碳化铌

碳化铌，黑色立方系晶体或紫灰色粉末；属于氯化钠型立方晶系；不溶于冷热盐酸、硫酸、硝酸，仅溶于热的氢氟酸与硝酸的混合溶液；具有熔点高（3500℃）、硬度大（显微硬度＞235GPa，比刚玉还硬），化学稳定性好（在1000~1100℃下稳定，在1100 ℃以上迅速氧化成五氧化二铌）等特性；易熔于碳化钛、碳化锆、碳化钨等化合物中，生成类质同晶的固溶体，因此可用来制造金属陶瓷、耐热合金和硬质合金；可作为硬质合金的添加剂，显著提高了硬质合金的热硬度及抗热冲击、抗热压、抗氧化的能力；而用其制作的切削工具也具有良好的热硬度、抗热冲击和抗热氧化等性能；同时由其制备的复相材料也已广泛应用于聚变堆、机加工、冶金、航天等领域。 本信息是由Chemicalbook的丁红编辑整理。（2015-09-09） 1.五氧化二铌碳热还原法
在高温、真空或惰性气体保护下，五氧化二铌与碳进行碳化反应生成碳化物。工业上通常以五氧化二铌和炭黑为原料制备碳化铌，先将五氧化二铌和炭黑按照比例配成碳化料，使其充分混合后装入石墨坩埚中，放入碳化炉于惰性气体或真空条件下加热至1600~1800 ℃，进行第一次碳化，然后再补加炭黑并充分混合，再放入碳化炉于惰性气体或真空下加热至1800~1900 ℃，进行第二次碳化，即得碳化铌产品。主要反应式如下：
Nb2O5+C＝2NbO2+CO
NbO2+3C＝NbC+2CO
这种方法的缺点是五氧化二铌粉末与炭黑（或石墨）粉末混合不均匀，且炭黑（或石墨）粉末的活度较低，使五氧化二铌反应不完全，最终成为产物的杂质。另外，残存在碳化铌粉末中的炭黑（或石墨）粉末活性低，脱碳时需较高温度（＞600 ℃），才能使碳在氧化气氛中生成一氧化碳或二氧化碳脱除，而温度越高粉末中的氧含量越高，以致碳化铌粉末的质量下降。
2.金属铌碳化法
此法将铌氧化物（Nb2O5或Nb2O3）经氢气还原制得的铌粉或氢化铌粉，与炭黑按等摩尔比配料，经充分混合后，在真空或惰性气体保护中加热至1600~1700℃，使其直接碳化得碳化铌。主要反应式如下：
2NbC+C＝Nb2C
Nb2C+C＝2NbC
这种方法的优点是生产效率高，缺点是所生产的碳化铌颗粒粗大，残余物中碳含量高。
3.化学气相反应法
此法以五氯化铌蒸气、氢气及甲烷的混合气体为原料制备碳化铌。将五氯化铌蒸气和氮气的混合气，通过电加热温度达1000℃以上的钨丝，使钨丝表面形成金属铌层，然后继续通电使其温度升高到1300℃，再通入甲烷和氢气的混合气体，使铌碳化成碳化铌沉积在热钨丝的表面而成产品。主要反应式如下：
NbCl+5/2H2＝Nb+5HCl
Nb+CH4＝ NbC+2H2
此方法的优点是粉末团聚少、分散性好，缺点是生产成本高。
4.辅助金属浴法
此法使用钴作为辅助金属，铌与钴按１∶２的质量比组成金属浴，装入纯石墨坩埚，在通氩气流的塔曼炉中加热至1800℃（1h内完成）并保温，冷却2~3h 至室温后用浓盐酸将钴溶解除去，得到粒度为100~200μｍ的粉末状NbC，含结合碳11.3%、游离碳0.3%。用此法制得的NbC与TaC情况相同，杂质特别是氧和氮的含量低（均低于0.01%）为其特征。
5.反应球磨法
反应球磨法是利用金属或合金粉末在球磨过程中，与其他单质或化合物之间发生化学反应而制备出碳化铌产品。反应球磨法的主要设备是高能球磨机，主要用来制备超细晶碳化铌产品。
6.超细碳化铌的制备方法
（1）先将五氧化二铌一次碳化后的碳化物进行球磨、过筛等，再在真空中进行第二次碳化，取样分析后得到成品。
（2）将浆状氢氧化铌经压缩后在180~250℃下烘干6~12h 以去除水分，得到粒度为20~90nm的氢氧化铌粉末；然后将其与炭黑按照质量比1:(0.225~0.235) 均匀混合，在真空炉内碳化，控制碳化温度在1280~1350 ℃并不断抽真空；当真空度达到10~12Pa时结束碳化过程，冷却12~16h，出料球磨即得费氏粒度小于0.8μm的碳化铌粉末。真空碳化过程中主要发生以下两个反应：
2Nb(OH)5＝Nb2O5+5H2O
Nb2O5+7C＝2NbC+5CO２
（3）机械合金化法：以铌粉和石墨为原料，在球料比30:1、球磨转速300r/min、球磨20h的条件下，成功制备出超细碳化铌粉末。实验中添加1.5%作为过程控制剂，使碳化铌的合成时间缩短了10h；同时，添加过程控制剂球磨得到的粉末粒度更加均匀。 1.在复合材料中的应用
（1）复相陶瓷
作为复相陶瓷材料的原料之一，所制成的复相陶瓷材料以其高硬度、高熔点、优良的化学稳定性和导电性，常被应用于耐磨部件、切削刀具和电极等领域。
（2）硬质合金
不但可作为硬质合金晶粒生长的抑制剂，而且能与其他碳化物一起形成除WC和Co之外的第三弥散相，显著提高硬质合金的热硬度及抗热冲击、抗热压、抗氧化的能力。碳化铌由于具有提高合金的硬度，改善合金的断裂韧性等优点，故可用来制备切削性能优异的硬质合金刀具材料。
（3）堆焊焊条
坚硬的碳化铌硬质相进入堆焊层组织中，使焊层具备了较好的耐磨骨架，耐磨性大大提高。这种焊条堆焊的耐磨合金，其耐磨性比淬火45号钢（HRC50）高1.2~1.8倍，比Fe-Cr-C-B型耐磨合金高2.4~3.6倍。同时，耐磨堆焊层施焊时无需预热，可在工件表面堆焊，表面产生的细小裂纹能够释放堆焊层应力且不会向母材内扩散。
d.钢铁强化相在炼钢的过程中加入微量的碳化铌，可达到沉淀强化和细晶强化的效果，从而提高钢材的综合机械性能。
（4）宇航部件
用作涡轮转子、燃气舵、叶片、发动机喷管内衬以及核反应堆的结构件等许多航天设备的零部件的制备材料。
2.在涂层材料中的应用
（1）模具钢表面涂层
碳化铌作为金属碳化物，具有很高的硬度、耐 热 强 度 和 耐 磨 性。因此将其涂在钢材表明可以提高模具表面耐磨性。
（2）金属工件涂层
在金属工件基体表面复合碳化铌层，使其表面硬度大大提高，可达到HV2800以上，同时提高了工件的工作温度和组织致密度，从而延长其使用寿命。
通过化学液相沉积处理可在铸铁活塞环表面实现碳化铌镀层，此镀层与基材结合牢固；这种镀层活塞环既具有良好的口袋形储油构造，又兼具高硬度的优点，可显著降低无润滑介质及柴机油润滑时的滑动摩擦系数，大大提高其耐磨性，同时可降低柴油机的摩擦损失，改善柴油机性能。
（3）其他碳化铌涂层
航天器高温部件采用碳化铌涂层，可使其使用寿命显著提高。在电子工业方面，电子发射管的中间层材料采用超细含钴碳化铌，对提高栅极表面的辐射率、降低栅极温度和减少栅极热发射均有显著作用，从而延长电子发射管的寿命。
3.在金属铌生产中的应用
我国主要采用间接还原法生产金属铌，先将产出的碳化铌用作还原剂，与五氧化二铌作用生成粗金属铌，再进行精炼制成纯度较高的金属铌。除此之外，碳化铌还可直接还原五氧化二铌而生成纯金属铌。 碳化铌为绿色立方结晶，有金属光泽，属氯化钠型立方晶系。相对密度8.47，晶格常数a=0.447nm,熔点2300℃。显微硬度＞235 Gpa(＞2400 kg/mm²)，比刚玉还硬。弹性模量338000 N/mm²，热膨胀系数6.65×10^-6/K，热导率14 w/(m?K)，生成热-140.7 kJ/mol，比热容36.8 J/(mol?K)，电阻率35μΩ?cm。不溶于冷热盐酸、硫酸、硝酸，溶于热的氢氟酸和硝酸的混合溶液。在1000～1100℃下稳定，在1100℃以上则迅速氧化成五氧化铌。碳化铌易熔于碳化钛、碳化锆、碳化钨等化合物中，并一起生成类质同晶固溶混合物。 作为碳化物硬质合金添加剂，它是三元、四元碳化物固溶物组分，如WC-NbC-C三元系等。也可作紫色人造宝石。 与碳化钨和碳化钽配合制超级硬质合金。 制备或来源：由铌与碳直接化合或由五氧化二铌用碳还原得。 五氧化二铌还原法工业上通常以五氧化二铌和炭黑为原料制备碳化铌：首先将五氧化二铌和炭黑按比例配成碳化料，使其充分混合，将其装人石墨坩埚中，用高频电炉在氢气或真空条件下加热至1600～1800℃，进行第一次碳化，然后再补加炭黑，使其充分混合，再于氢气或真空下加热至1800～1900℃，进行第二次碳化，即得碳化铌。
直接法以金属铌和炭黑为原料来制备碳化铌：将金属铌粉和炭黑按比例配合，经充分混合后，在真空或氢气中加热至1600～1700℃，使其直接碳化即制得碳化铌。
气相反应法以五氯化铌蒸气、氢气及甲烷的混合气为原料，制备碳化铌：将五氯化铌蒸气和氢气的混合气，通过以电加热的、温度达1000℃以上的钨丝上，这时在钨丝表面形成金属铌层，再继续通电使温度升至1300℃，再通入甲烷和氢气的混合气，使铌碳化成碳化铌而沉积在热钨丝的表面，即为产品。