铌铁主成分为铌和铁的铁合金。它还含有铝、硅、碳、硫、磷等杂质。根据合金含铌量分为FeNb50,FeNb60,FeNb70。用铌钽矿生产的铁合金含有钽,称铌钽铁。真空冶炼铁基合金与镍基合金等用铌铁和铌镍合金做铌添加剂。要求气体含量低,有害杂质低,如Pb、Sb、Bi、Sn、As等均<2×10,故冠以“VQ”(真空质量),如VQFeNb,VQNiNb等。中国生产的铌锰铁合金(Nb10%~15%)用作低合金钢的合金剂与碳素钢的铌处理剂。
铌是高熔点金属,钢灰色,原子量为92.9064,外层电子结构4d5s,熔点2467℃,沸点4740℃,密度(20℃)为8.6g/cm3。图1为铁铌二元系平衡相图。有两个共晶点和一个MgZn2型的拉氏相εNbFe2。二个共晶点分别位于Nb11.6%、1360℃和Nb约55%、1560℃处。工业生产的铌铁(FeNb60)的熔化温度范围为1520~1600℃,密度约8.0g/cm3。
铌铁主要用于冶炼高温(耐热)合金,不锈钢和高强度低合金钢。铌在不锈钢和耐热钢中,与钢中的碳生成稳定的碳化铌。均匀地分布在钢的晶粒边界,防止高温下钢的晶粒长大,对钢的组织起细化作用,可提高钢的强度、韧性和蠕变性能。铌与碳的化学亲和力远远大于铬与碳,因此,当不锈钢中有铌存在时,可防止在钢的晶界析出碳化铬,因而提高钢的抗腐蚀能力。钢中的铌与氮生成稳定的氮化铌,提高了钢的表层抗腐蚀能力。钢中的铌与氧生成稳定的氧化铌,使钢的表面形成氧化铌薄膜,可阻止氧向内部扩散而起抗氧化作用。碳素钢添加Nb0.015%~0.05%,可起细化组织作用,使钢具有良好的成型性和焊接性能。铌对钢的奥氏体再结晶有强烈的阻止作用,使钢在较高的温度下,有效地控制轧制,而且控制轧制的强韧化效果十分显着。所以铌作为微合金元素在碳素钢中的用量大大增加。美国在微合金中的用铌量,在1959年仅占铌总消耗量的1.9%,而1988年上升为68%。
铌在高温合金中起固溶强化和碳化物沉淀强化作用,提高高温合金的屈服强度和表面稳定性。铌的重量是难熔金属中较轻的一种,也是高温合金大量使用的因素之一。铌镍合金作为镍基高温合金的添加剂,主要是生产718合金。永磁合金中加入铌,可提高合金的矫顽力性能。
铸铁中加入铌,有助于球化和珠光体组织的形成。起孕育和细化铸件组织的作用。铌可提高铸件在高温下的强度、韧性、硬度和使用寿命。电焊条用铌铁作为焊料组分,来提高焊接质量。
铌、钽稀有贵金属的用途及价值
铌是银白色高熔点稀有金属,钽是深灰色高熔点稀有金属,铌、钽具有熔点高(Nb2468℃,Ta2996℃),比重大(Nb8.66 g/cm3,Ta17.10 g/cm3),强度高,抗疲劳,抗变形,抗腐蚀,易导热,超导,单极导电及吸收气体等优良特性。
铌、钽广泛应用在电子、宇航、机械工业及原子反应堆中。
电子工业:用于制造无线电、雷达、X射线设备的零件;微型电容器 (用在火箭、宇宙飞船、人造卫星)、真空设备材料、受热元件(电子管阳极、栅极)、强力发射管、整流器、电子计算机记忆装置;超导合金制造大功率磁铁;铌酸盐、钽酸盐可作压电、光电材料。
铌、钽常做为添加剂,可生产多种合金,如热强合金、耐热合金、超硬合金、结构合金、磁性合金等;是制造原子反应堆结构材料和防护材料;制造火箭和导弹的喷嘴及切削工具和钻头等;各种合金钢在铁路、桥梁、管道、造船、汽车、飞机、机械制造等方面广泛应用,特别是在化工耐腐机械方面铌、钽合金可代替铂。
利用铌钽吸附性,可排除真空管的微量气体。铌、钽还可做有机合成的催化剂、人造丝拉丝模、光学玻璃等。另外,钽在外科医学上有特殊的用途,钽片、钽条,可代替骨骼、钽丝可作医用缝合线。