCB）的优 良综合性能主要来自钢的组织细化以及贝氏体中的高位错密度，再实 现这一目标，首先需要在控轧过程中，在非再结晶区轧制时引入大量 高密度畸变区，这些高密度畸变区在随后的冷却过程中成为相变核心 大幅度促进相变组织细化。同时，要在发生切变形型贝氏体相变过程 中，能把相当一部分变形位错保留在贝氏体基体中，从而大幅度提高 贝氏体基体强度。为了达到这一点，要求钢种有相当高的热轧再结晶 终止温度以及抑制冷却时扩散型

12、铁素体转变的能力，合金成分设计充 分考虑了 Nb及NbB这方面的作用。2）微量Nb与B、Cu的复合作用加快了诱导析出，稳定变形位错 结构。微量Nb加入贝氏体钢中的第二个作用是，这类钢高温非再结 晶轧制阶段会应变诱导形成极细的Nb （C、N）析出物。这些析出物 主要析出在变形晶界及变形位错网上，它们阻碍了位错的恢复以及消 失的过程，稳定了位错结构，为随后冷却过程相变形核提供更多机会， 同时组织新相的长大，最终细化组织。实验研究表明当Nb和B、Cu 综合加入时，它们的综合作用会进一步促进析出过程加速，并且进一 步降低冷却时的相变温度，使最终组织进一步细化。2.3 高碳钢高碳钢（High Carbo

13、n St eel）常称工具钢，含碳量从0.60%至1.70%，它的特点是硬而较脆，可以淬硬和回火。锤、撬棍等由含碳 量0.75%的钢制造；切削工具如钻头，丝攻，铰刀等由含碳量0.90% 至 1.00% 的钢制造。高碳钢在经适当热处理或冷拔硬化后，具有高的强度和硬度、高 的弹性极限和疲劳极限（尤其是缺口疲劳极限），切削性能尚可，但焊 接性能和冷塑性变形能力差。由于含碳量高，水淬时容易产生裂纹， 所以多采用双液淬火（水淬+油冷），小截面零件多采用油淬。这类钢 一般在淬火后经中温回火或正火或在表面淬火状态下使用。主要用于 制造弹簧和耐磨零件。碳素工具钢是基本上不加入合金化元素的高碳 钢，也是工具钢中

14、成本较低、冷热加工性良好、使用范围较广的钢种。2.4 高碳钢的性能特点高碳钢的硬度、强度主要取决于钢中固溶的碳量，并随固溶碳量 的增加而提高。固溶碳量超过 0.6%时，淬火后硬度不再增加，只是 过剩的碳化物数量增多，钢的耐磨性略有增加，而塑性、韧性和弹性 有所降低。为此，常根据使用条件和对钢的强度、韧性匹配来选用不 同的钢号。例如，制造受力不大的弹簧或簧式零件，可选择较低碳量 的 65 钢。一般高碳钢可用电炉、平炉、氧气转炉生产。要求质量较 高或特殊质量时可采用电炉冶炼加真空自耗或电渣重熔。冶熔时，严 格控制化学成分，特别是硫和磷的含量。为减少偏析，提高等向性能， 钢锭可进行高温扩散退火（对工

15、具钢尤为重要）。热加工时，过共析钢 的停锻（轧）温度要求低（约800C），锻轧成材后应避免粗大网状碳化 物的析出，在700C以下应注意缓冷，以防热应力造成裂纹。热处理 或热加工过程中要防止表面脱碳（对弹簧钢尤为重要）。热加工时要有 足够的压缩比，以保证钢的质量和使用性能。优点：热处理后可以得到高的硬度（HRC60 65）和较好的耐 磨性。退火状态下硬度适中，具有较好的可切削性。原材料易得，生产成本低。缺点：热硬性差，当刀具工作温度大于200C时，其硬度和 耐磨性急剧下降。淬透性低。水淬时完全淬透的直径一般仅为15 一 18mm;油淬时完全淬透的最大直径或厚度（95%马氏体）仅为6mm左 右，并

16、易变形开裂。2.5 珠光体珠光体是由奥氏体发生共析转变同时析出的，铁素体与渗碳体 片层相间的组织，是铁碳合金中最基本的五种组织之一。 1 9世纪中 叶利用光学显微镜在碳素钢中观察到珠光体，后命名为珠光体。20 世纪上半叶对珠光体转变进行了较多的研究，由于受观察设备的限制 理论上研究不深人。20 世纪下半叶，材料学术界主要在马氏体和贝 氏体相变中的研究较为集中，由于珠光体转变理论的研究缺乏迫切性 所以应用有限。组成珠光体的相有铁素体、渗碳体、合金渗碳体和各 类合金碳化物等。由于各相的形态不同，珠光体组织形貌十分复杂。 珠光体组织有片状、细片状、极细片状等;有点状、粒状、球状、柱 状、纤维状等;还有碳化物不规则形态的类珠光体以及所谓“相间沉 淀”等多种组织形态。2.6