簡介
鈮粉在高溫、高真空下除去部分雜質並生成緻密金屬的鈮精煉方法。燒結精煉能達到金屬緻密化和提純雙重目的。在壓力10uPa的高真空中燒結可以除去燒結體空穴中殘留的氣體、鈮粉吸附或固溶的氣體和一些金屬雜質。鈮真空燒結法精煉由鈮粉壓坯和鈮坯條真空燒結兩部分組成。鉭真空燒結法精煉與鈮基本相同。
鈮粉壓坯將鈮粉裝入鋼模型腔，通過模具對鈮粉加壓製成設定尺寸、密度和強度的坯條。鈮粉具有良好的塑性，鋼模壓制時可不用潤滑劑或僅用汽油潤滑。將鈮粉壓製成截面為長方形或正方形的鈮坯條，長方形鈮坯條用於軋制帶材，正方形鈮坯條用於拉絲。鈮坯條一般長600～700mm，截面積4～20cm2。成形壓力依原粉性質而定，鈮粉用100～200MPa；碳熱還原法製取的鈮條需先經氫化、細磨、真空加熱脫氫等處理後，再用300～500MPa成形壓力壓製成坯條。截面積580小於20mm×20mm的鈮坯條採用單向壓製法，較大尺寸的鈮坯條用雙向壓製法。為使鈮坯條能直接固定在電極上，鈮坯條的抗彎強度不得低於3MPa。
鈮坯條的配料制度對燒結精煉的提純效果和金屬錠的質量影響甚大。一般鈮原粉含有較多的氧(0．1％～0．5％)、碳(0．1％～0．3％)以及矽、鈦、鐵等雜質。有效除去這些雜質的關鍵在於確保鈮坯條中合適的碳氧比和雜質元素與氧的比例。為此，需要向原粉中配入一定數量的碳(石墨)或Nb2O2。為使碳能以CO形式被徹底清除，必須加入比化學計量值稍多的氧。鈮粉的矽、鈦等雜質也容易將鈮氧化物還原成金屬，並生成SiO、TiO，它們也可同時和c0一起脫除。此外，鈮粉在1973～2273K溫度下真空燒結時，會有部分低價鈮氧化物揮發，故計算配氧量時要一併考慮生成SiO、TiO、CO等多方面的需要。配氧量不足，會降低碳、矽、鈦等的脫除效果。配料不準時，在真空燒結中往往會引起鈮坯條過熔或使鈮坯條膨脹發脆。
鈮坯條真空燒結在高溫、高真空下消除鈮坯條中的孔隙使鈮粉進一步結合形成緻密金屬的過程。為達到鈮坯條緻密化和提純的雙重目的，真空燒結需在10uPa或更高的真空中進行。由於緻密化和提純是同時在真空燒結過程中完成的，為此必須控制好鈮坯條的加熱升溫速度，使鈮坯條始終留有足夠的孔隙，讓雜質容易擴散到坯條的表面，並被真空泵排出爐外。過快的加熱升溫速度還會因鈮坯條夾帶氣體產物而發生爆裂或起泡。抽氣速率必須達到能維持燒結爐內壓力低於真空燒結反應的平衡壓力。坯條厚度一般不宜超過25mm。
鈮坯條在真空燒結過程中因發生脫氣而得到提純。如在直接電阻真空加熱爐內進行真空燒結時，於373～573K溫度下脫除鈮坯條中的吸附水、殘留於空氣中的氧和氮以及鈮粉在壓坯時加入的殘留潤滑劑；於673～1073K溫度下鈮坯條開始脫氫；在1073～1273K溫度下鈮坯條從真空爐的殘留氣體中反吸氧和氮，這一吸氣過程一直延續到2073K；於1373～1873K溫度下鈮坯條中的鹼金屬雜質開始以氧化物形式揮發脫除。隨溫度繼續升高，鈮坯條的氧化膜(Nb2O5)開始分解成金屬鈮和氧，分解出的氧和碳、矽激烈反應，生成SiO和CO揮發脫除，Nb2O5的分解持續到1873K。在大量CO、SiO等脫除後，當爐溫超過1873K溫度時，溶解在鈮中的氧開始向鈮坯條表面擴散，最後以雜質或鈮的低價氧化物形式揮發脫除。脫氧過程約在2573K溫度時完成，此時溶解於鈮中的氮開始脫除。鈮真空燒結法精煉在2573K溫度下結束。在脫除鈮坯條雜質的整個過程中，爐內殘留氣壓必須低於0．13Pa。鈮的真空燒結溫度低於鉭，殘留雜質較多。氧的脫除會引起鈮的損失。當鈮坯條配料出現碳過量時，還需加入Nb2O5，以確保碳的完全脫除。
鈮坯條的密度隨燒結溫度升高而增加，細顆粒鈮在1573～1673K溫度下開始顯著增大。隨著雜質的大量脫除，鈮的晶粒在高於2273K溫度下迅速長大，至燒結終止形成粗粒多面體結構的緻密金屬。真空燒結所需時間和原粉粒徑有關，碳熱還原法生產的氫化鈮粉約需7h。
鈮真空燒結多採用直接電阻真空加熱爐，大尺寸和形狀較複雜的鈮坯條採用間接加熱真空感應爐，後者的最高真空燒結溫度一般較前者低1()()～300K，金屬鈮錠的純度也較低。但間接加熱真空感應爐的鈮坯條受熱均勻，所得燒結條比直接電阻加熱真空爐的完整性好，成材率也高。表中列出了鈮在真空燒結前後的雜質含量變化情7兌：從中可以看出，鈮的真空燒結法精煉雖能得到有效的提純，但還不能達到所需的純度，尚需經電子束熔煉進一步提純。
