Ниобий

Применение ниобия. Производство ниобия в России

Ниобий

Стоит начать с того, что ниобий неразрывно связан с таким веществом, как тантал. Это даже несмотря на то что открыты эти материалы были не в одно и то же время.

Что такое ниобий

Что же на сегодняшний день известно о таком веществе, как ниобий? Он является химическим элементом, который располагается в 5 группе таблицы Менделеева, обладая атомным номером 41, а также атомной массой 92,9. Как и многие другие металлы, для этого вещества характерен серо-стальной блеск.

Одним из наиболее важных физических параметров этого металла стала его тугоплавкость. Именно благодаря этой характеристике применение ниобия стало широко распространено во многих отраслях промышленности. Температура плавления этого вещества — 2468 градусов по Цельсию, а температура кипения — 4927 градусов по Цельсию.

Химические свойства этого вещества также находятся на высоком уровне. Он характеризуется высоким уровнем устойчивости к воздействию отрицательных температур, а также к воздействию большинства агрессивных сред.

Производство

Стоит сказать о том, что наличие руды, которая содержит элемент Nb (ниобий), гораздо больше, чем той, что содержит тантал, но проблема заключается в скудности содержания самого элемента в этой руде.

Чаще всего для того, чтобы получить этот элемент, осуществляется процесс термического восстановления, в котором участвует алюминий или же кремний. В результате проведения этой операции получаются соединения феррониобий и ферротанталониобий.

Стоит отметить, что получение металлического варианта этого вещества осуществляется с этой же руды, но при этом используется более сложная технология.

Тигли из ниобия и другие полученные материалы характеризуются очень высокими эксплуатационными характеристиками.

Методы получения ниобия

В настоящее время одними из наиболее развитых направлений получения этого материала являются алюминотермическое, натриетермическое и карботермическое.

Отличие между этими типами заключается также и в прекурсорах, которые используются для восстановления ниобия. Допустим, в натриетермическом способе используется K2NbF7.

А вот, к примеру, при алюминотермическом способе применяется пятиокись ниобия.

Если говорить о карботермическом способе получения, то эта технология подразумевает под собой смешение Nb с сажей. Проходить этот процесс должен в высокотемпературной и водородной среде.

В результате проведения этой операции будет получен карбид ниобия. Второй этап заключается в том, что водородная среда заменяется вакуумной, а температура сохраняется.

В этот момент к карбиду ниобия добавляется его оксид и получается сам металл.

Важно отметить, что среди форм выпускаемого металла довольно распространен ниобий в слитках. Этот продукт предназначается для производства сплава на базе металла, а также других различных полуфабрикатов.

Также может выпускаться штабик этого материала, который разделяется на несколько категорий в зависимости от чистоты вещества. Меньше всего примесей содержится в штабике с маркировкой НБШ-00.

Класс НБШ-0 характеризуется более высоким наличием таких элементов, как железо, титан и кремний тантала. Категория, которая обладает наиболее высоким показателем примесей, НБШ-1.

Можно добавить, что у ниобия в слитках такой классификации не имеется.

Альтернативные способы производства

К альтернативным способам можно отнести бестигельную электроннолучевую зонную плавку. Этот процесс позволяет получать монокристаллы Nb. Тигли из ниобия производятся с использованием этого метода. Он относится к порошковой металлургии.

Его применяют для того, чтобы сначала получить сплав этого материала, а после и его чистый образец. Наличие этого метода стало причиной тому, что довольно часто встречаются объявления о покупке ниобия.

Этот способ позволяет использовать для получения чистого металла не саму руду, добыть которую довольно сложно, или же концентрат из нее, а вторичное сырье.

К еще одному альтернативному методу производства можно отнести прокат ниобия. Стоит отметить, что большинство различных фирм отдает предпочтение покупке именно прутьев, проволоке или листовому металлу.

Прокат и фольга

Фольга из этого материала представляет собой довольно распространенный полуфабрикат. Он является наиболее тонким листом проката этого вещества. Используется это сырье для производства некоторых изделий и деталей. Фольга из ниобия получается из чистого сырья путем холодного проката Nb слитков.

Полученные изделия характеризуются такими показателями, как высокая устойчивость к коррозии, воздействию агрессивной среды, а также высокой температуры. Прокат ниобия и его слитков дает также такие характеристики, как стойкость изделия к износу, высокая пластичность, хорошая поддаваемость обработке.

Продукты, полученные таким образом, чаще всего используются в таких сферах деятельности, как авиастроение, ракетостроение, медицина (хирургия), радиотехника, электротехника, атомная энергетика, ядерная энергетика. Фольга из ниобия упаковывается в катушки и хранится в сухом, защищенном от попадания влаги месте, а также в защищенном месте от механического воздействия со стороны.

Применение в электродах и сплавах

Применение ниобия очень широко распространено. Он может использоваться, как хром и никель, в качестве материала, который входит в состав железного сплава, использующегося для производства электродов.

Из-за того, что ниобий, как и тантал, способен образовывать сверхтвердый карбид, его часто применяют для производства сверхтвердых сплавов.

Можно добавить, что в настоящее время пробуют при помощи этого материала улучшать свойства сплавов, полученных на основе цветных металлов.

Так как ниобий является сырьем, способным создавать карбидные элементы, то он, как и тантал, применяется в качестве легирующей смеси при производстве стали. Стоит отметить, что долгое время применение ниобия в качестве примеси к танталу считалось отрицательным действием.

Однако на сегодняшний день мнение изменилось. Было установлено, что Nb может выступать в качестве заменителя танталу, причем с большим успехом, так как из-за меньшей атомной массы можно использовать меньшее количество вещества, сохраняя все старые возможности и эффекты изделия.

Применение в электрической технике

Стоит подчеркнуть, что применение ниобия, как и его брата тантала, возможно в выпрямителях, благодаря тому, что они обладают свойством униполярной проводимости, то есть эти вещества пропускают электрически ток лишь в одном направлении. Возможно использование этого металла для создания таких устройств, как аноды, что используются в мощных генераторах и усилительных лампах.

Очень важно отметить, что применение ниобия дошло и до атомной энергетики. В этой отрасли изделия из этого вещества применяются в качестве конструкционных материалов. Это стало возможным, так как наличие Nb в деталях делает их устойчивыми к жару, а также придает им высокие качества химической стойкости.

Отличные физические характеристики этого металла привели к тому, что его довольно широко используют в ракетной технике, в реактивных самолетах, в газовых турбинах.

Производство ниобия в России

Если говорить о запасах этой руды, то всего насчитывается около 16 млн тонн. Наибольшее месторождение, занимающее примерно 70% всего объема, находится в Бразилии. На территории России же располагается около 25% запасов данной руды. Данный показатель считается значительной частью от всех запасов ниобия.

Наибольшее месторождение этого вещества находится в Восточной Сибири, а также на Дальнем Востоке. На сегодняшний день на территории Российской Федерации добычей и производством этого вещества занимается компания Ловозерский ГОК. Можно заметить, что производством ниобия в России занималась также фирма «Стальмаг».

Она разрабатывала татарское месторождение этой руды, однако в 2010 году была закрыта.

Также можно добавить, что Соликамский магниевый завод занимается производством оксида ниобия. Его они получают, перерабатывая лопаритовый концентрат.

Это предприятие вырабатывает от 400 до 450 тонн этого вещества, большая часть из которого уходит на экспорт в такие страны, как США и Германия.

Часть оставшегося оксида уходит на Чепецкий механический завод, который производит как чистый ниобий, так и его сплавы. Там располагаются значительные мощности, позволяющие производить до 100 тонн материала в год.

Металл из ниобия и его стоимость

Несмотря на то что сфера применения этого вещества довольно широка, основное предназначение — это космическая и ядерная промышленность. По этой причине Nb относится к стратегическим материалам.

Основные параметры, которые влияют на стоимость ниобия:

  • чистота сплава, большое количество примесей снижает цену;
  • форма поставки материала;
  • объемы поставляемого материала;
  • расположение пункта приема руды (разные регионы нуждаются в разном количестве элемента, а значит и цена на него отличается).

Примерный список цен на материал в Москве:

  • ниобий марки НБ-2 стоит в пределах 420-450 рублей за кг;
  • стружка ниобия стоит от 500 до 510 рублей за кг;
  • штабик марки НБШ-00 стоит от 490 до 500 рублей за кг.

Стоит отметить, что, несмотря на огромную стоимость этого товара, спрос на него только увеличивается.

Применение ниобия и его свойства

Ниобий

Химический элемент, названный в честь античной Ниобы – женщины, осмелившейся смеяться над богами и поплатившейся за это смертью своих детей.

Ниобий олицетворяет переход человечества от промышленного производства к цифровому; от паровых локомотивов к ракетным носителям; от угольных теплостанций к ядерной энергетике.

В мире цена ниобия за грамм достаточно высока, также как и спрос на него. Большинство последних достижений науки тесно связаны с использованием этого металла. 

Цена на ниобий за грамм

Так как основные способы использования ниобия связаны с ядерной и космической программами, его относят к группе стратегических материалов. Переработка намного выгоднее в финансовом плане, чем освоение и добыча новых руд, что делает ниобий востребованным на рынке вторичного металла.

Значение цены на него определяется несколькими факторами:

  • Чистота металла. Чем больше посторонних примесей, тем ниже цена.
  • Форма поставки.
  • Объем поставки. Прямо пропорционален ценам на металл.
  • Местонахождение пункта приема лома. Каждый регион имеет различную потребность в ниобии и, соответственно, цена на него.
  • Наличие в составе редких металлов. Сплавы, содержащие такие элементы как тантал, вольфрам, молибден, выше в цене.
  • Значение котировок на мировых биржах. Именно эти значения являются базовыми при установке цены.

Ориентировочный обзор по ценам в Москве:

  • Ниобий НБ-2. Цена варьируется в пределах 420-450 руб. за кг.
  • Ниобиевая стружка. 500-510 руб. за кг.
  • Штабик ниобия НБШ00. Отличается повышенными ценами по причине ничтожного содержания примесей. 490-500 руб. за кг.
  • Ниобиевый штабик НБШ-0. 450-460 руб. за кг.
  • Ниобий НБ-1 в виде прутка. Цена составляет 450-480 руб. за кг.

Несмотря на высокую стоимость спрос на ниобий в мире продолжает расти. Происходит это из-за огромных возможностей его в применении и дефицита металла. На 10 тонн земли приходится всего 18 граммов ниобия.

Научное сообщество продолжает работу по поиску и разработке заменителя столь дорогого материала. Но до сих пор конкретного результата в этом не получила. А это значит, что ближайшее время падение ниобия в цене не предвидится.

Для регулирования цены и увеличения скорости товарооборота предусмотрены следующие категории на изделия из ниобия:

  • Ниобиевые слитки. Их размер и вес нормируется ГОСТом 16099-70. В зависимости от чистоты металла подразделяются на 3 марки: ниобий НБ-1, ниобий НБ-2 и, соответственно, ниобий НБ-3.
  • Ниобиевый штабик. Отличается более высоким процентом содержания посторонних примесей.
  • Ниобиевая фольга. Изготавливается толщиной до 0,01 мм.
  • Ниобиевый пруток. Согласно ТУ 48-4-241-73 поставляется марками НбП1 и НбП2.

Физические свойства ниобия

Металл серого цвета с белым оттенком. Относится к группе тугоплавких сплавов. Температура плавления составляет 2500 ºС. Точка кипения 4927 ºС. Отличается повышенным значением жаростойкости. Не теряет своих свойств при температурах работы свыше 900 ºС.

Механические характеристики также находятся на высоком уровне. Плотность составляет 8570 кг/м3 при аналогичном показателе стали 7850 кг/м3. Устойчив к работе как при динамических нагрузках, так и циклических.

Предел прочности на разрыв – 34,2 кг/мм2. Обладает высокой пластичностью. Коэффициент относительного удлинения варьируется пределах 19-21%, что позволяет получать из него листовой прокат ниобия толщиной до 0,1 мм.

Твердость связана с чистотой металла от вредных примесей и повышается с увеличением их в составе. Чистый ниобий имеет 450 единиц шкалы твердости по Бринеллю.

Ниобий хорошо поддается обработке давлением при температурах ниже -30 ºС и плохо резанием.

Теплопроводность существенно не изменяется при больших колебаниях температуры. Например, при 20 ºС она составляет 51,4 вт/ (м К), а при 620 С повышается всего на 4 единицы.

Ниобий конкурирует в электропроводности с такими элементами как медь и алюминий. Электросопротивление — 153,2 нОм м. Относится к категории сверхпроводящих материалов.

Температура, при которой сплав переходит в режим сверхпроводника, составляет 9,171 К.

Крайне устойчив к воздействию кислой среды. Такие распространённые кислоты как серная, соляная, ортофосфорная, азотная никак не влияют на его химическую структуру.

При температурах свыше 250 ºС ниобий начинает активно окисляться кислородом, а также вступать в химические реакции с молекулами водорода и азота. Данные процессы увеличивают хрупкость металла, тем самым снижая его прочность.

  • Не относится к аллергенным материалам. Внедренный в тело человека, он не вызывает реакции отторжения организмом.
  • Является металлом первой группы свариваемости. Сварные швы получаются плотными и не требуют подготовительных операций. Устойчивые к образованию трещин.

Разновидности сплавов

По значению механических свойств в условиях повышенных температур ниобиевые сплавы подразделяются:

  1. Низкопрочные. Работают в пределах 1100-1150 ºС. Обладают простым набором легирующих элементов. В основном сюда относится цирконий, титан, тантал, ванадий, гафний. Прочность составляет 18-24 кг/мм2. После перехода критического температурного порога она резко падает и становится аналогичной чистому ниобию. Основное преимущество – высокие пластичные свойства при температурах до 30 ºС и хорошая обрабатываемость давлением.
  2. Среднепрочные. Их рабочая температура находится в пределах 1200-1250 ºС. Помимо вышеперечисленных легирующих элементов содержат примеси вольфрама, молибдена, тантала. Основное назначение данных добавок – сохранение механических свойств при увеличении температуры. Обладают умеренной пластичностью и хорошо обрабатываются давлением. Ярким примером сплава служит ниобий 5ВМЦ.
  3. Сплавы высокой прочности. Используются при температурах до 1300 ºС. При кратковременном воздействии до 1500 ºС. Отличаются химическим составом более высокой сложности. На 25% состоят из добавок, основная доля которых приходится на вольфрам и молибден. Некоторые виды данных сплавов отличаются повышенным содержанием углерода, что положительно влияет на значение их жаропрочности. Главным недостатком высокопрочного ниобия является низкая пластичность, которая затрудняет проведения технологической обработки. И, соответственно, получению производственных полуфабрикатов.

Следует учесть, что перечисленные выше категории имеют условный характер и дают лишь общее представление о способе применения того или иного сплава.

Также следует упомянуть о таких соединениях как феррониобий и оксид ниобия.

Феррониобий представляет собой соединение ниобия с железом, где содержание последнего находится на уровне 50%. Помимо основных элементов он включает в себя сотые доли титана, серы, фосфора, кремния, углерода. Точное процентное соотношение элементов нормируется ГОСТом 16773-2003.

Пентаксид ниобия – кристаллический порошок белого цвета. Не подвержен растворению в кислоте и воде. Производится методом сжигания ниобия в среде кислорода. Полностью аморфен. Температура плавления 1500 ºС.

Применение ниобия

Все вышеперечисленные свойства делают металл крайне востребованным в разного рода отраслей производства. Среди множества способов его применения выделяют следующие позиции:

  • Использование в металлурги в виде легирующего элемента. Причем ниобием легируют как черные, так и цветные сплавы. Например, добавление всего 0,02% его в состав нержавеющей стали 12Х18Н10Т увеличивает ее износостойкость на 50%. Улучшенный ниобием (0,04%) алюминий становится полностью невосприимчив к щелочи. На медь ниобий действует как закалка на сталь, увеличивая ее механические свойства на порядок. Отметим, что ниобием легируют даже уран.
  • Пентооксид ниобия является основным компонентом при изготовлении особо огнеупорной керамики. Также ему нашли применение в оборонной промышленности: бронированные стекла военной техники, оптика с большим углом преломления и прочее.
  • Феррониобий используется для легирования сталей. Основная его задача — это увеличение коррозионостойкости.
  • В электротехнике применяют для изготовления конденсаторов и токовыпрямителей. Такие конденсаторы отличаются повышенной емкостью и сопротивлением изоляции, малыми размерами.
  • Широким применением пользуются соединения кремния и германия с ниобием в области электроники. Из них изготавливают сверхпроводимые соленоиды и элементы генераторов тока.
  • В ядерной энергетике служит материалом защитной обшивки термоядерных урановых реакторов. Такое применение обусловлено инертностью ниобия к урану при температурах до 900 ºС, которое позволяет существенно экономить ядерное топливо.
  • Сплав 5ВМЦ применяют в аэрокосмической отрасли при конструировании ответственных деталей термореактивных двигателей. В частности, применение 5ВМЦ при изготовлении лопаток газовых турбин, способствует увеличению их долговечности.
  • Карбид вольфрама является компонентом твердых сплавов, которые в машиностроении применяются как режущий инструмент.
  • Благодаря своей коррозионной стойкости и высокой пластичности ниобий нашел применение в аппаратуре и приборах химической промышленности.

Что такое Ниобий

Ниобий

Ниобий — Металл серовато-белого цвета, принадлежащий к числу очень редких элементов.

Ниобий в Энциклопедическом словаре:

Ниобий — (лат. Niobium) — Nb, химический элемент V группы периодическойсистемы, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Назван от имени Ниобы -дочери мифологического Тантала (близость свойств Nb и Ta). Светло-серыйтугоплавкий металл, плотность 8,57 г/см3, tпл 2477 .

С, температураперехода в сверхпроводящее состояние 9,28 К. Химически очень стоек.Минералы: пирохлор, колумбит, лопарит и др. Компонент химически стойких ижаростойких сталей, из которых изготовляют детали ракет, реактивныхдвигателей, химическую и нефтеперегонную аппаратуру.

Ниобием и егосплавами покрывают тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) ядерных реакторов.

Станнид Nb3Sn, германид Nb3Ge, сплавы Ниобия с Sn, Ti и Zr используют дляизготовления сверхпроводящих соленоидов (Nb3Ge — сверхпроводник стемпературой перехода в сверхпроводящее состояние 23,2 К).

Значение слова Ниобий по словарю Даля:

Ниобий
один из открытых химиками металлов.

Значение слова Ниобий по словарю Брокгауза и Ефрона:

Ниобий (Niobium франц. и англ., Niob нем.. хим.), Nb = 94. — В V группе периодической системы элементов имеются два редких металла, H. и тантал, которые относятся к ванадию подобно тому, как молибден и вольфрам к хрому. последние три металла — члены металлической подгруппы в группе серы (VI). ванадий, Н.

и тантал — члены металлической подгруппы в группе азота. Н. и тантал встречаются в редких минералах — танталитах, колумбитах и некоторых других — обыкновенно вместе, а потому история их открытия и изучения одна и та же (см. Тантал). Колумбит из Гренландии, однако, не содержит тантала.

это соль закиси железа (FeO = 17,33%) и ниобиевой кислоты (Nb 2O5 = 77,97%), содержащая, кроме того, закись марганца (MnО = 3,28%) и еще MgO, PbO, ZrO 2, SnO2 и WO 3. Извлечение ниобиевой кислоты из минерала достигается через сплавление его с кислым серно-кислым калием и обработку сплава водой.

нерастворимый остаток очищается от оловянной и вольфрамовой кислот сернистым аммонием и представляет белый, аморфный порошок, уд. в 4,53. это ангидрид, Nb2O5. Он не растворим в кислотах, за исключением плавиковой. Прибавляя к HF-му раствору, содержащему избыток HF, фтористый калий, получают калевую соль Н.

-фтористо-водородной кислоты K 2NbF7, которая хорошо растворима и кристаллизуется в блестящих иголках. соответственное соединение тантала трудно растворяется. Ниобиевая кислота, гидрат HNbO 3, получается из NbCl 5 или NbOCl 3 действием влажного воздуха или воды. по высушивании при 100° имеет указанный состав. она легко растворима в едких и даже углекислых щелочах.

В солях, очень разнообразного состава, встречаются типы фосфорных и мышьяковых: ортосоли, напр. Na 2HNbO4.6Н 2O, пиросоли — K3HNb2O7.6H2O, метасоли — Mg(NbO3)2, KNbO3.2H2 O и более слoжные — K 8Nb6O19.16H2 O. При накаливании смеси Nb 2O5 с углем в струе хлора получается пятихлористый Н.

, NbCl5 — желтые иглы, плавящиеся при 194° и возгоняющиеся уже при 125°. температура кипения 240,5°. При охлаждении паров NbC l5 в токе, углекислого газа над N 2O5, при накаливании, образуется хлорокись, NbOCl3 — бесцветная лучисто-кристаллическая масса, которая, не плавясь, превращается в бесцветный пар при 400°.

Формулы этих соединений согласуются с определениями плотности пара (Девилль и Троост). К воде они относятся как хлорангидриды, т. е. распадаются на гидрат, ниобиевую кислоту, и соляную кислоту. Из соединений низшего типа следует прежде всего упомянуть треххлористый Н., NbCl3, который получается, если пар NbCl 5 медленно проходит чрез трубку, накаленную докрасна.

он нелетуч, кристалличен, напоминает по виду йод. в химическом отношении характеризуется способностью переходить в соединения высшего типа: окисляется даже на счет углекислого газа при нагревании, при чем образуется NbOCl 3 и окись углерода (Роско). Существуют низшие кислородные соединения. NbO получается при действии натрия на K 2NbOF5.

при накаливании Nb 2O5 в струе водорода возникает NbO 2. Металлический Н. получен при сильном накаливании смеси паров NbCl 5 с водородом (Роско) в виде стально-серых блестящих корок, уд. в. 7,06. он содержал водород (0,27%), а также немного хлора и кислорода.

почти не реагировал с соляной и азотной кислотами и даже с царской водкой, легко растворялся при слабом нагревании в серной кислоте и сгорал, накаленный на воздухе. Мариньяк, благодаря работам которого (1865) уяснена природа этого металла, сплавлял натриевую соль Н.-фтористо-водородной кислоты с металлическим натрием под слоем поваренной соли и затем, промыв продукт водой, получил бурый порошок Н., содержащий водород. Вообще чистый металлический Н. пока не известен. Восстановление Nb 2O5 углем в электрической печи привело к металлу, содержащему углерод и азот (А. Ларссон, 1896). С. С. Колотов. &#916..

Определение слова «Ниобий» по БСЭ:

Ниобий (лат. Niobium)
Nb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева. атомный номер 41, атомная масса 92,9064. металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп 93Nb.
Н. открыт в 1801 английским учёным Ч. Хатчетом (1765-1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им «колумбием». В 1844 немецкий химик Г.

Розе (1795 — 1864) обнаружил «новый» элемент и назвал его «ниобием»
в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между Н. и Танталом. Позднее было установлено, что Н. тот же элемент, что и колумбий.
Распространение в природе. Среднее содержание Н. в земной коре (кларк) 2·10&minus.3% по массе. Только в щелочных изверженных породах — нифелиновых сиенитах и др.

, содержание Н. повышено до 10&minus.2-10&minus.1%. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала Н. и около 130 др. минералов, содержащих повышенные количества Н. Это в основном сложные и простые окислы. В минералах Nb связан с редкоземельными элементами и с Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ниобаты, титанаты и др.).

Из 6 промышленных минералов наиболее важны пирохлор и Колумбит. Промышленные месторождения Н. связаны с массивами щелочных пород (например, на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными пегматитами. Важное значение имеют и россыпи тантало-ниобатов.
В биосфере геохимия Н. изучена плохо. Установлено только, что в районах щелочных пород, обогащенных Н.

, он мигрирует в виде соединений с органическими и др. комплексами. Известны минералы Н., образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит и др.). В морской воде лишь около 1· 10&minus.9% Н. по массе.
В 60-е гг. 20 в. ежегодно в мире добывалось около 1300 т Н., что по сравнению с кларком свидетельствует о его слабом использовании (слабее большинства металлов).

Физические и химические свойства. Кристаллическая решётка Н. объёмноцентрированная кубическим с параметром а = 3,294 Е. Плотность 8,57 г/смі (20°C). tпл 2500°C. tкип 4927°C. давление пара (в мм рт. ст., 1 мм рт. ст. = 133,3 н/мІ) 1· 10&minus.5 (2194°C), 1 · 10&minus.4 (2355°C), 6 · 10&minus.4 (при tпл), 1 · 10&minus.3 (2539°C).

Теплопроводность в вт/(м · К) при 0°C и 600°C соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см · сек ·°C) 0,125 и 0,156. Удельное объёмное электрическое сопротивление при 0°C 15,22 · 10&minus.8 ом · м (15,22 · 10&minus.6ом · см). температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Н. парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.
Чистый Н.

легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800°C соответственно равен 342 и 312 Мн/мІ, то же в кгс/ммІ 34,2 и 31,2. относительное удлинение при 20 и 800°C соответственно 19,2 и 20,7%. Твёрдость чистого Н. по Бринеллю 450, технического 750-1800 Мн/мІ.

Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твёрдость Н.
По химическим свойствам Н. близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы (тантал более чем Н.) на холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный Н. заметно окисляется на воздухе только выше 200°C. На Н.

действуют: хлор выше 200°C, водород при 250°C (интенсивно при 360°C), азот при 400°C. Практически не действуют на Н. очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.
Н. устойчив к действию многих кислот и растворов солей.

На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20°C, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи растворяют Н. В кислых электролитах на Н. образуется анодная окисная плёнка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать Н.

и его сплавы с Ta взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой ёмкости с малыми токами утечки.
Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d45s1. Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Н., но известны и соединения со степенями окисления +4, +3, +2 и +1, к образованию которых Н. склонен более, чем тантал. Например, в системе Н.

— кислород установлены фазы: пятиокись Nb2O5(tпл 1512°C, цвет белый), нестехеометрические NbO2,47 и NbO2,42, двуокись NbO2 (tпл 2080°C, цвет чёрный), окись NbO (tпл 1935°C, цвет серый) и твёрдый раствор кислорода в Н. NbO2 — полупроводник.

NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700°C, интенсивно — при 2300-2350°C, что используют для вакуумной очистки Н. от кислорода. Nb2O5 имеет кислотный характер. ниобиевые кислоты не выделены в виде определённых химических соединений, но известны их соли — Ниобаты.

С водородом Nb образует твёрдый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/смі) при 20°C 104, при 500°C 74,4, при 900°C 4,0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется.

это используют для очистки Nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Н. для электролитич. конденсаторов. Растворимость азота в Н. составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500°C. Рафинируют Н.

от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900°C или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком. температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800-2000°C Nb образует 3 фазы: &alpha.-фаза — твёрдый раствор внедрения углерода в Н., содержащий до 2 ат.% С при 2335°C. &beta.-фаза — Nb2C, &delta.-фаза — NbC.

С галогенами Н. даёт галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны и лучше других изучены пентафторид NbF5, пентахлорид NbCl5, окситрихлорид NbOCI3, фторониобат калия K2NbF7 и оксифторониобат калия K2NbOF7· H2O.
Небольшое различие в давлении паров NbCl5 и TaCl5 используют для их весьма полного разделения и очистки методом ректификации.

Получение и применение. Руды Nb — обычно комплексные и бедны Nb, хотя их запасы намного превосходят запасы руд Та (см. Ниобиевые руды). Рудные концентраты содержат Nb2O5: пирохлоровые — не менее 37%, лопаритовые — 8%, колумбитовые — 30-60%. Большую их часть перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40-60% Nb) и ферротанталониобий.

Металлический Nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение Nb и Ta и получение их чистых химических соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического Н. и его сплавов.

Основные промышленные методы производства Nb и сплавов — алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800°C в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800-1900°C в вакууме — металл. для получения сплавов Н. в эту смесь добавляют окислы легирующих металлов (см. Ниобиевые сплавы). по другому варианту Н.

восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb2O5 сажей. Натриетермическим способом Н. восстанавливают натрием из K2NbF7, алюминотермическим- алюминием из Nb2O5. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300°C, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой.

монокристаллы Nb высокой чистоты — бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.
Применение и производство Н. быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,15 б), способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др.

сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоду и свариваемость. Основные области применения Н.: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, хим. аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого Н. или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов.

оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов. контейнеры и трубы для жидких металлов. детали электрических конденсаторов.
«горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.). коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют др. цветные металлы, в том числе уран. Н.

применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb3Sn и сплавы Nb с Ti и Zr — для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Nb и сплавы с Ta во многих случаях заменяют Ta, что даёт большой экономический эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Ta). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств. Применяют и соединения Н.: Nb2O5 (катализатор в химической промышленности. в производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид, карбид, Ниобаты.
Лит.: Зеликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973. Ниобий, тантал и их сплавы, пер. с англ., М., 1966. Недюха И. М., Черный В. Г., Ниобий — металл космической эры, Киев, 1965. Ниобий и тантал. Сб. [переводных ст.], под ред. О. П. Колчина, М., 1961. Филянд М. А., Семенова Е. И., Свойства редких элементов [Справочник], 2 изд., М., 1964.
О. П. Колчин.

Ниобий — свойства, применение и сплавы ниобия

Ниобий

Химические элементы ниобий и тантал неразрывно связаны между собой еще со времени открытия. Их взаимосвязь проявляется даже мифологически: название первого, происходит от имени Ниоба, которая в древнегреческой мифологии была дочерью царя Тантала.

Генрих Розе приложил свою «легкую руку» к тому, чтобы наименование Nb крепко закрепилось в научных кругах и таблице Менделеева. Исследования немецкого химика в области изучения свойств минерала колумбита позволили выделить окислы двух металлов (1844 год).

Первый относился к уже известному тогда танталу, второй оказался оксидом нового элемента — ниобия.

Что на сегодня известно о Nb

Ниобий – химический элемент, занимает место в V группе таблицы Менделеева, атомный номер – 41, атомная масса 92,9. Как и многие металлы, он характеризуется серо-стальным блеском. Формула элемента электронно выглядит как 4d45sl, графическая интерпретация оболочек ниобия следующая: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1.

Тугоплавкость считается самым важным физическим свойством металла, именно благодаря ей ниобий стал востребованным во многих областях промышленности.

Плавится и кипит при температурах 2468 и 4927 0С, соответственно. Плотность вещества при комнатных условиях оценивается как 8.57 грамм в кубическом сантиметре. Металл обладает парамагнитностью.

Имеет ОЦК кристаллическую решетку с радиусом 3.294 ангстрем.

Слитки ниобия

Химические свойства ниобия и танталу также достаточно близки. Металлы отличаются высокой устойчивостью к воздействию отрицательных температур и большинства агрессивных сред. Например, заметное окисление Nb на воздухе наблюдается только при нагреве вещества свыше 200 0С. Список кислот, не воздействующих на ниобий, достаточно широк и включает:

Также металл устойчив к водным растворам аммиака. Уникальное свойство элемента образовывать диэлектрическую оксидную пленку в составе кислых электролитов нашло применение в изготовлении миниатюрных высокоемкостных конденсаторов, где элемент заменяет более дорогостоящий тантал.

— Ниобий, химические и физические свойства:

Производство ниобия

Несмотря на то, что запасы Nb-содержащих руд превосходят аналоги для тантала, первые характеризуются очень скудным содержанием элемента. Как правило, концентраты содержат пятиокись ниобия – Nb2O5, процентное вхождение которое определяется типом руды:

  • колумбитовая – от 30 до 60%.

Обычно, руда ниобия проходит цикл термического восстановления с участием алюминия или кремния. Результат процесса – соединения феррониобий и ферротанталониобий. Металлический ниобий добывают из аналогичного сырья, но сама технология более сложная и состоит из трех стадий:

  1. Добыча руды, его содержащей, переработка до состояния концентратов их вскрытие.
  2. Получение химических соединений Nb и Та с привлечением методов порошковой металлургии.
  3. Рафинирование позволяет получать металлический ниобий высокой пробы.

Так выглядит феррониобий

На сегодня, наиболее развиты такие методики получения Nb, как алюмино-, натрие- и карботермическая. Различными оказываются и прекурсоры для высокотемпературного восстановления ниобия.

При натриетермическом способе – это K2NbF7, тогда как в алюминотермической методике используется пятиокись ниобия. Карботермическая технология подразумевает смешивание оксида Nb с сажей в высокотемпературной водородной среде, чтобы получить карбид ниобия.

На следующем этапе, водородная среда заменяется вакуумом, и при тех же температурах, смешав карбид ниобия с его оксидом, получают сам металл.

Фольга из ниобия

Бестигельная электроннолучевая зонная плавка дает возможность вести производство монокристаллов Nb. Методами порошковой металлургии, пользуются для получения сначала сплавов, а после и чистого металла ниобий.

Поэтому ничего удивительного, что «куплю ниобий» — частое содержание объявлений, публикуемых на страницах интернета.

Ведь в таких ситуациях, вполне можно использовать вторичное сырье, а не руду или концентрат из нее.

Среди форм выпускаемого металла распространен ниобий в слитках. Они предназначены на изготовление сплавов на базе металла и прочих полуфабрикатов.

Альтернативно выпускается штабик ниобия, классифицируемый соответственно чистоте химического состава. Наименьшее содержание примесей соответствует марке НБШ-00.

Штабик ниобия НБШ-0 отличается повышенным вхождением железа, кремния тантала и титана. Наиболее легированная марка штабика ниобия — НБШ-1.

Альтернативная форма выпуска – прокат ниобия. В частности, большинство организаций предпочитает покупать листовой металл, пруток, проволоку. Еще одна разновидность проката ниобий фольга.

Магнитные и другие сплавы с Nb

Сплавы ниобия

Феррониобий представляет собой соединение, базовый состав которого определяют элементы: железо с одной стороны, а также смесь ниобия с танталом – с другой.

Источником для соединения выступает техническая пятиокись ниобия из которой вещество производят электропечным алюминотермическим способом.

Суммарное содержание Nb и Ta в сплаве составляет 40 – 65% и зависит от конкретной марки феррониобия, детальная информация по которым сведена в ГОСТ 16773-2003. Остальные составляющие соединения:

Наибольшим содержанием, кроме ниобия с танталом, в сплаве представлены Si и Al. При этом, феррониобий с минимальным процентным вхождением Nb и Ta, характеризуется высоким вхождением кремния до 20%. Напротив, в сплаве с максимальным содержанием ниобия и тантала, среди легирующих добавок преобладает алюминий.

В интернете много объявления о продаже и покупке феррониобия

Свое применение феррониобий нашел сталеплавильной – производство конструкционной стали и литейной отраслях индустрии, а также в изготовлении электронных покрытий.

Основной производитель соединения Вишневогорский металлургический завод «Северный ниобий». Предприятие расположено в Челябинской области, вблизи одноименного населенного пункта.

В сферу деятельности ООО «Северный ниобий» также входит изготовление ферросплавов других металлов, включая молибден, вольфрам и титан.

Альтернативой соединения феррониобий, оказывается деформируемый сплав 5ВМЦ, где легирующими металлами выступают: цирконий, молибден и вольфрам. Применение 5ВМЦ, в основном, ограничено изготовлением полуфабрикатов.

Окислы металла

Наибольшее распространение среди этого вида соединений получила пятиокись ниобия. Это неорганическое вещество представлено белым кристаллическим порошком, обладающим кремовым оттенком и нерастворимым в воде, большинстве кислот. Пентаоксид ниобия характеризуется химической формулой Nb2O5 и подразделяется на три марки, в зависимости от чистоты: 99 – 97% исходного вещества.

Основные свойства пятиокиси ниобия:

  • тугоплавкость – температура плавления 1490 0С;
  • окисляется при нагревании;
  • реагирует с хлором, восстанавливается водородом.

Пятиокись ниобия получают разнообразными методиками, среди которых присутствуют: сжигание Nb в кислороде и проколка различных форм ниобия:

Основная сфера использования пятиокиси ниобия – производство высоколегированных марок сталей, изготовление сплавов.

Изделия из ниобия

Ассортимент продукции, как и формы выпускаемого металла достаточно разнообразны. Популярность элемента ниобий применение и производство его, обусловлены следующими свойствами элемента:

  • устойчивость к разным видам коррозии;
  • малая эффективность от столкновения с нейтронами;
  • образование сплавов с жаропрочными и сверхпроводящими качествами;
  • сохранение работоспособности при отрицательных температурах;

Аноды из ниобия

Среди отраслей, эксплуатирующих металл, следует выделить технику для авиации и космонавтики, где на базе Nb выпускают детали самолетов, ракет. Дополнительно, ниобий востребован радиотехникой, где из него изготавливают сдлелующее:

  • детали электрических конденсаторов;
  • элементы радарных установок;
  • аноды из фольги, катоды, сетки для работы внутри мощных генераторных ламп.

Чтобы изготовить оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов, в атомной энергетике также применяют ниобий и его сплавы. Из соединения изготавливают контейнеры, трубы для транспортировки жидких металлов.

Альтернативная сфера, где цена продукции определяется не только содержанием элемента – монеты из ниобия и тантала. Так металл используют Австрийский монетный двор и Национальный банк Латвии, где активно развита чеканка ниобиевых монет в сочетании с серебром. Уже выпущено шесть разновидностей, общий вид которых: сердцевина – ниобий различных цветов и внешнее кольцо – серебро 900-й пробы.

— рассказ о ниобии:

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть