铌的简要介绍

第一节铌的根本知识
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5V B族。

1801年英国C.哈切特从铌铁矿中别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。

1.2 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〔2468° C〕，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一样，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，也可用金属钠复原七氟铌酸钾或金属铝复原五氧化二铌制取。

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响，在200°C下与氯和氢反响，以及在400°C下与氮反响，产物一般都是间隙非整比化合物。

铌金属在200°C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那么可以侵蚀铌。

★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79.0 ° C,而五氯化铌〔NbCI5那么呈黄色〕，熔点为203.4 ° C 两者均可经水解形成氧化物和卤氧化物，例如NbOCI3五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）2NbCI2〕在内的各种有机金属化合物。

铌的四卤化物
〔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],它是铌和钽的矿物别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。

局部科学家认为，铌在整个地球中的含量更高，但因密度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)2O6 丨和钶钽铁矿〔(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6〕。

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CBMIM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Nb, 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的整个开展过程中，微量Nb起着独特的作用。

这类钢中C含量已经降到0.05%,又不参加较多合金元素，因此强化主要靠位错强化，析出强化特别是组织强化。

近年来的研究说明，微量Nb在超低碳贝氏体钢〔ULCB中的作用，主要表达在以下两个方面。

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〔ULCB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，能把相当一局部变形位错保存在贝氏体基体中，从而大幅度提高贝氏体基体强度。

为了到达这一点，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铁素体转变的能力，合金成分设计充分考虑了Nb及Nb-B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，稳定变形位错构造。

微量Nb参加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，稳定了位错构造，为随后冷却过程相变形核提供更多时机，同时组织新相的长大，最终细化组织。

实验研究说明当Nb和B、Cu
综合参加时，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 Carbon Steel 〕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外表淬火状态下使用。

主要用于制造弹簧和
耐磨零件。

碳素工具钢是根本上不参加合金化元素的高碳钢，也是工具钢中本钱较低、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，钢锭可进展高温扩散退火（对工具钢尤为重要）。

热加工时，过共析钢的停锻（轧）温度要求低（约800C），锻轧成材后应防止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外表脱碳（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：①热处理后可以得到高的硬度（HRC60- 65）和较好的耐磨
性。

②退火状态下硬度适中，具有较好的可切削性。

③原材料易得，
生产本钱低
☆缺点：①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。

②淬透性低。

水淬时完全淬透的直径一般仅为15 一18mm由淬时完全淬透的最大直径或厚度（95%马氏体）仅为6mn左右，并易变形开裂。

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，是铁碳合金中最根本的五种组织之一。

19 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展了较多的研究，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; 还有碳化物不规那么形态的类珠光体以及所谓“相间沉淀〞等多种组织形态。

2.6 珠光体性能
珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性较好。

其抗拉强度为750~900MPa180~280HBS伸长率为20~25%冲击功为24~32J 力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好(T b=770MPa 180HBS S =20%35% AKU=2~32J)
珠光体的综合力学性能比单独的铁素体或渗碳体都好。

珠光体的机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并不脆，这是因为珠光体中的渗碳体量比铁素体量少得多的缘故。

第三节应用举例
3.1 应用总述随着科学技术的开展，铌的应用在不断增加，现在举例如下。

★超导材料
具有超导性能的元素不少，铌是其中临界温度最高的一种。

而用铌制造
的合金，临界温度高达绝对温度十八点五到二十一度，是目前最重要的超导材料。

人们曾经做过这样一个实验：把一个冷到超导状态的金属铌环，通上电流然后再断开电流，然后，把整套仪器封闭起来，保持低温。

过了两年半后，人们把仪器翻开，发现铌环里的电流仍在流动，而且电流强弱跟刚通电时几乎完全一样。

从这个实验可以看出，超导材料几乎不会损失电流。

如果使用超导电缆输电，因为它没有电阻，电流通过时不会有能量损耗，所以输电效率将大大提高。

★高温合金世界上很大一部份铌以纯金属态或以高纯度铌铁和铌镍合金的形态，用于生产镍、铬和铁基高温合金。

这些合金可用于喷射引擎、燃气涡轮发动机、火箭组件、涡轮增压器和耐热燃烧器材。

铌在高温合金的晶粒构造中会形成丫”相态。

这类合金一般含有最高6.5%的铌。

Inconel 718 合金是其中一种含铌镍基合金，各元素含量分别为：镍50%、铬18.6%、铁18.5%、铌5%、钼3.1%、钛0.9%以及铝0.4%。

应用包括作为高端机体材料，如曾用于双子座方案。

★铌基合金
C-103 合金是1960年代初由华昌公司和波音公司共同研发的铌合金。

由于冷战和太空竞赛的缘故，杜邦、美国联合碳化物、通用电气等多个美国公司都在同时研发铌基合金。

铌和氧容易反响，所以生产过程需在真空或惰性气体环境下进展，这大大增加了本钱和难度。

真空电弧重熔〔VAR和电子束熔炼〔EBM是当时最先进的生产过程，促使了各种铌合金的开展。

1959年起，研究工程在测试了“C系〃〔可能取了旧名钶“ Columbium'的首字母〕中共256种铌合金后，终于制得了C-103。

这些合金都可熔化成颗粒状或片状。

★医疗应用
铌在外科医疗上也占有重要地位，它不仅可以用来制造医疗器械，而且是很好的“生物适应性材料〞。

比方说吧，用铌片可以弥补头盖骨的损伤，铌丝可以用来缝合神经和肌腱，铌条可以代替折断了的骨头和关节，铌丝制成的铌纱或铌网，可以用来补偿肌肉组织……
在医院里，还会有这样的情况：用钽条代替人体里折断了的骨头之后，经过一段时间，肌肉居然会在铌条上生长起来，就像在真正的骨头上生长一样。

★钢铁应用
在钢的各种微合金化元素中，废铌是最有效的微合金化元素，铌的作用如此之大，以至于铁原子中含有丰富的铌原子，就能到达改善钢性能的目的。

实际上钢中参加0.001%—0.1%的铌，就足以改变钢的力学性能。

例如：当参加0.1%的合金化元素时，提高钢的屈服强度依次为：铌118MPa钒71.5MPa;钼40MPa锰17.6MPa;钛为零。

实际上钢中只需参加0.03%—
0.05%Nb钢的屈服强度便可提高30%以上而钢的本钱每吨仅增1 美元。

★电瓷
铌酸锂是一种电铁性物质，在手提和光调变器中以及外表声
波设备的制造上有广泛的应用。

它的晶体构造属于ABO3型，与钽酸
锂和钛酸钡一样。

铌可以代替钽电容器中的钽，降低本钱，但钽电容器仍较为优胜。

[3]
★钱币
在钱币上，铌有时会与金和银一起用在纪念币上作贵重金属。

例如，奥地利自2003 年起，生产了一系列银铌欧罗币，其颜色是阳极化过程形成的氧化物表层衍射所产生的。

2021 年，共有十种中心颜色不同的钱币，共包括蓝、绿、棕、紫和黄。

另外含有铌的钱币还有2004年的奥地利赛梅林铁路150 周年纪念币，以及2006年欧洲卫星导航纪念币。

2021 年，加拿大皇家造币厂开场铸造称为“狩猎月〞〔Hunter's Moon 〕的 5 加元纯银和铌币。

其中的铌经过特殊的氧化过程，所以没有两件成品是完全一样的。

[3]★其他
铌〔或掺有1%锆〕是高压钠灯电弧管的密封材料，因为铌的热膨胀系数与经烧结的矾土弧光灯陶瓷材料非常相近。

这种用于钠灯的陶瓷可以抵御化学侵蚀，也不会与灯内的高温钠液体和气体产生复原反响。

铌也被用在电弧焊条上，用来焊接某些稳定化不锈钢。

3.1 铌微合金化高碳钢研究1〕微合金化在中高碳钢中的应用
高碳钢一般指碳含量在含碳量从0.60%至 1.70%的钢，主要用于高强度、抗疲劳、耐磨损以及非焊接钢构造。

以及非焊接钢构造。

生产高质量、高附加值钢材，TMCP或TSC+AN与微合金化元素Nb, V, Ti 联合应用是必不可少的。

中高碳钢几乎专门用于轨钢生产，铌的参加钢轨钢可细化钢轨钢中的珠光体团，使得珠光体的片层间距减小，从而提高钢轨钢的耐磨性，且Nb, V 的沉淀同时还能提高铁素体片的强度。

在硬线材的生产中，含V钢较不含V钢在细化珠光体团和铁素体多变化细化晶粒以及强化铁素体和珠光体的铁素体片上更为优越。

而Nb在高速先线材生产中的应用较V广泛，包括中碳螺纹钢筋，而固溶Nb能有效的阻止再结晶后而阻止晶粒的长大，这对高速钢大变形
量生产中保证晶粒不被长大的前提下提高变形温度大有益处。

2〕合金元素对
珠光体相变的作用
共析碳钢的微观组织为珠光体，珠光体相变是过冷奥氏体在A1-500C的高温发生的分解为铁素体和渗碳体的机械混合物的典型的扩散型相变。

随着微合金化的普遍应用，人们将合金元素对珠光体相变的影响也进展了研究。

而合
金元素对珠光体在动力学上的影响主
要表现在形核率和晶体的长大速度。

大局部合金元素都有推迟珠光体
相变的作用，其中Ni, Mn, Mo 因为在很大程度上增大了过冷奥氏体在珠光体相变区域的热力徐稳定性，即增大了相变的孕育期，故其作用尤为显著，而Si 却稍有增大过冷奥氏体稳定性的作用，对珠光体转变速度的影响较小，AI 对珠光体转变动力学的影响很小，强碳化物形成元素如V, Ti, Zr,Nb , Ta 等在钢中会形成难容的碳氮化物，
在低于此类碳氮化物的全固溶温度加热时，由于未能完全溶解，故反而会降低过冷奥氏体的稳定性。

2〕Nb含量对高碳钢组织和性能的影响
Nb在低碳钢中的作用已研究的相当广泛和深入，参加适量Nb可
细化晶粒，提高晶粒粗化温度，即可提高其在高温区的奥氏体晶粒稳定性。

普通低合金钢参加微量Nb,可提高屈服强度和冲击韧性，降低韧脆转变温度，改善其可焊性。

在高碳钢中参加微量Nb也能起到
良好的效果。

近年来, 我国微合金化技术和含妮钢生产取得了快速开展, Cr-Nb 轨的开发也取得了良好的效果。

研究结果如下: ① Nb 有利于高碳钢中铁素体析出，随着Nb含量的增加其影响越明显;Nb的参加可使珠光体的片层变
的短小、不规那么。

② Nb的参加使得钢的强度降低，韧性变好，微量的Nb 就能起到明显的作用，继续参加效果增长不明显。

③高碳钢中参加Nb,可使其CCT曲线向右下方移动，但是Nb含量的增加对珠光体转变区的影响不大；在一样冷速条件下，含铌钢珠光体片层细化。

3〕铌微合金化高碳钢的连续冷却转变高碳钢线材是生产制绳用高强度钢丝的重要原材料。

国内生产的高碳钢线材普遍存在抗拉强度低、塑韧性差、拉拔过程中容易脆断等问题，而钢的微合金化是提高线材强度并保持良好塑性和韧性的一条有效途径。

研究说明：①与普通高碳钢相比，铌兀素的参加使高碳钢的P转变温度区间扩大，转变开场温度升高，完毕温度降低。

在5~35C /s的冷速范围内，含铌高碳钢的转变温度区间均在100C以上; 同时，转变开场时间提前，完成转变所需的时间增加。

②与普通高碳钢相比，铌微合金化高碳钢基体中的先共析铁素体的数量明显增加。

但随着冷速的提高，铁素体含量逐渐减少; 而普通高碳钢基体中先共析铁素体的数量受冷速的影响不明显。

③在含铌高碳钢中，当冷速低于10C/s时，由于生成大量的铁素体，导致基体的硬度降低；而冷速高于30C /s时，基体中出现的贝氏体使硬度突然增大。

④含铌高碳钢的奥氏体晶粒尺寸小于普通高碳钢，且相变后的珠光体片层间距也较小。

⑤含铌高碳钢的组织受冷速的影响较大，对线材轧后的控制冷却要求更高。

第四节报告总结
3.1 资料调查综述
★调查内容：在本次资料查找中，主要围绕了课题所涉及的名词来展开，以铌、微合金化定义以及应用、高碳钢性能为核心关键词去查找资料和完
善总结。

★调查目的：此次调查的目的是了解课题，为日后做实验武装思想、奠定理论根底。

★调查方式：网络搜索、论文查找。

★调查总结：首次接触针对专业课题，所遇到困难较多。

学会科学的检索方式是成功的第一步，理解知识是应用的前提，在日后学习中，要把对铌的相关理论与实验相结合，从而更好的展开课题。

3.1 心得体会什么是铌？“铌〞字怎么读？什么是高碳钢？什么是微合金化？这是一开场接触课题时，脑海里的疑问。

从铌开场步步深入到“ Nb微合金化高碳钢的研究〞，这是一个知识提高的过程。

铌与日常生活并不陌生，应用也非常广泛。

特别是现在对钢材的一些性能的特殊需求，这就要求不断加强材料性能改善，Nb微合金化提高碳钢性能是一个重要出发点。

作为材料专业的学生，对材料的根本知识的了解是重中之重，然而应用也是一个重要的方面。

这是学生接触的第一个课题，我会好好把握，时刻向教师和学长学习，不懂就问，积极参加实验，从而为日后学习材料做一个良好的铺垫。