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铌真空烧结法精炼发表评论(0)编辑词条

  铌真空烧结法精炼(refining of niobium by vacuum sintering)

  铌粉在高温、高真空下除去部分杂质并生成致密金属的铌精炼方法。烧结精炼能达到金属致密化和提纯双重目的。在压力10uPa的高真空中烧结可以除去烧结体空穴中残留的气体、铌粉吸附或固溶的气体和一些金属杂质。铌真空烧结法精炼由铌粉压坯和铌坯条真空烧结两部分组成。钽真空烧结法精炼与铌基本相同。

  铌粉压坯将铌粉装入钢模型腔,通过模具对铌粉加压制成设定尺寸、密度和强度的坯条。铌粉具有良好的塑性,钢模压制时可不用润滑剂或仅用汽油润滑。将铌粉压制成截面为长方形或正方形的铌坯条,长方形铌坯条用于轧制带材,正方形铌坯条用于拉丝。铌坯条一般长600~700mm,截面积4~20cm2。成形压力依原粉性质而定,铌粉用100~200MPa;碳热还原法制取的铌条需先经氢化、细磨、真空加热脱氢等处理后,再用300~500MPa成形压力压制成坯条。截面积580小于20mm×20mm的铌坯条采用单向压制法,较大尺寸的铌坯条用双向压制法。为使铌坯条能直接固定在电极上,铌坯条的抗弯强度不得低于3MPa。

  铌坯条的配料制度对烧结精炼的提纯效果和金属锭的质量影响甚大。一般铌原粉含有较多的氧(0.1%~0.5%)、碳(0.1%~0.3%)以及硅、钛、铁等杂质。有效除去这些杂质的关键在于确保铌坯条中合适的碳氧比和杂质元素与氧的比例。为此,需要向原粉中配入一定数量的碳(石墨)或Nb2O2。为使碳能以CO形式被彻底清除,必须加入比化学计量值稍多的氧。铌粉的硅、钛等杂质也容易将铌氧化物还原成金属,并生成SiO、TiO,它们也可同时和c0一起脱除。此外,铌粉在1973~2273K温度下真空烧结时,会有部分低价铌氧化物挥发,故计算配氧量时要一并考虑生成SiO、TiO、CO等多方面的需要。配氧量不足,会降低碳、硅、钛等的脱除效果。配料不准时,在真空烧结中往往会引起铌坯条过熔或使铌坯条膨胀发脆。

  铌坯条真空烧结在高温、高真空下消除铌坯条中的孔隙使铌粉进一步结合形成致密金属的过程。为达到铌坯条致密化和提纯的双重目的,真空烧结需在10uPa或更高的真空中进行。由于致密化和提纯是同时在真空烧结过程中完成的,为此必须控制好铌坯条的加热升温速度,使铌坯条始终留有足够的孔隙,让杂质容易扩散到坯条的表面,并被真空泵排出炉外。过快的加热升温速度还会因铌坯条夹带气体产物而发生爆裂或起泡。抽气速率必须达到能维持烧结炉内压力低于真空烧结反应的平衡压力。坯条厚度一般不宜超过25mm。

  铌坯条在真空烧结过程中因发生脱气而得到提纯。如在直接电阻真空加热炉内进行真空烧结时,于373~573K温度下脱除铌坯条中的吸附水、残留于空气中的氧和氮以及铌粉在压坯时加入的残留润滑剂;于673~1073K温度下铌坯条开始脱氢;在1073~1273K温度下铌坯条从真空炉的残留气体中反吸氧和氮,这一吸气过程一直延续到2073K;于1373~1873K温度下铌坯条中的碱金属杂质开始以氧化物形式挥发脱除。随温度继续升高,铌坯条的氧化膜(Nb2O5)开始分解成金属铌和氧,分解出的氧和碳、硅激烈反应,生成SiO和CO挥发脱除,Nb2O5的分解持续到1873K。在大量CO、SiO等脱除后,当炉温超过1873K温度时,溶解在铌中的氧开始向铌坯条表面扩散,最后以杂质或铌的低价氧化物形式挥发脱除。脱氧过程约在2573K温度时完成,此时溶解于铌中的氮开始脱除。铌真空烧结法精炼在2573K温度下结束。在脱除铌坯条杂质的整个过程中,炉内残留气压必须低于0.13Pa。铌的真空烧结温度低于钽,残留杂质较多。氧的脱除会引起铌的损失。当铌坯条配料出现碳过量时,还需加入Nb2O5,以确保碳的完全脱除。

  铌坯条的密度随烧结温度升高而增加,细颗粒铌在1573~1673K温度下开始显著增大。随着杂质的大量脱除,铌的晶粒在高于2273K温度下迅速长大,至烧结终止形成粗粒多面体结构的致密金属。真空烧结所需时间和原粉粒径有关,碳热还原法生产的氢化铌粉约需7h。

  铌真空烧结多采用直接电阻真空加热炉,大尺寸和形状较复杂的铌坯条采用间接加热真空感应炉,后者的最高真空烧结温度一般较前者低1()()~300K,金属铌锭的纯度也较低。但间接加热真空感应炉的铌坯条受热均匀,所得烧结条比直接电阻加热真空炉的完整性好,成材率也高。表中列出了铌在真空烧结前后的杂质含量变化情7兑:从中可以看出,铌的真空烧结法精炼虽能得到有效的提纯,但还不能达到所需的纯度,尚需经电子束熔炼进一步提纯。

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标签: 铌真空烧结法精炼 铌粉 铌坯条

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