نیوبیوم

نیوبیوم Nb یا کلمبیوم

نیوبیوم

نیوبیوم فلز داکتیل و خاکستری روشن است که در فولادهای زنگ نزن و بسیاری از آلیاژهای غیرآهنی استفاده می شود.
وقتی که به مدت طولانی در دمای اتاق در تماس با هوا قرار گیرد، به رنگ متمایل به آبی در می آید.
برای نگهداری این فلز حتی در دماهای متوسط باید از محیط محافظ استفاده شود. اکسیداسیون این فلز در هوا از دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد آغاز می شود.

مقدار قابل ملاحظه ای از فلز به صورت فرونیوبیوم و یا نیوبیوم – نیکل در سوپرآلیاژهای پایه آهن، نیکل و کبالت در قطعات موتور جت و تجهیزات احتراق استفاده می شود. همچنین نیوبیوم در دماهای زیر صفر در ابررساناها بکار می رود.

تاریچه ی کشف نیوبیوم

در سال ۱۸۰۱ توسط چارلز هچت (Charles Hatchett) کشف شد. هچت، نیوبیوم را از سنگ معدن کلومبیتی بدست آورد که در سال ۱۷۵۰ توسط جان وین تروپ (John Winthrop) برای وی ارسال شده بود. بین دو عنصر نیوبیوم و تانتالیوم اختلافهای گمراه کننده ای وجود دارد و از طرفی این اختلافها تا ۱۸۴۶ کشف نشده بود، در این سال بود که هنریخـــــت روز(Heinricht Rose) و جین چـارلز گالی سارد مارگـینت(Jean Charles Galisard de Marigance) دوباره این عنصر را کشف کردند ولی ایشان از کارهای هچت اطلاعی نداشتند. از این رو نام متفاوت نیوبیوم بر روی آن گذاشتند.

در سال ۱۸۴۶ بود که کریستن بلومسترند (Cristian Blomstarnd) توانست با احیاء کلرید نیوبیوم بوسیله حرارت دادن در اتمسفر هیدروژن به نیوبیوم خالص دست یابد

ویژگی ها نیوبیوم یا همان کلمبیوم

نیوبیوم یا همان کلمبیوم در سالهای اخیر به عنوان عنصر پایدار کننده کاربید در فولادهای زنگ نزن و عنصر استحکام زا در آلیاژهای پایه کبالت و نیکل در دماهای بالا محسوب می شود. وزن اتمی آن ۹۳ با نقطه ذوب ۲۴۶۸ درجه سانتیگراد است. ساختار کریستالی bcc است و در فولاد فریت زای قوی است. تمایل ترکیب کلمبیوم با کربن زیاد بوده ولی نسبت به اکسیژن و نیتروژن تمایل متوسطی دارد. با افزودن کلمبیوم در فولاد، کاربید نیوبیوم سریعاً تشکیل می شود. با رسوب کاربید نیوبیوم و ذرات کربونیتریدی در زمینه فریتی، استحکام افزایش خواهد یافت.

در فولادهای آستنیتی، برای بهبود مقاومت خوردگی بین دانه ای و افزایش خواص مکانیکی در دماهای بالا استفاده می شود. در فولادهای مارتنزیتی، کلمبیوم سختی را کم کرده و مقاومت به تمپر را افزایش می دهد.

نمودار تاثیر افزودن نیوبیوم به ترکیب فولاد های آستنیتی
نمودار تاثیر افزودن نیوبیوم به ترکیب فولاد های آستنیتی

مقدار کلمبیوم مورد نیاز در فولادهای کربنی و کم آلیاژی کم بوده و در حدود ۰.۰۵% نیوبیوم، افزایش قابل توجهی در استحکام فولاد را در پی دارد. علاوه بر آن، اگر میزان آن بهمراه سایر عناصر کنترل شود، اندازه دانه فریت اصلاح شده و چقرمگی در دماهای پایین اصلاح خواهد شد. اغلب این عناصر همراه نیتروژن و وانادیم به فولاد اضافه می شود.

این عنصر تشکیل رسوبات کمپلکس کربونیترید وانادیم و نیوبیوم می دهند. در برخی فولادهای HSLA نیوبیوم تا ۰.۱۵% وجوددارد. اگر درصد نیوبیوم از ۰.۱% فراتر رود، مشکل ترک سرد و افت چقرمگی منطقه تحت تاثیر جوش در جوشکاری را خواهیم داشت.
رفتار انحلال و رسوب ترکیبات نیوبیوم با وانادیم متفاوت است. در سرد کردن آهسته آستنیت از دمای بالا، همزمان با انحلال نیوبیوم، کاربید نیوبیوم در دماهی بالای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد رسوب می کند. به دلیل رسوب این کاربید در دماهای بالا، امکان درشت شدن ذرات وجود دارد که تاثیر منفی بر استحکام دارد.

با افزودن کلمبیوم به ترکیب فولادهای کربنی متوسط نیمه کشته، استحکام تسلیم ۹ ton/in2 و استحکام کششی ۷ ton/in2 افزایش می یابند و این فولادها در تولید ورقها کاربرد وسیعی پیدا کرده اند. این نوع ورق ها کار گرم شده و در خطوط نفت و سازه های سبک استفاده می شوند.

نمودار تاثیر افزودن نیوبیوم به ترکیب فولادهای کربنی
نمودار تاثیر افزودن نیوبیوم به ترکیب فولادهای کربنی

با رسوب ترکیب بین فلزی Fe3Nb2 از دمای انحلال و به دنبال آن پیر سازی در دمای ۵۰۰-۶۵۰ درجه سانتیگراد، کلمبیوم استحکام خزشی فولادهای بسیار کم کربن را می افزاید. میزان افزودن نیوبیوم برای بهبود استحکام خزشی متغیر بوده ولی مرسوم است که حداقل ۲۵ برابر درصد کربن اضافه شود. با کاهش نسبت کلمبیوم به کربن ، استحکام خزشی شدیداً افت می کند و برای دستیابی به استحکام خزشی خوب باید درصد کربن در حد پایین نگه داشته شده باشد. اما اگر در دمای اتاق، استحکام مقدم بر استحکام خزشی باشد، نسبت نیوبیوم به کربن می تواند برابر۸:۱ باشد.

در سیستم آلیاژی آهن – کربن – نیوبیوم، با افزایش درصد Nb درصد فاز آستنیت در ریزساختار شدیداً کاهش می یابد. بنابراین در این نوع فولادها، برای آستینه کردن بایستی درصد کربن فولاد کمتر باشد.

افزودن این محصول سختی پذیری فولاد را  کاهش میدهد چون با تشکیل کاربید نیوبیوم، غلظت کربن کاهش می یابد. از طرفی اگر کلمبیوم در محلول جامد باشد، از انجام استحاله جلوگیری می کند. بنابراین دمای آستنیته کردن و زمان نگهداری بر سختی پذیری فولاد تأثیر دارد. کاربید نیوبیوم سختی پذیری را می کاهد و از این رو بیشتر به ترکیب فولادهای به سختی پذیری نسبتاً بالا که بایستی جوشکاری شوند اضافه می شود تا از ترک برداری زیر جوش جلوگیری کند.

در دمای بالای ۴۰۰ درجه سانتیگراد، نیوبیومی که در فولادهای نیتریدی وجود دارد، با نیتروژن واکنش می دهد. کاربید کلمبیوم و نیوبیومی که بیش از حد انحلال است در تشکیل نیترید شرکت نمی کند و فقط کلمبیوم موجود در محلول جامد در تشکیل نیترید شرکت می کند. در فولادهای کربنی ساده، کلمبیوم سختی سطحی را می افزاید. فولادهای با ۶-۴% کروم در هوا سخت می شوند و به زمان آنیل زیادی نیاز دارند و در هنگام جوشکاری ترک بر می دارند. این مشکل در این نوع فولادها را می توان با کاهش درصد کربن تا حد زیادی حل کرد. البته این مشکل را با اضافه کردن تیتانیوم، آلومینیوم و کلمبیوم نیز می توان حل کرد. که در این میان Nb ترجیح داده می شود چرا که آخالهای مضر در ترکیب را تشکیل نمی شوند. میزان نیوبیومی که به ترکیب فولاد اضافه می شود ۱۰-۷ برابر درصد کربن است. فولادهای نیوبیوم دار کار گرم شده با سرد کردن از دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد هم چنان نرم می مانند. ولی به علت انحلال جزیی کاربیدهای نیوبیوم ممکن است بمقدار جزیی سخت گردانی شوند. برای آنیل مجدد کافی است تا دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده و سپس در هوا سرد شوند.

برای کاهش تمایل به هوا سختی فولادهای با ۱۶-۱۸% Cr درصدی از نیوبیوم به ترکیب آنها اضافه می شود. این کار عملیات حرارتی را آسان کرده و باعث بهبود داکتیلیتی و جوشکاری می شود. برای این منظور ۱% Nb اضافه می شود (۱۰ برابر درصد کربن)، که از لحاظ هزینه، گران شدن فولاد را در پی دارد و از این رو در مصارف خاص استفاده می شود.

بعد از حرارت دادن فولاد ۱۸/۸ از منطقه دمایی ۴۰۰-۹۰۰ درجه سانتیگراد خوردگی بین دانه ای رخ می دهد. این کاهش موضعی در مقاومت خوردگی ناشی از این واقعیت است که اکثر این فولادها دارای درصد کربن بالایی بوده که سبب می شود با سرد کردن در هوا کاربید رسوب کند. عموماً اعتقاد بر این است که علت خوردگی بین دانه ای تخلیه محلول جامد از کروم در مجاورت مرز دانه است. ولی تحقیقات اخیر نشان داده است که کاربیدهای کروم غیرتعادلی با مقاومت خوردگی کمتر تشکیل می شود و نیازی به تخلیه کروم نیست. افزودن عناصر کاربیدزای قوی مثل Nb وTi موجب رسوب و تشکیل کاربیدهای مرجح شده و از خوردگی بین دانه ای جلوگیری می کند، پایدارسازی معمولاً تحت تاثیر نیوبیوم و یا تیتانیوم می باشد. اگر مقاومت در برابر اسید نیتریک قوی نیاز باشد، نیوبیوم بهتر است. اگر فولاد تمیز لازم باشد، پایدارسازی با تیتانیوم چندان خوب نیست زیرا آخالهای اکسید تیتانیوم در فولادهای عملیات حرارتی شونده وجود داشته و از طرفی تیتانیوم در حین جوشکاری اکسید می شود.

اثر کلمبیوم بر استحکام خزشی بیشتر از تیتانیوم بوده و در تولید فولادهای آستنیتی دمای بالا کاربرد وسیعی یافته است.نسبت Nb/C باید ۱۰:۱ باشد تا از پایداری کامل اطمینان پیدا کرد. اما اگر شرایط چندان بحرانی نباشد، می توان از نسبتهای پایین نیز استفاده کرد.

در فولادهای زنگ نزن، نیوبیوم ۸ تا ۱۰ برابر درصد کربن بوده و تاثیر قابل توجهی بر استحکام کششی، داکتیلیتی و یا چقرمگی ندارد. در شمش های بزرگ جدایش کاربیدهای نیوبیوم دور از احتمال نیست و کاهش داکتیلیتی در مرکز قطعات فورج را در پی دارد. حتی اگر از نسبت زیاد Nb/C استفاده شود، نیز داکتیلیتی کاهش می یابد.

معمولاً در فولادهای زنگ نزن ۱۸/۸ که با کلمبیوم پایدار شده است، برای کاهش نرخ کارسختی، درصد بالاتری از ۸% نیکل وجود دارد. این قاعده برای آسانی کار گرم بدلیل گسترش فریت حاصل از افزودن نیوبیوم لازم بنظر می رسد.

مقادیر کم تانتالیوم اثری بر خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن ۱۸/۸ پایدار شده با نیوبیوم ندارد. درصدی از تانتالیوم می تواند جایگزین مقدار کمی از نیوبیوم شود بدون آنکه بر استحکام و داکتیلیتی اثر منفی داشته باشد. این از جهاتی بهتر نیز است چرا که اکثر محصولات نیوبیوم دارای تانتالیوم می باشند و بایستی بخاطر داشت که تانتالیوم فقط یک دوم تاثیر کلمبیوم را دارد. اگر نسبت نیوبیوم به تانتالیوم در فروآلیاژ از ۸:۱ کمتر باشد، باید نسبت مجموع تانتالیوم و کلمبیوم به کربن ۱۰:۱ باشد. به آلیاژ مغناطیس دائم نوع Alni نیوبیوم اضافه می شود و مغناطیس های دایم AlcomaxIII و AlcomaxIV به ترتیب ۰.۷ و ۲.۴% نیوبیوم دارند. هر دو این آلیاژها از Alcomax که نیوبیوم ندارد، خواص مغناطیسی بهتری دارند.

کلمبیوم معمولاً به چدنها اضافه نمی شود ولی میزان کمی بخاطر قراضه های حاوی کلمبیوم در ترکیب آنها وجود دارد.

 

برای مشاهده ی دانستنیهای فولاد کلیک کنید

start campaign

کسب‌و‌کار خود را در فضای آنلاین گسترش دهید.

آهن 20 سامانه ثبت آگهی رایگان

بیشتر بدانید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *