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    國內鈮棒鈮板等鈮合金材料的發展及應用

    發布時間:2020-08-22 10:02:21 瀏覽次數 :

    鈮是高熔點稀有金屬之一。從本世紀初金屬鈮的提煉成功到20年代末鈮的工業化生產, 僅經歷了20余年的時間。過去鈮在軍工、尖端技術方面應用較多,現其應用已擴展到許多其他科技領域。為使鈮發揮更大的實用價值,促進鈮工業的更快發展,以取得更好的社會效益, 對鈮的資源情況、應用領域、市場特點等做進一步地了解、研究是很有意義的。

    1、鈮具有豐富的自然資源

    就目前公布資料,世界鈮總貯藏量約為3800萬t。巴西是世界鈮儲藏量、生產量最多的國家, 其貯藏量約為2300萬t , 占世界總量的60%。中國也是鈮資源豐富的國家,貯藏量占世界總量的17%左右。按現在開采生產的年耗用量計算,鈮可供人類幾百年至近千年開采使用。豐富的自然資源是鈮工業發展的重要保障和優越條件。世界對鈮的需求近幾年處于穩定發展趨勢。1988~1993年世界Nb2O5消耗量平均每年為1.9萬t, 見表1。鈮耗用量比例按區域分:歐洲34%,北美洲30%, 日本32%, 其他國家4%; 按用途分: 鋼鐵添加劑75%, 不銹鋼12%, 超高溫合金10%, 其他用途3%。

    年份198819891990199119921993平均用量
    用量19660191101870018400204201890019198

    2、鈮廣泛應用的有利條件

    世界市場經濟運行機制中,無論是開發新產品,還是發展工業生產。產品價格均起重要作用。從50年代到現在,鈮以Nb2O5計價,每公斤6~10美元, 基本保持平穩上升。鎢、鉬、鉭、鈮均是航空航天工業中應用較多的耐高溫材料,其中以鈮價最低。其價格相對比Nb:Mo:W:Ta約為1:1.2:2.3:10, 這是鈮得以發展的又一優勢。而與鈮素有“ 姐妹“ 元素之稱的鉭, 在制作電解電容器時其電性能優于鈮, 但因大量開采、使用,使鉭資源品位含量日趨貧化,價格日趨昂貴, 故有專家認為以鈮代鉭趨勢將不可避免。在作為高溫耐熱、保溫和隔熱材料方面,以鈮代鉬、代鎢已開始得到實際應用。鈮的多功能特性也已越來越引起人們的重視。

    鈮棒

    3、鈮在工業中的應用

    鈮在工業中的應用市場分普通粗鈮和優質鈮制品兩大類。

    粗鈮用于生產鈮鐵合金, 以作煉制特種鋼的添加劑。在合金鋼中,鈮形成NbC和NbN, 能提高合金鋼強度,這方面的用量在不斷增加。作為不銹鋼和低合金高強度鋼中的添加劑,用鈮量約為鈮總耗量的75%, 是鈮的最大消費市場。含鈮合金鋼材,用于石油天然氣、汽車、建筑、化工和海洋工程領域。

    高純鈮用于生產純鈮制品,有鈮粉,鈮錠、鈮條、鈮棒和鈮的其他加工材。俄羅斯現在還研究生產鈮電容器和電容器級鈮粉,其比電容為1500~9000CV/g , 凝聚鈮粉的比電容可達20000CV/g。高純鈮合金及特殊優質鈮合金鋼材用于航空、航天、能源、電子、機加工業和環保工程領域, 這一部分的鈮耗量約占鈮總用量的20%,市場規模及經濟價值均很可觀。

    鈮板

    4、鈮在功能材料中的應用

    由于金屬鈮具有高熔點、高強度、高的高溫強度/質量比值、耐熱、耐酸堿、熱傳導性好及低中子吸收截面等優良特性,故是精細陶瓷、復合材料等現代高科技產業中必不可少的材料。鈮作為功能材料, 其主要應用在超導、核動力結構材料和超耐熱合金方面。

    高純鈮高頻電阻小,能減少高頻電流損失,雖其超導性不及Nb-Ti合金和Nb3Sn化合物, 即其超導臨界溫度Tc相對較低, 但仍有制作超導結構材料的實際應用。已用純鈮管、棒、板材試制高能粒子加速器材料。冷加工鈮合金線材,除用于高能粒子加速鹽、粒子檢測用大磁體研究領減外,還用于磁體發電機、貯能、電力輸送和磁懸浮列車及核磁共振儀器裝置方面。有資料報道,在1994~1995年間,世界高純金屬鈮在功能材料方面的年用量均已達30t以上。Nb3Sn化合物超導特性優異, 其超導臨界溫度Tc及臨界磁場Hc,比鈮合金系高出一倍以上,常作強磁體、電磁聚變線圈。Nb-Zr系合金也常作耐高溫耐熱性, 與融堿金屬鈉蒸氣接觸時化學性能穩定, 故用作高壓鈉燈電極導電套管和控時器。Nb-Ti系合金也常作耐高溫、耐蝕材料使用。Nb-Ta、Nb-W和Nb-Hf-Ti系合金,因其高溫強度性能優異,是航空航天工業的重要材料。鈮及其合金的主要特性、用途參見表2。

    表2 金屬鈮和鈮合金的主要類型、特性及用途

     類型功能用途
    純金屬純鈮耐蝕電解用電極
     高純鈮超導結構材料超導加速器控體
    合金鈮鐵耐蝕,高強度,高韌性工具鋼、不銹鋼、添加劑
     Nb-Ti系合金超導,高強度,加工性好加速器,磁懸浮列車
     Nb-Zr系合金耐熱,化學性能穩定鈉燈導電管,控時器
     Nb-Ta系合金耐蝕化學裝置
     Nb-W系合金高溫強度優良航空發動機
     Nb-Hf-W系合金高強度,加工性好航空、飛船發動機
    化合物Nb3Sn化合物超導線材超導電機

    70年代, 已開發生產出LiNb2O3單晶材作聲表面波濾波器件, 現已廣泛用于彩電、磁帶錄像機、無線電話、衛星通訊元件等。BaSr-Nb2O3單晶, 用于熱紅外傳感器。PbNb2O3晶體多用于壓電陶瓷。碳化鈮則多用于硬質合金等等。

    毫無疑間, 隨著鈮應用研究的深入擴展, 其實用范圍將更加拓寬, 其使用數量也將不斷增加, 同時也將使鈮工業更加興旺發達。鈮將是21世紀高技術產業領域中引人注目的稀有金屬材料。

    5、我國鈮的應用與發展

    自50年代開始, 我國就著手進行鈮和鉭的研究,并生產出Nb2O5。60年代中期采用碳還原生產出鈮粉、鈮條, 采用鋁熱還原生產出中、高級鈮鐵合金。70年代初用電子束精煉生產出高純鈮錠和電容器用優質鈮粉;同期開發生產出Nb3Sn超導線材、磁體材料;光玻級和晶體級高純Nb2O5。隨后開發生產出LiNb2O3單晶棒〔D (4~100)mm?100mm〕、毛面和拋光面切片以及Nb.Se2固體潤滑劑等鈮化合物新材料。80年代后期開發生產出碳化鈮粉和Nb-Ta復合碳化物( 粉)和多種鈮制品新材料。近年, 我國鈮、鉭冶金和加工行業在鈮制品開發、應用方面, 都取得了許多重要成果。目前我國鈮工業生產, 主要包括鈮精礦采選、冶金生產氧化鈮、鈮粉、鈮條、鈮鐵鐵合金、鈮錠, 加工生產鈮材。其中以鈮鐵合金用鈮量為最大, 約占鈮總耗量的80%。

    鈮絲

    隨著技術進步、技改措施的實現, 我國鈮工業的生產綜合技術水平將逐步提高, 鈮的資源優勢也將得到進一步發揮。有理由相信, 鈮工業在我國有著廣闊的發展前景。

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