Propriétés physiques et chimiques du niobium. L'utilisation du niobium et ses propriétés Quel était le nom d'origine du métal niobium

Université minière d'État de l'Oural

Sur le thème : Propriétés du niobium

Groupe : M-13-3

Élève : Mokhnashin Nikita

1. Informations générales sur l'élément

Propriétés physiques du niobium

Propriétés chimiques du niobium

Niobium à l'état libre

Oxydes de niobium et leurs sels

Composés de niobium

Pays leaders dans la production de niobium

1. Informations générales sur l'élément

L'élément qui occupe la 41e cellule du tableau périodique est connu de l'humanité depuis longtemps. L'âge de son nom actuel - niobium - est inférieur de près d'un demi-siècle. Il se trouve que l'élément #41 a été ouvert deux fois. La première fois - en 1801, le scientifique anglais Charles Hatchet a examiné un échantillon du bon minéral envoyé d'Amérique au British Museum. De ce minéral, il a isolé l'oxyde d'un élément jusqu'alors inconnu. Hatchet nomma le nouvel élément columbia, marquant ainsi son origine transatlantique. Et le minéral noir s'appelle la colombite. Un an plus tard, le chimiste suédois Ekeberg a isolé l'oxyde d'un autre nouvel élément de la columbite, appelé tantale. La similitude des composés de Columbia et du tantale était si grande que pendant 40 ans, la plupart des chimistes ont cru que le tantale et le columbium étaient un seul et même élément.

En 1844, le chimiste allemand Heinrich Rose a examiné des échantillons de columbite trouvés en Bavière. Il a de nouveau découvert des oxydes de deux métaux. L'un d'eux était un oxyde du tantale déjà connu. Les oxydes étaient similaires, et soulignant leur similitude, Rosé nomma l'élément formant le deuxième oxyde niobium, du nom de Niobe, fille du martyr mythologique Tantale. Cependant, Rose, comme Hatchet, n'a pas réussi à obtenir cet élément à l'état libre. Le niobium métallique n'a été obtenu pour la première fois qu'en 1866 par le scientifique suédois Blomstrand lors de la réduction du chlorure de niobium avec de l'hydrogène. A la fin du XIXème siècle. deux autres façons d'obtenir cet élément ont été trouvées. Moissan l'a d'abord obtenu dans un four électrique, réduisant l'oxyde de niobium avec du carbone, puis Goldschmidt a réussi à réduire le même élément avec de l'aluminium. Et ils ont continué à appeler l'élément n ° 41 différemment selon les pays: en Angleterre et aux États-Unis - la Colombie, dans d'autres pays - le niobium. L'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC) a mis fin à cette discorde en 1950. Il a été décidé de légaliser le nom de l'élément « niobium » partout, et le nom « columbite » a été attribué au minéral principal du niobium. Sa formule est (Fe, Mn) (Nb, Ta)2 O 6.

Ce n'est pas un hasard si le niobium est considéré comme un élément rare : il n'est vraiment pas présent souvent et en petite quantité, et toujours sous forme de minéraux et jamais à l'état natif. Un détail curieux : dans différentes publications de référence, le clarke (teneur dans la croûte terrestre) du niobium est différent. Cela est principalement dû au fait que, ces dernières années, de nouveaux gisements de minéraux contenant du niobium ont été découverts dans les pays africains. Dans le "Handbook of a chemist", tome 1 (M., "Chemistry", 1963), les chiffres suivants sont donnés : 3,2 10-5% (1939), 1 10-3% (1949) et 2, 4 10-3% (1954). Mais même les derniers chiffres sont sous-estimés : les gisements africains découverts ces dernières années ne sont pas inclus ici. Néanmoins, on estime qu'environ 1,5 million de tonnes de niobium métallique peuvent être fondues à partir des minéraux des gisements déjà connus.

Propriétés physiques du niobium

Le niobium est un métal brillant, gris argenté.

Le niobium élémentaire est un métal extrêmement réfractaire (2468°C) et à haut point d'ébullition (4927°C), très résistant dans de nombreux environnements agressifs. Tous les acides, à l'exception du fluorhydrique, n'agissent pas dessus. Les acides oxydants "passivent" le niobium en le recouvrant d'un film d'oxyde protecteur (n° 205). Mais à des températures élevées, l'activité chimique du niobium augmente. Si à 150...200°C seule une petite couche superficielle du métal est oxydée, alors à 900...1200°C l'épaisseur du film d'oxyde augmente de manière significative.

Le réseau cristallin du niobium est cubique centré avec le paramètre a = 3,294 Å.

Le métal pur est ductile et peut être laminé en une feuille mince (jusqu'à une épaisseur de 0,01 mm) à froid sans recuit intermédiaire.

Il est possible de noter des propriétés du niobium telles qu'un point de fusion et d'ébullition élevé, une fonction de travail électronique inférieure par rapport à d'autres métaux réfractaires - le tungstène et le molybdène. Cette dernière propriété caractérise la capacité d'émission d'électrons (émission d'électrons), qui est utilisée pour l'utilisation du niobium dans la technologie de l'électrovide. Le niobium a également une température de transition supraconductrice élevée.

Densité 8,57 g/cm 3(20 °С); t PL 2500 ° ; t kip 4927 °С; pression de vapeur (en mm Hg ; 1 mm Hg = 133,3 N/m 2) 1 10 -5(2194 °С), 1 10 -4(2355 °С), 6 10 -4(à t PL ), 1 10-3 (2539°C).

Aux températures ordinaires, le niobium est stable dans l'air. Le début de l'oxydation (film teinté) est observé lorsque le métal est chauffé à 200 - 300°C. Au-dessus de 500°, une oxydation rapide se produit avec formation d'oxyde de Nb2 O 5.

Conductivité thermique en W/(m K) à 0°C et 600°C respectivement 51,4 et 56,2, de même en cal/(cm s°C) 0,125 et 0,156. Résistance électrique volumique spécifique à 0°C 15,22 10 -8ohm·m (15,22 10 -6ohm cm). La température de transition vers l'état supraconducteur est de 9,25 K. Le niobium est paramagnétique. La fonction de travail électronique est de 4,01 eV.

Le niobium pur se transforme facilement par pression à froid et conserve des propriétés mécaniques satisfaisantes à haute température. Sa résistance ultime à 20 et 800°C est respectivement de 342 et 312 MN/m. 2, le même en kgf/mm 234.2 et 31.2 ; allongement relatif à 20 et 800°C, respectivement, 19,2 et 20,7 %. Dureté du Niobium pur selon Brinell 450, technique 750-1800 MN/m 2. Les impuretés de certains éléments, en particulier l'hydrogène, l'azote, le carbone et l'oxygène, altèrent considérablement la plasticité et augmentent la dureté du niobium.

3. Propriétés chimiques du niobium

Le niobium est particulièrement apprécié pour sa résistance à l'action des substances inorganiques et organiques.

Il existe une différence dans le comportement chimique du métal en poudre et en morceaux. Ce dernier est plus stable. Les métaux n'agissent pas dessus, même s'ils sont chauffés à haute température. Les métaux alcalins liquides et leurs alliages, le bismuth, le plomb, le mercure, l'étain peuvent être longtemps en contact avec le niobium sans en modifier les propriétés. Même des agents oxydants aussi puissants que l'acide perchlorique, la "vodka royale", sans parler de l'acide nitrique, sulfurique, chlorhydrique et de tous les autres ne peuvent rien en faire. Les solutions alcalines n'ont également aucun effet sur le niobium.

Il existe cependant trois réactifs capables de convertir le niobium métallique en composés chimiques. L'un d'eux est une fusion de l'hydroxyde d'un métal alcalin :

Nb + 4NaOH + 5O2 \u003d 4NaNbO3 + 2H2O

Les deux autres sont l'acide fluorhydrique (HF) ou son mélange avec l'acide nitrique (HF+HNO). Dans ce cas, des complexes de fluorure se forment, dont la composition dépend largement des conditions de réaction. Dans tous les cas, l'élément fait partie d'un anion de type 2 ou 2.

Si nous prenons du niobium en poudre, il est un peu plus actif. Par exemple, dans le nitrate de sodium fondu, il s'enflamme même et se transforme en oxyde. Le niobium compact commence à s'oxyder lorsqu'il est chauffé au-dessus de 200°C, et la poudre est recouverte d'un film d'oxyde déjà à 150°C. Dans ce cas, l'une des merveilleuses propriétés de ce métal se manifeste - il conserve sa plasticité.

Sous forme de sciure de bois, lorsqu'il est chauffé au-dessus de 900°C, il brûle complètement en Nb2O5. Brûle vigoureusement dans un courant de chlore :

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Lorsqu'il est chauffé, il réagit avec le soufre. Avec la plupart des métaux, il s'allie difficilement. Il n'y a peut-être que deux exceptions : le fer, avec lequel se forment des solutions solides de différents rapports, et l'aluminium, qui a un composé Al2Nb avec du niobium.

Quelles qualités du niobium lui permettent de résister à l'action des acides oxydants les plus forts ? Il s'avère que cela ne fait pas référence aux propriétés du métal, mais aux caractéristiques de ses oxydes. Au contact d'agents oxydants, une couche d'oxydes très fine (et donc invisible) mais très dense apparaît à la surface du métal. Cette couche devient une barrière insurmontable sur le chemin de l'agent oxydant vers une surface métallique propre. Seuls certains réactifs chimiques, notamment l'anion fluor, peuvent y pénétrer. Par conséquent, essentiellement le métal est oxydé, mais pratiquement les résultats de l'oxydation sont imperceptibles en raison de la présence d'un mince film protecteur. La passivité vis-à-vis de l'acide sulfurique dilué est utilisée pour créer un redresseur à courant alternatif. Il est arrangé simplement: des plaques de platine et de niobium sont immergées dans une solution d'acide sulfurique à 0,05 m. Le niobium à l'état passivé peut conduire le courant s'il s'agit d'une électrode négative - une cathode, c'est-à-dire que les électrons ne peuvent traverser la couche d'oxyde que du côté du métal. A partir de la solution, le chemin des électrons est fermé. Par conséquent, lorsqu'un courant alternatif traverse un tel dispositif, une seule phase passe, pour laquelle le platine est l'anode et le niobium est la cathode.

niobium métal halogène

4. Niobium à l'état libre

Il est si beau qu'à un moment ils ont essayé d'en faire des bijoux : avec sa couleur gris clair, le niobium ressemble au platine. Malgré les points de fusion (2500°C) et d'ébullition (4840°C) élevés, n'importe quel produit peut facilement en être fabriqué. Le métal est si ductile qu'il peut être traité à froid. Il est très important que le niobium conserve ses propriétés mécaniques à haute température. Certes, comme dans le cas du vanadium, même de petites impuretés d'hydrogène, d'azote, de carbone et d'oxygène réduisent considérablement la ductilité et augmentent la dureté. Le niobium devient cassant à des températures allant de -100 à -200°C.

L'obtention de niobium sous une forme ultra pure et compacte est devenue possible avec l'implication de la technologie ces dernières années. L'ensemble du processus technologique est complexe et chronophage. Fondamentalement, il est divisé en 4 étapes :

1.obtention d'un concentré : ferroniobium ou ferrotantaloniobium ;

.ouverture du concentré - transfert du niobium (et du tantale) dans tout composé insoluble afin de le séparer de la masse principale du concentré;

.séparation du niobium et du tantale et obtention de leurs composés individuels ;

.obtention et raffinage des métaux.

Les deux premières étapes sont assez simples et courantes, bien que chronophages. Le degré de séparation du niobium et du tantale est déterminé par la troisième étape. La volonté d'obtenir le maximum de niobium et surtout de tantale a nécessité de trouver les dernières méthodes de séparation : extraction sélective, échange d'ions, et rectification des composés de ces éléments par les halogènes. En conséquence, soit un oxyde, soit des pentachlorures de tantale et de niobium sont obtenus séparément. Au dernier stade, la réduction avec du carbone (suie) dans un courant d'hydrogène à 1800°C est utilisée, puis la température est élevée à 1900°C et la pression est réduite. Le carbure obtenu par interaction avec le charbon réagit avec Nb2O5 :

2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,

et la poudre de niobium apparaît. Si à la suite de la séparation du niobium du tantale, on n'obtient pas un oxyde, mais un sel, il est alors traité avec du sodium métallique à 1000 ° C et du niobium en poudre est également obtenu. Par conséquent, lors de la transformation ultérieure de la poudre en un monolithe compact, la refusion est effectuée dans un four à arc, et la fusion par faisceau d'électrons et par zone est utilisée pour obtenir des monocristaux de niobium très pur.

Oxydes de niobium et leurs sels

Le nombre de composés avec de l'oxygène dans le niobium est faible, bien inférieur à celui du vanadium. Ceci s'explique par le fait que dans les composés correspondant au degré d'oxydation +4, +3 et +2, le niobium est extrêmement instable. Si un atome de cet élément a commencé à donner des électrons, il a tendance à abandonner les cinq afin d'exposer une configuration électronique stable.

Si nous comparons les ions du même état d'oxydation de deux voisins du groupe - le vanadium et le niobium, une augmentation des propriétés vis-à-vis des métaux est constatée. La nature acide de l'oxyde de Nb2O5 est sensiblement plus faible que celle de l'oxyde de vanadium (V). Il ne forme pas d'acide lorsqu'il est dissous. Ce n'est que lorsqu'il est fusionné avec des alcalis ou des carbonates que ses propriétés acides apparaissent:

O5 + 3Na2CO3 = 2Na3NbO4 + 3C02

Ce sel - l'orthoniobate de sodium - est similaire aux mêmes sels des acides orthophosphorique et orthovanadique. Cependant, le phosphore et l'arsenic ont la forme ortho la plus stable et les tentatives d'obtention d'orthoniobate pur échouent. Lorsque l'alliage est traité avec de l'eau, ce n'est pas le sel Na3NbO4 qui est libéré, mais le méthaniobate NaNbO3. C'est une poudre incolore finement cristalline, difficilement soluble dans l'eau froide. Par conséquent, dans le niobium à l'état d'oxydation le plus élevé, ce n'est pas l'ortho-, mais la méta-forme des composés qui est plus stable.

Parmi les autres composés d'oxyde de niobium (V) avec des oxydes basiques, on connaît les diniobates K4Nb2O7, rappelant les pyroacides, et les polyniobates (comme ombre des acides polyphosphoriques et polyvanadiques) avec les formules approximatives K7Nb5O16.nH2O et K8Nb6O19.mH2O. Les sels précités correspondant à l'oxyde supérieur de niobium contiennent cet élément dans la composition de l'anion. La forme de ces sels permet de les considérer comme des dérivés des sels de niobium. acides. Ces acides ne peuvent pas être obtenus sous forme pure, car ils peuvent plutôt être considérés comme des oxydes qui ont une liaison avec les molécules d'eau. Par exemple, la forme méta est Nb2O5. H2O, tandis que la forme orgo est Nb2O5. 3H2O. Parallèlement à ce type de composés, le niobium en a également d'autres, où il fait déjà partie du cation. Le niobium ne forme pas de sels simples tels que les sulfates, les nitrates, etc. Lors de l'interaction avec l'hydrosulfate de sodium NaHSO4 ou avec l'oxyde nitrique N2O4, des substances avec un cation complexe apparaissent : Nb2O2 (SO4) 3. Les cations de ces sels ressemblent au cation vanadium, la seule différence étant qu'ici l'ion est à cinq charges, tandis que dans le vanadium, l'état d'oxydation de l'ion vanadyle est de quatre. Le même cation NbO3+ est inclus dans certains sels complexes. L'oxyde Nb2O5 est assez facilement soluble dans l'acide fluorhydrique aqueux. Le sel complexe K2 peut être isolé de telles solutions. H2O.

Sur la base des réactions considérées, on peut conclure que le niobium dans son état d'oxydation le plus élevé peut être inclus à la fois dans la composition des anions et dans la composition du cation. Cela signifie que le niobium pentavalent est amphotère, mais toujours avec une prédominance significative des propriétés acides.

Il existe plusieurs façons d'obtenir du Nb2O5. Tout d'abord, l'interaction du niobium avec l'oxygène lors du chauffage. Deuxièmement, la calcination sous air des sels de niobium : sulfure, nitrure ou carbure. Troisièmement, la méthode la plus courante est la déshydratation des hydrates. L'oxyde hydraté Nb2O5 précipite à partir de solutions aqueuses de sels avec des acides concentrés. xH2O. Ensuite, lorsque les solutions sont diluées, un précipité d'oxyde blanc se produit. La déshydratation du précipité Nb2O5 xH2O s'accompagne d'un dégagement de chaleur. Toute la masse s'échauffe. Cela se produit en raison de la transformation d'un oxyde amorphe en une forme cristalline. L'oxyde de niobium peut être de deux couleurs. Dans des conditions normales, il est blanc, mais lorsqu'il est chauffé, il devient jaune. Une fois l'oxyde refroidi, cependant, la couleur disparaît. L'oxyde est réfractaire (tmelt=1460°C) et non volatil.

Les états d'oxydation inférieurs du niobium correspondent à NbO2 et NbO. Le premier de ces deux est une poudre noire avec une teinte bleue. NbO2 est obtenu à partir de Nb2O5 en éliminant l'oxygène avec du magnésium ou de l'hydrogène à une température d'environ mille degrés :

O5 + H2 = 2NbO2 + H2O

Dans l'air, ce composé se transforme facilement en oxyde supérieur Nb2O5. Son caractère est plutôt secret, puisque l'oxyde est insoluble dans l'eau ou les acides. Pourtant, il est crédité d'un caractère acide sur la base de l'interaction avec un alcali aqueux chaud; dans ce cas, cependant, une oxydation en un ion à cinq charges se produit.

Il semblerait que la différence d'un électron ne soit pas si grande, mais contrairement à Nb2O5, l'oxyde de NbO2 conduit un courant électrique. De toute évidence, dans ce composé, il existe une liaison métal-métal. Si vous profitez de cette qualité, alors lorsqu'il est chauffé avec un fort courant alternatif, vous pouvez faire en sorte que le NbO2 renonce à son oxygène.

Avec la perte d'oxygène, le NbO2 passe dans l'oxyde de NbO, puis tout l'oxygène est éliminé assez rapidement. On sait peu de choses sur l'oxyde de niobium inférieur NbO. Il a un éclat métallique et ressemble au métal. Excellent conducteur d'électricité. En un mot, il se comporte comme s'il n'y avait pas du tout d'oxygène dans sa composition. Même, comme un métal typique, il réagit violemment avec le chlore lorsqu'il est chauffé et se transforme en oxychlorure :

2NbO + 3Cl2=2NbOCl3

Il déplace l'hydrogène de l'acide chlorhydrique (comme s'il ne s'agissait pas du tout d'un oxyde, mais d'un métal comme le zinc):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

Le NbO pur peut être obtenu en calcinant le sel complexe K2 déjà mentionné avec du sodium métallique :

K2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

L'oxyde de NbO a le point de fusion le plus élevé de tous les oxydes de niobium à 1935°C. Pour purifier le niobium de l'oxygène, la température est portée à 2300 - 2350 ° C, puis, simultanément à l'évaporation, NbO se décompose en oxygène et en métal. Il y a un affinage (nettoyage) du métal.

Composés de niobium

L'histoire de l'élément ne serait pas complète sans mentionner ses composés avec des halogènes, des carbures et des nitrures. Ceci est important pour deux raisons. Tout d'abord, grâce aux complexes fluorés, il est possible de séparer le niobium de son éternel compagnon le tantale. Deuxièmement, ces composés nous révèlent les qualités du niobium en tant que métal.

Interaction des halogènes avec le niobium métallique :

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 peuvent être obtenus, tous les pentahalogénures de niobium possibles.

Le pentafluorure NbF5 (tmelt = 76 °C) à l'état liquide et en phase vapeur est incolore. Comme le pentafluorure de vanadium, il est polymérique à l'état liquide. Les atomes de niobium sont reliés les uns aux autres par des atomes de fluor. Sous forme solide, il a une structure constituée de quatre molécules (Fig. 2).

Riz. 2. La structure de NbF5 et TaF5 sous forme solide se compose de quatre molécules.

Les solutions dans l'acide fluorhydrique H2F2 contiennent divers ions complexes :

H2F2 \u003d H2; + H2O \u003d H2

Sel de potassium K2. H2O est important pour séparer le niobium du tantale car, contrairement au sel de tantale, il est très soluble.

Les pentahalogénures de niobium restants sont de couleur vive : NbCl5 jaune, NbBr5 violet-rouge, NbI2 marron. Tous subliment sans décomposition dans une atmosphère de l'halogène correspondant ; lorsqu'ils sont appariés, ce sont des monomères. Leurs points de fusion et d'ébullition augmentent avec le passage du chlore au brome et à l'iode. Certaines des façons d'obtenir des pentahalogénures sont les suivantes:

2Nb+5I2 2NbI5;O5+5C+5Cl22NbCl5+5CO;.

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Les pentahalogénures se dissolvent bien dans les solvants organiques : éther, chloroforme, alcool. L'eau, cependant, est complètement décomposée - hydrolysée. À la suite de l'hydrolyse, deux acides sont obtenus - hydrohalique et niobique. Par exemple,

4H2O = 5HCl + H3NbO4

Lorsque l'hydrolyse n'est pas souhaitable, alors un peu d'acide fort est introduit et l'équilibre du processus décrit ci-dessus est déplacé vers NbCl5. Dans ce cas, le pentahalogénure se dissout sans subir d'hydrolyse,

Le carbure de niobium méritait une appréciation particulière de la part des métallurgistes. Dans tout acier, il y a du carbone ; le niobium, en le liant au carbure, améliore la qualité de l'acier allié. Habituellement, lors du soudage de l'acier inoxydable, la soudure a moins de résistance. L'introduction de niobium à raison de 200 g par tonne permet de corriger cette carence. Lorsqu'il est chauffé, le niobium, avant tous les autres métaux en acier, forme un composé avec du carbone - carbure. Ce composé est assez plastique et en même temps capable de résister à des températures allant jusqu'à 3500°C. Une couche de carbure d'un demi-millimètre d'épaisseur suffit à protéger les métaux et, surtout, le graphite de la corrosion. Le carbure peut être obtenu en chauffant de l'oxyde de métal ou de niobium (V) avec du carbone ou des gaz contenant du carbone (CH4, CO).

Le nitrure de niobium est un composé qui n'est affecté par aucun acide et même par la "vodka royale" lorsqu'il est bouilli ; résistant à l'eau. La seule chose avec laquelle il peut être forcé d'interagir est un alcali bouillant. Dans ce cas, il se décompose avec dégagement d'ammoniac.

Le nitrure NbN est gris clair avec une teinte jaunâtre. Il est réfractaire (temp. pl. 2300 ° C), a une caractéristique remarquable - à une température proche du zéro absolu (15,6 K ou -267,4 ° C), il a une supraconductivité.

Parmi les composés contenant du niobium à un état d'oxydation inférieur, les halogénures sont les mieux connus. Tous les halogénures inférieurs sont des solides cristallins foncés (du rouge foncé au noir). Leur stabilité diminue à mesure que le degré d'oxydation du métal diminue.

L'utilisation du niobium dans diverses industries

L'utilisation du niobium pour l'alliage des métaux

L'acier allié au niobium a une bonne résistance à la corrosion. Le chrome augmente également la résistance à la corrosion de l'acier et est beaucoup moins cher que le niobium. Ce lecteur a raison et tort à la fois. Faux parce que j'ai oublié une chose.

Dans l'acier au chrome-nickel, comme dans tout autre, il y a toujours du carbone. Mais le carbone se combine avec le chrome pour former du carbure, ce qui rend l'acier plus cassant. Le niobium a une plus grande affinité pour le carbone que le chrome. Par conséquent, lorsque du niobium est ajouté à l'acier, du carbure de niobium se forme nécessairement. L'acier allié au niobium acquiert des propriétés anticorrosion élevées et ne perd pas sa ductilité. L'effet recherché est atteint lorsque seulement 200 g de niobium métallique sont ajoutés à une tonne d'acier. Et le niobium en acier au chrome-mangaic donne une haute résistance à l'usure.

De nombreux métaux non ferreux sont également alliés au niobium. Ainsi, l'aluminium, qui est facilement soluble dans les alcalis, ne réagit pas avec eux si seulement 0,05% de niobium y est ajouté. Et le cuivre, connu pour sa douceur, et nombre de ses alliages, le niobium semble durcir. Il augmente la résistance des métaux tels que le titane, le molybdène, le zirconium et augmente en même temps leur résistance à la chaleur et leur résistance à la chaleur.

Désormais, les propriétés et les capacités du niobium sont appréciées par l'aviation, l'ingénierie mécanique, l'ingénierie radio, l'industrie chimique et l'énergie nucléaire. Tous sont devenus consommateurs de niobium.

La propriété unique - l'absence d'interaction notable du niobium avec l'uranium à des températures allant jusqu'à 1100 ° C et, en outre, une bonne conductivité thermique, une petite section efficace d'absorption des neutrons thermiques, a fait du niobium un concurrent sérieux des métaux reconnus dans l'industrie nucléaire - aluminium, béryllium et zirconium. De plus, la radioactivité artificielle (induite) du niobium est faible. Il peut donc être utilisé pour réaliser des conteneurs de stockage de déchets radioactifs ou des installations destinées à leur utilisation.

L'industrie chimique consomme relativement peu de niobium, mais cela ne peut s'expliquer que par sa rareté. À partir d'alliages contenant du niobium et moins souvent de feuilles de niobium, des équipements pour la production d'acides de haute pureté sont parfois fabriqués. La capacité du niobium à influencer la vitesse de certaines réactions chimiques est utilisée, par exemple, dans la synthèse d'alcool à partir de butadiène.

Les consommateurs de l'élément n ° 41 étaient également la technologie des fusées et de l'espace. Ce n'est un secret pour personne que certaines quantités de cet élément tournent déjà sur des orbites proches de la Terre. Des alliages contenant du niobium et du niobium pur, certaines parties de fusées et d'équipements embarqués de satellites terrestres artificiels sont fabriqués.

Utilisations du niobium dans d'autres industries

À partir de feuilles et de tiges de niobium, des «raccords chauds» (c'est-à-dire des pièces chauffées) sont fabriqués - anodes, grilles, cathodes chauffées indirectement et autres parties de lampes électroniques, en particulier des lampes génératrices puissantes.

En plus du métal pur, des alliages tantalonium-obium sont utilisés aux mêmes fins.

Le niobium était utilisé pour fabriquer des condensateurs électrolytiques et des redresseurs. Ici, la capacité du niobium à former un film d'oxyde stable pendant l'oxydation anodique est utilisée. Le film d'oxyde est stable dans les électrolytes acides et ne laisse passer le courant que dans le sens allant de l'électrolyte au métal. Les condensateurs au niobium à électrolyte solide se caractérisent par une capacité élevée à petites tailles, une résistance d'isolement élevée.

Les éléments de condensateur au niobium sont fabriqués à partir de feuilles minces ou de plaques poreuses pressées à partir de poudres métalliques.

La résistance à la corrosion du niobium dans les acides et autres milieux, combinée à une conductivité thermique et une plasticité élevées, en font un matériau de structure précieux pour les équipements des industries chimiques et métallurgiques. Le niobium possède une combinaison de propriétés qui répondent aux exigences de l'énergie nucléaire pour les matériaux de structure.

Jusqu'à 900°C, le niobium interagit faiblement avec l'uranium et convient à la fabrication des enveloppes de protection des éléments combustibles à l'uranium des réacteurs de puissance. Dans ce cas, il est possible d'utiliser des réfrigérants métalliques liquides : du sodium ou un alliage de sodium avec du potassium, avec lequel le niobium n'interagit pas jusqu'à 600°C. Pour augmenter la capacité de survie des éléments combustibles à l'uranium, l'uranium est allié au niobium (~ 7% de niobium). L'additif de niobium stabilise le film d'oxyde protecteur sur l'uranium, ce qui augmente sa résistance à la vapeur d'eau.

Le niobium est un composant de divers alliages résistants à la chaleur pour les turbines à gaz des moteurs à réaction. L'alliage du molybdène, du titane, du zirconium, de l'aluminium et du cuivre avec du niobium améliore fortement les propriétés de ces métaux, ainsi que de leurs alliages. Il existe des alliages résistants à la chaleur à base de niobium comme matériau de structure pour des pièces de moteurs à réaction et de fusées (fabrication d'aubes de turbines, de bords d'attaque d'ailes, de nez d'avions et de fusées, de peaux de fusées). Le niobium et les alliages à base de celui-ci peuvent être utilisés à des températures de fonctionnement de 1000 à 1200°C.

Le carbure de niobium est un ingrédient de certaines qualités de carbures à base de carbure de tungstène utilisés pour couper les aciers.

Le niobium est largement utilisé comme ajout d'alliage dans les aciers. L'ajout de niobium en une quantité de 6 à 10 fois la teneur en carbone de l'acier élimine la corrosion intergranulaire de l'acier inoxydable et protège les soudures de la destruction.

Le niobium entre également dans la composition de divers aciers réfractaires (par exemple pour les turbines à gaz), ainsi que dans la composition des aciers à outils et magnétiques.

Le niobium est introduit dans l'acier dans un alliage avec du fer (ferroniobium) contenant jusqu'à 60% de Nb. De plus, le ferrotantaloniobium est utilisé avec un rapport différent entre le tantale et le niobium dans le ferroalliage.

En synthèse organique, certains composés du niobium (sels complexes de fluor, oxydes) sont utilisés comme catalyseurs.

L'utilisation et la production de niobium augmentent rapidement, ce qui est dû à une combinaison de ses propriétés telles que la réfractarité, une petite section efficace de capture de neutrons thermiques, la capacité de former des alliages résistants à la chaleur, supraconducteurs et autres, une résistance à la corrosion, des propriétés getter, faible travail d'électron, bonne aptitude au façonnage à froid et soudabilité. Les principaux domaines d'application du niobium: science des fusées, technologie aéronautique et spatiale, ingénierie radio, électronique, construction d'appareils chimiques, ingénierie de l'énergie nucléaire.

Applications du niobium métallique

Les pièces d'avion sont fabriquées à partir de niobium pur ou de ses alliages; coquilles pour éléments combustibles à l'uranium et au plutonium; conteneurs et tuyaux; pour les métaux liquides ; détails des condensateurs électrolytiques ; raccords "chauds" de lampes électroniques (pour installations radar) et générateurs puissants (anodes, cathodes, grilles, etc.); équipements résistants à la corrosion dans l'industrie chimique.

Le niobium est allié à d'autres métaux non ferreux, dont l'uranium.

Le niobium est utilisé dans les cryotrons - éléments supraconducteurs des ordinateurs. Le niobium est également connu pour son utilisation dans les structures accélératrices du Large Hadron Collider.

Composés intermétalliques et alliages de niobium

Le stannure de Nb3Sn et des alliages de niobium avec du titane et du zirconium sont utilisés pour fabriquer des solénoïdes supraconducteurs.

Le niobium et les alliages avec du tantale remplacent dans de nombreux cas le tantale, ce qui donne un grand effet économique (le niobium est moins cher et presque deux fois plus léger que le tantale).

Le ferroniobium est introduit dans les aciers inoxydables au chrome-nickel pour éviter leur corrosion intergranulaire et leur destruction, et dans d'autres types d'acier pour améliorer leurs propriétés.

Le niobium est utilisé dans la frappe de pièces de collection. Ainsi, la Banque de Lettonie affirme que le niobium est utilisé dans les pièces de collection de 1 lats avec l'argent.

L'utilisation de catalyseur de composés de niobium O5 dans l'industrie chimique ;

dans la production de réfractaires, cermets, spéciaux verre, nitrure, carbure, niobates.

Le carbure de niobium (pf. 3480 ° C) dans un alliage avec du carbure de zirconium et du carbure d'uranium 235 est le matériau de structure le plus important pour les barres de combustible des moteurs à réaction nucléaires en phase solide.

Le nitrure de niobium NbN est utilisé pour la réalisation de films supraconducteurs minces et ultra-minces de température critique de 5 à 10 K avec une transition étroite, de l'ordre de 0,1 K

Niobium en médecine

La haute résistance à la corrosion du niobium a permis son utilisation en médecine. Les filaments de niobium n'irritent pas les tissus vivants et fusionnent bien avec eux. La chirurgie reconstructive a utilisé avec succès ces sutures pour réparer les tendons déchirés, les vaisseaux sanguins et même les nerfs.

Application en bijouterie

Le niobium possède non seulement un ensemble de propriétés requises par la technique, mais il est également très beau. Les bijoutiers ont essayé d'utiliser ce métal blanc brillant pour fabriquer des boîtiers de montres. Des alliages de niobium avec du tungstène ou du rhénium remplacent parfois les métaux nobles : or, platine, iridium. Ce dernier est particulièrement important, car l'alliage de niobium avec du rhénium ressemble non seulement à de l'iridium métallique, mais est presque aussi résistant à l'usure. Cela a permis à certains pays de se passer de l'iridium coûteux dans la production de soudure pour les plumes de fontaine.

Extraction de niobium en Russie

Ces dernières années, la production mondiale de niobium a été au niveau de 24 à 29 000 tonnes.Il convient de noter que le marché mondial du niobium est largement monopolisé par la société brésilienne CBMM, qui représente environ 85% de la production mondiale. de niobium.

Le Japon est le principal consommateur de produits contenant du niobium (principalement du ferroniobium). Ce pays importe annuellement plus de 4 000 tonnes de ferroniobium du Brésil. Par conséquent, les prix des importations japonaises pour les produits contenant du niobium peuvent être considérés avec une grande confiance comme proches de la moyenne mondiale. Ces dernières années, il y a eu une tendance à la hausse des prix du ferroniobium. Cela est dû à son utilisation croissante pour la production d'aciers faiblement alliés destinés principalement aux oléoducs et gazoducs. De manière générale, il convient de noter qu'au cours des 15 dernières années, la consommation mondiale de niobium a augmenté en moyenne de 4 à 5 % par an.

Il faut admettre avec regret que la Russie est en marge du marché du niobium. Au début des années 1990, selon les experts de Giredmet, l'ex-URSS produisait et consommait environ 2 000 tonnes de niobium (en termes d'oxyde de niobium). À l'heure actuelle, la consommation de produits à base de niobium par l'industrie russe ne dépasse pas seulement les tonnes 100 - 200. Il convient de noter que dans l'ex-URSS, d'importantes capacités de production de niobium ont été créées, dispersées dans différentes républiques - Russie, Estonie, Kazakhstan . Cette caractéristique traditionnelle du développement de l'industrie en URSS place désormais la Russie dans une position très difficile en ce qui concerne de nombreux types de matières premières et de métaux. Le marché du niobium commence par la production de matières premières contenant du niobium. Son principal type en Russie était et reste le concentré de loparite, obtenu au Lovozersky GOK (maintenant - Sevredmet JSC, région de Mourmansk). Avant l'effondrement de l'URSS, l'entreprise produisait environ 23 000 tonnes de concentré de loparite (la teneur en oxyde de niobium est d'environ 8,5%). Par la suite, la production de concentré n'a cessé de diminuer, en 1996-1998. l'entreprise a été arrêtée à plusieurs reprises en raison du manque de ventes. Actuellement, selon les estimations, la production de concentré de loparite dans l'entreprise se situe entre 700 et 800 tonnes par mois.

Il convient de noter que l'entreprise est assez strictement liée à son seul consommateur - l'usine de magnésium de Solikamsk. Le fait est que le concentré de loparite est un produit assez spécifique qui n'est obtenu qu'en Russie. Sa technologie de traitement est assez compliquée en raison du complexe de métaux rares (niobium, tantale, titane) qu'il contient. De plus, le concentré est radioactif, ce qui explique en grande partie pourquoi toutes les tentatives d'entrer sur le marché mondial avec ce produit se sont soldées par des échecs. Il convient également de noter qu'il est impossible d'obtenir du ferroniobium à partir de concentré de loparite. En 2000, à l'usine de Sevredmet, la société Rosredmet a lancé une usine expérimentale de traitement de concentré de loparite avec la production de produits commerciaux contenant du niobium (oxyde de niobium) entre autres métaux.

Les principaux marchés pour les produits en niobium de SMZ sont les pays non membres de la CEI : les livraisons sont effectuées aux États-Unis, au Japon et dans les pays européens. La part des exportations dans la production totale est supérieure à 90 %. Des capacités importantes de production de niobium en URSS étaient concentrées en Estonie - à l'Association de production chimique et métallurgique de Sillamäe (Sillamäe). Aujourd'hui, l'entreprise estonienne s'appelle "Silmet". À l'époque soviétique, l'entreprise traitait le concentré de loparite du Lovoozersky GOK, depuis 1992, son expédition a été arrêtée. Aujourd'hui, Silmet ne traite qu'une petite quantité d'hydroxyde de niobium provenant de l'usine de magnésium de Solikamsk. La plupart des matières premières contenant du niobium proviennent actuellement du Brésil et du Nigeria. La direction de l'entreprise n'exclut pas l'approvisionnement en concentré de loparite, cependant, "Sevredmet" tente de mener une politique de sa transformation sur place, l'exportation de matières premières étant moins rentable que les produits finis.

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La production de niobium avec du tantale, ainsi que des alliages de tantaloniobium, est d'une grande importance économique du point de vue de l'utilisation intégrée des deux métaux précieux.
Dans de nombreux cas, au lieu de tantale avec le même effet, on peut utiliser du niobium proche de lui dans des propriétés ou des alliages de tantale avec du niobium, puisque ces métaux forment une série continue de solutions solides dont les propriétés sont proches de celles des métaux-mères.
Un alliage de tantale avec du niobium peut être obtenu en mélangeant des poudres de tantale et de niobium obtenues séparément, puis en pressant le mélange et en le frittant sous vide, ainsi qu'en réduisant simultanément un mélange de composés de tantale et de niobium, par exemple un mélange de composés complexes les fluorures K2TaF7 et K2NbF7, un mélange de chlorures, un mélange d'oxydes, etc. . P.
Habituellement, dans le procédé à l'acide fluorhydrique de séparation du tantale et du niobium, ce dernier est séparé sous forme de fluoroxyniobate K2NbOF5*H2O.
Ce sel ne convient pas à la réduction du sodium pour deux raisons :
a) l'eau de cristallisation, qui fait partie de ce sel, réagissant avec le sodium, peut provoquer une explosion,
b) l'oxygène, qui fait partie du sel et associé au niobium, n'est pas réduit par le sodium et reste sous forme d'impureté oxyde dans le produit de réduction.
Par conséquent, le fluoroxyniobate de potassium doit être recristallisé dans une solution d'acide fluorhydrique avec une concentration en HF supérieure à 10 %, ce qui entraîne la formation d'un sel K2NbF7 adapté à la réduction du sodium.
Le niobium peut également être produit par électrolyse dans des conditions similaires à celles décrites pour la production de tantale. Il existe un rendement de courant inférieur à celui de la production électrolytique de tantale, ainsi que des difficultés liées à une solubilité notable dans l'électrolyte de composés de niobium de différentes valences.
L'électrolyse à partir d'un bain mixte contenant un mélange de Ta2O5 + Nb2O5 comme composants de décomposition et de K2TaF7 comme solvant est également possible. Dans ce cas, un alliage de niobium et de tantale est obtenu.
Pour obtenir du niobium, une méthode a été proposée pour la réduction du carbone du pentoxyde de niobium sous vide.

Réduction du pentoxyde de niobium avec du carbone

Pour obtenir du niobium, K. Bolke a mis au point une méthode de réduction du pentoxyde de niobium par du carbure de niobium sous vide selon la réaction :

Essentiellement, ce processus est réduit à la réduction du pentoxyde de niobium avec du carbone.
Du fait de la grande résistance chimique du pentoxyde de niobium, la réduction du carbone à pression atmosphérique nécessite une température élevée (environ 1800-1900°), qui peut être obtenue dans un four tubulaire en graphite.Le niobium a une forte affinité pour le carbone (énergie libre de formation de carbure de niobium -ΔF° = 38,2 kcal ), donc, en présence de gaz carbonés dans le four et à vitesse de diffusion élevée dans la phase solide se développant à une température aussi élevée, le niobium s'avère être contaminé par du carbure de niobium, même dans le cas du dosage basé sur la réaction

Sous vide, la réaction de réduction avec le carbone se déroule à plus basse température (1600-1700°),
Les briquettes sont préparées à partir d'un mélange de pentoxyde de niobium et de suie, pris dans des rapports stoechiométriques basés sur la réaction

Le laminage est effectué à 1800-1900° dans un four tubulaire en graphite sous atmosphère protectrice (hydrogène, argon) ou sous vide à une température de 1600° jusqu'à ce que l'émission de CO cesse. Le produit résultant est des briquettes légèrement frittées constituées de particules de carbure en poudre grise. Le carbure est pulvérisé dans un broyeur à billes et mélangé avec du pentoxyde dans des proportions correspondant à la réaction (1). Les briquettes du mélange Nb2O5 + NbC sont à nouveau calcinées sous vide à une température d'environ 1600°.
Pour assurer l'élimination par la sueur du carbone sous forme de CO, un petit excès de pentoxyde de niobium doit être introduit dans la composition de la charge Nb2O5 + NbC. Lors de l'opération ultérieure de frittage à haute température (soudage) de tiges pressées à partir de niobium métallique en poudre, l'excès de pentoxyde de niobium est éliminé, car les oxydes de niobium (ainsi que le tantale) s'évaporent sous vide à une température inférieure au point de fusion du métal
En raison du temps inévitable passé à faire le vide et à refroidir le produit qu'il contient, la productivité d'un four sous vide dans la fabrication du carbure de niobium initial est très inférieure à la productivité d'un four tubulaire en graphite fonctionnant à pression atmosphérique, dans lequel une Le processus peut être réalisé en faisant avancer des cartouches avec des briquettes d'un mélange de Nb2O5 + C. Par conséquent, il est plus opportun d'obtenir NbC en continu dans un four tubulaire en graphite à pression atmosphérique, bien qu'à des températures de 1800-1900 °.
Il serait possible d'obtenir du niobium métallique dans un four sous vide directement en faisant réagir du pentoxyde avec de la suie selon la réaction (2) avec un léger excès de Nb2O5 dans la charge. Cependant, lors du chargement du mélange Nb2O5 + 5NbC dans un four sous vide, sa productivité augmente significativement par rapport au chargement du mélange Nb2O5 + 5C, puisque le mélange Nb2O5 + SNbC contient 1,5 fois plus de niobium (82,4 %) que le mélange Nb2O5 + 5C ( 57,2 %) De plus, le premier mélange a une masse volumique d'additif 1,7 fois supérieure à celle du deuxième mélange (6,25 g/cm3 et 3,7 g/cm3, respectivement).
De plus, il faut tenir compte du fait que le carbure de niobium, qui constitue la partie prédominante du mélange Nb2O5 + 5NbC, est plus grossier que les poudres de Nb2O5 dispersées et le noir de carbone, ce qui est une raison supplémentaire du poids apparent plus élevé du Nb2O5. + 5NbC que le mélange Nb2O5 + 5C.
En conséquence de tout cela, 2,5 à 3 fois plus de matériau (basé sur la teneur en niobium) sous forme de briquettes du mélange Nb2O5 + 5NbC peut tenir dans le volume unitaire de la cartouche que les briquettes du mélange Nb2O5 + 5C.
Dans les travaux de Bolke, il n'y a pas de preuves suffisamment solides de la nécessité de respecter strictement la composition du mélange Nb2O5 + 5NbC recommandé par lui, chargé dans un four sous vide.
En calcinant un mélange de Nb2O5 + 5C dans un four à tubes de carbone à pression atmosphérique, il est possible d'obtenir un produit à haute productivité (en procédé continu) dont la composition est proche du niobium métallique avec un faible apport de carbone. Cette poudre riche en niobium avec une densité et une densité apparente élevées peut ensuite être mélangée avec une quantité appropriée de Nb2O5 (avec un léger excès de Nb2O5 par rapport à la teneur équivalente en impuretés carbonées du niobium) et le mélange briqueté calciné dans un four sous vide pour éliminer carbone sous forme de CO.
Avec cette option, la capacité et, par conséquent, la productivité du four sous vide seront les plus élevées. Le petit excès restant de Nb2O5 s'évaporera lors d'un frittage ultérieur à haute température du niobium, et ce dernier se transformera en un métal malléable compact.
Lors de l'utilisation de niobium à faible teneur en carbone au lieu de carbure de niobium pour l'interaction avec le pentoxyde, certaines complications technologiques peuvent survenir. En effet, lorsque du niobium bas carbone est obtenu à pression atmosphérique dans l'espace réactionnel d'un four tubulaire en graphite, la présence d'un mélange d'azote de l'air pouvant pénétrer dans le four est toujours possible. Le niobium, ayant une grande affinité pour l'azote, l'absorbe activement. Lors de l'obtention de carbure de niobium, la possibilité de contamination du produit par l'azote est bien moindre en raison de la plus grande affinité du niobium pour le carbone que pour l'azote.
Par conséquent, la production de niobium métallique utilisant du niobium à faible teneur en carbone comme matériau de départ est compliquée par la nécessité de créer des conditions qui excluent la possibilité que de l'azote pénètre dans l'espace de réaction, ce qui est difficile à réaliser dans un four tubulaire en graphite librement connecté au atmosphère. Pour éliminer l'azote du four, il est nécessaire de remplir soigneusement le four avec de l'hydrogène pur ou de l'argon, d'observer l'étanchéité du boîtier, d'éviter d'aspirer de l'air dans le tube de réaction lors du chargement de cartouches avec un mélange Nb2O5 + 5C et lors du déchargement de niobium , etc.
Par conséquent, la question des avantages de la variante de production préliminaire de carbure de niobium ou de niobium à faible teneur en carbone à pression atmosphérique (avec calcination ultérieure de ces produits dans un mélange avec Nb2O5 sous vide) peut être résolue par des possibilités pratiques dans chaque cas individuel.
Les avantages du procédé de réduction du carbone du niobium selon l'une des options décrites sont : l'utilisation d'un agent réducteur bon marché sous forme de suie et une forte récupération directe du niobium dans le métal fini
La similitude des propriétés des oxydes de tantale et de niobium permet d'utiliser le procédé décrit pour la production de tantale malléable.

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Il existe un assez grand nombre d'éléments qui, lorsqu'ils sont combinés avec d'autres substances, forment des alliages aux propriétés de performance particulières. Un exemple est le niobium - un élément qui a d'abord été appelé "columbium" (d'après le nom de la rivière où il a été trouvé pour la première fois), mais qui a ensuite été renommé. Le niobium est un métal aux propriétés plutôt inhabituelles, dont nous parlerons plus en détail plus tard.

Obtenir un élément

Lorsque l'on considère les propriétés du niobium, il convient de noter que la teneur de ce métal par tonne de roche est relativement faible, environ 18 grammes. C'est pourquoi, après sa découverte, de nombreuses tentatives ont été faites pour obtenir le métal artificiellement. En raison de sa composition chimique similaire, cette substance est souvent extraite avec du tantale.

Les gisements de niobium sont situés presque partout dans le monde. Un exemple est les mines au Congo, au Rwanda, au Brésil et dans de nombreux autres pays. Cependant, cet élément ne peut pas être qualifié de commun ; dans de nombreuses régions, il est pratiquement introuvable, même à de faibles concentrations.

La concentration relativement faible d'une substance dans la roche terrestre est aggravée par les difficultés qui surviennent lorsqu'elle est obtenue à partir d'un concentré. Il convient de garder à l'esprit que le niobium NBSh ne peut être obtenu qu'à partir de roches saturées de tantale. Les caractéristiques du processus de production sont les points suivants:

1. Pour commencer, le minerai concentré est fourni à l'usine, qui passe par plusieurs étapes de purification. Lors de la production de niobium, le minerai résultant est séparé en éléments purs, dont le tantale.
2. Le processus de traitement final est le raffinage des métaux.

Malgré les difficultés rencontrées dans l'extraction et le traitement du minerai en question, chaque année le volume de production de l'alliage en question augmente considérablement. Cela est dû au fait que le métal a des performances exceptionnelles et est largement utilisé dans diverses industries.

Oxydes de niobium

L'élément chimique considéré peut devenir la base de divers composés. Le plus courant est le pentoxyde de niobium. Parmi les caractéristiques de cette connexion, on peut noter les points suivants :

1. L'oxyde de niobium est une poudre cristalline blanche qui a une teinte crémeuse.
2. La substance est insoluble dans l'eau.
3. La substance résultante conserve sa structure lorsqu'elle est mélangée avec la plupart des acides.

Les propriétés suivantes peuvent également être attribuées aux caractéristiques du pentoxyde de niobium :

1. Force accrue.
2. Haute ténacité. La substance est capable de résister à des températures allant jusqu'à 1490 degrés Celsius.
3. Lorsqu'elle est chauffée, la surface s'oxyde.
4. Réagit au chlore, peut être réduit par l'hydrogène.

L'hydroxyde de niobium est le plus souvent utilisé pour obtenir des nuances d'acier fortement allié, qui présentent des performances tout à fait intéressantes.

Proprietes physiques et chimiques

Le niobium a des propriétés chimiques similaires à celles du tantale. Compte tenu des principales caractéristiques du niobium, vous devez faire attention aux points suivants :

1. Résistant à divers types de corrosion. Les alliages obtenus en introduisant cet élément dans la composition présentent de hautes qualités de résistance à la corrosion.
2. L'élément chimique considéré présente un point de fusion élevé. Comme le montre la pratique, la plupart des alliages ont un point de fusion supérieur à 1 400 degrés Celsius. cela complique le processus de traitement, mais rend les métaux indispensables dans divers domaines d'activité.
3. Les principales propriétés physiques se caractérisent également par la facilité de soudage des alliages obtenus.
4. Aux températures négatives, la structure de l'élément reste pratiquement inchangée, ce qui permet de préserver les propriétés opérationnelles du métal.
5. La structure particulière de l'atome de niobium détermine les qualités supraconductrices du matériau.
6. La masse atomique est de 92,9, la valence dépend des caractéristiques de la composition.

Le principal avantage de la substance est considéré comme étant réfractaire. C'est pourquoi il a été utilisé dans diverses industries. La fusion de la substance a lieu à une température d'environ 2 500 degrés Celsius. Certains alliages fondent même à une température record de 4 500 degrés Celsius. La densité de la substance est assez élevée, elle est de 8,57 grammes par centimètre cube. Il convient de garder à l'esprit que le métal est caractérisé par le paramagnétisme.

Les acides suivants n'affectent pas le réseau cristallin :

1. sulfurique;
2. sel;
3. phosphorique;
4. chlorure.

N'affecte pas les métaux et les solutions aqueuses de chlore. Avec un certain impact sur le métal, un film d'oxyde diélectrique se forme à sa surface. C'est pourquoi le métal a commencé à être utilisé dans la production de condensateurs miniatures à haute capacité, qui sont également fabriqués à partir de tantale plus cher.

Application de niobium

Une grande variété de produits en niobium sont fabriqués, dont la plupart sont associés à la production d'équipements aéronautiques. Un exemple est l'utilisation du niobium dans la fabrication de pièces qui sont installées lors de l'assemblage de fusées ou d'avions. En outre, l'utilisation suivante de cet élément peut être distinguée :

1. Production d'éléments à partir desquels sont réalisées des installations radar.
2. Comme indiqué précédemment, l'alliage en question peut être utilisé pour obtenir des condensateurs électriques capacitifs moins chers.
3. Des cathodes et des anodes en feuille sont également fabriquées à l'aide de l'élément en question, qui est associé à une résistance élevée à la chaleur.
4. Vous pouvez souvent trouver des conceptions de lampes génératrices puissantes qui ont une grille à l'intérieur. Pour que cette grille résiste aux hautes températures, elle est réalisée à partir de l'alliage en question.

Des qualités physiques et chimiques élevées déterminent l'utilisation du niobium dans la production de tuyaux pour le transport de métaux liquides. De plus, les alliages sont utilisés pour produire des récipients à diverses fins.

Alliages avec niobium

Compte tenu de ces alliages, il convient de tenir compte du fait que cet élément est souvent utilisé pour la production de ferroniobium. Ce matériau a été largement utilisé dans les industries de fonderie, ainsi que dans la fabrication de revêtements électroniques. La compo comprend :

1. le fer;
2. niobium avec tantale;
3. silicium;
4. aluminium;
5. carbone;
6. soufre;
7. phosphore;
8. titane.

La concentration des principaux éléments peut varier dans une plage assez large, dont dépendent les performances du matériau.

Les 5VMT au niobium peuvent être appelés un alliage de ferroniobium alternatif. Lorsqu'il est obtenu, le tungstène, le zirconium et le molybdène sont utilisés comme éléments d'alliage. Dans la plupart des cas, ce blanc est utilisé pour la production de produits semi-finis.

En conclusion, notons que le niobium est utilisé dans certains pays dans la production de pièces de monnaie. Cela est dû au coût assez élevé du matériau. Avec la production en série d'alliages dont le niobium est l'élément principal, des lingots originaux sont créés.

Il convient de commencer par le fait que le niobium est inextricablement lié à une substance telle que le tantale. Ceci en dépit du fait que ces matériaux n'ont pas été découverts en même temps.

Qu'est-ce que le niobium

Que sait-on aujourd'hui d'une substance telle que le niobium ? C'est un élément chimique qui se situe dans le 5ème groupe du tableau périodique, ayant un numéro atomique de 41, ainsi qu'une masse atomique de 92,9. Comme beaucoup d'autres métaux, cette substance se caractérise par un éclat gris acier.

L'un des paramètres physiques les plus importants de celui-ci est sa réfractarité. C'est grâce à cette caractéristique que l'utilisation du niobium s'est généralisée dans de nombreuses industries. Le point de fusion de cette substance est de 2468 degrés Celsius et le point d'ébullition est de 4927 degrés Celsius.

Les propriétés chimiques de cette substance sont également à un niveau élevé. Il se caractérise par un haut niveau de résistance aux températures négatives, ainsi qu'aux effets des environnements les plus agressifs.

Production

Il faut dire que la présence de minerai contenant l'élément Nb (niobium) est bien supérieure à celle du tantale, mais le problème réside dans la rareté de la teneur de l'élément lui-même dans ce minerai.

Le plus souvent, pour obtenir cet élément, on procède à un procédé de réduction thermique, dans lequel interviennent de l'aluminium ou du silicium. A la suite de cette opération, on obtient des composés de ferroniobium et de ferrotantaloniobium. Il convient de noter que la production d'une version métallique de cette substance est réalisée à partir du même minerai, mais une technologie plus complexe est utilisée. Les creusets en niobium et autres matériaux obtenus se caractérisent par des caractéristiques de performances très élevées.

Méthodes d'obtention du niobium

Actuellement, l'un des domaines les plus développés pour l'obtention de ce matériau est l'aluminothermique, le sodium-thermique et le carbothermique. La différence entre ces types réside également dans les précurseurs utilisés pour réduire le niobium. Disons que K2NbF7 est utilisé dans la méthode thermique au sodium. Mais, par exemple, avec la méthode aluminothermique, on utilise du pentoxyde de niobium.

Si nous parlons de la méthode d'obtention carbothermique, cette technologie implique le mélange de Nb avec de la suie. Ce processus doit avoir lieu dans un environnement à haute température et sous hydrogène. A la suite de cette opération, du carbure de niobium sera obtenu. La deuxième étape consiste à remplacer le milieu hydrogène par un milieu sous vide et à maintenir la température. A ce moment, son oxyde est ajouté au carbure de niobium et le métal lui-même est obtenu.

Il est important de noter que parmi les formes de métal produites, le niobium en lingots est assez courant. Ce produit est destiné à la production d'alliages à base de métaux, ainsi que de divers autres produits semi-finis.

Un bâton de ce matériau peut également être produit, qui est divisé en plusieurs catégories en fonction de la pureté de la substance. La plus petite quantité d'impuretés est contenue dans la tige marquée NBSh-00. La classe NBSh-0 se caractérise par une présence plus élevée d'éléments tels que le fer, le titane et le tantale-silicium. La catégorie qui a le taux d'impuretés le plus élevé est NBSh-1. On peut ajouter que le niobium en lingots n'a pas une telle classification.

Méthodes de production alternatives

Des procédés alternatifs comprennent la fusion de zone par faisceau d'électrons sans creuset. Ce procédé permet d'obtenir des monocristaux de Nb. Les creusets en niobium sont produits selon cette méthode. Il appartient à la métallurgie des poudres. Il est utilisé afin d'obtenir d'abord un alliage de ce matériau, puis son échantillon pur. La présence de cette méthode a rendu les publicités pour l'achat de niobium assez courantes. Cette méthode permet d'utiliser non pas le minerai lui-même, assez difficile à extraire, ou un concentré de celui-ci, mais des matières premières secondaires pour obtenir du métal pur.

Une autre méthode de production alternative est le laminage au niobium. Il convient de noter que la plupart des différentes entreprises préfèrent acheter des tiges, du fil ou de la tôle.

Roulé et feuille

La feuille de ce matériau est un produit semi-fini assez courant. C'est la feuille laminée la plus fine de cette substance. Il est utilisé pour la production de certains produits et pièces. La feuille de niobium est obtenue à partir de matières premières pures par laminage à froid de lingots de Nb. Les produits résultants se caractérisent par des indicateurs tels qu'une résistance élevée à la corrosion, des environnements agressifs et des températures élevées. Le laminage du niobium et de ses lingots confère également des caractéristiques telles que la résistance à l'usure du produit, une ductilité élevée et une bonne usinabilité.

Les produits ainsi obtenus sont le plus souvent utilisés dans des domaines tels que la construction aéronautique, la science des fusées, la médecine (chirurgie), l'ingénierie radio, l'électrotechnique, l'ingénierie nucléaire, l'ingénierie nucléaire. La feuille de niobium est emballée en bobines et stockée dans un endroit sec, à l'abri de l'humidité, ainsi que dans un endroit protégé des chocs mécaniques de l'extérieur.

Application dans les électrodes et les alliages

L'utilisation du niobium est très répandue. Il peut être utilisé, comme le chrome et le nickel, comme matériau faisant partie de l'alliage de fer utilisé pour fabriquer des électrodes. Du fait que le niobium, comme le tantale, est capable de former un carbure extra-dur, il est souvent utilisé pour produire des alliages extra-durs. On peut ajouter qu'à l'heure actuelle, ils essaient à l'aide de ce matériau d'améliorer les propriétés des alliages obtenus à base de

Le niobium étant une matière première capable de créer des éléments en carbure, il est, comme le tantale, utilisé comme mélange d'alliage dans la production d'acier. Il convient de noter que pendant longtemps l'utilisation du niobium comme impureté du tantale a été considérée comme un effet négatif. Cependant, aujourd'hui, l'opinion a changé. Il a été constaté que le Nb peut agir comme substitut du tantale, et avec un grand succès, car, en raison de la masse atomique plus faible, une plus petite quantité de substance peut être utilisée, tout en conservant toutes les anciennes caractéristiques et effets du produit.

Application en génie électrique

Il convient de souligner que l'utilisation du niobium, comme son frère le tantale, est possible dans les redresseurs, du fait qu'ils ont la propriété de conductivité unipolaire, c'est-à-dire que ces substances ne font passer le courant électrique que dans une seule direction. Il est possible d'utiliser ce métal pour créer des dispositifs tels que des anodes, qui sont utilisés dans les générateurs de forte puissance et les lampes amplificatrices.

Il est très important de noter que l'utilisation du niobium a atteint l'industrie de l'énergie nucléaire. Dans cette industrie, les produits fabriqués à partir de cette substance sont utilisés comme matériaux de structure. Ceci est possible car la présence de Nb dans les pièces les rend résistantes à la chaleur et leur confère également de hautes qualités de résistance chimique.

Les excellentes caractéristiques physiques de ce métal ont conduit au fait qu'il est largement utilisé dans la technologie des fusées, dans les avions à réaction et dans les turbines à gaz.

Production de niobium en Russie

Si nous parlons des réserves de ce minerai, il y a environ 16 millions de tonnes au total. Le gisement le plus important, occupant environ 70 % du volume total, est situé au Brésil. Sur le territoire de la Russie, environ 25% des réserves de ce minerai sont situées. Cet indicateur est considéré comme une partie importante de toutes les réserves de niobium. Le plus grand gisement de cette substance est situé en Sibérie orientale, ainsi qu'en Extrême-Orient. Aujourd'hui, sur le territoire de la Fédération de Russie, la société Lovozersky GOK est engagée dans l'extraction et la production de cette substance. On peut voir que la société Stalmag était également engagée dans la production de niobium en Russie. Il a développé le gisement tatar de ce minerai, mais a été fermé en 2010.

Vous pouvez également ajouter qu'il est engagé dans la production d'oxyde de niobium. Ils l'obtiennent en traitant du concentré de loparite. Cette entreprise produit de 400 à 450 tonnes de cette substance, dont la majeure partie est exportée vers des pays comme les États-Unis et l'Allemagne. Une partie de l'oxyde restant va à l'usine mécanique de Chepetsky, qui produit à la fois du niobium pur et ses alliages. Des capacités importantes y sont implantées, permettant de produire jusqu'à 100 tonnes de matière par an.

Niobium métal et son coût

Malgré le fait que la portée de cette substance est assez large, l'objectif principal est l'industrie spatiale et nucléaire. Pour cette raison, le Nb est classé comme matériau stratégique.

Les principaux paramètres qui influent sur le coût du niobium :

• la pureté de l'alliage, une grande quantité d'impuretés réduit le prix;
• forme d'approvisionnement en matériel;
• volumes de matériel fourni ;
• l'emplacement du point de réception du minerai (différentes régions ont besoin de quantités différentes de l'élément, ce qui signifie que son prix est différent).

Une liste approximative des prix du matériel à Moscou:

• la marque de niobium NB-2 est comprise entre 420 et 450 roubles par kg;
• les copeaux de niobium coûtent de 500 à 510 roubles par kg;
• une tige de la marque NBSh-00 coûte de 490 à 500 roubles par kg.

Il convient de noter que, malgré le coût énorme de ce produit, sa demande ne fait qu'augmenter.