铌和铌合金在腐蚀上的应用

1 引言
1.1 一般应用
铌及其合金在工业中应用广泛。最广泛的应用是作为钢中的微合金化元素（形成碳化 物）。另外，还添加到镍基高温合金中，如 Inconels 系列合金和 Rene 95 高温合金等。它主 要通过形成固溶，碳化物析出和形成有序相来强化。
当要用于高温环境，又要确保强度时，可用铌来代替钨或钽等重金属元素。铌合金在这 方面的应用可以分为三类：低强度，如 Nb-1Zr；中等强度，如 C-103 和 C-129Y；高强度， 如 Cb-752,WC-3009, 和 FS-85 等。在这些应用里，蠕变强度和高温抗氧化涂层是主要考虑 的问题。
1.3 铌合金
已经发现铌合金在防腐方面的许多应用。主要合金有 Nb-1Zr 和 Nb-55Ti。纯铌用于结 构件太软时，可用 Nb-1Zr 合金。正如前面提到的，主要的应用例子是用于盛高温液态钠或 钠蒸汽灯。Nb-55Ti 被用于在高压高浓度氧气环境中过滤金和镍的高压设备。铌合金在这种 环境下还有阻燃的作用。
别的应用主要是与核聚变相关，铌作为一种合金元素和锆一起共同提高容器在蒸汽或热 水环境下的强度和抗蚀能力。俄罗斯 VVER 反应堆用 Zr-1 Nb 包覆燃料。俄罗斯已经设计出 E-610 合金。另外还为反应容器设计了 M5 合金，因为燃耗时散热剂有很高的温度。M5 合 金突出的特点是在高温高压和含示踪氢氧化锂水中有很强的抗腐蚀性能。另外，一种锆-铌 合金 Zr-2.5Nb 也可用于核反应堆。加拿大 CANDU 反应堆中水平方向压力管由于需要抗挠 及对重水耐蚀，所以采用 Zr-2.5Nb 合金，此类压力管用于燃料集结和输送散热剂（重水）。
另一类铌合金通过加钽用于防腐。在这种情况下铌主要是稀释钽以降低成本。铌的密度 是 8.075g/cm3,与密度为 16.65 g/cm3 的钽相比意味着相同的质量合金有更大的体积。由于这 些金属主要以重量出售，加入了更便宜的铌能降低纯钽的价格。Robin 和 Rosa（16）做了许 多铌和 Nb-Ta 合金在热盐酸和磷酸溶液中的实验。
1.4 氧化层结构
象别的活性金属，铌的防腐能力归因于易于形成粘连的钝化膜，这层氧化膜可以由
NbO,NbO2,Nb2O5 或三者的混合物组成，这层氧化物薄膜能在还原条件下以更低的价态存在， 因此铌形成氧化膜是有条件的，依赖它接触的媒介。这种氧化物存在于介质中间将改善铌的
防腐能力。
这种非晶态的铌氧化膜仅只有几纳米厚。它们有如下反应（18）：
图 1 用于醋酸干燥管蒸发生产线上的直径 46cm 铌防爆膜 铌和液态金属如钠，钾，锂，和铀等有很好的兼容性。铌目前已应用于钠蒸汽灯，这是 因为它对汽态和熔化状态的金属钠有抗腐蚀性能（10）。Nb-1Zr 支架能支撑加热到 875-925 ℃的金属钠（11）。 表 1 比较了在多种介质中铌和锆，钽，钛的防腐蚀能力。当扩大容器容量或改变结构时， 应特别注意要对其特定的溶液进行试验。特定条件下的试验数据很有可能与文献中的不一 样。 请注意参考两个较全面的资料，ASM 金属手腐蚀部分（12）以及 Wah Chang’s 铌手册 （13）。这些资料深入的阐述了铌和铌合金在许多介质中的腐蚀行为。
铌普遍应用于硝酸设备的冷凝器, 热交换器等（3）。铌也用于需要强的耐蚀性的制药业 （4）。
铌应用于原油钻探设备，轮船外壳，桥梁和地下储罐等的阴极保护设备已经有二十多年
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了（5，6）。在阴极保护设备中，可用铂包铌作为阳极。当施加电流时，防腐结构成为阴极， 从而达到保护结构的目的。为防止结构材料发生电化学腐蚀牺牲阳极是一种相当经济有效的 方法。在纯净水设备中铌是很好的阳极。这种电化学系统可将七种不同的水处理过程集成为 一个自控单元中（7）。
92.9064 8.57g/cm3
2750K 5017K 7.1*10-6/K 15 microhm-cm 2300J/(gK) 52W/(mK) 体心立方
退火
冷加工
硬度/HV Poisson 率 应变硬化指数 弹性模量/Gpa 韧脆转变温度/K 再结晶温度/K
表 3 铌的机械性能 抗拉强度/Mpa 屈服强度/Mpa
2 铌的加工性质
铌的加工性能类似钽。常用于热交换机，反应容器，热电偶，安全膜和管线。由于铌价 格极高，通常只做设备的衬里。Nb-1Zr 合金比纯铌的屈服强度提高 50%，并且在许多溶液 中有与纯铌相当的防腐蚀能力。铌可以用通常的工艺加工。然而，由于极易起毛，加工时需 要特别注意刀具的角度和润滑。在成形工艺中，铌也容易粘连模具。为了避免这种情况发生， 在高压成形加工时需要考虑用特殊的润滑剂和模具材料（13）。
Lupton 等（17）曾报道 Nb-Ta 合金在沸腾的 70%H2SO4 中的腐蚀实验结果。富钽合金 随着暴露时间的延长显示腐蚀速率降低的特性，这与纯钽性质一样。但 Nb-50Ta 和 Nb-40Ta 合金的实验结果显示腐蚀速率不变或增长。随后又有报道，Nb-40Ta 富钽合金腐蚀速率要比
3
一种单一的铌和钽的混合物要低很多，单一混合物的腐蚀速率与铌的活性成正比例的。因此 设想，Ni-40Ta 能在的 70%H2SO4 中服役。
2.2 钻
磨成一般角度的标准高速钻头都可用来加工铌。然而，外表部位极易磨损，因此加工时 要确认钻头直径未被磨损。
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表 4 刀具使用建议
接近角/度
15~20
Side Rake/度
30~35
间隙角
边部/度
5
顶端/度
5
后角/度
15~20
尖脚半径/mm
0.50~0.75
切削速度/m.min-1
高速钢刀具
5~25
氧化层也能防止氢的渗入。单原子氢容易被裸露的金属吸收，如果氧化层在水溶液中失
去保护作用，铌将会由于氢的溶入而脆化。
1.5 铌的性质
铌 是 一 种 软 的 塑 性 极 高 的 金 属 。 在 非 退 火 条 件 下 可 进 行 90% 的 冷 变 形 ， 其 密 度 （8.75g/cm3） 是钽的一半，相对于高熔点金属来说不算高。纯铌能通过加入 Zr,Ti 和 Hf 强 化。
Nb+H2O→NbO+2H++2e-
（1）
NbO+H2O→NbO2+2H++2e-
（2）
2NbO+H2O→Nb2O5+2H++2e-
（3）
铌很容易与水反应生成一种铌的氧化物，如果能象在纯水或力会很好。在含氟离子的 H2SO4 和 HCl 复合的溶液中， 铌的腐蚀行为由氧化层的溶蚀决定。
2.6 惰性气体保护钨极电弧焊
铌可较好的适用于惰性气体保护钨极电弧焊（GTAW）工艺。焊接时必须用惰性气体保 护熔铸部位和热影响区以避免污染。这种保护必须包括焊接表面的正反面。焊接背面可以用 氩气从多个方位喷射来保护，在下面主缝焊过后，热的焊缝区还要进行气体保护。
当铌在高温时暴露在空气中，会形成相对很厚并且很难出掉的氧化膜，并且这层膜与基 体结合牢固。只要工艺正确，用惰性气体保护就可以使焊接不受污染。
在湿氧化过程中 Nb-55Ti 还可增加废水中有机物降解能力。LOPROX(14)工艺要求材料 能在 200℃和 20bar 压力下往酸化的废水中注纯氧。纯钛有足够的抗腐蚀能力，但是它在上 述的条件下会自燃。加入铌减小了自燃的倾向并且改善了抗腐蚀能力。Nb-55Ti 已经用于氧 气喷嘴，最近也有了表面镀 Nb-55Ti 涂层的压力容器。
2.1 车削
在车床上加工用高速工具是最好的手段。为了冷却和润滑，空气，可溶油，Rapid-TapTM 或别的合适产品均可使用。车削铌非常类似于铅或软铜。刨花须成片状滑脱刀具。一旦金属 堆在一起，刀刃极易损坏。
4
性能 原子重量
密度 熔点 沸点 热膨胀系数 电阻 比热 导热率 晶体结构
表 2 铌的物理性能 数值
铌也可以应用到镀铬钢板生产中，耐热铬酸的蒸发器就是用铌制造的（8）。铌具有在铬 酸环境中的防腐能力，即便是其中含有少量的氟化物。在其他的环境，如溴化物，铬电镀水 溶液和过氢氧化物中，铌也有潜在的应用前景。
过去几年中，在化学工业中铌成功用于安全膜（9）。比选用其他材料（如钽），安全膜 的成本能大幅度降低。
铌和铌合金在腐蚀上的应用
Ronald A. Graham and Richard C. Sutherlin Wah Chang，An Allegheny Technologies Company 1600 Old Salem Road,NE,Albany,OR 97321-4548
摘要：多年来铌和铌合金广泛应用于工业和产品之中。如钢和活性金属用铌合金化；做阴极 保护用的阳极；应用于超导、火箭喷嘴、航天器铆钉、钠蒸汽灯、珠宝、矿石高压氧化用的 氧枪；另外还有在化学工艺中的应用。在过去的 10-15 年里，铌越来越多的应用于化学工艺 过程，因为在许多环境里，铌显示了极好的抗腐蚀的性能。利用铌合金的主要化学工艺涉及 盐酸，硝酸，硫酸，铬酸，有机酸，盐和液态金属。本文将介绍在各种环境里铌的抗腐蚀的 性能。不但介绍铌及其合金目前的应用，还将展望其未来的发展前景。
铌在超导方面也有了更进一步的应用（1，2）。Nb-47Ti 超导合金可制成包铜导线，应用 于磁性振子成像磁铁和高能物理方面，如磁性探测器和磁束处理器件。未来可能的应用还有 聚变反应堆用磁屏蔽铌基导线/电缆；如高能物理设备中空腔谐振子器里的高纯铌基超导体 等。
1.2 防腐应用
铌和铌合金在许多腐蚀环境中都有极佳的抗腐蚀能力。这些环境包括矿物酸（无机酸）， 大多数的有机酸，液态金属和大多数的盐。最近已经考虑将铌应用于盛盐酸的容器钢中。铌 对一些含氟化物溶液也有抗腐蚀作用，在活性金属中这是独一无二的。
硬质合金刀具
75~90
喂刀量
粗车/mm
0.25+/-0.05
精车/mm
0.125max
切入深度/mm
1~3