Ниобий — свойства, применение и сплавы 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
слитки ниобия

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:

  • соляную;
  • серную;
  • хлорную;
  • фосфорную.

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.

Видео – Ниобий, химические и физические свойства:

к содержанию ↑

Физические и химические свойства

Ниобий имеет химические свойства схожие с химическими свойствами тантала. Рассматривая основные характеристики ниобия, нужно уделить внимание нижеприведенным моментам:

  1. Устойчивость к воздействию различных видов коррозии. Сплавы, получаемые при внедрении данного элемента в состав, обладают высокими коррозионностойкими качествами.
  2. Рассматриваемый химический элемент демонстрирует высокий показатель температуры плавления. Как показывает практика, у большинства сплавов температура плавления более 1 400 градусов Цельсия. это усложняет процесс обработки, но делает металлы незаменимы в различных сферах деятельности.
  3. Основные физические свойства также характеризуются легкостью сваривания получаемых сплавов.
  4. При отрицательных температурах структура элемента остается практически неизменной, что позволяет сохранить эксплуатационные свойства металла.
  5. Особое строение атома ниобия определяет сверхпроводящие качества материала.
  6. Атомная масса составляет 92,9, валентность зависит от особенностей состава.

Ниобий НБШ

Основным достоинством вещества считается именно тугоплавкость. Именно поэтому он стал применяться в самых различных отраслях промышленности. Плавление вещества проходит при температуре около 2 500 градусов Цельсия. Некоторые сплавы и вовсе плавятся при рекордной температуре 4 500 градусов Цельсия. Плотность вещества достаточно высокая, составляет 8,57 грамма на кубический сантиметр. Стоит учитывать, что металл характеризуется парамагнитностью.

На кристаллическую решетку не оказывают воздействия следующие кислоты:

Читайте также:  Углеродистая сталь марки СтЗпс — обыкновенного качества

  1. серная;
  2. соляная;
  3. фосфорная;
  4. хлорная.

Не оказывает воздействие на металл и водные растворы хлора. При определенном воздействии на металл на его поверхности образуется диэлектрическая оксидная пленка. Именно поэтому металл стал использоваться при производстве миниатюрных высокоемкостных конденсаторов, которые также изготавливаются из более дорогостоящего тантала.

Получение элемента

При рассмотрении свойств ниобия следует отметить, что содержание этого металла на тонну породы относительно невелико, составляет примерно 18 грамм. Именно поэтому после его открытия было предпринято довольно много попыток получения металла искусственным путем. За счет близкого химического состава это вещество достаточно часто добывается вместе с танталом.

Читайте также:  ГОСТ 8240-97. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент (с Изменением N 1)

Месторождения ниобия расположены практически по всему миру. Примером назовем рудники в Конго, Руанде, Бразилии и в многих других странах. Однако этот элемент нельзя назвать распространенным, во многих регионах он практически не встречается даже в малой концентрации.

Химический элемент ниобий

Относительно небольшая концентрация вещества в земной породе усугубляется сложностями, возникающими при его получении из концентрата. Стоит учитывать, что ниобий НБШ получить можно только из породы, которая насыщена танталом. Особенностями производственного процесса назовем нижеприведенные моменты:

  1. Для начала на завод поставляется концентрированная руда, которая проходит несколько этапов очистки. При производстве ниобия проводится разделение получаемой руды на чистые элементы, среди которых и тантал.
  2. Завершающий процесс переработки заключается в рафинировании металла.

Несмотря на возникающие сложности при добыче и переработке рассматриваемой руды, с каждым годом объем производства рассматриваемого сплава существенно возрастает. Это связано с тем, что металл обладает исключительными эксплуатационными качествами и получил большое распространение в самых различных отраслях промышленности.

Цена

Цена редкого металла запредельна (тыс. руб./кг)

  • Порошок – 3,65 – 21,7.
  • Штабики, прутки, слитки – 8,1.
  • Фольга – 125 – 143,7.
  • Стружка – 0,65.

Он дешевле тантала, но в разы дороже вольфрама и молибдена.

Нахождение в природе

Кларк ниобия — 18 г/т. Содержание ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обусловливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более ста минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, пирохлор (Na, Ca, TR, U)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F) (Nb2O5 0 — 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3 ((Nb, Ta)2O5 8 — 10 %), иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в делювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1⋅10−5 мг/л.

Месторождения

Месторождения ниобия расположены в США, Японии, России (Кольский полуостров), Бразилии, Канаде.

Добыча ниобия по странам (тонн) (оценка USGS)  Страна200020012002200320042005200620072008200920102011
 Австралия 160 230 290 230 200 200 200 ? ? ? ? ?
 Бразилия 30 000 22 000 26 000 29 000 29 900 35 000 40 000 57 300 58 000 58 000 58 000 58 000
 Канада 2,290 3,200 3,410 3,280 3,400 3,310 4,167 3020 4380 4330 4420 4400
 Демократическая Республика Конго ? 50 50 13 52 25 ? ? ? ? ? ?
 Мозамбик ? ? 5 34 130 34 29 ? ? ? ? ?
 Нигерия 35 30 30 190 170 40 35 ? ? ? ? ?
 Руанда 28 120 76 22 63 63 80 ? ? ? ? ?
Всего в мире 32 600 25 600 29 900 32 800 34 000 38 700 44 500 60 400 62 900 62 900 62 900 63 000

Применение

Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость. Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика.

Применение металлического ниобия

  • Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности.
  • Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран. Например, алюминий, если в него ввести всего 0,05 % ниобия, совсем не реагирует со щелочами, хотя в обычных условиях он в них растворяется. Сплав ниобия с 20 % меди обладает высокой электропроводностью и при этом он вдвое твёрже и прочнее чистой меди.
  • Ниобий применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера.
  • Ниобий и тантал используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной ёмкости. Тантал позволяет производить более качественные конденсаторы, чем металлический ниобий. Однако конденсаторы на основе оксида ниобия наиболее надёжны и устойчивы к возгоранию.
  • Австрия, Британские Виргинские Острова, Канада, Латвия, Либерия, Люксембург, Палау и Сьерра-Леоне выпускают биметаллические памятные монеты с использованием ниобия.
  • €25 «700 лет городу Халль в Тироле»

  • €25 «150-летие Альпийской железной дороге»

  • €25 «50 лет телевидению»

  • €25 «Бионика»

Интерметаллиды и сплавы ниобия

  • Станнид Nb3Sn (станнид триниобия, известный также как сплав ниобий-олово), германид Nb3Ge (германийтриниобий), нитрид NbN и сплавы ниобия с титаном (ниобий-титан) и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Так, обмотки сверхпроводящих магнитов Большого адронного коллайдера изготовлены из 1200 тонн кабеля из сплава ниобий-титан.
  • Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).
  • Феррониобий вводят (до 0,6 % ниобия) в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии (в том числе той, которая иначе началась бы после сварки нержавейки) и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.
  • Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Банк Латвии утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий.

Применение соединений ниобия

  • Nb2O5 — катализатор в химической промышленности;
  • в производстве огнеупоров, керметов, специальных стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
  • Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235 является важнейшим конструкционным материалом для тепловыделяющих элементов твердофазных ядерных реактивных двигателей.
  • Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих плёнок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К.

Сверхпроводящие материалы первого поколения

  • Один из активно применяемых сверхпроводников (температура сверхпроводящего перехода 9,25 К). Соединения ниобия имеют температуру сверхпроводящего перехода до 23,2 К (Nb3Ge).
  • Наиболее часто используемые промышленные сверхпроводники — NbTi и Nb3Sn.
  • Ниобий используется также в магнитных сплавах.
  • Применяется как легирующая добавка.
  • Нитрид ниобия используется для производства сверхпроводящих болометров.
  • Исключительная стойкость ниобия и его сплавов с танталом в перегретом паре цезия-133 делает его одним из наиболее предпочтительных и дешёвых конструкционных материалов для термоэмиссионных генераторов большой мощности.

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:

  • пирохлоровая – до 37%;
  • лопаритовая – 8%;
  • 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
Так выглядит феррониобий

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
фольга из ниобия

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.

к содержанию ↑

Где искать

Нахождение в природе ниобия почти всегда сопутствует минералам, содержащим тантал.

Месторождения рудных запасов имеют:

  • Австралия;
  • Бразилия;
  • Россия;
  • США;
  • Канада.

Гордимся: Россия обладает четвертью мировых запасов руды.

Известно около 100 ниобийсодержащих минералов; в их состав почти всегда входит и тантал.

ниобий
ниобий

Области применения ниобия

Основные направления использования металла следующие:

  • химическая и атомная промышленность;
  • металлургия;
  • электроника;
  • ядерная физика;
  • авиастроение.

Высокая прочность и хорошая стойкость к коррозии в том числе и при высоких температурах позволяют применять ниобий в качестве конструкционного материала. Подобное использование характерно для изготовления деталей летательных аппаратов, труб и контейнеров для передачи и хранения жидких металлов, оболочек для радиоактивных тепловыделяющих элементов.

Nb — распространенный легирующий элемент, который позволяет существенно улучшать свойства содержащих его сталей и сплавов. Nb передает в легируемые материалы прочность, коррозионную стойкость, тугоплавкость.

Рассматриваемый металл также применяется в изготовлении конденсаторов — важных элементов электронной промышленности. По своим характеристикам ниобиевые конденсаторы уступают танталовым, однако имеют существенно меньшую цену.

Соединения ниобия Nb3Sn, Nb3Ge, NbN и NbTi применяются для производства сверхпроводников. Такие свойства востребованы в научном оборудовании, используемом, например, в физических экспериментах.

Получение

Руды ниобия — обычно комплексные и бедны металлом. Рудные концентраты содержат Nb2O5: пирохлоровые — не менее 37 %, лопаритовые — 8 %, колумбитовые — 30—60 %. Большую их часть перерабатывают алюмо- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40—60 % Nb) и ферротанталониобий. Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии:

1) вскрытие концентрата, 2) разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов. Основные промышленные методы производства Nb и сплавов — алюмотермический, натрийтермический, карботермический: из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800°C в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800—1900°С в вакууме — металл; для получения сплавов ниобия в эту смесь добавляют окислы легирующих металлов; по другому варианту ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb2O5 сажей. Натрийтермическим способом ниобий 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 ниобия высокой чистоты — бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Магнитные и другие сплавы с Nb

сплавы ниобия
сплавы ниобия

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:

  • углерод;
  • кремний;
  • алюминий;
  • титан;
  • сера;
  • фосфор.

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
В интернете много объявления о продаже и покупке феррониобия

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.

к содержанию ↑

Плюсы и минусы

Достоинства Недостатки
Устойчив к коррозии в агрессивных средах Высокая цена
Завидные механические свойства (прочность, пластичность) Руды металла редко встречаются
Высокая температура плавления Малый модуль упругости

Добыча и происхождение ниобия

Тантал и ниобий часто встречаются вместе, на протяжении многих лет их практически не отличали друг от друга. По предложению Королевского химического общества он стал называться в честь греческой богини слез Ниобе, дочери короля Тантала.

Nb имеет запутанную историю. Джон Уинтроп открыл руду в штате Массачусетс в 1734 году и отправил ее в Англию. Минерал хранился в коллекции Британского музея в течение многих лет, пока в 1801 году его не стал изучать Чарльз Хэтчетт. Он обнаружил новый элемент в руде и назвал его колумбием в честь Колумбии, самого поэтического звучания Америки. В 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил колумбит с другим минералом, танталитом. Эти металлические элементы очень похожи, всегда находятся вместе и их трудно выделить.

В 1844 году Генрих Роуз, работая с образцами колумбита и танталита, создал две новые отдельные, но очень похожие кислоты, которые он назвал соответственно ниобиевой и пелоповой и переименовал элемент в ниобий. Двадцать лет спустя швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк выделил металлический Nb путем нагревания хлорида в атмосфере водорода.

Ниобий
Как выглядит ниобий

В Соединенных Штатах в течение примерно 100 лет изначальный элемент назывался колумбий (символ Cb), тогда как в Европе его называли ниобием. В 1949 году Международный союз теоретической и прикладной химии официально принял ниобий в качестве официального названия элемента. Однако многие металлургические общества США до сих пор называют его колумбием.

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:

  • аморфные способности;
  • повышенная прочность;
  • 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:

  • нитрида на воздухе;
  • более низкого оксида;
  • NbC;
  • Гидрида.

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

к содержанию ↑

Биологическая роль

Физиологическое действие

Металлическая пыль ниобия огнеопасна и раздражает глаза и кожу. Некоторые соединения ниобия очень токсичны. ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л. При попадании в организм, вызывает раздражение внутренних органов и последующий паралич конечностей. В малых дозах вызывает неординарную психическую реакцию.

Достоинства / недостатки

    Достоинства:
  • имеет высокую температуру плавления;
  • стоек к коррозии во многих химически агрессивных средах;
  • имеет хорошие технологические и механические свойства — хорошая пластичность и свариваемость, прочность.
    Недостатки:
  • относительно небольшой процент содержания в земной коре;
  • достаточно высокая стоимость (дешевле, чем тантал, но существенно дороже вольфрама и молибдена).

История открытия

Открытие ниобия было сделано английским ученым Чарльзом Хэтчетом в 1801 г. Тогда этот металл получил название “колумбий”. До 1844 г. считалось, что Ta и Nb являются одним и тем же элементом. Получить Nb в чистом виде удалось лишь в конце XIX века. Это было сделано французским химиком Анри Муассаном путем восстановления оксида ниобия углеродом в электропечи.

Технология получения

Руды небогаты на ниобиевую составляющую, поэтому их обогащают.

Кристаллы ниобия
Кристаллы Ниобия

Далее рудный концентрат восстанавливают при высоких температурах.

Процесс получения металла:

  1. Концентрат вскрывается.
  2. Тантал и ниобий разделяются.
  3. Генерируются их чистые соединения.
  4. Металл либо сплавы восстанавливаются.
  5. Рафинируются.

В зависимости от материала-восстановителя используют алюмо-, натрий- либо карботермический способы получения. Процесс происходит в вакууме при температурах порядка 2000°С.

Компактные модификации металла либо сплава создают методами порошковой металлургии. Для этого порошок спрессовывают, затем спекают в вакууме при 2300°C. Либо применяют дуговую плавку.

Производство особо чистого кристаллического ниобия базируется на электронно-лучевой плавке.

Месторождения, добыча

Запасами руды располагают Австралия, Канада, Бразилия. Особенно богата Африка (Конго, Мозамбик, Нигерия, Руанда).

Российские месторождения сосредоточены на Кольском полуострове.

Добыча от года растет, но глобальные объемы не превышают сотни тысяч тонн ежегодно.

Марки ниобия и сплавов

Промышленное применение находит ка чистый ниобий, не содержащий никаких легирующих элементов, так и сплавы на его основе.

  • Нб1 — ниобий высокой чистоты с количеством Nb — 99,84%; поставляется в виде слитков.
  • НбШ00, НбШ0, НбШ1 — чистый ниобий в виде штабиков, содержание Nb составляет 99,77%, 99,56%, 99,37% соответственно.
  • НбП, НбП-а, НбП-б — чистый ниобий в виде порошка.
  • ВН1, ВН2, ВН2АЭ — сплавы ниобия с молибденом; молибденом и цирконием. Первая марка содержит в своем составе 3,8-52% Mo, вторая — 3,5-4,7% Mo и 0,5-0,9% Zr.
  • НбЦ, НбЦУ, Нб5В2МЦ, Нб10В2МЦ, Нб10В5МЦУ — группа сплавов на основе ниобия, в состав которых в разных количествах входят вольфрам, молибден, цирконий, углерод.

Что делают из ниобия

Продукцию из ниобия и его сплавов потребляют:

  • электронная промышленность;
  • авиация;
  • ядерная физика;
  • металлургия.

Применение свойства сверхпроводимости в томографии, исследованиях на аппаратах МРТ в медицине помогают медикам в раннем обнаружении болезней.

Охлаждение квантовых компьютеров, кабели для Большого адронного коллайдера, огнеупоры, ТВЭЛы для ядерных устройств — везде работает наш герой и его сплавы.

Рекомендуем:  ПЛАТИНА — «гнилое серебро» или благородный металл

Возможно применение металла в ювелирной промышленности. Его оксидные пленки, полученные с помощью электролиза, имеют множество ярких цветов; все зависит от электролита и температуры.

Интересно: несколько стран выпускают коллекционные монеты с сердцевиной, анодированной разноцветными сплавами ниобия.

Легирующие свойства металла придают сплавам тугоплавкость, прочность, устойчивость к коррозии.

Физикам-экспериментаторам не обойтись без соединений ниобия (химические формулы NbN, Nb3Sn, Nb3Ge, NbTi)  — они обладают сверхпроводимостью.

Свойства

элемент ниобий
элемент ниобий

Элемент относится к тугоплавким металлам, в таблице Менделеева имеет № 41. Латинское название Niobium, в химических формулах обозначается символом Nb.

Некоторые характеристики:

  • цвет серебристо-серый;
  • кристаллическая структура решетки объемноцентрированая, кубическая;
  • состоит из стабильного изотопа Nb93;
  • отличается высокой хладоустойчивостью.
  • обладает парамагнитностью.
Свойства атомаНазвание, символ, номер Атомная масса
(молярная масса) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойстваКовалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации
(первый электрон) Термодинамические свойства простого веществаПлотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления Уд. теплота испарения Молярная теплоёмкость Молярный объём Кристаллическая решётка простого веществаСтруктура решётки Параметры решётки Температура Дебая Прочие характеристикиТеплопроводность Номер CAS
Нио́бий / Niobium (Nb), 41
92,90638(2)[1] а. е. м. (г/моль)
[Kr] 4d4 5s1
146 пм
164 пм
(+5e)69 пм
1,6 (шкала Полинга)
5, 4, 3, 2, 1
 663,6(6,88) кДж/моль (эВ)
8,57 г/см³
2741 K (2468 °С, 4474 °F)
5015 K (4742 °С, 8567 °F)
26,8 кДж/моль
680 кДж/моль
24,44[2] Дж/(K·моль)
10,8 см³/моль
кубическая
объёмноцентрированая
3,301 Å
275 K
(300 K) 53,7 Вт/(м·К)
7440-03-1

Химические свойства:

  1. С большинством кислот не реагирует (кроме плавиковой и ее смеси с азотной).
  2. Устойчив в расплавах многих металлов.
  3. Реагирует с концентрированными едкими щелочами.
  4. С повышением температуры окисляемость металла быстро возрастает.
  5. При 9°К становится сверхпроводником.

Рекомендуем:  ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ — всё, кроме железа
Познавательно: ниобий и тантал — братья-близнецы. Они всегда рядом в рудах, и разделить их непросто. Проще всего отличить одинаковые кусочки металла по весу — плотность ниобия почти в 2 раза меньше, чем у тантала. К тому же тантал гораздо дороже нашего героя.

Где используется

Металлургия выпускает продукцию двух категорий: ниобий как металл (чистота от 99%) и сплавы – с молибденом, цирконием, вольфрамом, углеродом.

Металлурги передают продукт химикам, атомщикам, электронщикам, строителям самолетов, ракет.

Достоинства металла – тугоплавкость, устойчивость к коррозии, легкость обработки – дополняет еще одно.

Это проверенный легирующий компонент. От долей до нескольких процентов к составу разительно улучшают параметры продукции из сталей и сплавов:

  • 0,05% ниобия делают алюминиевые материалы «равнодушными» к щелочам.
  • 20% – увеличивают электропроводность, прочность меди.

Основные сферы использования металла:

  • Конструкции летательных аппаратов.
  • Трубы для передачи, контейнеры для хранения «агрессивных» материалов.
  • Огнеупоры, специальные сорта стекла, керамики.
  • Оболочки сердечников ядерных реакторов.
  • Конденсаторы для электронной промышленности.
  • Сверхпроводники (соединения ниобия с германием, титаном).

Ниобием снабжены ускорители Большого адронного коллайдера. Из сплава его с титаном изготовлен кабель-оболочка для сверхпроводящих магнитов этого устройства.

Сплав металла с серебром идет на коллекционные монеты, выпускаемые Центральными банками нескольких стран.

Применение элемента усложняют недостатки: редкость в природе и высокая цена.

Изделия из ниобия

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

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

аноды из ниобия
аноды из ниобия

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.

к содержанию ↑

Изотопы

Основная статья: Изотопы ниобия

Природный ниобий состоит из единственного стабильного изотопа — 93Nb. Все остальные искусственно полученные изотопы ниобия с массовыми числами от 81 до 113 радиоактивны (всего их известно 32). Наиболее долгоживущий изотоп — 92Nb с периодом полураспада 34,7 млн лет.

Также известны 25 метастабильных состояний ядер его разных изотопов.

Физико-химические характеристики

Ученые выявили физические и химические свойства элемента:

  • Прочность.
  • Тугоплавкость (почти 2500°C).
  • Стойкость к коррозии даже в агрессивных средах.
  • Пластичность, легкость сварки.

Элемент отличает химическая стойкость, кислоты на него влияют мало. Растворителей единицы: насыщенная серная либо плавиковая, крепкие едкие щелочи.

Свойства атомаНазвание, символ, номер Атомная масса
(молярная масса) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойстваКовалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации
(первый электрон) Термодинамические свойства простого веществаПлотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления Уд. теплота испарения Молярная теплоёмкость Молярный объём Кристаллическая решётка простого веществаСтруктура решётки Параметры решётки Температура Дебая Прочие характеристикиТеплопроводность Номер CAS
Нио́бий / Niobium (Nb), 41
92,90638(2) а. е. м. (г/моль)
[Kr] 4d4 5s1
146 пм
164 пм
(+5e)69 пм
1,6 (шкала Полинга)
0
5, 4, 3, 2, 1
 663,6(6,88) кДж/моль (эВ)
8,57 г/см³
2741 K (2468 °С, 4474 °F)
5015 K (4742 °С, 8567 °F)
26,8 кДж/моль
680 кДж/моль
24,44 Дж/(K·моль)
10,8 см³/моль
кубическая, объёмноцентрированая
3,301 Å
275 K
(300 K) 53,7 Вт/(м·К)
7440-03-1

При термовоздействии образуются оксиды, галогениды, другие соединения ниобия.

Цены и спрос на ниобий

В связи с строительством термоядерных реакторов(начало стройки ИТЕР в 2007 году) и расширением термоядерной энергетики в ближайшие 8—12 лет потребуются очень большие количества ниобия и в ближайшие 3—4 года цены и спрос на ниобий вырастут в 5—9 раз.

Источники

  • https://xlom.ru/spravochnik/niobij-svojstva-primenenie-i-splavy-niobiya
  • https://sakhkor.ru/materialy/niobij-primenenie.html
  • https://jgems.ru/metally/niobij
  • https://chem.ru/niobij.html
  • https://TheMineral.ru/metally/niobij
  • https://www.metotech.ru/niobiy-opisanie.htm
  • http://himsnab-spb.ru/article/ps/nb/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Сайт каталог о камнях / gorodgranit