Какие свойства придает стали ниобий
Применение ниобия для легирования металлов
Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. Хром
тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия. Этот
читатель прав и не прав одновременно. Не
прав потому, что забыл об одном.
В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но
углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более
хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром. Поэтому при
добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид
ниобия. Легированная
ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей
пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего
200 г металлического ниобия. А хромо-маргаицевой стали ниобий придает
высокую износоустойчивость.
Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко
растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего
0,05% ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий
словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден,
цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность.
Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией,
машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной
энергетикой. Все они стали потребителями ниобия.
Уникальное свойство – отсутствие заметного взаимодействия ниобия с ураном
при температуре до 1100°C и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое
эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным
конкурентом признанных в атомной промышленности металлов – алюминия, бериллия и
циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика.
Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или
установки по их использованию.
Химическая промышленность потребляет сравнительно немного ниобия, но это
объясняется только его дефицитностью. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из
листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот.
Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций
используется, например, при синтезе спирта из бутадиена.
Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не
секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого
элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали
ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.
Использования ниобия в других отраслях промышленности
Из ниобиевых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (т.е.
нагреваемые детали) – аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали
электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.
Кроме чистого металла для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.
Ниобий применяли для изготовления электролитических конденсаторов и
выпрямителей тока. Здесь использована способность ниобия к образованию
устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в
кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к
металлу. Ниобиевые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой
ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции.
Ниобиевые элементы конденсаторов изготовляют из тонкой фольги или пористых
пластинок, спрессованных из металлических порошков.
Коррозионная стойкость ниобия в кислотах и других средах, в сочетании с
высокой теплопроводностью и пластичностью делают его ценным конструкционным
материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Ниобий
обладает сочетанием свойств, удовлетворяющих требования атомной энергетики к
конструкционным материалам.
До 900°С ниобий слабо взаимодействует с ураном и пригоден для изготовления
защитных оболочек для урановых тепловыделяющих элементов энергетических
реакторов. При этом возможно использование жидких металлических теплоносителей:
натрия или сплава натрия с калием, с которыми ниобий не взаимодействует до
600°С. Для повышения живучести урановых тепловыделяющих элементов уран легируют
ниобием (~ 7% ниобия). Присадка ниобия стабилизирует защитную окисную плёнку на
уране, что повышает устойчивость его против паров воды.
Ниобий входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин
реактивных двигателей. Легирование ниобием молибдена, титана, циркония,
алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов.
Существуют жаропрочные сплавы на основе ниобия в качестве конструкционного
материала для деталей реактивных двигателей и ракет (изготовление турбинных
лопаток, передних кромок крыльев, носовых концов самолётов и ракет, обшивки
ракет). Ниобий и сплавы на его основе можно использовать при рабочих
температурах 1000 — 1200°С.
Карбид ниобия входит в состав некоторых марок твёрдых сплавов на основе
карбида вольфрама, используемых для резания сталей.
Ниобий широко используется как легирующая добавка в сталях. Добавка ниобия в
количестве, в 6 — 10 раз превышающем содержание углерода в стали, устраняет
межкристаллитную коррозию нержавеющей стали и предохраняет сварные швы от
разрушения.
Ниобий также вводят в состав различных жаропрочных сталей (например, для
газовых турбин), а также в состав инструментальных и магнитных сталей.
Ниобий вводят в сталь в сплаве с железом (феррониобий), содержащем до 60%
Nb. Кроме этого, применяют ферротанталониобий с различным соотношением между
танталом и ниобием в ферросплаве.
В органическом синтезе применяют некоторые соединения ниобия (фтористые
комплексные соли, окислы) как катализаторы.
Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено
сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых
нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие
и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и
свариваемость. Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная
и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение,
атомная энергетика.
Применение металлического ниобия
- Из чистого ниобия или его
сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и
плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы; для жидких
металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру
электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды,
катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в
химической промышленности. - Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран.
- Ниобий применяют в криотронах —
сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем,
что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера[2].
Интерметаллиды и сплавы ниобия
- Станнид Nb3Sn
и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов. - Ниобий и сплавы с танталом
во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект
(ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал). - Феррониобий вводят в
нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной
коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств. - Ниобий используется при
чеканке коллекционных монет. Так, Латвийский Банк утверждает, что в
коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется
ниобий[3][4].
Применение соединений ниобия
- Nb2O5
катализатор в химической промышленности; - в производстве огнеупоров,
керметов, спец. стёкол, нитрид, карбид, ниобаты. - Карбид ниобия (т. пл.
3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235, является
важнейшим конструкционным материалом для ТВЭЛов твердофазных ядерных
реактивных двигателей. - Нитрид ниобия NbN
используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок
с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К
Ниобий в медицине
Высокая
коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые
нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней.
Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных
сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.
Применение в ювелирном деле
Ниобий
не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно
красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для
изготовления корпусов ручных часов. Сплавы ниобия с вольфрамом или рением
иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее
особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на
металлический иридий, но почти так же износостоек. Это позволило некоторым
странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев
авторучек.
Ниобий как сверхпроводящий материал первого поколения
Удивительное явление сверхпроводимости, когда при понижении температуры
проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического
сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в
1911 г. Первым сверхпроводником оказалась ртуть, но не ей, а ниобию и
некоторым интерметаллическим соединениям ниобия суждено было стать первыми
технически важными сверхпроводящими материалами.
Практически важны две характеристики сверхпроводников: величина критической
температуры, при которой происходит переход в состояние сверхпроводимости, и
критического магнитного поля (еще Камерлинг-Оннес наблюдал утрату
сверхпроводником сверхпроводимости при воздействии на него достаточно сильного
магнитного поля). В 1975 г. сверхпроводником–рекордсменом по величине
критической температуры стало интерметаллическое соединение ниобия и германия
состава Nb3Ge. Его критическая температура 23,2°К; это выше
температуры кипения водорода. (Большинство известных сверхпроводников
становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия).
Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также
стапниду ниобия Nb3Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с
титаном и цирконием. Все эти сплавы и соединения уже используются для
изготовления сверхпроводящих соленоидов, а также некоторых других важных
технических устройств.
- Один из активно применяемых
сверхпроводников (температура сверхпроводящего
перехода 9,25 К). Соединения ниобия имеют температуру сверхпроводящего
перехода до 23,2 К (Nb3Ge). - Наиболее часто используемые
промышленные сверхпроводники — NbTi и Nb3Sn. - Ниобий используется также в
магнитных сплавах. - Применяется как легирующая
добавка. - Нитрид ниобия используется
для производства сверхпроводящих болометров.
Исключительная стойкость ниобия и его сплавов с танталом в
перегретом паре цезия-133 — делает его одним из наиболее
предпочтительных и дешёвых конструкционных материалов для термоэмиссионных
генераторов большой мощности.
Источник
Одной из особенностей ниобия является его способность значительно повышать критические точки стали, причем степень влияния ниобия на положение критических точек зависит от содержания в стали углерода и других легирующих элементов.
Увеличение содержания титана в стали вызывает повышение сопротивления ползучести и длительной прочности, что особенно заметно при температурах, не превышающих 650°С.
Ниобий дает термически стойкие и трудно растворимые карбиды, препятствующие росту зерна при высоких температурах.
Одним из основных требований, предъявляемых к котельным сталям, является требование малой чувствительности их к воздушной закалке, что весьма важно при монтажной сварке труб.
Все стали, не содержащие ниобия, сильно подкаливаются при охлаждении на воздухе. Чем больше хрома в стали, тем сильнее она подкаливается на воздухе.
Добавка 0,5% Nb сдвигает температуру, с которой сталь начинает подкаливаться, до 900°С; 1% Nb повышает до 1100°С, а стали, содержащие 2% Nb, не закаливаются вовсе. Исследования показали, что при восьмикратном количестве ниобия по отношению к углероду в стали, содержащей 1–3% Сr, эти стали не закаливаются при охлаждении на воздухе с нагревом вплоть до 1100°С. При содержании хрома 4–6% необходимо уже десятикратное содержание ниобия по отношению к углероду, а чтобы не закалилась при охлаждении на воздухе сталь, содержащая 7–8% Сr, необходимо двенадцатикратное содержание ниобия по отношению к углероду.
В стали с 0,47% Nb нарастание твердости идет более плавно по мере повышения температуры закалки.
Наличие дисперсионного твердения в сталях с содержанием ниобия 0,30% и 0,47% ставит под сомнение возможность их применения. Это явление очень опасно в практике котлостроения, так как при сварке может увеличиваться хрупкость околошовной зоны и может привести к образованию трещин.
Влияние ниобия на механические свойства (предел прочности, предел текучести, удлинение, сжатие) в значительной мере определяется химическим составом стали и режимом ее термической обработки. Можно считать, что изменение содержания ниобия во всех отожженных сталях, независимо от их состава и температуры испытания, практически не оказывает влияния на механические свойства.
Механические свойства в зависимости от содержания ниобия у закаленных, а также у закаленных и отпущенных сталей меняются сильно. Введение ниобия в сталь приводит к значительному снижению прочности и повышению пластических свойств термически обработанной стали, вследствие того, что ниобий, образуя с углеродом устойчивые карбиды, обедняет твердый раствор углеродом.
Ниобий, независимо от содержания хрома в стали, не оказывает влияния на изменение ударной вязкости после нагрева в течение 500 и 1000 часов при 400, 500 и 600°С.
В последнее время ниобий все более широко применяют в жаропрочных сталях.
Ниобий по мере увеличения содержания его в стали значительно увеличивает сопротивление ползучести и длительную прочность стали.
Увеличение содержания ниобия до 1,8% в аустенитной стали приводит к увеличению длительной прочности, но при этом пластические свойства снижаются. Увеличение содержания ниобия свыше 1,8% в аустенитной стали, помимо снижения пластичности при длительном разрыве, приводит к ухудшению технологических свойств (пластичности при ковке).
Источник
Ниобий – ковкий серо-стального цвета металл, расположен в пятой группе таблицы Менделеева под порядковым номером 41, атомная масса 92,91.
Ниобий обладает значительной тягучестью, хорошо сваривается с другими металлами и куски его хорошо свариваются между собой. Чистый ниобий обладает высоким сопротивлением коррозии и разъедается лишь плавиковой кислотой и щелочами. При нагревании на воздухе или в кислороде ниобий превращается в пятиокись. От большинства металлов ниобий отличается тем, что не образует соединений с серой. Ниобий – сильно карбидообразующий элемент. Его сродство к углероду выше, чем у хрома, марганца и ванадия, он близок титану и танталу. Карбид ниобия менее растворим в аустените, чем карбиды хрома, марганца, ванадия и титана, но он растворяется более легко, чем карбид тантала. Скорость растворения в аустените низкая, и остающиеся нерастворенными частицы обуславливают присущую ниобиевым сталям мелкозернистость.
Ниобий технической чистоты применяют в ракетостроении, авиационной и космической технике, атомной энергетике, химическом машиностроении.
Феррониобий используют главным образом в черной металлургии для улучшения свойств стали широкого сортамента.
Важное значение имеют низколегированные стали, содержащие ниобий и молибден, для изготовления труб большого диаметра для газо- и нефтепроводов и в качестве конструкционного материала в автомобилестроении.
Низкоуглеродистые стали с 2..30 % Сг, содержащие ниобий являются важными техническими материалами. Среди них хорошо известны стали с 4..6 % и 8..10 % Сг модифицированные малыми количествами молибдена, эти стали применяют там, где требуется высокая прочность при высоких температурах и лучшая стойкость против окисления и коррозии, например для труб в нефтеперерабатывающей промышленности, для теплообменников, колосниковых балок, коллекторов и конструкционных отливок. Стали, содержащие 10..14 % Сг, часто применяют на силовых станциях и в химической промышленности, эти стали сохраняют достаточную закаливаемость при содержании углерода ниже 0,15 %. Из этих сталей обычно изготавливают лопатки паровых и гидравлических турбин, так как они обладают высокой демпфирующей способностью и стойкостью против коррозии. При менее 0,12 % С стали с 16..20 % Сг в основном ферритные и редко закаливаются с образованием мартенсита. Эти стали стойки против воздействия азотной кислоты, их используют для резервуаров, теплообменников, в химической промышленности. Ферритные хромистые стали, содержащие свыше 20 % Сг, обладают высокой жаростойкостью. Эти стали характеризуются сравнительно большой чувствительностью к надрезу при комнатной температуре, но хорошей вязкостью при высоких температурах. Ниобием легируют также жаропрочные, инструментальные и магнитные стали.
Аустенитные хромоникелевые стали, содеожащие ниобий наряду с высокими показателями предела прочности, пластичности и ударной вязкости как при обычных, так и при повышенных температурных режимах обладают значительной коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, что предопределило их широкое распространение в различных отраслях промышленности, в том числе при изготовлении агрегатов для нефтехимических и энергетических предприятий, при производстве ответственных деталей в авиационном, железнодорожном и автомобильном транспорте, в химическом машиностроении, при производстве медицинской аппаратуры, предметов народного потребления.
Диаграмма состояния сплавов Fe-Nb-C. Эггерс и Петтер изучали железный угол системы Fе-NЬ-С. Исследование влияния ниобия на железоуглеродистые сплавы производилось при температурах ниже 1050°C для содержаний ниобия в 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, и 2,0 % и содержания углерода в пределах 0,01..2,4 %.
На рисунке 4.1 даны разрезы диаграммы состояния Fе-Nb-С.
Рисунок 4.1 Разрезы диаграммы состояния тройной системы Fе-Nb-С: 1 – при содержании ниобия 0,2 %; 2 – при содержании ниобия 0,5 %; 3 – при содержании ниобия 1,0 %; 4 – при содержании ниобия 1,5 %
С увеличением в сплаве содержания ниобия наблюдается уменьшение г-области и расширение области г+Nb4С3. При 0,2 % Nb г-область распространяется до 0,54 % С, при 0,5 % Nb – только до 0,2 % С, при 1,0 % Nb она становится очень узкой, а при 2 % Nb на бинарном разрезе диаграммы гомогенная г-область исчезает.
На проекции пространственной диаграммы рисунок 4,2 перемещение эвтектической точки представлено кривой г1 г2.
Рисунок 4. 2 Проекция некоторых областей состояния на основании объемной диаграммы тройной системы Fе-Nb-С
Поэтому при содержании в малоуглеродистой стали свыше 0,5 % Nb получить однородный мартенсит после закалки не представляется возможным. При нагреве под закалку фигуративные точки сталей, в зависимости от их состава, попадают в одну из трех гетерогенных областей диаграммы: г-фазы и карбида ниобия Nb4С3, г-фазы и ниобида железа Fе3Nb2 или даже в узкую область г + Nb4С3 + Fе3Nb2, ограниченную двумя параллельными линиями.
Эти данные, взятые из диаграммы Эггерса и Петтера, совпадают с данными Фогеля и Эрганга. С увеличением содержания в стали ниобия б-область расширяется (рисунок 4.1). Точка, характеризующая максимальное ее расширение при 700°С, определяет начало появления в стали перлита.
При 0,2 % Nb перлит в стали образуется при 0,07 % С; при 0,5 % Nb перлит образуется примерно при 0,1 % С; при 1,0 % Nb начало появления перлита сдвигается к 0,20 % С, а при 1,5 % Nb – к 0,25 % С (рисунок 4.1). При соответственно меньшем содержании углерода, перлит в стали не образуется, и структура состоит из твердого раствора и химических соединений Nb4C3 и Fе3Nb2 – в зависимости от того, в какой области находится состав взятого сплава [9,с.117-127].
Источник