12069-94-2
中文名稱
碳化鈮
英文名稱
Niobium carbide
CAS
12069-94-2
分子式
CHNb
分子量
105.93
MOL 文件
12069-94-2.mol
更新日期
2025/01/09 14:56:40
12069-94-2 結(jié)構(gòu)式
基本信息
中文別名
碳化鈮碳化鈮
碳化鈮, 99+% (METALS BASIS)
英文別名
NIOBIUM CARBIDECOLUMBIUM CARBIDE
Niobium monocarbide
niobiumcarbide(nbc)
Niobium(IV) carbide
SILICON, PIECES, 99.95%
Niobium carbide, 99+% (metals basis)
所屬類別
無機化工產(chǎn)品: 無機鹽: 其他無機化合物物理化學(xué)性質(zhì)
外觀性狀碳化鈮為綠色立方結(jié)晶，有金屬光澤，屬氯化鈉型立方晶系。相對密度8.47，晶格常數(shù)a=0.447nm,熔點2300℃。顯微硬度＞235 Gpa(＞2400 kg/mm2)，比剛玉還硬。彈性模量338000 N/mm2，熱膨脹系數(shù)6.65×10-6/K，熱導(dǎo)率14 w/(m?K)，生成熱-140.7 kJ/mol，比熱容36.8 J/(mol?K)，電阻率35μΩ?cm。不溶于冷熱鹽酸、硫酸、硝酸，溶于熱的氫氟酸和硝酸的混合溶液。在1000～1100℃下穩(wěn)定，在1100℃以上則迅速氧化成五氧化鈮。碳化鈮易熔于碳化鈦、碳化鋯、碳化鎢等化合物中，并一起生成類質(zhì)同晶固溶混合物。
熔點3500°C
沸點4300°C
密度7.6 g/mL at 25 °C(lit.)
溶解度insoluble in H2O, acid solutions
形態(tài)粉末
比重7.6
顏色白色
電阻率 (resistivity)51.1–74.0 (ρ/μΩ.cm)
水溶解性Insoluble in water.
晶體結(jié)構(gòu)Cubic, NaCl Structure
EPA化學(xué)物質(zhì)信息Niobium carbide (NbC)(12069-94-2)
制備方法
方法1
五氧化二鈮還原法工業(yè)上通常以五氧化二鈮和炭黑為原料制備碳化鈮：首先將五氧化二鈮和炭黑按比例配成碳化料，使其充分混合，將其裝人石墨坩堝中，用高頻電爐在氫氣或真空條件下加熱至1600～1800℃，進行第一次碳化，然后再補加炭黑，使其充分混合，再于氫氣或真空下加熱至1800～1900℃，進行第二次碳化，即得碳化鈮。直接法以金屬鈮和炭黑為原料來制備碳化鈮：將金屬鈮粉和炭黑按比例配合，經(jīng)充分混合后，在真空或氫氣中加熱至1600～1700℃，使其直接碳化即制得碳化鈮。
氣相反應(yīng)法以五氯化鈮蒸氣、氫氣及甲烷的混合氣為原料，制備碳化鈮：將五氯化鈮蒸氣和氫氣的混合氣，通過以電加熱的、溫度達(dá)1000℃以上的鎢絲上，這時在鎢絲表面形成金屬鈮層，再繼續(xù)通電使溫度升至1300℃，再通入甲烷和氫氣的混合氣，使鈮碳化成碳化鈮而沉積在熱鎢絲的表面，即為產(chǎn)品。
應(yīng)用領(lǐng)域
參考質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
參考標(biāo)準(zhǔn)▼
▲
牌號
總碳/%
雜質(zhì)含量/%，≤
游離C
N
Ta
W
Mo
Ti
Si
Mn
FNbC-1
11.0-12.0
0.10
0.03
0.2
-
-
-
0.005
0.005
FNbC-2
11.0-12.0
0.10
0.05
0.3
0.005
0.005
0.005
0.005
0.01
FNbC-3
10.8-11.5
0.15
-
-
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
常見問題列表
概述
碳化鈮，黑色立方系晶體或紫灰色粉末；屬于氯化鈉型立方晶系；不溶于冷熱鹽酸、硫酸、硝酸，僅溶于熱的氫氟酸與硝酸的混合溶液；具有熔點高（3500℃）、硬度大（顯微硬度＞235GPa，比剛玉還硬），化學(xué)穩(wěn)定性好（在1000~1100℃下穩(wěn)定，在1100 ℃以上迅速氧化成五氧化二鈮）等特性；易熔于碳化鈦、碳化鋯、碳化鎢等化合物中，生成類質(zhì)同晶的固溶體，因此可用來制造金屬陶瓷、耐熱合金和硬質(zhì)合金；可作為硬質(zhì)合金的添加劑，顯著提高了硬質(zhì)合金的熱硬度及抗熱沖擊、抗熱壓、抗氧化的能力；而用其制作的切削工具也具有良好的熱硬度、抗熱沖擊和抗熱氧化等性能；同時由其制備的復(fù)相材料也已廣泛應(yīng)用于聚變堆、機加工、冶金、航天等領(lǐng)域。 本信息是由Chemicalbook的丁紅編輯整理。（2015-09-09）制備方法
1.五氧化二鈮碳熱還原法在高溫、真空或惰性氣體保護下，五氧化二鈮與碳進行碳化反應(yīng)生成碳化物。工業(yè)上通常以五氧化二鈮和炭黑為原料制備碳化鈮，先將五氧化二鈮和炭黑按照比例配成碳化料，使其充分混合后裝入石墨坩堝中，放入碳化爐于惰性氣體或真空條件下加熱至1600~1800 ℃，進行第一次碳化，然后再補加炭黑并充分混合，再放入碳化爐于惰性氣體或真空下加熱至1800~1900 ℃，進行第二次碳化，即得碳化鈮產(chǎn)品。主要反應(yīng)式如下：
Nb2O5+C＝2NbO2+CO
NbO2+3C＝NbC+2CO
這種方法的缺點是五氧化二鈮粉末與炭黑（或石墨）粉末混合不均勻，且炭黑（或石墨）粉末的活度較低，使五氧化二鈮反應(yīng)不完全，最終成為產(chǎn)物的雜質(zhì)。另外，殘存在碳化鈮粉末中的炭黑（或石墨）粉末活性低，脫碳時需較高溫度（＞600 ℃），才能使碳在氧化氣氛中生成一氧化碳或二氧化碳脫除，而溫度越高粉末中的氧含量越高，以致碳化鈮粉末的質(zhì)量下降。
2.金屬鈮碳化法
此法將鈮氧化物（Nb2O5或Nb2O3）經(jīng)氫氣還原制得的鈮粉或氫化鈮粉，與炭黑按等摩爾比配料，經(jīng)充分混合后，在真空或惰性氣體保護中加熱至1600~1700℃，使其直接碳化得碳化鈮。主要反應(yīng)式如下：
2NbC+C＝Nb2C
Nb2C+C＝2NbC
這種方法的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，缺點是所生產(chǎn)的碳化鈮顆粒粗大，殘余物中碳含量高。
3.化學(xué)氣相反應(yīng)法
此法以五氯化鈮蒸氣、氫氣及甲烷的混合氣體為原料制備碳化鈮。將五氯化鈮蒸氣和氮氣的混合氣，通過電加熱溫度達(dá)1000℃以上的鎢絲，使鎢絲表面形成金屬鈮層，然后繼續(xù)通電使其溫度升高到1300℃，再通入甲烷和氫氣的混合氣體，使鈮碳化成碳化鈮沉積在熱鎢絲的表面而成產(chǎn)品。主要反應(yīng)式如下：
NbCl+5/2H2＝Nb+5HCl
Nb+CH4＝ NbC+2H2
此方法的優(yōu)點是粉末團聚少、分散性好，缺點是生產(chǎn)成本高。
4.輔助金屬浴法
此法使用鈷作為輔助金屬，鈮與鈷按１∶２的質(zhì)量比組成金屬浴，裝入純石墨坩堝，在通氬氣流的塔曼爐中加熱至1800℃（1h內(nèi)完成）并保溫，冷卻2~3h 至室溫后用濃鹽酸將鈷溶解除去，得到粒度為100~200μｍ的粉末狀NbC，含結(jié)合碳11.3%、游離碳0.3%。用此法制得的NbC與TaC情況相同，雜質(zhì)特別是氧和氮的含量低（均低于0.01%）為其特征。
5.反應(yīng)球磨法
反應(yīng)球磨法是利用金屬或合金粉末在球磨過程中，與其他單質(zhì)或化合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而制備出碳化鈮產(chǎn)品。反應(yīng)球磨法的主要設(shè)備是高能球磨機，主要用來制備超細(xì)晶碳化鈮產(chǎn)品。
6.超細(xì)碳化鈮的制備方法
（1）先將五氧化二鈮一次碳化后的碳化物進行球磨、過篩等，再在真空中進行第二次碳化，取樣分析后得到成品。
（2）將漿狀氫氧化鈮經(jīng)壓縮后在180~250℃下烘干6~12h 以去除水分，得到粒度為20~90nm的氫氧化鈮粉末；然后將其與炭黑按照質(zhì)量比1:(0.225~0.235) 均勻混合，在真空爐內(nèi)碳化，控制碳化溫度在1280~1350 ℃并不斷抽真空；當(dāng)真空度達(dá)到10~12Pa時結(jié)束碳化過程，冷卻12~16h，出料球磨即得費氏粒度小于0.8μm的碳化鈮粉末。真空碳化過程中主要發(fā)生以下兩個反應(yīng)：
2Nb(OH)5＝Nb2O5+5H2O
Nb2O5+7C＝2NbC+5CO２
（3）機械合金化法：以鈮粉和石墨為原料，在球料比30:1、球磨轉(zhuǎn)速300r/min、球磨20h的條件下，成功制備出超細(xì)碳化鈮粉末。實驗中添加1.5%作為過程控制劑，使碳化鈮的合成時間縮短了10h；同時，添加過程控制劑球磨得到的粉末粒度更加均勻。
應(yīng)用
1.在復(fù)合材料中的應(yīng)用（1）復(fù)相陶瓷
作為復(fù)相陶瓷材料的原料之一，所制成的復(fù)相陶瓷材料以其高硬度、高熔點、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，常被應(yīng)用于耐磨部件、切削刀具和電極等領(lǐng)域。
（2）硬質(zhì)合金
不但可作為硬質(zhì)合金晶粒生長的抑制劑，而且能與其他碳化物一起形成除WC和Co之外的第三彌散相，顯著提高硬質(zhì)合金的熱硬度及抗熱沖擊、抗熱壓、抗氧化的能力。碳化鈮由于具有提高合金的硬度，改善合金的斷裂韌性等優(yōu)點，故可用來制備切削性能優(yōu)異的硬質(zhì)合金刀具材料。
（3）堆焊焊條
堅硬的碳化鈮硬質(zhì)相進入堆焊層組織中，使焊層具備了較好的耐磨骨架，耐磨性大大提高。這種焊條堆焊的耐磨合金，其耐磨性比淬火45號鋼（HRC50）高1.2~1.8倍，比Fe-Cr-C-B型耐磨合金高2.4~3.6倍。同時，耐磨堆焊層施焊時無需預(yù)熱，可在工件表面堆焊，表面產(chǎn)生的細(xì)小裂紋能夠釋放堆焊層應(yīng)力且不會向母材內(nèi)擴散。
d.鋼鐵強化相在煉鋼的過程中加入微量的碳化鈮，可達(dá)到沉淀強化和細(xì)晶強化的效果，從而提高鋼材的綜合機械性能。
（4）宇航部件
用作渦輪轉(zhuǎn)子、燃?xì)舛?、葉片、發(fā)動機噴管內(nèi)襯以及核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)件等許多航天設(shè)備的零部件的制備材料。
2.在涂層材料中的應(yīng)用
（1）模具鋼表面涂層
碳化鈮作為金屬碳化物，具有很高的硬度、耐 熱 強 度 和 耐 磨 性。因此將其涂在鋼材表明可以提高模具表面耐磨性。
（2）金屬工件涂層
在金屬工件基體表面復(fù)合碳化鈮層，使其表面硬度大大提高，可達(dá)到HV2800以上，同時提高了工件的工作溫度和組織致密度，從而延長其使用壽命。
通過化學(xué)液相沉積處理可在鑄鐵活塞環(huán)表面實現(xiàn)碳化鈮鍍層，此鍍層與基材結(jié)合牢固；這種鍍層活塞環(huán)既具有良好的口袋形儲油構(gòu)造，又兼具高硬度的優(yōu)點，可顯著降低無潤滑介質(zhì)及柴機油潤滑時的滑動摩擦系數(shù)，大大提高其耐磨性，同時可降低柴油機的摩擦損失，改善柴油機性能。
（3）其他碳化鈮涂層
航天器高溫部件采用碳化鈮涂層，可使其使用壽命顯著提高。在電子工業(yè)方面，電子發(fā)射管的中間層材料采用超細(xì)含鈷碳化鈮，對提高柵極表面的輻射率、降低柵極溫度和減少柵極熱發(fā)射均有顯著作用，從而延長電子發(fā)射管的壽命。
3.在金屬鈮生產(chǎn)中的應(yīng)用
我國主要采用間接還原法生產(chǎn)金屬鈮，先將產(chǎn)出的碳化鈮用作還原劑，與五氧化二鈮作用生成粗金屬鈮，再進行精煉制成純度較高的金屬鈮。除此之外，碳化鈮還可直接還原五氧化二鈮而生成純金屬鈮。