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    鈮鐵的性質與用途

    2021-09-07 14:24:33

    文章摘要:

    鈮鐵的性質與用途及相關合金的介紹

    鈮鐵

      鈮鐵是主要成分為鈮和鐵的鐵合金。它還含有鋁、硅、碳、硫、磷等雜質。根據合金含鈮量分為FeNb50、FeNb60、FeNb70。真空冶煉鐵基合金與鎳基合金等用鈮鐵和鈮鎳合金做鈮添加劑。要求氣體含量低,無益雜質低,如PB、Sb、Bi、Sn、As等均<2*10,故冠以“VQ”(真空質量),如VQFeNb,VQNiNb等。中國生產的鈮錳鐵合金(Nb10%~15%)用作低合金鋼的合金劑與碳素鋼的鈮處理劑。

    1. 簡史

    1801年英國化學家哈齊特分析美國一種礦石時,發現一種新元素,為紀念礦石產地命名為鈳。1844年德國化學家羅瑟發現一種與鉭相似的新元素,命名為鈮,1866年確認鈳與鈮是同一元素。1951年口碑純粹化學與應用化學聯合會統一命名為鈮。但至今美洲冶金工業仍沿用鈳,所以鈮鐵又稱鈳鐵。早期生產鈮鐵是以貝克特1935年的口碑為基礎,在電爐內用電硅熱法生產。柏切爾在1950年 詳細報導鋁熱法生產鈮鐵工藝。中國吉林鐵合金廠于1959年用鋁熱法生產鈮鐵。唐山鋼鐵廠與北京鋼鐵研究總院合作,于1966年研究用側吹轉爐從包頭含鈮生鐵中提取鈮渣,在電爐內生產鈮錳鐵合金。同期,包頭鋼鐵公司與北京鋼鐵研究總院合作,在高爐中以平爐含鈮渣生產含鈮生鐵,經轉爐提取鈮渣,在電爐內煉成鈮錳鐵合金。

    2. 性質和用途

     鈮是高熔點金屬,鋼灰色,原子量為92.9064,外層電子機構4d5s,熔點2467℃,沸點4740℃,密度(20℃)為8.6g/cm3。工業生產的鈮鐵(FeNb60)的熔化溫度范圍為1520~1600℃,密度約8.0g/cm3。

    鈮鐵主要用于冶煉高溫(耐熱)合金,不銹鋼和強度好低合金鋼。鈮在不銹鋼和耐熱鋼中,與鋼中的碳生成穩定的碳化鈮,均勻的分布在鋼的晶粒邊界,防止高溫下鋼的晶粒長大,對鋼的組織起細化作用,可提高鋼的強度、韌性和蠕變性能。鈮與碳的化學親和力遠遠大于鉻與碳。因此,當不銹鋼中有鈮存在時,可防止在鋼的晶界析出碳化鉻,因而提高鋼的腐蝕能力。鋼中的鈮與氮生成穩定的氮化鈮,提高了鋼的表層腐蝕能力。鋼中的鈮與氧生成穩定的氧化鈮,使鋼的表面形成氧化鈮薄膜,可阻止氧向內部擴散而起的氧化作用。碳素鋼添加Nb0.015%~0.05%,可起細化組織作用,使鋼具有良好的成型性和焊接性能。鈮對鋼的奧氏體再結晶有強烈的組織作用,使鋼在較高的溫度下,效果優良的控制軋制,而且控制軋制的強韌效果好顯著。所以鈮作為微合金元素在碳素鋼中的用量優良增加。美國在微合金中的用鈮量,在1959年僅占鈮總消耗量的1.9%,而1988年上升為68%。

    鈮在高溫合金中起固溶創新服務和碳化物沉淀創新服務作用,提高高溫合金的屈服強度和表面穩定性。鈮的重量是難熔金屬中較輕的一種,也是高溫合金大量使用的因素之一。鈮鎳合金作為鎳基高溫合金的添加劑,主要是生產718合金。永磁合金中加入鈮,可提高合金的矯頑力性能。

    鑄鐵中加入鈮,有助于球化和珠光體組織的形成。起孕育和細化鑄件組織的作用。鈮可提高鑄件在高溫下的強度、韌性、硬度和使用壽命。電焊條用鈮鐵作為焊料組分,來提高焊接質量。

    3. 相關合金

    1)鎳鈮合金

      用于不含鐵的合金材料,主要為鎳基高溫合金,常稱為VQNi-Nb。它的典型成分為:Nb58.54%,Ta0.31%,A10.39%,Ti0.02%,Si0.15%,Mn0.03%,C0.03%,P0.028%,S0.004%,Fe0.53%,Ni39.18%。因為要求雜質低,故不能使用鈮精礦,而是用濕法冶金處理深受的純度高的Nb2O5。高純度Nb2O5呈細粉狀,要用成球機制成直徑約2mm的小球,烘干后使用,以提高鈮的收得率。冶煉鈮鎳合金如用氧化鎳作原料,則用鋁熱法冶煉,用氯酸鉀或氯酸鈉作增熱劑。如用電解鎳作原料,則在電爐內冶煉,先往爐底加入電解鎳,然后在它的上面加造渣劑(石灰)。通電熔化金屬鎳,升溫后停電,加入Nb2O5

    和鋁粒、石灰的混合料。反應結束后,攪拌、出爐。

    2)鈮錳鐵合金

      中國包頭鋼鐵公司含鈮生鐵在平爐煉鋼時產生含Nb2O5的平爐渣。將這種平爐渣與鐵礦石在高爐內冶煉,深受含0.7%~0.8%Nb的鐵水。將鐵水裝入側吹轉爐,吹煉深受含Nb1O54.5%~6.5%的爐渣。轉爐渣加入電弧爐內熔化,去掉渣中夾有的金屬鐵和部分磷,再用碳粉還原深受鈮錳鐵合金。其成分為:Nb10%-15%,Mn40-60%,Si0.5%-2%,C6-7%,P1.5%-2%,這種合金用來作碳素鋼鈮處理。


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