Ниобий и его характеристики

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.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

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.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Молярная масса золота (au), формула и примеры

Оценим за полчаса!

Имеет ОЦК кристаллическую решетку с радиусом 3.294 ангстрем.

Ниобий и его характеристики

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.

Видео — 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.

Ниобий и его характеристики

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.

Ниобий и его характеристики

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

Ниобий и его характеристики

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.

Ниобий и его характеристики

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.

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;

Ниобий и его характеристики

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.

Видео — рассказ о ниобии:

Источник: https://xlom.ru/spravochnik/niobij-svojstva-primenenie-i-splavy-niobiya

Ниобий: происхождение и область применения

Ниобий (Nb) – 41-й элемент периодической таблицы, представляет собой мягкий серый кристаллический металл, используемый в самых разных областях — от производства стали до гипоаллергенных украшений.

Первоначально он был обнаружен британским химиком Чарльзом Хэтчеттом в 1801 году, при исследовании коллекции американских минералов в Британском музее. Исследователь назвал этот элемент Колумбиум в честь Христофора Колумба.

В Европе на протяжении многих лет использовали другое его название  — ниобий.

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 и его характеристикиКак 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.

Свойства и особенности производства

Образец чистого металла был изготовлен в 1864 году Кристианом Бломстрандом, который восстановил хлорид ниобия, нагревая его газообразным водородом. Почти весь Nb добывается в Бразилии и Канаде.

Предполагается, что промышленное его количество в земной коре сохранится в течение следующих пяти веков.

Согласно исследованиям, некоторые соединения ниобиевой пыли могут вызывать раздражение глаз и кожи, тем не менее, не зафиксированы какие-либо серьезные последствия при работе с Nb, так же как и негативного влияния его на экологию.

Элемент встречается в виде оксида и обладает сильной геохимической связью с танталом. Основные минералы — пирохлор [(Na, Ca) 2 Nb 2 O 6 F] и колумбит [(Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6], состоящий из ниобата, танталата, железа и марганца.

 Пирохлор встречается обычно в карбонатитах и пегматитах, полученных из щелочных пород, связанных с минералами циркония, титана, тория, урана и редкоземельных элементов. Колумбит содержится в интрузивных пегматитах и биотитах, а также в щелочных гранитах.

Однако, поскольку большинство таких месторождений невелики и распределены неравномерно на земле, они получаются, как побочный продукт других металлов.

Металл добывают открытым способом, руда, делится на блоки и перерабатывается путем разрыва, с помощью бульдозера, погрузки и транспортировки. Добыча в Квебеке (Канада) идет подземными методами. Концентрация руды достигается путем дробления и измельчения, магнитного разделения для удаления магнетита, а затем обесшламливания и флотационного разделения.

Читайте также:  Как написать отчет по учебной практике, образец

Концентрат пирохлора обычно восстановлен до феррониобия через алюминотермический процесс. Он смешивается с гематитом, алюминиевым порошком и небольшим  количеством флюорошпатового и известкового флюсов в роторном смесителе. Затем выгружается в стальные контейнеры, облицованные огнеупорным кирпичом из магнезита.

Здесь смесь помещается в круглые углубления, сделанные из смеси извести, плавикового шпата и кварцевого песка, и восстанавливается воспламенением смеси алюминиевого порошка и хлората натрия или пероксида бария.

Экзотермическая реакция длится примерно от 15 до 30 минут, а температура процесса порядка 2400 C.

Большая часть примесей из концентрата, включая все оксиды тория и урана, попадают в расплавленный шлак, Когда реакция заканчивается, он отводится, и сосуд поднимается, оставляя металл остывать в песке.

Сплав товарного феррониобия измельчают до размеров частиц  с составом:

  • Nb – 62–69%;
  • железа – 29–30%;
  • кремния – 2%;
  • алюминия – 1–3%.

Область применения

По данным USGS (Геологическое обследование США), около 80 процентов Nb используется в сталелитейной промышленности для создания высокопрочных низколегированных сталей. Свойства ниобия позволяют применять его в сплавах, что повышает механическую и жаропрочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость.

Другие области применения его включают строительство трубопроводов, суперсплавов для жаропрочного оборудования, а также реактивные двигатели и  ювелирные изделия. Ниобий, вольфрам, молибден, тантал и рений известны как пять тугоплавких металлов. Все они обладают очень высокой устойчивостью к нагреву и износу.

Ниобий и его характеристикиНиобий используется в сталелитейной промышленности

Промышленное использование Nb началось еще в начале 1900-х годов. Крупнейшим рынком ниобия (> 80%) является производство высокопрочной низколегированной стали, где он обеспечивает высокую жаропрочность и коррозионную стойкость для газопроводов, автомобильных компонентов и конструкционной стали.

Nb, как и тантал,   позволяет переменному току проходить только в одном направлении через электролизер.

Металл ниобий используется в дуговых сварочных стержнях для стабилизированных марок нержавеющей стали. Наиболее интересные его применения в области сверхпроводимости.

Сверхпроводящие магниты изготовлены из проволоки Nb-Zr (ниобий и цирконий), которая сохраняет сверхпроводимость в сильных магнитных полях.

Сплавы с ниобием

Ниобий чаще всего используется для создания сплавов. Даже при содержании Nb всего 0,01% прочность стали заметно улучшается. Такие сплавы часто встречаются в нефтегазовых установках и трубопроводах.

Суперсплавы Nb, такие, как никель-ниобий, обладают способностью сохранять стабильность, что делает их незаменимыми в ракетостроении и производстве энергетических турбин. Ниобий-титановые сплавы являются сверхпроводящими в определенном диапазоне низких температур.

Эти сплавы используются для создания специальных магнитов, используемых в МРТ сканерах.

Использование сплавов Nb:

  1. Стержни для дуговой сварки стабилизированных марок нержавеющей стали.
  2. Стержень управления ядерным реактором из-за его высокой температуры плавления и коррозионной стойкости, а также низкого поглощения нейтронов в поперечном сечении.
  3. Тигли для производства синтетических алмазов.
  4. Ювелирные изделия, на поверхности Nb можно создать яркие цвета.
  5. Сверхпроводник, суперколлайдери ускоритель частиц с использованием сверхчистых металлов и сплавов.
  6. Оптическое покрытие и объектив камеры.
  7. Литий Nb для волновода в коммуникациях.
  8. Тонкопленочный солнечный элемент.

Цена ниобия

Поскольку элемент не имеет больших залежей на земле и имеет сложную технологию производства его цена всегда было очень высокой и сростом развития автомобилестроения, энергетики, самолетостроения и космической технологии его цена неуклонно росла. При этом были периоды, когда она оставалась низкой из-за кризисных явлениях в мировой экономики.

Цена Nb на мировом рынке в тыс. $ за метрическую тонну по годам:

  • 1940 – 0.77162;
  • 1950 -13.991;
  • 2004 – 48.372;
  • 2010 – 41.500;
  • 2018 – 42.280.

Азиатско-Тихоокеанский регион в потреблении Nb начал доминировать на мировом рынке с 2017 года, что было вызвано ростом использования конструкционных сталей в автомобильной и аэрокосмической промышленности в таких странах, как Китай, Индия и Япония.

На мировом рынке Nb крупным производителем является CBMM (Бразилия), обладающая монополией на его поставки с 84% долей мирового рынка.

Другие известные компании:

  1. China Molybdenum Co. Ltd, Китай NIOBEC (Magris Resources Company), Канада.
  2. Alkane Resources Ltd, США.
  3. Современное российское предприятие-производитель Nb в концентрате — ООО «Ловозерский горно-обогатительный комбинат».
  4. Предприятия, которые остановили производство: Malyshevskoye mine department, ОАО «Забайкальский ГОК», ООО «Стальмаг», ОАО «Вишневогорский ГОК».

Ниобий и его характеристикиЦена ниобия – 42.280 тыс. $ за метрическую тонну

Сегодня в России реализуются проекты с инвестициями по восстановлению редкоземельных месторождений и развитию ниобиевой отрасли:

  1. Томторпроект.
  2. Белозиминское месторождение.
  3. Катугинскоеместорождение.
  4. Чуктуконскоеместорождение.
  5. Зашихинскоеместорождение.
  6. Улуг-Танзекское месторождение.

Ожидается, что в 2019-2024 гг на мировом рынке ниобия будет среднегодовой темп роста в 5,90%. Основные факторы, влияющими на него – высокое потребление Nb в конструкционной стали и широкое использование сплавов при производстве авиационных двигателей.

Источник: https://1nerudnyi.ru/niobij-01/

Применение ниобия и его свойства

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

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.

Источник: https://prompriem.ru/stati/niobij.html

Ниобий

НИОБИЙ, Nb (лат. Niobium; от им. Ниобы — дочери Тантала в др.-греч. мифологии * а. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Имеет один природный изотоп 93Nb.

Оксид ниобия выделен впервые английским химиком Ч. Хатчетом в 1801 из колумбита. Металлический ниобий получил в 1866 шведский учёный К. В. Бломстранд.

Ниобий свойства

Ниобий- металл стального цвета, имеет объёмно-центрированную кубического решётку с а=0,3294 нм; плотность 8570 кг/м3; t плавления2500°С, t кипения4927°С; теплоёмкость (298 К) 24,6 Дж/(моль•К); теплопроводность (273 К) 51,4 Вт/(м•К); температурный коэффициент линейного расширения (63-1103 К) 7,9•10-6 К-1; удельное электрическое сопротивление (293 К) 16•10-8 Ом•м; термический коэффициент электрического сопротивления (273 К) 3,95•10-3 К-1. Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,46 К.

Степень окисления +5, реже от +1 до +4. По химическим свойствам близок к танталу, чрезвычайно устойчив к холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред, в т.ч. и кислот. Ниобий растворяет только плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи.

Амфотерен. При взаимодействии с галогенами образует галогениды ниобия. При сплавлении Nb2О5 с содой получают соли ниобиевых кислот — ниобаты, хотя сами кислоты не существуют в свободном состоянии. Ниобий может образовывать двойные соли и комплексные соединения. Нетоксичен.

Ниобий — литофильный элемент, связан с гранитными, нефелинсиенитовыми, ультраосновными щелочными породами и карбонатитами. Его кларк 2х10-3% по массе. Породообразующим аналогом Nb (а также Ta) является Ti. При высокой концентрации Ti4+ происходит рассеяние Nb5+ по титановым минералам.

Накапливается в наиболее поздних дифференциатах многофазных интрузивных комплексов. Тесно ассоциирует с Ta, образуя совместно с ним свыше 50 минералов. Некоторые минералы ниобия (колумбит, лопарит, фергюсонит) весьма устойчивы в зоне гипергенеза и накапливаются в россыпях.

Читайте также:  Как включить линейку в ворде

Основные типы месторождений, схемы обогащения см. в ст. Ниобиевые руды.

Получение и применение

Для получения ниобия ниобиевый концентрат сплавляют с едким натром или содой и образующийся сплав выщелачивают. Содержащиеся в нерастворившемся осадке Nb и Ta разделяют, оксид ниобия восстанавливают отдельно от оксида тантала. Компактный ниобий получают методами порошковой металлургии, электродуговой, вакуумной и электроннолучевой плавки.

Ниобий — один из основных компонентов при легировании жаропрочных сталей и сплавов. Ниобий и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, химической аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств. Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы.

Источник: http://www.mining-enc.ru/n/niobij-

Популярная библиотека химических элементов

41
Nb 1 12 18 8 2
НИОБИЙ
92,906
4d45s1

С элементом, занимающим в менделеевской таблице 41-ю клетку, человечество знакомо давно. Возраст его нынешнего названия – ниобий – почти на полстолетия меньше. Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз – в 1801 г.

английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение.

А черный минерал получил название колумбита.

Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий – один и тот же элемент.

В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала.

Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии.

Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще два способа получения этого элемента. Сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием.

А называть элемент №41 в разных странах продолжали по-разному: в Англии и США – колумбием, в остальных странах – ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось наименование «колумбит». Его формула (Fe, Mn) (Nb, Ta)2О6.

Глазами химика

Элементарный ниобий – чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него.

Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (№205). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150…200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900…

1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.

Ниобий активно реагирует со многими неметаллами. С ним образуют соединения галогены, азот, водород, углерод, сера. При этом ниобий может проявлять разные валентности – от двух до пяти. Но главная валентность этого элемента 5+. Пятивалентный ниобий может входить в состав соли и как катион, и как один из элементов аниона, что свидетельствует об амфотерном характере элемента №41.

Соли ниобиевых кислот называют ниобатами. Их получают в результате обменных реакций после сплавления пятиокиси ниобия с содой:

Nb2O5 + 3Na2CO4 → 2Na3NbО4 + 3CO2.

Довольно хорошо изучены соли нескольких ниобиевых кислот, в первую очередь метаниобиевой HNbO3, а также диниобаты и пентаниобаты (K4Nb2O7, К7Nb5О16 · mH2O). А соли, в которых элемент №41 выступает как катион, обычно получают прямым взаимодействием простых веществ, например 2Nb + 5Cl2 → 2NbCl5.

Ярко окрашенные игольчатые кристаллы пентагалогенидов ниобия (NbCl – желтого цвета, NbBr5 – пурпурно-красного) легко растворяются в органических растворителях – хлороформе, эфире, спирте. Но при растворении в воде эти соединения полностью разлагаются, гидролизуются с образованием ниобатов:

NbCl5 + 4Н2О → 5HCl + Н3NbO4.

Гидролиз можно предотвратить, если в водный раствор добавить какую-либо сильную кислоту. В таких растворах пентагалогениды ниобия растворяются, не гидролизуясь.

Ниобий образует двойные соли и комплексные соединения, наиболее легко – фтористые. Фторниобаты – так называются эти двойные соли. Они получаются, если в раствор ниобцевой и плавиковой кислот добавить фторид какого-либо металла.

Состав комплексного соединения зависит от соотношения реагирующих в растворе компонентов. Рентгенометрический анализ одного из этих соединений показал строение, отвечающее формуле K2NbF7. Могут образоваться и оксосоединения ниобия, например оксофторнпобат калия K2NbOF5 · H2O.

Химическая характеристика элемента не исчерпывается, конечно, этими сведениями. Сегодня самые важные из соединений элемента №41 – это его соединения с другими металлами.

Ниобий и сверхпроводимость

Удивительное явление сверхпроводимости, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г.

 Камерлинг-Оннес в 1911 г.

Первым сверхпроводником оказалась ртуть, но не ей, а ниобию и некоторым интерметаллическим соединениям ниобия суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами.

Практически важны две характеристики сверхпроводников: величина критической температуры, при которой происходит переход в состояние сверхпроводимости, и критического магнитного поля (еще Камерлинг-Оннес наблюдал утрату сверхпроводником сверхпроводимости при воздействии на него достаточно сильного магнитного поля).

По состоянию на 1 января 1975 г. сверхпроводником – «рекордсменом» по величине критической температуры было интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb3Ge. Его критическая температура 23,2°К; это выше температуры кипения водорода.

(Большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия).

Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также стапниду ниобия Nb3Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием. Все эти сплавы и соединения уже используются для изготовления сверхпроводящих соленоидов, а также некоторых других важных технических устройств.

Ниобий – металл

Металлический ниобий можно получить восстановлением его соединений, например хлорида ниобия или фтор-ниобата калия, при высокой температуре:

K2NbF7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.

Но прежде чем достигнуть этой в сущности последней стадии производства, ниобиевая руда проходит множество этапов переработки. Первый из них – обогащение руды, получение концентратов.

Концентрат сплавляют с различными плавнями: едким натром или содой. Полученный сплав выщелачивают. Но растворяется он не полностью. Нерастворимый осадок и есть ниобий.

Правда, он здесь еще в составе гидроокиси, не разделен со своим аналогом по подгруппе – танталом – и не очищен от некоторых примесей.

До 1866 г. не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа разделения тантала и ниобия.

Первым метод разделения этих чрезвычайно похожих элементов предложил Жан Шарль Галиссар де Мариньяк. Метод основан на разной растворимости комплексных соединений этих металлов и называется фторидным.

Комплексный фторид тантала нерастворим в воде, а аналогичное соединение ниобия растворимо.

Фторидный метод сложен и не позволяет полностью разделить ниобий и тантал. Поэтому в наши дни он почти не применяется. На смену ему пришли методы избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации галогенидов и др. Этими методами получают окисел и хлорид пятивалентного ниобия.

После разделения ниобия и тантала идет основная операция – восстановление.

Пятиокись ниобия Nb2O5 восстанавливают алюминием, натрием, сажей или карбидом ниобия, полученным при взаимодействии Nb2O5 с углеродом; пентахлорид ниобия восстанавливают металлическим натрием или амальгамой натрия.

Так получают порошкообразный ниобий, который нужно затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии, суть которой в следующем.

Из полученного металлического порошка под большим давлением (1 т/см2) прессуют так называемые штабики прямоугольного или квадратного сечения. В вакууме при 2300°C эти штабики спекают, соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом.

Монокристаллический пластичный ниобий получают методом бестигельной зонной электронно-лучевой плавки. Суть его в том, что на порошкообразный ниобий (операции прессования и спекания исключены!) направляют мощный пучок электронов, который плавит порошок. Капли металла стекают на ниобиевый слиток, который постепенно растет и выводится из рабочей камеры.

Как видите, путь ниобия от руды до металла в любом случае довольно долог, а способы производства сложны.

Ниобий и металлы

Рассказ о применении ниобия логичнее всего начать с металлургии, так как именно в металлургии он нашел наиболее широкое применение. И в цветной металлургии, и в черной.

Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. «Ну и что? – скажет иной искушенный читатель. – Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия». Этот читатель прав и неправ одновременно. Неправ потому, что забыл об одном.

В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром.

Поэтому при добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид ниобля. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего 200 г металлического ниобия.

А хромо-маргаицевой стали ниобий придает высокую износоустойчивость.

Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05% ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность.

Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой. Все они стали потребителями ниобия.

Уникальное свойство – отсутствие заметного взаимодействия ниобия с ураном при температуре до 1100°C и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов – алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.

Химическая промышленность потребляет сравнительно немного ниобия, но это объясняется только его дефицитностью. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена.

Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.

Минералы ниобия

Колумбит (Fe, Mn) (Nb, Та)2О6 был первым минералом ниобия, известным человечеству. И этот же минерал – самый богатый элементом №41. На долю окислов ниобия и тантала приходится до 80% веса колумбита. Гораздо меньше ниобия в пирохлоре (Са, Na)2 (Nb, Та, Ti)2O6(O, OH, F) и лопарите (Na, Се, Са)2 (Nb, Ti)2O6.

А всего известно больше 100 минералов, в состав которых входит ниобий. Значительные месторождения таких минералов есть в разных странах: США, Канаде, Норвегии, Финляндии, но крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия.

В СССР есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.

Розовый карбид

Монокарбид ниобия NbC – пластичное вещество с характерным розоватым блеском. Это важное соединение довольно легко образуется при взаимодействии металлического ниобия с углеводородами.

Сочетание хорошей ковкости и высокой термостойкости с приятными «внешними данными» сделало мо-нокарбид ниобия ценным материалом для изготовления покрытий.

Слой этого вещества толщиной всего 0,5 мм надежно защищает от коррозии при высоких температурах многие материалы, в частности графит, который другими покрытиями фактически незащатим. NbC используется и как конструкционный материал в ракетостроении и производстве турбин.

Нервы, сшитые ниобием

Высокая коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.

Наружность не обманчива

Ниобий не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для изготовления корпусов ручных часов.

Сплавы ниобия с вольфрамом или рением иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на металлический иридий, но почти так же износостоек.

Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.

Ниобий и сварка

В конце 20-х годов нашего века электро-и газосварка стали вытеснять клепку и другие способы соединения узлов и деталей. Сварка повысила качество пзделий, ускорила и удешевила процессы их сборки.

Особенно перспективной сварка казалась при монтаже крупных установок, работающих в коррозионно-активных средах или под большим давлением. Но тут выяснилось, что при сварке нержавеющей стали сварной шов имеет намного меньшую прочность, чем сама сталь.

Чтобы улучшить свойства шва, в «нержавейку» стали вводить различные добавки. Лучшей из них оказался ниобий.

Заниженные цифры

Ниобий не случайно считается редким элементом: он действительно встречается не часто и в небольших количествах, причем всегда в виде минералов и никогда в самородном состоянии. Любопытная деталь: в разных справочных изданиях кларк (содержание в земной коре) ниобия разный.

Это объясняется главным образом тем, что в последние годы в странах Африки найдены новые месторождения минералов, содержащих ниобий. В «Справочнике химика», т. 1 (М., «Химия», 1963) приведены цифры: 3,2·10–5% (1939 г.), 1·10–3% (1949 г.) и 2,4·10–3% (1954 г.). Но и последние цифры занижены: африканские месторождения, открытые в последние годы, сюда не вошли.

Тем не менее подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 1,5 млн т металлического ниобия.

• Молибден

• Оглавление

Источник: http://n-t.ru/ri/ps/pb041.htm

Ссылка на основную публикацию