Свойства ниобия и ниобиевых сплавов

Температура плавления ниобия 2415° С, плотность 8,6 г/см³ (8600 кг/м³). Температура рекристаллизации ниобия составляет 1300—1400° С.

Для легирования применяют следующие основные добавки: молибден (до 10%), вольфрам (до 10%), цирконий (до 2%), тантал (до 10%), ванадий (до 2%), титан (до 2,5%). Особо вредными металлическими примесями являются кремний и железо.

Из ниобия и его сплавов изготовляют поковки для деталей, используемых при температурах 1100—1350°С. Ниобий находит все большее применение в реакторостроении, особенно для высокотемпературных атомных реакторов. Такому применению ниобия благоприятствует его высокая коррозионная стойкость и малое сечение захвата тепловых нейтронов, что очень ценно при покрытии ниобием тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах.

Детали из ниобия и его сплавов применяют также в самолетах, ракетах и химическом машиностроении. Особого внимания заслуживают конструкционные ниобиевые сплавы, имеющие высокую длительную прочность (до 14 кГ/мм² или до 137 Мн/м²) при рабочих температурах около 1345°С.

Заготовки из ниобия получают порошковой металлургией, дуговой и электроннолучевой вакуумной плавкой.

Порошковой металлургией получают спеченные заготовки сечением от 25 X 25 мм до 25 X 100 мм, длиной до 600—700 мм. Спекание осуществляют при температуре 2200—2300° С в вакууме.

В целях уплотнения металла заготовки после первого спекания деформируют обжатием до 20%.

Дуговой плавкой в вакууме с расходуемым электродом получали ниобиевые слитки с 1 % Zr, диаметром до 300 мм и весом (массой) до 225 кг. Для повышения чистоты металла иногда применяют двойную переплавку.

У отожженного металла дуговой плавки при 1371° С предел прочности 2,8 кГ/мм² (28 Мн/м²), а предел текучести - 1,96 кГ/мм² (19,6 Мн/м²).   

Основными неметаллическими примесями ниобия являются кислород, углерод, водород и азот. Порошковый ниобий при температуре около 500° С является хорошим геттером кислорода, азота и водорода. О роли температуры в насыщении ниобия кислородом можно судить по следующим данным: при температуре 540° С и длительном нагреве кислород диффундирует на глубину 0,1 мм, а за то же время при температуре 1090° С — на глубину 2,5 мм.

Примеси снижают пластичность ниобия, но различное сочетание примесей влияет на пластичность неодинаково. Например, металл, содержащий после дуговой плавки 0,02% углерода, 0,14% кислорода, 0,031% азота, можно ковать вхолодную. С ростом содержания кислорода до 0,25% и азота до 0,04% при том же содержании углерода 0,02% ниобий не поддается холодной ковке. С повышением содержания кислорода наряду со снижением пластичности возрастает твердость и предел прочности ниобия.

Разделку исходных материалов на заготовки и обточку слитков производят резцами из быстрорежущей стали с окружной скоростью не менее 30 м/мин и подачей 2—3 м/мин. Резание с большими скоростями исключает налипание металла на инструмент.

Во избежание газонасыщения металла, снижающего пластичность, ниобий перед нагревом обязательно обтачивают и заключают в оболочку из стали, никеля или молибдена. Если первой операцией ковки будет вытяжка, то особенно тщательно надо обработать торцы слитка для предотвращения растрескивания.

Нагрев ведут в вакууме или в нейтральных атмосферах (гелий, аргон). Ниобий можно нагревать до 1093° С и на воздухе, однако скорость нагрева в этом случае должна быть увеличенной. Медленный же нагрев способствует значительному насыщению кислородом, ведущему к охрупчиванию металла.