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创建时间:2008-08-02

元素符号Nb,钢灰色金属,在元素周期表中属VB族,原子序数41,原子量92.9064,体心立方晶体,常见化合价为+5、+4。

1801年英国化学家哈奇特(C.Hatchett)在分析矿石时发现了一种新元素,命名为columbium(钶)。1844年德国化学家罗瑟(H.Rose)宣称他发现了一种“新”元素,因其性质和钽(tantalum)相似,在自然界和钽共生,钽是按希腊神话人物Tantalus(坦塔罗斯)命名的,于是就按Tantalus女儿Niobe(尼俄柏)的名字,给新元素定名niobium。1866年确定钶和铌是同一个元素;1951年国际纯粹化学与应用化学联合会(IUPAC)决定将其名称统一为niobium(铌),但有些国家仍沿用columbium。

1866年布洛姆施特兰德(C.W.Blomstrand)首次用氢还原氯化铌得到金属铌。20世纪30年代开始,铌以铁合金(铌铁)形式用于炼钢和用碳化铌制造高速切削工具。第二次世界大战中,含铌的高温合金用于制作燃气轮机,此后还研究了铌合金的各种性能和用途。中国于60年代初建立铌冶金工业。

资源铌和钽的物理化学性质相似,在自然界矿物中多为共生。划分铌矿或钽矿主要是根据矿物中钽和铌的含量一般将含NbO:TaO大于20的矿物称为铌矿,含NbO:TaO为3~20的矿物称为铌钽矿,其他为钽矿。含铌矿物已发现有130种左右,其中最主要的是烧绿石[(Ca,Na)(Nb,Ta,Ti)O(OH,F)]和铌铁矿[(Fe,[hjm]n)(Nb,Ta,)O]其他还有褐钇铌矿[(Y,Er,Ce,Fe)(Nb,Ta,Ti)O],钽铁矿[(Fe,[hjm]n)(Ta,Nb)O],黑稀金矿[(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)O]和钛铌钙铈矿[(Na,Ce,Ca,Sr)(Ti,Nb)O]等。铌、钽酸盐的砂矿也有工业开采价值。世界上多数铌矿石的品位为0.2~0.6%,选矿后得到的标准铌精矿品位为50~65%(Nb,Ta)O。世界铌矿储量(以铌计)已查明的为760万短吨(1短吨=907.2公斤)。铌矿主要分布在巴西加拿大苏联和非洲一些国家。泰国和马来西亚的锡渣也是铌的一个来源。1979年世界铌矿的产量(以铌计)为2.3万短吨。中国具有工业价值的含铌矿物已发现有:铌铁矿、铌钽铁矿、褐钇铌矿、含铌钛铁金红石、易解石、烧绿石等以及一些含钽铌酸盐的砂矿,储量丰富。中国某些炼钢炉渣和熔炼锡渣也是提取铌的重要资源。

[铌的主要物理性质]

性质和用途铌的超导转变临界温度9.25K,原子的热中子吸收截面1.1靶恩,标准电极电势Nb/Nb0.96伏。

铌和钽的化学性质很相似,都是非常稳定的化学元素。铌对于很多腐蚀性介质在冷态或稍热的条件下不起反应。致密的铌在空气中只在温度高于200时才明显氧化。铌同氯于200、同氮于400、同氢于250才发生反应。常温下铌对许多种酸和盐的溶液都是稳定的,但溶于氢氟酸、氢氟酸和硝酸的混合酸以及浓碱溶液。铌有多种氧化物,最稳定的为五氧化二铌(NbO)。铌同氢生成固溶体和金属氢化物(NbH,NbH)铌对氢的吸收是可逆的,在加热和真空下又能将氢析出。氮化铌(NbN)为浅灰略带黄色的化合物,其超导转变临界温度为15.6K。

铌同一些原子半径小的元素如硼、碳、硅、氮等生成的化合物都具有很高的熔点和很大的硬度。铌同卤素生成卤化物、卤氧化物和络酸盐,其中重要的有:五氟化铌(NbF)、五氯化铌(NbCl)、三氯氧铌(NbOCl)、氟铌酸钾(KNbF7)和氟氧铌酸钾(KNbOFHO)。

铌以铌铁形式用于钢铁工业,消费量占世界铌消费量的85%以上,多用于碳素钢和高强度低合金钢。铌在钢中的主要作用是通过控制脱溶碳化铌的大小和分布,而达到提高钢的抗磨损性、抗腐蚀性、晶粒细化和脱溶强化,从而改善钢的性能。铸铁中添加铌能析出坚硬耐磨的碳氮化铌相,从而提高强度和延长使用寿命。铌在高温合金中的消费量占总消费量的10%左右。铌和铌合金可用作宇宙飞船及其重返大气层时的耐高温结构材料、原子反应堆的结构材料,并且用于制造石油和化学工业中的耐酸设备、热交换器和加热器等。含铌、镍、钴的超级合金(superalloy)可用于制作喷气发动机的部件。铌同钛、锡、锆、铝、锗的合金或金属化合物所形成的超导体具有重要意义,铌钛合金和铌锡化合物(NbSn)是目前已经应用的主要超导材料。铌在酸性电解液中也能形成阳极氧化膜,这种阳极氧化膜的性能虽不如钽的阳极氧化膜稳定,但由于钽的资源较少,所以,以一部分铌代替钽,用铌钽合金制造小型电解电容器,这种电容器已在民用电子产品中逐步得到应用,并有广阔前景。氧化铌可作高折射率的光学玻璃的添加剂。铌酸锂是一种优良的压电晶体,用于彩色电视滤波器和雷达延迟线等。铌酸锶钡单晶可制造激光通信装置的调制器。碳化铌可制造超硬工具和模具。二硒化铌粉可作电动机械和仪表装置的自润滑填充剂。1981年铌在美国各部门的消费比例为:交通运输32%,建筑工业31%,石油及天然气16%,机械工业11%,其他10%(见钽)。

铌的冶炼包括分解精矿、分离钽铌、制取化合物和金属、精炼等过程。铌的生产工艺流程与钽大致相同。金属铌的工业生产方法有碳热还原法、钠热还原法和铝热还原法。(见金属热还原)。

碳热还原法制取金属铌工艺流程见图[碳热还原法制取金属铌流程]。

将五氧化二铌和炭黑混合,在氢气氛中制得碳化铌:

NbO+7C[489-01]2NbC+5CO↑再将碳化铌同五氧化二铌混合,在真空下还原成金属铌:

NbO+5NbC[489-02]7Nb+5CO↑五氧化二铌还可用炭黑在真空下直接还原成金属铌:

NbO+5C[489-03]2Nb+5CO↑铌条经氢化破碎得铌粉,或经垂熔、电子束熔炼得铌锭。

钠热还原法用钠在950~1000下将氟铌酸钾还原成铌粉:

KNbF+5Na─→Nb+5NaF+2KF

铝热还原法将五氧化二铌用铝还原成金属铌:

3NbO+10Al─→6Nb+5AlO致密金属铌一般用铌粉压制的坯块在2100~2300下烧结,然后再用真空电弧、电子束或等离子束进行熔炼。高纯单晶铌可用无坩埚电子束区域熔炼法制备。

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