一、鉭的性質
鉭具有熔點高、蒸汽壓低、冷加工性能好、化學穩定性高、抗液態金屬和酸堿腐蝕能力強、表面氧化膜介電常數大等一系列優異特點,是重要的現代功能性材料。
鉭幾乎在任何環境下都能迅速生成一層表面氧化膜緊密包覆于其金屬基體之上,該氧化膜極薄極致密,對幾乎所有的介質都具有不透性,而且一旦有損壞時能立即自愈。由于有這樣一種優異的保護膜,鉭具有極其優異的抗腐蝕性能。除了氟、氫氟酸、含氟離子的酸性溶液、發煙硝酸和強堿以外,鉭在大多數的介質中都不受腐蝕。
二、鉭的主要用途
在電子工業方面,鉭主要用作鉭電容器,通常以電容器級鉭粉、鉭絲和鉭箔等形式被應用。鉭電容器是雷達、宇航飛行器、導彈不可缺少的電子元件之一,并且廣泛用于民用如移動通訊、電子設備、儀器等方面。鉭粉由于比表面積大,介電體的薄膜介電常數大,因而電容量亦大,能制成小型大容量電容器。用鉭制作的電解電容器具有體積小、重量輕、可靠性好、工作溫度范圍大、抗震及使用壽命長等優點。鉭電解電容器按其電解度可分為固體電解質電容器和液體電解質電容器。鉭電解電容器按其陽極形式區分,主要有鉭箔陽極和鉭粉燒結陽極兩種。鉭絲用作這兩種電容器的陽極引線。電子工業的發展對鉭電容器小型化及高可靠性的要求愈來愈嚴格。在鉭電容器小型化和片型化方面,致力于提高鉭粉的比容。目前,國際上鉭粉商品化比容已達到150000μF?V/g以上,實驗室已達到300000μF?V/g;在鉭電容器可靠性方面,致力于研究高可靠性的電容器級鉭粉。可靠性程度以失效率來衡量,失效率單位為菲特(Fit),1菲特=10∽9/h,即指106個產品中經過使用1000h只能失效1個產品。目前國外固體鉭電解電容器的可靠性已達10∽10/h的水平。鉭也用作電子管的材料。由于鉭的熔點高,其蒸氣壓低,加工性能好,熱膨脹系數小,吸氣性優良,因此鉭是發射管,高功率電子管零件的良好材料。由于鉭的化學穩定性高,鉭靶材是電子芯片磁空濺射鍍膜的重要材料。
碳化鉭是難熔碳化物,在硬質合金工業應用中占有極其重要地位。與WC、TiC和金屬鈷的陶瓷碳化物一樣,TaC具有優良的耐磨性、韌性、硬度和穩定性。碳化鉭的使用有兩種:一種是以少量碳化鉭直接添加到WC-Co或WC-TiC-Co合金中,起著控制晶粒長大等作用;另一種是碳化鉭與碳化鈮或其它碳化物形成固溶體,可以改善合金的高溫硬度、高溫強度和抗氧化性能,大大提高切削速度和延長刀具壽命。陶瓷碳化物具有優良切削性能,一般由α、γ、β三相組成。α相為碳化鎢;β相為金屬相粘結劑,金屬鈷是陶瓷碳化物最常用的粘結劑;γ相是TaC、NbC和TiC形成的固溶體,γ相溶解在碳化鎢中,其作用是作為晶體生成抑制劑。NbC的性質介于TaC和TiC之間,但因NbC價格便宜,除美國外,國外用NbC取代TaC高達30%∽40%。在硬質合金中,因用途不同,其TaC含量也有所不同,一般在4%∽12%范圍內變化。
三、鉭的資源
中國是世界上鈮、鉭等稀有金屬礦產資源較豐富的國家。據地質礦產部編寫的《新中國成立四十周年地礦工作成就展覽》(地質出版社,1992年出版)的統計資料表明,中國鉭礦分布于13個省(區)的92個礦區,Ta2O5 總保有儲量8.4萬噸,居世界首位。從地區分布看,江西鉭礦最豐富,內蒙古、廣東次之,三省儲量合計占全國鉭儲量72.5%。
鉭礦床規模小,礦石品位低,嵌布粒度細而分散,多金屬伴生,造成難采、難分、難選,回收率低;大規模露采的礦山較少。 中國所規定的鉭鈮礦床儲量計算的最低工業品位指標為:(Ta、Nb)205 0.016%∽0.028%,中國大部分鉭鈮礦床品位都接近或略高于最低工業品位指標。鉭鈮儲量數據顯示,中國鉭(Ta205)儲量和基礎儲量在數量上還是很大的,但中國鉭資源中Ta205品位超過0.02%的幾乎沒有,顯然以這樣低的品位套改出的“儲量”與國外高品位計算出的儲量難有可比性。
四、鉭的提取與制備
工業上鉭精礦的分解方法主要有三種:堿熔法、酸分解法和氯化分解法。
1.堿熔法分解鉭鈮精礦可分為:鈉熔法和鉀熔法兩種。鈉熔法是采用氫氧化鈉熔融,鉀熔法是采用氫氧化鉀熔融。為了降低熔融物的熔點和粘度,常采用氫氧化鈉和碳酸鈉化合物熔融或氫氧化鉀和碳酸鉀混合熔融。二者工藝基本相同,不同之處主要在于:苛性鈉熔融時生成的鉭、鈮酸鈉難溶于水;而苛性鉀熔融時生成的鉭、鈮酸鉀是可溶性的鹽,因此要增加一道轉化工序,即向溶液中加入NaCl溶液,使之轉變為不溶性的鉭、鈮酸鈉鹽,其后處理方法基本相同。鉭鈮鐵礦堿熔時一般在800∽850℃進行,如與苛性鈉熔合時,鉭、鈮和鈦、鐵、錳轉化為不溶性的鈉鹽,而鎢、硅、錫、鋁則生成可溶性的鈉鹽。這些可溶性的鈉鹽轉移到水相中與鉭鈮分離除去,而不溶性的氧化鐵、氧化錳、鈦酸鈉則仍留在固相中。鉭鈮酸鈉用鹽酸分解,使鉭鈮轉化為混合氫氧化物,鈦、鐵、錳以氯化物的形態轉入溶液中。
2.酸分解法主要有硫酸分解法、氫氟酸分解法、氫氟酸-硫酸分解法。氫氟酸或氫氟酸-硫酸混酸分解法能和有機溶劑萃取分離鉭、鈮相銜接,因此在工業生產中被廣泛應用。
從鉭精礦生產化合物的工藝過程中,鉭、鈮互相分離和鉭、鈮與雜質的分離是最艱難的任務之一。鉭鈮分離提取的方法主要有:液-液萃取法;氟洛鹽分步結晶法;離子交換法;選擇還原法;氯化物蒸餾法。上述方法各有其工藝特點,但具有工業意義的是:液-液萃取法、分部結晶法和氯化物蒸餾法。液-液萃取法因具有萃取容量大、產品純度高、生產過程連續化等優點,是目前鉭、鈮提取分離最主要的工藝方法。
五、鉭的深加工及其應用
鉭具有很好的塑性,極易進行塑性加工。采用常規的加工工藝(擠壓、鍛造、軋制和拉伸)就能生產出各種工業型材(管、棒、絲、帶)。鉭及鉭合金熔煉錠都具有粗大的晶粒組織,必須首先經擠壓或熱鍛開坯(初始加工)破碎其晶粒之后,才能進一步加工成材。純鉭可以在室溫下鍛造開坯,鉭合金開坯溫度一般為1100∽l200℃。加工過程中,鉭合金表面氧化生成疏松的氧化物,且能滲入合金基體中,形成堅硬的滲透層,加工時產生裂紋。因此,在整個加工過程中要設法保護金屬表面不被氧化。目前,鉭坯料的保護方式有鹽浴加熱、涂層、包套、惰性氣體保護等。擠壓法可生產不同規格的金屬管、棒、型材;鉭的鑄錠可直接鍛造成軋制板坯。可采用玻璃涂層作潤滑劑;鉭合金板材的軋制,通常采用二輥或四輥軋機,道次變形量為10%∽15%,軋制2.5mm薄板時,總形量為70%∽80%。軋制2.5mm薄板時,采用煤油或棕櫚油為潤滑劑。
六、主要鉭企業
寧夏東方鉭業股份有限公司
株洲硬質合金集團有限公司