宝鸡铌棒厂家谈铌合金材料的性能与加工特点

铌的基本性质

铌在熔炼铸锭和添加其他元素形成合金时，以及深加工过程中的挤压、锻造、轧制、冲压成型、表面防护、以及焊接技术与铌及铌合金材料的物理性质，化学性质、组织结构及力学性质有着相应的密切关系。

1、铌的物理性质

铌是元素周期表第V族副族元素，符号Nb，原子序数41，高熔点金属之一，铌的熔点2469±10℃，沸点4840℃，归类于难熔金属。铌本身呈钢灰色，质硬同时具有延展性，铌的密度8.66g/cm3，原子半径0.145nm。金属材料冲压成型在是外力作用下，利用压力轧机、旋压机或其他设备对板材施加压力，使材料发生塑性变形，以获得不同形状和尺寸零件的一种金属塑性加工方法，涉及到材料的晶型。铌具有体心立方晶型，结构类型为A2，有48个滑移系，并且延性-脆性转变温度(DBTT)很低，小于150℃，塑性变形能力优良，很容易生产成各种尺寸和形状的产品。以铌板材为例，铌箔材厚度最薄可以轧制到0.01mm，并且0.1mm的铌带材，可以利用模具冲压成直径2mm的杯状，被应用与LED光源的阴极材料。

铌作为高熔点的难熔金属材料，铌及铌合金常常被应用在高温条件下，并且应用温度经常在1000℃以上，因此铌在高温下的热导率和热膨胀系数对铌材料在实际应用中有很大的影响。铌的热导率和热胀系数分别如表1-1、表1-2所示。从图1.1中看出随着温度升高，铌的热导率几乎成正比例增加。铌的热膨胀系数随着温度变化可以分为两段，在800℃以上，热膨胀系数突然增加，并且随着温度升高逐渐增大。

2、铌的化学性质

铌是非常稳定的金属，与钽的化学性质十分接近。真空条件或者经过涂层保护下，铌具有良好的高温性能，但在大气环境中，它的高温性能受到严重挑战。铌被广泛应用的航空、航天、原子能工业等领域，对材料在大气中使用的温度要求超过了1050℃甚至达到1800"C，这对铌及铌合金的抗氧化性提出很高的要求。在温度低于200℃的情况下，铌不会受到各种气体的影响，但是当温度在200℃左右时，铌就开始慢慢氧化，这时铌与氧反应，在表面形成一层保护性氧化膜，当温度达到550℃时氧化反应加快生成Nb2O5白色粉末。铌与氧反应一般会生成三种稳定的氧化物Nb2O5、NbO2和NbO。铌在250℃时开始吸收氢元素，生成间隙固溶体，使其脆化，塑性变差。间隙元素碳、氮、氢、氧对铌的性影响十分明显，他们含量过高，铌的强度会迅速增加，塑性却迅速下降。

在较低温度下，铌与氧反应使其表层氧化膜厚度增加，形成保护性氧化膜，接着氧化速度减慢，其反应速度降低，铌这种复杂的氧化过程与它氧化产物的多晶体系转变过程有关，铌在低温下各个不同温度的空气中的氧化状态如表1-3所示。表1-3中列出了铌在400℃附近，保护性氧化膜逐渐形成显微气泡并且转变成非保护性氧化膜；当温度高于500℃氧化速度迅速提高，氧化成正比例直线关系，如图1.1所示。

铌的高温耐酸腐蚀性仅次于钽，常温下铌在许多无机盐、有机酸、矿物酸及其水溶液中十分稳定，但是抗碱性差，氢氟酸、氢氟酸加硝酸的混合酸能够侵蚀。铌在各种化学介质中的抗腐性能如表1-4所示。

3、铌的力学性能

铌的力学性能是铌在外力作用下所显示的弹性和非弹性反应相关或涉及应力一应变关系的性能，是铌材料冲压成型加工最令人关心的指标。反应铌板材冲裁性能的特征值有：屈服强度、强度极限、硬度、延伸率、断面收缩率、加工硬化指数、弹性模量等。它可以归纳为以下几类参数：①塑性参数，包括伸长率、断面收缩率、爱力克辛值等；②变形抗力参数，它是材料在外力作用时抑制开始产生塑性变形的能力，主要参数有抗拉强度、抗压强度和抗剪强度；③屈服强度参数，它是材料开始塑性形变时所需应力；④弹性模量参数，它是构件刚性的表征，刚性越大，拉伸件弹性变形越小：⑤硬度参数，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。

铌在室温下的泊松比为0.38，再结晶热处理后铌板弹性模量在不同温度下如表1-5所示，铌的硬度随温度变化如表1-6所示。

4、铌的可加工性

铌在不同状态下(如铸态、加工态、退火态、烧结态等)有不同的微观组织，因而其力学性能差异显著。比如铌板材在室温下，冷加工态的抗拉强度在550～689MPa，延伸率5%~15％；进行热处理后，退火态的抗拉强度为310～379MPa，延伸率15％~40％，由于力学性能在热处理前后的变化很大，材料的可加工性能必然相差很大。在检验板材冲压成型性能的三种实验方法中，金属学实验室其中之一，材料的结晶方位，晶粒度是重要实验内容，在反应整修性能的材料特征值方面，材料的组织性能是主要考虑的一个方面。

通常情况下三种实验方法可以获取材料的热变性参数，以此可以评价材料的加工可能性。

1）高温拉伸实验，高温拉伸试验很容易完成，并且得到材料在不同温度下的强度和延性(延伸率和断面收缩率)。拉伸试验中很难控制应变率，出现缩颈后样品为不均匀形状，限制了要达到的应变量，导致断裂前的应变量的不确定性，因此拉伸试验数据评估可加工性受到限制。

2）扭转实验，扭转中的变形为纯切变，在大应变时都无缩颈问题，应变率直接与转速对应容易控制，并且没有摩擦贡献。扭转过程中，特别是大应变时，材料会有过度的再取向，这与塑性加工过程是不符的，因此扭转实验数据评估材料可加工性也受限制。

3）热压缩试验中如果使用特定润滑可是均匀变形保持到大应变，压缩应力状态最接近于锻造、挤压、轧制过程的条件。在热压缩实验中采用“不变应变率压缩”可以获得“有限元”法所需的流变应力数据和可深加工性数据以建立加工图，以此热压缩实验在评价材料可加工性中被优先采用。