ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИОБИЯ

Окисление компактного ниобия в среде воздуха наблюдается начиная с температур 200...215 °С, о чем свидетельствует появление цветов побежалости. При температуре выше 550°С окисление проис­ходит с возрастающей скоростью с образованием оксида Nb₂O₅.

Рис. 87. Диаграмма состояния системы ниобий-кислород

Рис. 88. Растворимость

водорода в ниобии

В системе ниобий - кислород установлено существование трех стабиль­ных оксидов: Nb0, NbO₂ и Nb₂O₅.

Максимальная растворимость кислорода в ниобии при темпе­ратуре эвтектики (1915 °С) находится в пределах 4...9 % атомарных 0,72... 1,67 % (по массе). Для защиты ниобия и его жаропрочных сплавов от окисления используют различные способы, выбор кото­рых зависит от условий эксплуатации деталей и их конфигураций.

Компактный ниобий активно растворяет водород при температурах выше 300 °С. Растворимость водорода понижается с возрастанием тем­пературы и уменьшением давления водорода (рис. 88). Насыщению водо­родом соответствуют соединения, близкие по составу моногидриду NbН, однако отклоняющиеся от стехиометрического состава и отвечающие составу NbН_0,94 или несколько меньшему содержанию водорода. Водород растворяется в ниобии обратимо. Нагревание гидрированных металлов в вакууме при 800...900 °С приводит к полному удалению водорода.

Поскольку гидрированные металлы хрупки и легко измельчают­ся, способ гидрирования используют для получения порошков нио­бия из компактного металла.

9.4.5 КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА

Ниобий устойчив в минеральных кислотах любых концентраций при обычной температуре, но менее стоек или нестоек в концентриро­ванных соляной и серной кислотах при нагревании до 75…175 °С. Сле­дует отметить стойкость ниобия в царской водке при 20…100 °С.

В разбавленных растворах едкого натра (~ 5 % NaОН) при обычной температуре ниобий устойчив, однако при 100 °С – малостойкий. Он достаточно стоек в расплавах натрия и калия высокой чистоты при 1000…1300 °С, в литии—при 1000 °С. Присутствие примеси кислорода в ниобии выше 0,01% резко повышает скорость коррозии, добавки раскислителей (магний, титан, цирконий) – снижают ее.

9.4.6 СПЛАВЫ НИОБИЯ И ИХ СВОЙСТВА

Существенный интерес к ниобию как к новому конструкционно­му материалу с перспективой применения его в ракетной и атомной технике стал проявляться, по существу, лишь в последние годы. В связи с этим начали интенсивно развиваться исследования по изуче­нию свойств сплавов ниобия, а также влияния легирования на стой­кость ниобия к окислению при высоких температурах.

Ниобиевые сплавы находят все большее и большее применение в технике. Уровень научно-исследовательских работ в настоящее время позволил выпустить ряд промышленных сплавов на основе ниобия.

Наиболее распространенным методом получения литых ниобиевых сплавов является выплавка в вакууме в электродуговых печах. Сплавы ниобия с хромом, церием, алюминием и другими металлами с высокой упругостью пара получают в дуговых печах в нейтральной среде. Так как эти сплавы требуют высокого легирования в целях получения жаропроч­ных и жаростойких свойств, то при выплавке их возникает ряд трудно­стей. Одна из них состоит в получении однородного химического состава по сечению слитка. Обработка давлением ниобиевых сплавов более труд­на, чем нелегированного ниобия, вследствие их высокой прочности.

Среди сплавов на базе тугоплавких металлов VА и V1А-групп ниобиевые сплавы — самые многочисленные и распространенные. Существующие ниобиевые сплавы, применяемые в различных об­ластях техники, можно условно подразделить на три группы: конструкционные (жаропрочные), коррозионностойкие и прецизи­онные (с особыми физическими свойствами).

9.4.7 КОНСТРУКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

Химические составы отечественных конструкционных ниобие­вых сплавов представлены в табл. 45. В основном эти сплавы пред­назначены для изготовления различных деформированных полуфаб­рикатов (листы, прутки, поковки, штамповки, трубы и др.). Специ­альных литейных ниобиевых сплавов пока нет, для изготовления отливок используют те же сплавы, что и для деформированных по­луфабрикатов. Из конструкционных ниобиевых сплавов изготавли­вают различные детали и узлы, работающие в конструкциях при повышенных температурах - от 800... 1000 до 1250...1300 °С и выше. Основные легирующие элементы конструкционных ниобиевых спла­вов - молибден, цирконий, вольфрам. В отдельных сплавах к числу легирующих элементов можно отнести углерод (сплавы ВН-2АЭМ, ВН-3 и др.). Для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением) сплавы ВН-4 и ВН-5 раскисляют небольшими добавками РЗМ (редкоземельных элементов).

В зависимости от уровня прочностных свойств конструкцион­ные ниобиевые сплавы подразделяют на сплавы низкой, средней и высокой прочности. Такое деление в значительной степени услов­но, поскольку прочностные свойства сплавов при повышенных температурах существенно зависят от их структурного состояния. Тем не менее эта классификация отражает особенности их хими­ческого состава и, следовательно, механические и технологичес­кие свойства.