“烈火金刚”与“抗蚀冠军”——铌与钽

铌

把铌、钽放到一起来介绍是有道理的，因为它们在元素周期表里是同族，物理、化学性质很相似，而且常常伴生在一起，真称得上是一对惟妙惟肖的“孪生兄弟”。

事实上，当人们在19世纪初首次发现铌、钽的时候(1801年，英国化学家哈奇特发现铌，1802年，瑞典化学家埃克贝里发现钽)，还以为它们是同一种元素哩。以后大约过了43年，人们用化学方法第一次把它们分开，这才弄清楚它们原来是两种不同的金属。

铌、钽稀有高熔点金属，它们的性质和用途有不少相似之处。

钽

既然被称做稀有高熔点金属，铌、钽最主要的特点当然是耐热。它们的熔点分别高达2467℃和2980℃，不要说一般的火势烧不化它们，就是炼钢炉里烈焰翻腾的火海也奈何它们不得。难怪在一些高温高热的部门里，特别是制造1600℃以上的真空加热炉里，钽金属是十分合适用做炉内支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等的材料。

作为一种重要的合金元素，铌已广泛地应用到普通低合金钢、无磁钢、低温钢、耐蚀钢、弹簧钢、轴承钢等钢种里，用量要占世界铌总消费量的86％以上。在这些钢里，铌通过晶粒细化、沉淀强化等作用，不仅改善了它们的抗腐蚀、抗氧化、抗磨损等性能，而且有效地提高了它们的强度。比如，普通低合金钢里只要加进万分之几的铌，就能提高强度10％～20％，再加上其他性能的改善，1吨含铌高强低合金钢可以顶1.2～1.3吨普通钢使用，现已广泛用到汽车制造、石油管道、机械制造以及海洋、地质、化工等领域中。同样，铸铁中添加了铌，由于能析出坚硬耐磨的碳氮化铌，结果提高了强度，延长了使用寿命。

铌、钽合金的塑性好，加工和焊接性能优良，能制成薄板和外形复杂的零件，用作航天和航空工业的热防护和结构材料。比如，含铌、镍、钴的超级合金，可用来制做喷气发动机的部件，用作宇宙飞船及其重返大气层时的耐高温结构材料，钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。目前研制新型的高温结构材料，开始把注意力更多地转向铌、钽，许多高温高强合金都有这一对“孪生兄弟”参加，它们的产量正在进一步增长。

此外，铌和铌合金抗得住熔融碱金属的腐蚀，对核燃料的相容性又好，可以用做核反应堆材料。钽的硼化物、硅化物、氮化物及其合金，常被用来制做核工业中的释热元件和液态金属的包套材料。铌钛系和铌锆系的某些合金具有恒弹性能，可制做特殊用途的弹性元件。氧化钽和氧化铌用于制造高级光学玻璃和催化剂。铌酸锂是一种优良的压电晶体，在彩色电视滤波器和雷达延迟线上得到了应用。还有，铌酸锶钡单晶用作激光通信装置的调制器，二硒化铌用作电动机械和仪表装置的自润滑填充剂等等

抗蚀本领“出类拔萃”，别看钢铁那么坚硬，时间长了它会生锈。其他许多金属在使用过程中也会慢慢地蚀坏。据统计，正在使用中的金属材料，每年因为腐蚀大约要损毁2％，也就是相当于每年要有成百万吨金属变成废品。腐蚀给我们带来的损失实在是太大了。尤其在化学工业里，成天同酸碱打交道，腐蚀更是个大问题。许多化学产品，比如，硝酸、硫酸、盐酸、纯碱、烧碱等等，遇到普通的钢铁，用不了多长时间就会把它们“吃掉”。

人们于是千方百计设法提高金属的抗蚀本领。

挨个检验一下吧，究竟谁的抗蚀本领最强呢?人们发现，铌、钽的抗蚀本领在金属中是数一数二的，有些方面甚至超过白金(铂)。

拿铌来说，它在一般温度下不与空气里的氧气打交道，即使放到工业区的大气中16年，它的表面也不会生锈，只是稍稍有点儿变暗。

不仅钢铁，一般的金属都害怕强酸，它们往往一掉进强酸就“烟消云散”和“影踪全无”了。铌和钽却不理会这些，在150℃的条件下，除了氢氟酸、发烟硫酸和强碱以外，铌、钽能够抵抗其他各种酸类、碱类的侵袭，包括能把白金、黄金消溶的王水在内，一般的浓淡冷热，都不能伤害它们。有人曾把铌放在浓热的硝酸里2个月，放在强烈的王水中6昼夜，结果它照样还是“面不改色”，安然无恙。

钽对酸类简直具有特殊的稳定性，胜过玻璃和陶瓷，是所有金属中最耐酸蚀的品种。钽不但不怕硝酸、盐酸，王水，就是加热到900℃的高温，在熔融的锂、钠、钾等个性活泼的金属溶液里，它也不会受到损害。把钽放在大多数常见的腐蚀性物质中长期地工作，我们尽可以放心。

正是因为具备了这个特长，所以铌和钽，特别是钽，在化学工业中被广泛用来制造各种高级的耐酸设备，比如制备硝酸、硫酸等用的过滤器、搅拌器、冷凝器、加热器以及生产化学纤维用的喷丝头、耐酸滤网等。近些年来钽的产量成倍增长，主要就是它在化工方面获得广泛应用的结果。

此外，钽和铌还常被用来制做各种精密天平的砝码、自来水笔笔尖、唱针，钟表的弹簧，以及代替白金制造某些电极、蒸发皿等等。

外科医疗上的妙用

钽在医学领域中也占有重要的地位。

钽对化学药品的耐蚀力极强，在大气中不生锈、不变色，一些最忌生锈的医疗器材，比如牙科器材、部分外科器材和化学仪器，都宜于用钽来制造。

不仅可以用来制造医疗器械，钽还是一种极好的“生物适应性材料”。

大家知道，人身上的骨头能够长肉，动物身上的骨头能够长肉。在金属上也能长出肉来吗?

能够的。有这样的事例:医院给骨折病人做手术，用钽条来代替折断了的骨头，过了一段时间，肌肉居然会在钽条上长出来，就像在真正的骨头上长出来一样。

除此之外，钽片可以修补头盖骨损伤，钽丝、钽箔可以用来缝合神经、肌腱和内径小于1.5毫米的血管，用钽丝织成的钽网还能在腹腔手术中用来补偿肌肉组织以加强腹腔壁。当然，用钽材来制造接骨板、螺丝、夹杆、钉子、缝合针等更是轻而易举的事。

为什么钽在外科手术中会有这样的妙用呢?

关键是因为钽有极好的抗蚀性和适应性，既不与人体里的各种具有腐蚀性的“体液”发生作用，又几乎完全不刺激人体的机体组织，对于任何杀菌方法都能适应，且有很好的愈合性，所以能够同人体组织长期结合而无害地留在人体里。

过去人体里使用的金属器件大多是不锈钢，它同其他“亲生物”金属相比，主要优点是比较便宜，但是它的副作用比较大，耐蚀性和生物适应性赶不上钽。

利用铌、钽的这种化学稳定性，我们还可以用它们来制造电解电容器、整流器等等。特别是钽，它在酸性电解液中能生成稳定的阳极氧化膜，用来制造电解电容器正合适。20世纪70年代末有2/3以上的钽用来生产大容量，小体积、高可靠性的固体电解电容器，每年生产数亿只，成为钽的最大用户。

说起来，铌、钽可真是“稀有”金属。在每1吨地壳物质里，平均含有铌20多克，含钽只有两克左右，数量确实不多。

但是，自然界里含铌、钽的矿物却不少，已经发现的含铌矿物就有130多种，其中最主要的是烧绿石和铌铁矿。含钽的主要矿物是钽铁矿、重钽铁矿、细晶石和黑稀金矿。世界上多数铌矿石的含铌品位只有0.2％～0.6％。

正是因为铌和钽的物理化学性质很相似，所以总爱共生在同一种矿物里，要把这一对“孪生兄弟”分离开来还不很容易。先要分解精矿，净化分离出钽、铌，这样得到的钽、铌可不是金属，而是它们的化合物。接着还要经过一系列的物理化学处理，用钠、铝或碳等作还原剂，这才能把它们从化合物中“解放”出来。还原得到的钽、铌通常都是粉状的，于是又要把它们压制成坯块，放进一种特殊的炉子里，在高温真空的条件下，用电弧、电子束或等离子束等进行熔炼，除去气体杂质和容易挥发的非金属杂质，才能得到块锭。最后经过加工，可以制成板、管、丝、箔等铌材和钽材。

你看，要得到一点铌、钽多么不易，怪不得它们的价格会那样昂贵。

我国的铌、钽资源相当丰富，已经发现的具有工业价值的含铌矿物就有铌铁矿、铌钽铁矿、褐钇铌矿、含铌钛铁金红石、易解石、烧绿石，以及一些含钽铌酸盐的砂矿。此外，我国的某些炼钢炉渣和炼锡废渣，也都是提取铌、钽的重要资源。

当然，资源多也不应该浪费。矿产资源是人民的，应该十分珍惜人民的财富。铌，钽常常跟铁伴生在一起，一定要注意资源的综合利用，在炼铁的同时把铌、钽回收出来，让它们在社会主义的现代化建设中发挥应有的作用。