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铌管的耐温是多少

作者:钼舟加工 浏览: 发表时间:2019-01-07 16:20:58
铌管的耐温是多少

铌是灰白色金属,熔点2468℃,沸点4742℃,密度8.57克/立方厘米。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。

铌是一种化学元素。化学符号Nb,原子序数41,原子量92.90638,属周期系ⅤB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columbium(中译名钶)。铌是灰白色金属,熔点2468℃,沸点4742℃,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。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。

当于1801年考察在大英博物馆的矿石时[2],Charles Hatchett被一个标签为columbite(钶铁矿)的样本激起了兴趣。他推测其包含一种新的金属,他是对的。他加热一块样本与碳酸钾,溶解产物到水中,添加了酸后获得了沉淀物。然而,进一步的处理也没能生产出元素本身,他命名其为columbium(钶——铌元素的旧译),被人们已知多年。


其他人对则对钶持怀疑态度,尤其是在接下来的一年发现了钽之后。这些金属在大自然中一起出现,而且很难分离。在1844年德国化学家Heinrich Rose证明了钶铁矿包含了这两种元素,他把columbium(钶)命名为niobium(铌)。“Columbium”(钶,符号Cb)是哈契特对新元素所给的最早命名。这一名称在美国一直有广泛的使用,美国化学学会在1953年出版了最后一篇标题含有“钶”的论文;“铌”则在欧洲通用。1949年在阿姆斯特丹举办的化学联合会第15届会议最终决定以“铌”作为第41号元素的正式命名。

翌年,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)也采纳了这一命名,结束了一个世纪来的命名分歧,尽管“钶”的使用时间更早。这可算是一种妥协:IUPAC依北美的用法选择“Tungsten”而非欧洲所用的“Wolfram”作为钨的命名,并在铌的命名上以欧洲的用法为先。具权威性的化学学会和政府机构都一般以IUPAC正式命名称之,但美国地质调查局以及冶金业、金属学会等组织至今仍使用旧名“钶”。[3]

当时,科学家未能有效地把钶(铌)和性质极为相似的钽区分开来。1809年,英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿(William Hyde Wollaston)对钶和钽的氧化物进行比较,得出两者的密度分别为5.918g/cm及超过8g/cm。虽然密度值相差巨大,但他仍认为两者是完全相同的物质。另一德国化学家海因里希·罗泽(Heinrich Rose)在1846年驳斥这一结论,并称原先的钽铁矿样本中还存在着另外两种元素。他以希腊神话中坦塔洛斯的女儿尼俄伯(Niobe,泪水女神)和儿子珀罗普斯(Pelops)把这两种元素分别命名为“Niobium”(铌)和“Pelopium”。钽和铌的差别细微,而因此得出的新“元素”Pelopium、Ilmenium和Dianium实际上都只是铌或者铌钽混合物。


1864年,克利斯蒂安·威廉·布隆斯特兰(Christian Wilhelm Blomstrand)、亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和路易·约瑟夫·特罗斯特(Louis Joseph Troost)明确证明了钽和铌是两种不同的化学元素,并确定了一些相关化合物的化学公式。瑞士化学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚(Jean Charles Galissard de Marignac)在1866年进一步证实除钽和铌以外别无其他元素。然而直到1871年还有科学家发表有关Ilmenium的文章。[3]

1864年,德马里尼亚在氢气中对氯化铌进行还原反应,首次制成铌金属。虽然他在1866年已能够制备不含钽的铌金属,但要直到20世纪初,铌才开始有商业上的应用:电灯泡灯丝。铌很快就被钨淘汰了,因为钨的熔点比铌更高,更适合作灯丝材料。1920年代,人们发现铌可以加强钢材,这成为铌一直以来的主要用途。

贝尔实验室的尤金·昆兹勒(Eugene Kunzler)等人发现,铌锡在强电场、磁场环境下仍能保持超导性,这使铌锡成为第一种能承受高电流和磁场的物质,可用于大功率磁铁和电动机械。这一发现促使了20年后多股长电缆的生产。这种电缆在绕成线圈后可形成大型强电磁铁,用在旋转机械、粒子加速器和粒子探测器当中。纯净的金属样本在1864年由Christian Blomstrand制取,他用氢气加热还原氯化铌实现。


铌是一种坚硬、有光泽、银灰色且柔软的可延展金属,在 外观上有些象不锈钢。商用铌合
金强度稍低,但具有极好的
延展性,并能在必要的退 火之前进行冷加工。为应用于原子能和航空工业,在60年代初
进行了高温铌合金的 研
究。今天,它们应用在通讯卫星、人体成象设备和多种高温零件上。
    生产方法     铌合金原来采用高温真空烧结和碳还原的粉末冶金方法。在60年 代早
期,铝热还原和电子束提
纯成为标准的生产方法。
    在铝热还原中,Nb2O5和铝粉末首先混合在一起,然后经放热反应形成粗铌金属和 
AL2O3熔渣。粗铌含有杂质,
包括铝和氧。在升高的温度下这些杂质比铌金属有更高的 蒸气压。由于蒸气压的不同,
金属可以用电子束熔炼法进
行商业提纯。但是,低蒸气 压杂质(如:铊、钨)不能用电子束熔炼法除去,这些杂质
必须在铝热还原之前,用
其它的液体提取法除去。典型的电子束熔炉能够产生500~5000kW的功率,能够提纯 直径
为300~500mm,长度超过
2m的金属锭。滴熔炼(drip-melting)是现在标准的电 子束熔炼方法,但是,随着更高
功率熔炉的研制,炉熔炼
可能会用于实践。
    铌合金是加入了适当的元素,并采用真空电弧再熔炼的方法制成。最常用的金属 添
加剂是锆、铊和铪,它们是
在电弧熔融过程中加入铌溶液的。
    商业铌合金的特性    常用的高温铌合金主要用固溶增强方式增强,合金中还存 在
少量的第二相微粒。这些微
粒的构成不同,但一般都和构成氧化物、氮化物和碳化 物的填隙杂质有关。由于第二相
的大小、分布经常对合金的
机械性能和再结晶有很大 影响,所以这些微粒是非常重要的。
    总的来讲,铌合金比另外的活性金属(如钛、锆)的耐杂质性弱得多。含有在晶 粒
之间构成连续晶界的第二相
微粒的合金极大地降低拉伸伸度。这种情况会在污染和 不适当地热处理时产生。在焊接
过程中可能会偶然加入铜,
将会对合金的机械性能产 生不良后果。在铌中可允许的氧、氢、碳和氮含量是钛或锆的
1/5~1/10。
    所有的商业合金在室温下都有很好的延性。在室温和升高的温度下WC-3009合金 有最
高的拉伸强度。FS-85合
金有超强的蠕变强度。这是由于它具有较高的能随铊和 钨浓度增大而增高的熔点。
    零件的制作    目前,商业合金供应厂家将合金铸成圆锭,如:便于卷成圆板的 矩
形,或用于管材制造的圆
筒。零件在接近合金再结晶温度时采用高温挤压及锻造来 制备,一般温度为1000-1300℃
。多数商业合金具有很好
的延展性,能够加工成不同 的产品,例如:片、箔、棒、线和管,其冷收缩常常超过70%
。几乎可以使用所有的 普
通金属成型加工方法,将铌合金加工产品制成复杂形状,如,密模锻造、旋压成 型、液
压成型和焊接。
    高温应用     铌合金最常用于钠蒸汽灯。Nb-1Zr合金具有优异的成型性、焊接 性,
在钠蒸汽环境下寿命长。
钠蒸汽灯的小管状Nb-1Zr合金由无缝管制成,最近是通 过由片拉成管的方法制成。这种
灯泡电效率高,寿命长,超
过25000h,在世界上广泛 用于高速公路照明。
    航空工业上可用于1100~1500℃下,高强度的C-103合金是铌工业的主要产品。 其有
优异的冷加工和焊接性,
易于密模锻造,用于推力锥和高温阀等。C-103合金没 有抗氧化性,可用硅化物涂层覆盖
零件,涂层除硅外,还有
铬、铁、镍和铪等元素。 涂覆的C-103合金,成功应用在普拉特-惠特尼涡轮发动机中的
推力增加器阀板上,这 些
阀板放置在发动机的尾部后燃室,构成一高温隔离室,温度达1200~1300℃。
    铌合金用于国家航天飞机上的高温部件,超音速机翼前缘和鼻锥部分可以用其制 成
,起到热管热控制系统的功
能。典型的500g铌热管能散发10kW的热量,等温工作在 1250~1350℃下。
    近来进展     自70年代早期,铌合金研究重点转至降低铌合金成本和生产近 净型部
件上。最近20年,研究人
员尝试用熔模精密铸造制造零件。
    熔点高于2400℃的铌合金可以铸造,其微结构比锻造的微结构延性差。铌比钛或 其
它常用的铸造材料贵。
    粉末冶金研究已成熟,最常用的航空合金是C-103和高强度Nb-30Hf-9W合金。铌 的高
熔点和强反应特性,使粉
末冶金法加工铌合金的合金粉末制备最困难。由于离心 雾化加工粉末生产成本高,故近
净型铌合金生产不经济。
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