Фізичні та хімічні властивості Ніобію. Застосування ніобію та його властивості Як спочатку називався метал ніобій

Уральський державний гірничий університет

На тему: Властивості ніобію

Група: М-13-3

Студент: Мохнашин Микита

1. Загальні відомості про елемент

Фізичні властивості ніобію

Хімічні властивості ніобію

Ніобій у вільному стані

Оксиди ніобію та їх солі

З'єднання ніобію

Країни лідери у виробництві ніобію

1. Загальні відомості про елемент

З елементом, що займає в менделєєвській таблиці 41 клітинку, людство знайоме давно. Вік його нинішньої назви – ніобій – майже на півстоліття менший. Сталося так, що елемент №41 було відкрито двічі. Перший раз – у 1801 р. англійський вчений Чарльз Хатчет досліджував зразок вірного мінералу, надісланого до Британського музею з Америки. З цього мінералу він виділив окис невідомого раніше елемента. Новий елемент Хатчет назвав колумбієм, відзначаючи цим його заокеанське походження. А чорний мінерал отримав назву колумбіта. Через рік шведський хімік Екеберг виділив із колумбіту окис ще одного нового елемента, названого танталом. Подібність з'єднань Колумбія і танталу була така велика, що протягом 40 років більшість хіміків вважали: тантал і колумбій - один і той самий елемент.

У 1844 р. німецький хімік Генріх Розе досліджував зразки колумбіту, знайдені у Баварії. Він знову виявив оксиди двох металів. Один із них був оксидом відомого вже танталу. Окисли були схожі, і, підкреслюючи їхню подібність, Розе назвав елемент, що утворює другий окис, ніобієм на ім'я Ніоби, дочки міфологічного мученика Тантала. Втім, Розі, як і Хатчет, не зумів отримати цей елемент у вільному стані. Металевий ніобій був уперше отриманий лише 1866 р. шведським ученим Бломстрандом у відновленні хлориду ніобію воднем. Наприкінці ХІХ ст. було знайдено ще два способи одержання цього елемента. Спочатку Муассан отримав його в електропечі, відновлюючи окис ніобію вуглецем, а потім Гольдшмідт зумів відновити той самий елемент алюмінієм. А називати елемент №41 у різних країнах продовжували по-різному: в Англії та США – колумбієм, в інших країнах – ніобієм. Кінець цієї різноголосиці поклав Міжнародний союз чистої та прикладної хімії (ІЮПАК) у 1950 р. Було вирішено повсюдно узаконити назву елемента «ніобій», а за основним мінералом ніобію так і закріпилося найменування «колумбіт». Його формула (Fe, Mn) (Nb, Ta)2 Про 6.

Ніобій не випадково вважається рідкісним елементом: він дійсно зустрічається не часто й у невеликих кількостях, причому завжди у вигляді мінералів і ніколи у самородному стані. Цікава деталь: у різних довідкових виданнях кларк (зміст у земній корі) різний ніобію. Це головним чином тим, що останніми роками у країнах Африки знайдено нові родовища мінералів, що містять ніобій. У «Довіднику хіміка», т. 1 (М., «Хімія», 1963) наведено цифри: 3,2 · 10-5% (1939), 1 · 10-3% (1949) і 2, 4 · 10-3% (1954 р.). Але й останні цифри занижені: африканські родовища, відкриті останніми роками, сюди не ввійшли. Тим не менш, підраховано, що з мінералів вже відомих родовищ можна виплавити приблизно 1,5 млн т металевого ніобію.

Фізичні властивості ніобію

Ніобій – блискучий сріблясто-сірий метал.

Елементарний ніобій - надзвичайно тугоплавкий (2468 ° C) і висококиплячий (4927 ° C) метал, дуже стійкий у багатьох агресивних середовищах. Усі кислоти, крім плавиковой, не діють нею. Кислоти-окислювачі пасивують ніобій, покриваючи його захисною окисною плівкою (№205). Але за високих температур хімічна активність ніобію підвищується. Якщо при 150...200°C окислюється лише невеликий поверхневий шар металу, то за 900...1200°C товщина окисної плівки значно збільшується.

Кристалічні грати Ніобія об'ємно центровані кубічні з параметром а = 3,294Å.

Чистий метал пластичний і може бути прокатаний у тонкий лист (до товщини 0, 01 мм.) у холодному стані без проміжного відпалу.

Можна відзначити такі властивості ніобію як висока температура плавлення та кипіння, нижча робота виходу електронів у порівнянні з іншими тугоплавкими металами – вольфрамом та молібденом. Остання властивість характеризує здатність до електронної емісії (випускання електронів), що використовується для застосування ніобію в електровакуумній техніці. Ніобій також має високу температуру переходу у стан надпровідності.

Щільність 8,57 г/см 3(20 ° С); t пл 2500 ° С; t стос 4927 °С; тиск пари (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст. = 133,3 н/м 2) 1 · 10 -5(2194 ° С), 1 · 10 -4(2355 ° С), 6 · 10 -4(при t пл ), 1 · 10-3 (2539 ° С).

При нормальній температурі ніобій стійкий на повітрі. Початок окиснення (плівки втечі) спостерігається при нагріванні металу до 200 - 300°С. Вище 500° відбувається швидке окислення з утворенням окислу Nb2 O 5.

Теплопровідність у вт/(м·К) при 0°З 600 °С відповідно 51,4 і 56,2, те ж у кал/(см·сек·°С) 0,125 і 0,156. Питомий об'ємний електричний опір за 0°С 15,22·10 -8ом · м (15,22 · 10 -6ом · см). Температура переходу до надпровідного стану 9,25 К. Ніобій парамагнітний. Робота виходу електронів 4,01 ев.

Чистий Ніобій легко обробляється тиском на холод і зберігає задовільні механічні властивості при високих температурах. Його межа міцності при 20 і 800 °С відповідно дорівнює 342 і 312 Мн/м 2, те ж у кгс/мм 234,2 та 31,2; відносне подовження при 20 та 800 °С відповідно 19,2 та 20,7%. Твердість чистого Ніобі по Брінеллю 450, технічного 750-1800 Mн/м 2. Домішки деяких елементів, особливо водню, азоту, вуглецю та кисню, сильно погіршують пластичність та підвищують твердість Ніобію.

3. Хімічні властивості ніобію

Ніобій особливо цінується за його стійкість до дії неорганічних та органічних речовин.

Є різниця у хімічній поведінці порошкоподібного та шматкового металу. Останній стійкіший. Метали на нього не діють, навіть якщо нагріти до високих температур. Рідкі лужні метали та його сплави, вісмут, свинець, ртуть, олово можуть у контакті з ніобієм довго, не змінюючи його властивостей. З ним нічого не можуть зробити навіть такі сильні окислювачі, як хлорна кислота, «царська горілка», не кажучи вже про азотну, сірчану, соляну та інші. Розчини лугів на ніобій також не діють.

Існує, однак, три реагенти, які можуть переводити металевий ніобій у хімічні сполуки. Одним з них є розплав гідроксиду будь-якого лужного металу:

Nb+4NaOH+5О2 = 4NaNbO3+2H2О

Двома іншими є плавикова кислота (HF) або її суміш із азотною (HF+HNO). У цьому утворюються фторидні комплекси, склад яких у значною мірою залежить умов проведення реакції. Елемент у будь-якому випадку входить до складу аніону типу 2- або 2-.

Якщо взяти порошкоподібний ніобій, він трохи активніший. Наприклад, у розплавленому нітраті натрію він навіть спалахує, перетворюючись на оксид. Компактний ніобій починає окислюватися при нагріванні вище 200°С, а порошок покривається окисною плівкою вже за 150°С. При цьому проявляється одна з чудових властивостей цього металу – він зберігає пластичність.

У вигляді тирси при нагріванні вище 900 ° С він повністю згоряє до Nb2O5. Енергійно згорає в струмі хлору:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

При нагріванні реагує із сіркою. З більшістю металів він сплавляється важко. Виняток, мабуть, становлять лише два: залізо, з яким утворюються жорсткі розчини різного відношення, і алюміній, що має з ніобієм сполуку Al2Nb.

Які ж якості ніобію допомагають йому чинити опір дії найсильніших кислот-окислювачів? Виявляється, це стосується не властивостей металу, а особливостей його оксидів. При зіткненні з окислювачами лежить на поверхні металу виникає найтонший (тому і непомітний), але дуже щільний шар оксидів. Цей шар стає непереборною перешкодою на шляху окислювача до чистої металевої поверхні. Проникнути через нього можуть лише деякі хімічні реагенти, зокрема аніон фтору. Отже, по суті, метал окислюється, але практично результатів окислення непомітно через присутність тонкої захисної плівки. Пасивність до розведеної сірчаної кислоти використовують для створення випрямляча змінного струму. Влаштований він просто: платинова та ніобієва пластинки занурені в 0,05 м розчин сірчаної кислоти. Ніобій у пасивованому стані може проводити струм, якщо є негативним електродом – катодом, тобто електрони можуть проходити крізь шар оксидів лише з боку металу. З розчину шлях електронів закрито. Тому коли через такий прилад пропускають змінний струм, то проходить тільки одна фаза, для якої платина - анод, а ніобій - катод.

ніобій метал галоген

4. Ніобій у вільному стані

Він настільки гарний, що у свій час намагалися з нього робити ювелірні вироби: своїм світло-сірим кольором ніобій нагадує платину. Незважаючи на високі температури плавлення (2500 ° С) та кипіння (4840 ° C), з нього легко можна зробити будь-який виріб. Метал настільки пластичний, що його можна обробляти на холоді. Дуже важливо, що ніобій зберігає свої механічні властивості за високих температур. Щоправда, як і у випадку ванадію, навіть невеликі домішки водню, азоту, вуглецю та кисню сильно зменшують пластичність та підвищують твердість. Ніобій стає крихким при температурі від -100 до -200 °С.

Отримання ніобію в надчистому та компактному вигляді стало можливим із залученням техніки останніх років. Весь технологічний процес складний та трудомісткий. У принципі він ділиться на 4 етапи:

1.отримання концентрату: фероніобія або ферротанталоніобія;

.розтин концентрату - переведення ніобію (і танталу) у будь-які нерозчинні сполуки, щоб відокремити від основної маси концентрату;

.поділ ніобію та танталу та отримання їх індивідуальних сполук;

.отримання та рафінування металів.

Перші два етапи досить прості та звичайні, хоч і трудомісткі. Ступінь поділу ніобію та танталу визначається третім етапом. Прагнення отримати якнайбільше ніобію і особливо танталу змусило знайти нові способи поділу: виборчої екстракції, іонного обміну, ректифікації сполук цих елементів з галогенами. В результаті отримують або оксид, або п'ятихлорид танталу і ніобію окремо. На останньому етапі застосовують відновлення вугіллям (сажею) у струмі водню при 1800°З, а потім температуру підвищують до 1900°З знижують тиск. Карбід, що вийшов при взаємодії з вугіллям, вступає в реакцію з Nb2O5:

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

і утворюється порошок ніобію. Якщо в результаті відділення ніобію від танталу отримано не оксид, а сіль, її обробляють металевим натрієм при 1000°С і також отримують порошкоподібний ніобій. Тому при подальшому перетворенні порошку на компактний моноліт проводять переплавлення в дуговій печі, а для отримання монокристалів особливо чистого ніобію використовують електроннопроменеву і зонну плавку.

Оксиди ніобію та їх солі

Число сполук з киснем у ніобію невелике, значно менше, ніж у ванадію. Пояснюється це тим, що у з'єднаннях, що відповідають ступеню окиснення +4, +3 та +2, ніобій вкрай нестійкий. Якщо атом цього елемента почав віддавати електрони, він прагне віддавати все п'ять, щоб оголити стабільну електронну конфігурацію.

Якщо порівнювати іони однієї й тієї ж ступеня окислення двох сусідів за групою - ванадію і ніобію, то виявляється посилення властивостей у бік металів. Кислотний характер оксиду Nb2O5 помітно слабший, ніж у оксиду ванадію (V). Кислоту при розчиненні не утворює. Лише при сплавленні з лугами чи карбонатами виявляються його кислотні властивості:

O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + ЗС02

Ця сіль - ортоніобат натрію - схожа на такі ж солі ортофосфорної та ортованадієвої кислот. Однак у фосфору та миш'яку ортоформа найстійкіша, а спроба отримати ортоніобат у чистому вигляді не вдається. При обробці сплаву водою виділяється не сіль Na3NbO4, а метаніобат NaNbO3. Це безбарвний важкорозчинний у холодній воді дрібнокристалічний порошок. Отже, у ніобію вищою мірою окислення більш стійка не орто-, а мета-форма сполук.

З інших сполук оксиду ніобію (V) з основними оксидами відомі диніобати K4Nb2O7, що нагадують про пірокислоти, і полініобати (як тінь поліфосфорних і поливанадієвих кислот) з приблизними формулами K7Nb5O16.nH2O та K8Nb6O19. Згадані солі, що відповідають найвищому оксиду ніобію, містять цей елемент у складі аніону. Форма цих солей дозволяє вважати їх похідними ніобієвих. кислот. У чистому вигляді ці кислоти отримати не можна, тому що їх можна розглядати як оксиди, що мають зв'язок з молекулами води. Наприклад, мета-форма – це Nb2O5. H2O, а оргоформа Nb2O5. 3H2O. Поряд із такого роду сполуками у ніобію є й інші, де він уже входить до складу катіону. Ніобій не утворює простих солей типу сульфатів, нітратів тощо. При взаємодії з гідросульфатом натрію NaHSО4 або з оксидом азоту N2О4 з'являються речовини зі складним катіоном: Nb2О2(SО4)3. Катіони в цих солях нагадують катіон ванадію з тією лише різницею, що тут іон п'ятизарядний, а у ванадію ступінь окислення в іоні ванадил дорівнює чотирьом. Такий же катіон NbO3+ входить до складу деяких комплексних солей. Оксид Nb2O5 досить легко розчиняється у водній фтористоводневій кислоті. З таких розчинів можна назвати комплексну сіль K2. H2O.

З розглянутих реакцій можна дійти невтішного висновку, що ніобій у своїй вищої ступеня окислення може входити як і склад аніонів, і у складі катіона. Це означає, що пятивалентный ніобій амфотерен, проте зі значним переважанням кислотних властивостей.

Існує кілька способів одержання Nb2O5. По-перше, взаємодія ніобію з киснем при нагріванні. По-друге, прожарювання на повітрі солей ніобію: сульфіду, нітриду або карбіду. По-третє - найпростіший спосіб -зневоднення гідратів. З водних розчинів солей концентрованими кислотами осаджується гідратований оксид Nb2O5. xH2O. Потім при розведенні розчинів відбувається випадання білого осаду оксиду. Зневоднення осаду Nb2O5 xH2O супроводжується виділенням теплоти. Вся маса загострюється. Відбувається це через перетворення аморфного оксиду на кристалічну форму. Оксид ніобію може бути двох кольорів. У звичайних умовах білий, але при нагріванні набуває жовтого забарвлення. Варто, однак, охолодити оксид, як колір зникає. Оксид тугоплавок (tпл = 1460 ° С) і нелетючий.

Нижчим ступеням окиснення ніобію відповідають NbО2 і NbО. Перший з цих двох є чорний з блакитним відливом порошок. Одержують NbO2 з Nb2O5, відбираючи кисень магнієм або воднем при температурі близько тисячі градусів:

O5 + Н2 = 2NbО2 + Н2О

На повітрі це з'єднання легко переходить у вищий оксид Nb2O5. Характер його досить потайливий, тому що оксид нерозчинний ні у воді, ні в кислотах. Все ж таки йому приписують кислотний характер на підставі взаємодії з гарячим водним лугом; при цьому, однак, йде окиснення до п'ятизарядного іона.

Здавалося б, різниця в один електрон не така вже й велика, але на відміну від Nb2O5, оксид NbO2 проводить електричний струм. Очевидно, у цьому поєднанні існує зв'язок метал – метал. Якщо користуватися цією якістю, то при нагріванні потужним змінним струмом можна змусити NbO2 віддати власний кисень.

При втраті кисню NbO2 перетворюється на оксид NbO, надалі досить швидко відщеплюється і весь кисень. Про нижчий оксид ніобію NbО відомо небагато. Він має металевий блиск і на вигляд схожий з металом. Чудово проводить електричний струм. Словом, поводиться так, ніби кисню в його складі зовсім немає. Навіть, подібно до типового металу, бурхливо реагує з хлором при нагріванні і перетворюється на оксихлорид:

2NbO + 3Cl2=2NbOCl3

З соляної кислоти витісняє водень (ніби і не оксид він зовсім, а метал на кшталт цинку):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

Отримати в чистому вигляді NbО можна прожарюванням вже згадуваної комплексної солі K2 з металевим натрієм:

К2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

Оксид NbO має найвищу з усіх ніобієвих оксидів температуру плавлення 1935°С. Щоб очистити ніобій від кисню, підвищують температуру до 2300 - 2350°С, тоді одночасно з випаровуванням відбувається розпад NbO на кисень і метал. Відбувається рафінування (очищення) металу.

З'єднання ніобію

Розповідь про елемент був би не повним без згадки про його сполуки з галогенами, карбідами та нітридами. Це важливо з двох причин. По-перше, завдяки фторидним комплексам вдається відокремити ніобій від вічного супутника танталу. По-друге, ці сполуки відкривають нам якості ніобію як металу.

Взаємодія галогенів з металевим ніобієм:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 можуть бути отримані, всі можливі пентагалогеніди ніобію.

Пентафторид NbF5 (tпл = 76 °С) у рідкому стані та в парах безбарвний. Подібно до п'ятифтористого ванадію, в рідкому стані він полімерний. Атоми ніобію з'єднані один з одним через атоми фтору. У твердому вигляді має структуру, що складається із чотирьох молекул (рис. 2).

Рис. 2. Структура NbF5 та TaF5 у твердому вигляді складається з чотирьох молекул.

Розчини у фтористоводбродній кислоті H2F2 містять різні комплексні іони:

H2F2 = Н2; + H2O = H2

Калієва сіль K2. H2O важлива відділення ніобію від танталу, так як на відміну від солі танталу вона добре розчинна.

Інші пентагалогеніди ніобію яскраво забарвлені: NbCl5 жовтий, NbBr5 пурпурно-червоний, NbI2 коричневий. Усі вони виганяються без розкладання атмосфері відповідного галогену; у парі вони мономери. Температури їх плавлення та кипіння зростають при переході від хлору до брому та йоду. Деякі із способів одержання пентагалогенідів такі:

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

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Пентагалогеніди добре розчиняються у органічних розчинниках: ефірі, хлороформі, спирті. Водою, однак, повністю розкладаються-гідролізуються. В результаті гідролізу виходять дві кислоти - галогеноводородна та ніобієва. Наприклад,

4H2О = 5HCl + H3NbО4

Коли гідроліз небажаний, то вводять якусь сильну кислоту і рівновага написаного вище процесу зміщується у бік NbCl5. У такому випадку пентагалогенід розчиняється, не піддаючись гідролізу,

Особливої ​​вдячності у металургів заслужив карбід ніобію. У будь-якій сталі є вуглець; ніобій, зв'язуючи його в карбід, підвищує якість легованої сталі. Зазвичай при зварюванні нержавіючої сталі шов має меншу міцність. Введення ніобію в кількості 200 г на тонну допомагає виправити цей недолік. При нагріванні ніобій раніше за всіх інших металів сталі утворює з'єднання з вуглецем - карбід. Це з'єднання досить пластичне та водночас здатне витримувати температуру до 3500°С. Шару карбіду товщиною всього півміліметра достатньо, щоб захистити від корозії метали і, що особливо цінно, графіт. Карбід може виходити при нагріванні металу або оксид ніобію (V) з вуглецем або вуглецевими газами (СН4, СО).

Нітрид ніобію - з'єднання, на яке не діють жодні кислоти і навіть "царська горілка" при кип'ятінні; стійкий до води. Єдине, з чим його можна змусити вступити у взаємодію, - луг, що кипить. І тут він розкладається із аміаку.

Нітрид NbN світло-сірий із жовтуватим відтінком. Він тугоплавок (тем. пл. 2300 ° С), має чудову особливість - при температурі, близької до абсолютного нуля (15,6 К, або -267,4 ° С), має надпровідність.

Зі сполук, що містять ніобій у нижчому ступені окислення, найбільш відомі галогеніди. Усі нижчі галогеніди – тверді кристалічні речовини темного кольору (від темно-червоного до чорного). Стійкість їх зменшується зі зниженням ступеня окислення металу.

Застосування ніобію у різних галузях

Застосування ніобію для легування металів

Сталь, легована ніобієм, має гарну корозійну стійкість. Хром теж підвищує корозійну стійкість сталі, і він набагато дешевший за ніобій. Цей читач правий і не правий одночасно. Не правий тому, що забув про одне.

У хромонікелевій сталі, як і у будь-якій іншій, завжди є вуглець. Але вуглець з'єднується з хромом, утворюючи карбід, який робить сталь тендітнішою. Ніобій має більшу спорідненість до вуглецю, ніж хром. Тому при додаванні в сталь ніобію обов'язково утворюється карбід ніобію. Легована ніобієм сталь набуває високих антикорозійних властивостей і не втрачає своєї пластичності. Потрібний ефект досягається, коли в тонну стали додано лише 200 г металевого ніобію. А хромо-маргаїцевої сталі ніобій надає високої зносостійкості.

Ніобієм легують і багато кольорових металів. Так, алюміній, що легко розчиняється в лугах, не реагує з ними, якщо до нього додано всього 0,05% ніобію. А мідь, відому свою м'якістю, і багато її сплавів ніобій немов загартовує. Він збільшує міцність таких металів, як титан, молібден, цирконій, і одночасно підвищує їхню жаростійкість і жароміцність.

Нині якості та можливості ніобію гідно оцінені авіацією, машинобудуванням, радіотехнікою, хімічною промисловістю, ядерною енергетикою. Усі вони стали споживачами ніобію.

Унікальна властивість - відсутність помітної взаємодії ніобію з ураном при температурі до 1100°C і, крім того, хороша теплопровідність, невеликий ефективний переріз поглинання теплових нейтронів зробили ніобій серйозним конкурентом визнаних в атомній промисловості металів - алюмінію, берилію та цирконію. До того ж штучна (наведена) радіоактивність ніобію невелика. Тому з нього можна робити контейнери для зберігання радіоактивних відходів або установки їх використання.

Хімічна промисловість споживає порівняно трохи ніобію, але це пояснюється лише його дефіцитністю. З ніобійвмісних сплавів і рідше з листового ніобію іноді роблять апаратуру для виробництва високочистих кислот. Здатність ніобію впливати на швидкість деяких хімічних реакцій використовується, наприклад, при синтезі спирту з бутадієну.

Споживачами елемента №41 стали також ракетна та космічна техніка. Не секрет, що на навколоземних орбітах вже крутяться якісь кількості цього елемента. З ніобієвмісних сплавів і чистого ніобію зроблено деякі деталі ракет і бортової апаратури штучних супутників Землі.

Використання ніобію в інших галузях промисловості

З ніобієвих листів і штабиків виготовляють «гарячу арматуру» (тобто. деталі, що нагріваються) - аноди, сітки, катоди непрямого розжарення та інші деталі електронних ламп, особливо потужних генераторних ламп.

Крім чистого металу для тих же цілей застосовують танталоніобієві сплави.

Ніобій застосовували для виготовлення електролітичних конденсаторів та випрямлячів струму. Тут використана здатність ніобію до утворення стійкої окисної плівки при анодному окисненні. Окисна плівка стійка в кислих електролітах і пропускає струм лише у напрямку електроліту до металу. Ніобієві конденсатори з твердим електролітом відрізняються високою ємністю при малих розмірах, високим опором ізоляції.

Ніобієві елементи конденсаторів виготовляють із тонкої фольги або пористих пластинок, спресованих із металевих порошків.

Корозійна стійкість ніобію в кислотах та інших середовищах, у поєднанні з високою теплопровідністю та пластичністю роблять його цінним конструкційним матеріалом для апаратури у хімічних та металургійних виробництвах. Ніобій має поєднання властивостей, що задовольняють вимоги атомної енергетики до конструкційних матеріалів.

До 900°С ніобій слабо взаємодіє з ураном і придатний виготовлення захисних оболонок для уранових тепловиділяючих елементів енергетичних реакторів. При цьому можливе використання рідких металевих теплоносіїв: натрію або натрію сплаву з калієм, з якими ніобій не взаємодіє до 600°С. Для підвищення живучості уранових тепловиділяючих елементів уран легують ніобієм (~ 7% ніобію). Присадка ніобію стабілізує захисну окисну плівку на урані, що підвищує його стійкість проти пари води.

Ніобій входить до складу різних жароміцних сплавів для газових турбін реактивних двигунів. Легування ніобієм молібдену, титану, цирконію, алюмінію та міді різко покращує властивості цих металів, а також їх сплавів. Існують жароміцні сплави на основі ніобію як конструкційний матеріал для деталей реактивних двигунів і ракет (виготовлення турбінних лопаток, передніх кромок крил, носових кінців літаків і ракет, обшивки ракет). Ніобій та сплави на його основі можна використовувати при робочих температурах 1000 – 1200°С.

Карбід ніобію входить до складу деяких марок твердих сплавів на основі вольфраму карбіду, що використовуються для різання сталей.

Ніобій широко використовується як легуюча добавка у сталях. Добавка ніобію в кількості, що у 6 - 10 разів перевищує вміст вуглецю в сталі, усуває міжкристалітну корозію нержавіючої сталі та оберігає зварні шви від руйнування.

Ніобій також вводять до складу різних жароміцних сталей (наприклад, для газових турбін), а також до складу інструментальних та магнітних сталей.

Ніобій вводять у сталь у сплаві із залізом (фероніобій), що містить до 60% Nb. Крім цього, застосовують ферротанталоніобій з різним співвідношенням між танталом та ніобієм у феросплаві.

В органічному синтезі застосовують деякі сполуки ніобію (фтористі комплексні солі, оксиди) як каталізатори.

Застосування і виробництво ніобію швидко зростають, що обумовлено поєднанням таких його властивостей, як тугоплавкість, мале перетин захоплення теплових нейтронів, здатність утворювати жароміцні, надпровідні та ін. зварюваність. Основні галузі застосування ніобію: ракетобудування, авіаційна та космічна техніка, радіотехніка, електроніка, хімічне апаратобудування, атомна енергетика.

Застосування металевого ніобію

З чистого ніобію чи його сплавів виготовляють деталі літальних апаратів; оболонки для уранових та плутонієвих тепловиділяючих елементів; контейнери та труби; для рідких металів; деталі електролітичних конденсаторів; «гарячу» арматуру електронних (для радарних установок) та потужних генераторних ламп (аноди, катоди, сітки та ін.); корозійностійку апаратуру у хімічній промисловості.

Ніобієм легують інші кольорові метали, зокрема уран.

Ніобій застосовують у кріотронах – надпровідних елементах обчислювальних машин. Ніобій також відомий тим, що він використовується в структурах великого адронного колайдера, що прискорюють.

Інтерметаліди та сплави ніобію

Станід Nb3Sn та сплави ніобію з титаном та цирконієм застосовуються для виготовлення надпровідних соленоїдів.

Ніобій і сплави з танталом у багатьох випадках замінюють тантал, що дає великий економічний ефект (ніобій дешевший і майже вдвічі легший, ніж тантал).

Ферроніобій вводять у нержавіючі хромонікелеві сталі для запобігання їх міжкристалітної корозії та руйнування та сталі ін. типів для поліпшення їх властивостей.

Ніобій використовується при карбуванні колекційних монет. Так, Латвійський Банк стверджує, що в колекційних монетах номіналом 1 лат поряд зі сріблом використовується ніобій.

Застосування сполук ніобію O5 каталізатор у хімічній промисловості;

у виробництві вогнетривів, керметів, спец. стекол, нітрид, карбід, ніобати.

Карбід ніобію (т. пл. 3480 °C) у сплаві з карбідом цирконію та карбідом урану-235 є найважливішим конструкційним матеріалом для ТВЕЛів твердофазних ядерних реактивних двигунів.

Нітрид ніобію NbN використовується для виробництва тонких та ультратонких надпровідних плівок з критичною температурою від 5 до 10 К з вузьким переходом, порядку 0,1 К

Ніобій у медицині

Висока корозійна стійкість ніобію дозволила використати його в медицині. Ніобієві нитки не викликають подразнення живої тканини і добре зрощуються з нею. Відновлювальна хірургія успішно використовує такі нитки для зшивання порваних сухожиль, кровоносних судин та навіть нервів.

Застосування у ювелірній справі

Ніобій не тільки має комплекс потрібних техніки властивостей, але й виглядає досить красиво. Цей білий блискучий метал ювеліри намагалися використовувати для виготовлення корпусів ручного годинника. Сплави ніобію з вольфрамом або ренією іноді замінюють шляхетні метали: золото, платину, іридію. Останнє особливо важливо, так як сплав ніобію з ренією не тільки зовні схожий на металевий іридій, але майже так само зносостійкий. Це дозволило деяким країнам обходитися без дорогого іридію у виробництві напайок для пір'я авторучок.

Видобуток ніобію на території Росії

Останніми роками світове виробництво ніобію становить 24-29 тис. т. Слід зазначити, що світовий ринок ніобію істотно монополізований бразильської компанією СВММ, частку якої припадає близько 85% світового обсягу випуску ніобію.

p align="justify"> Основним споживачем ніобій містить продукції (до неї насамперед належить ферроніобій) є Японія. Ця країна імпортує щорічно понад 4 тис. т фероніобію з Бразилії. Тому японські імпортні ціни на ніобій продукцію, що містить, можна з великою впевненістю приймати за близькі до середньосвітових значень. Останніми роками має місце тенденція до зростання цін на ферроніобій. Це пов'язано зі зростаючим його застосуванням для виробництва низьколегованих сталей, призначених, головним чином для труб нафти і газопроводів. Загалом треба зазначити, що за останні 15 років світове споживання ніобію зростає в середньому на 4-5 % щорічно.

З жалем слід визнати, що Росія перебуває на узбіччі ринку ніобію. На початку 90-х років, за оцінками фахівців Гіредмета, у колишньому СРСР вироблялося та споживалося близько 2 тис.т ніобію (у перерахунку на оксид ніобію). В даний час споживання російської промисловістю ніобієвої продукції не перевищує всього 100 - 200 т. Слід зазначити, що в колишньому СРСР були створені значні потужності з випуску ніобію, розкидані по різних республіках - Росія, Естонія, Казахстан. Це традиційна риса розвитку промисловості СРСР поставила зараз Росію в дуже складне становище за багатьма видами сировини та металів. Ринок ніобію починається з виробництва ніобій, що містить сировини. Основним його видом у Росії був і залишається лопаритовий концентрат, який отримується на Ловозерському ГЗК (тепер - АТ «Севредмет», Мурманська область). До розпаду СРСР підприємство випускало близько 23 тис.т лопаритового концентрату (зміст у ньому оксиду ніобію близько 8,5%). У подальшому виробництво концентрату постійно знижувалося, у 1996-1998 рр. підприємство неодноразово зупинялося через відсутність збуту. Нині, за оцінками, виробництво лопаритового концентрату для підприємства становить 700 - 800 т на місяць.

Слід зазначити, що підприємство досить жорстко прив'язане до свого єдиного споживача – Солікамського магнієвого заводу. Справа в тому, що лопаритовий концентрат – це досить специфічний продукт, який отримують лише у Росії. Його технологія переробки досить складна через комплекс рідкісних металів (ніобій, тантал, титан), що міститься в ньому. Крім того, концентрат радіоактивний, багато в чому всі спроби вийти на світовий ринок з цією продукцією закінчилися безрезультатно. Слід також зазначити, що з лопаритового концентрату неможливе одержання фероніобію. У 2000 р. на комбінаті «Севредмет» силами компанії «Росредмет» запущено експериментальну установку з переробки лопаритового концентрату з отриманням у числі інших металів товарної ніобію, що містить продукції (оксиду ніобію).

Основними ринками ніобієвої продукції СМЗ є країни далекого зарубіжжя: постачання здійснюються США, Японію та Європи. Частка експорту загальному обсязі виробництва становить понад 90 %. Значні потужності з випуску ніобію в СРСР були зосереджені в Естонії - на Сілламяеському хіміко-металургійному виробничому об'єднанні (м. Сілламяе). Наразі естонське підприємство називається «Сілмет». За радянських часів підприємство переробляло лопаритовий концентрат Ловоозерського ГЗК, з 1992 р. його відправлення було припинено. Наразі «Сілмет» переробляє лише невеликий обсяг гідроксиду ніобію Солікамського магнієвого заводу. Більшість ніобій містить сировини нині підприємство отримує з Бразилії та Нігерії. Керівництво підприємства не виключає постачання лопаритового концентрату, однак «Севредмет» намагається проводити політику переробки його на місці, оскільки експорт сировини менш вигідний, ніж готової продукції.

Репетиторство

Потрібна допомога з вивчення якоїсь теми?

Наші фахівці проконсультують або нададуть репетиторські послуги з цікавої для вас тематики.
Надішліть заявкуіз зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.

Виробництво ніобію поряд з танталом, а також танталоніобієвих сплавів має важливе економічне значення з погляду комплексного використання обох цінних металів.
У багатьох випадках замість танталу з тим самим ефектом можна використовувати близький до нього за властивостями ніобій або сплави танталу з ніобієм, оскільки ці метали утворюють безперервний ряд твердих розчинів, властивості яких близькі до властивостей вихідних металів.
Сплав танталу з ніобієм можна отримати шляхом змішування роздільно отриманих порошків танталу і ніобію з подальшим пресуванням суміші і спіканням у вакуумі, а також шляхом одночасного спільного відновлення суміші сполук танталу і ніобію, наприклад суміші комплексних фторидів K2TaF7 і K2NbF7, суміші хлоридів .п.
Зазвичай при плавиковокислому методі поділу танталу та ніобію останній відокремлюється у формі фтороксиніобату K2NbOF5*H2O.
Ця сіль не придатна для відновлення її натрієм з двох причин:
а) кристалізаційна вода, що входить до складу зазначеної солі, реагуючи з натрієм, може призвести до вибуху,
б) кисень, що входить до складу солі та пов'язаний з ніобієм, не відновлюється натрієм і залишається у формі домішки окис у продукті відновлення.
Тому фтороксиніобат калію повинен бути перекристалізований через розчин плавикової кислоти з концентрацією HF вище 10%, внаслідок чого утворюється сіль K2NbF7, придатна для відновлення натрієм.
Ніобій може бути отриманий електролізом в умовах, аналогічних описаним для виробництва танталу. Відзначаються нижчий вихід струму, ніж при електролітичному отриманні танталу, а також утруднення, пов'язані з помітною розчинністю в електроліті сполук ніобію різних валентностей.
Можливий і електроліз зі змішаної ванни, що містить як складові складають суміш Ta2O5+Nb2O5 і як розчинник K2TaF7. І тут виходить сплав ніобію з танталом.
Для отримання ніобію було запропоновано метод вуглецевого відновлення п'ятиокису ніобію у вакуумі.

Відновлення п'ятиокису ніобію вуглецем

Для отримання ніобію К. Болке розробив метод відновлення п'ятиокису ніобію карбідом ніобію у вакуумі за реакцією:

Фактично цей процес зводиться до відновлення п'ятиокису ніобію вуглецем.
Зважаючи на велику хімічну міцність п'ятиокису ніобію для відновлення вуглецем при атмосферному тиску потрібна висока температура (близько 1800-1900°), яка може бути отримана в графітовотрубчастій печі Ніобій володіє великою спорідненістю до вуглецю (вільна енергія освіти ), тому за наявності вуглецевих газів у печі та при великій швидкості дифузії у твердій фазі, що розвивається при такій високій температурі, ніобій виявляється забрудненим карбідом ніобію, навіть у разі складання шихти у розрахунку на реакцію

У вакуумі реакція відновлення вуглецем протікає при нижчій температурі (1600-1700°),
Брикети готують із суміші п'ятиокису ніобію та сажі, взятих у стехіометричних співвідношеннях з розрахунку на реакцію.

Прокатування проводять при 1800-1900° у графітовотрубчастій печі у захисній атмосфері (водень, аргон) або у вакуумі при температурі 1600° до припинення виділення CO. Одержуваний продукт являє собою брикети, що злегка спеклися, що складаються з частинок порошкоподібного карбіду сірого кольору. Карбід подрібнюють на порошок у кульовому млині і змішують з п'ятиокис у співвідношеннях, відповідних реакції (1). Брикет суміші Nb2O5 + NbC знову прожарюють у вакуумі при температурі близько 1600°.
Для забезпечення пітного видалення вуглецю у вигляді CO до складу шихти Nb2O5 + NbC слід вводити невеликий надлишок п'ятиокису ніобію. У подальшій операції високотемпературного спікання (зварювання) штабиків, спресованих з порошкоподібного металевого ніобію, надлишок п'ятиокису ніобію видаляється, так як окисли ніобію (як і танталу) випаровуються у вакуумі при температурі нижче точки плавлення металу
Внаслідок неминучих витрат часу на створення вакууму і остигання в ньому продукту продуктивність вакуумної печі при виготовленні вихідного карбіду ніобію набагато нижче продуктивності графітовотрубчастої печі, що працює при атмосферному тиску, в якій можна здійснювати безперервний процес просування патронів з брикетами суміші Nb2O5 безперервним шляхом у графітовотрубчастій печі при атмосферному тиску хоча і при температурах 1800-1900 °.
Можна було б отримувати металевий ніобій у вакуумній печі безпосередньо шляхом взаємодії п'ятиокису з сажею реакції (2) з невеликим надлишком Nb2O5 в шихті. Однак при завантаженні у вакуумну піч суміші Nb2O5 + 5NbC її продуктивність істотно підвищується в порівнянні з завантаженням суміші Nb2O5 + 5С, так як суміш Nb2O5 + SNbC містить ніобію (82,4%) в 1,5 рази більше, ніж суміш Nb2O5 + 5С ( 57,2%) Крім того, перша суміш має адитивну питому вагу в 1,7 рази більшу, ніж друга суміш (6,25 г/см3 і 3,7 г/см3 відповідно).
Крім цього, треба враховувати, що карбід ніобію, що становить переважну частину суміші Nb2O5 + 5NbC, більш крупнозернистий ніж дисперсні порошки Nb2O5 і сажі, що є додатковою причиною більшої насипної ваги суміші Nb2O5 + 5NbC, ніж суміші Nb2O5 + 5С.
Внаслідок всього цього в одиницю обсягу патрона може уміститися в 2,5-3 рази більше матеріалу (з розрахунку на вміст ніобію) у формі брикетів суміші Nb2О5 + 5NbC, ніж брикетів суміші Nb2O5 + 5С.
У роботі Болке немає достатньо вагомих доказів необхідності суворо дотримуватися рекомендованого ним складу Nb2O5 + 5NbC суміші, що завантажується у вакуумну піч.
Шляхом прожарювання суміші Nb2O5 + 5С у вугільнотрубчастій печі при атмосферному тиску можна отримати з великою продуктивністю (при безперервному процесі) продукт, близький за складом до металевого ніобію з невеликою домішкою вуглецю. Потім цей багатий ніобієм порошок з високою питомою та насипною вагою можна змішати з відповідною кількістю Nb2O5 (з невеликим надлишком Nb2O5 по відношенню до еквіваленту вмісту домішки вуглецю в ніобії) і сбрикетовану суміш прожарити у вакуумній печі для видалення вугілля.
При такому варіанті місткість, а отже, і продуктивність вакуумної печі буде найбільшою. Невеликий надлишок Nb2O5, що залишається, випарується в процесі подальшого високотемпературного спікання ніобію, і останній перетвориться на компактний ковкий метал.
При використанні маловуглецевого ніобію замість карбіду ніобію для взаємодії з п'ятиокис можуть виникнути деякі технологічні ускладнення. Справа в тому, що при отриманні маловуглецевого ніобію при атмосферному тиску в реакційному просторі графітовотрубчастої печі завжди можлива присутність домішки азоту з повітря, що може потрапити в піч. Ніобій, володіючи високою спорідненістю з азотом, активно поглинає його. При отриманні карбіду ніобію можливість забруднення продукту азотом набагато менше внаслідок більшої спорідненості ніобію до вуглецю, ніж до азоту.
Тому отримання металевого ніобію при використанні як вихідний матеріал маловуглецевого ніобію ускладнюється необхідністю створення умов, що виключають можливість попадання азоту в реакційний простір, що важко досягти в графітовотрубчастій печі, вільно з'єднаної з атмосферою. Для видалення азоту з печі потрібно ретельно заповнювати піч чистим воднем або аргоном, дотримуватися герметичність кожуха, уникати засмоктування повітря в реакційну трубу при завантаженні в неї патронів з сумішшю Nb2O5 + 5С і при розвантаженні ніобію і т.д.
Тому питання про переваги варіанта попереднього отримання карбіду ніобію або маловуглецевого ніобію при атмосферному тиску (з подальшим прожарюванням цих продуктів у суміші з Nb2O5 у вакуумі) може бути вирішено практичними можливостями в кожному окремому випадку.
Перевагами процесу вуглецевого відновлення ніобію по одному з описаних варіантів є: використання дешевого відновника у вигляді сажі та високе пряме вилучення ніобію в готовий метал
Близькість властивостей оксидів танталу та ніобію дозволяє використовувати описаний метод і для отримання ковкого танталу.

15.08.2019

Арматура – ​​будівельний металопрокат, профіль якого може бути гладким (клас А1) або періодичним. Арматура застосовується для посилення та підвищення міцності.

15.08.2019

Відкритий метод плазмового різання був відносно недавно, однак у промисловості він використовується дуже активно, тому що вивчений добре.

15.08.2019

Розвиток технологій дозволяє вдосконалювати пневмоінструмент. Для їхнього харчування використовується стиснене повітря. Такий інструмент активно використовують у промисловості, на...

15.08.2019

Початок навчального року - це серйозне випробування для малюка, тому що ламається його звичний спосіб життя. Батьки мають допомогти йому пережити цю зміну. Дуже важливу...

14.08.2019

Арматура – ​​комплекс елементів, що надають додаткову міцність у різних залізобетонних конструкціях. Використовується вона зазвичай із бетоном. Всередині матеріалу вона...

14.08.2019

Усі водії можуть зіткнутися під час подорожі із непередбаченими ситуаціями. Можна потрапити в дорожньо-транспортну пригоду, системи та вузли авто можуть зненацька...

14.08.2019

Профлист – металевий гофрований твердий лист, що має цинкове або полімерне покриття. Цей варіант покрівельного матеріалу дуже поширений і затребуваний.

Існує досить велика кількість елементів, які при поєднанні з іншими речовинами утворюють метали з особливими експлуатаційними властивостями. Прикладом можна назвати ніобій – елемент, який отримав спочатку назву «колумбій» (за назвою річки, де його вперше знайдено), але згодом був перейменований. Ніобій – метал із досить незвичайними властивостями, про які далі поговоримо докладніше.

Отримання елемента

При розгляді властивостей ніобію слід зазначити, що вміст цього металу на тонну породи відносно невеликий становить приблизно 18 грам. Саме тому після його відкриття було зроблено чимало спроб отримання металу штучним шляхом. За рахунок близького хімічного складу ця речовина досить часто видобувається разом із танталом.

Родовища ніобію розташовані практично у всьому світі. Прикладом назвемо рудники у Конго, Руанді, Бразилії та багатьох інших країнах. Однак цей елемент не можна назвати поширеним, у багатьох регіонах він практично не зустрічається навіть у малій концентрації.

Відносно невелика концентрація речовини в земній породі посилюється складнощами, що виникають при отриманні з концентрату. Варто враховувати, що ніобій НБШ можна отримати тільки з породи, яка насичена танталом. Особливостями виробничого процесу назвемо наведені нижче моменти:

1. Для початку на завод поставляється концентрована руда, яка проходить кілька етапів очищення. При виробництві ніобію проводиться поділ руди, що отримується, на чисті елементи, серед яких і тантал.
2. Завершальний процес переробки полягає у рафінуванні металу.

Незважаючи на складності, що виникають при видобуванні та переробці аналізованої руди, з кожним роком обсяг виробництва аналізованого сплаву істотно зростає. Це пов'язано з тим, що метал володіє винятковими експлуатаційними якостями і набув великого поширення в різних галузях промисловості.

Оксиди ніобію

Розглянутий хімічний елемент може бути основою різних сполук. Найпоширенішим можна назвати п'ятиокис ніобію. Серед особливостей даної сполуки можна відзначити наведені нижче моменти:

1. Оксид ніобію представлений білим кристалічним порошком, що має кремовий відтінок.
2. Речовина не розчиняється у воді.
3. Одержувана речовина зберігає свою структуру при змішуванні з більшості кислот.

До особливостей пентаоксиду ніобію можна віднести такі властивості:

1. Підвищена міцність.
2. Висока тугоплавкість. Речовина здатна витримувати температуру до 1490 градусів за Цельсієм.
3. При нагріванні поверхня окислюється.
4. Реагує на дію хлору, може відновлюватись воднем.

Гідроксид ніобію в більшості випадків застосовується для отримання високолегованих марок сталі, які мають досить привабливі експлуатаційні якості.

Фізичні та хімічні властивості

Ніобій має хімічні властивості подібні до хімічних властивостей танталу. Розглядаючи основні характеристики ніобію, потрібно приділити увагу наведеним нижче моментам:

1. Стійкість до дії різних видів корозії. Сплави, одержувані при впровадженні даного елемента до складу, мають високі корозійностійкі якості.
2. Цей хімічний елемент демонструє високий показник температури плавлення. Як показує практика, у більшості сплавів температура плавлення понад 1400 градусів Цельсія. це ускладнює процес обробки, але робить метали незамінними у різних сферах діяльності.
3. Основні фізичні властивості також характеризуються легкістю зварювання сплавів.
4. За негативних температур структура елемента залишається практично незмінною, що дозволяє зберегти експлуатаційні властивості металу.
5. Особлива будова атома ніобію визначає надпровідні якості матеріалу.
6. Атомна маса становить 92,9, валентність залежить від особливостей складу.

Основною перевагою речовини вважається саме тугоплавкість. Саме тому він став застосовуватися в різних галузях промисловості. Плавлення речовини проходить при температурі близько 2500 градусів Цельсія. Деякі сплави взагалі плавляться при рекордній температурі 4500 градусів Цельсія. Щільність речовини досить висока, становить 8,57 г на кубічний сантиметр. Варто враховувати, що метал має парамагнітність.

На кристалічну решітку не впливають такі кислоти:

1. сірчана;
2. соляна;
3. фосфорна;
4. хлорне.

Не впливає на метал та водні розчини хлору. При певному вплив на метал на його поверхні утворюється діелектрична оксидна плівка. Саме тому метал став використовуватися при виробництві мініатюрних високоємнісних конденсаторів, які також виготовляються з дорогого танталу.

Застосування ніобію

Виготовляються різні вироби з ніобію, більшість яких пов'язані з випуском авіаційної техніки. Прикладом можна назвати застосування ніобію у виготовленні деталей, які встановлюються під час збору ракет чи літаків. Крім цього, можна виділити таке застосування даного елемента:

1. Виробництво елементів, у тому числі виготовляють радарні установки.
2. Як раніше було зазначено, для отримання більш дешевих ємнісних електричних конденсаторів може застосовуватися сплав.
3. Катоди, аноди з фольги теж виготовляють при застосуванні даного елемента, що пов'язано з високою жароміцністю.
4. Часто можна зустріти конструкції потужних генераторних ламп, що мають усередині сітку. Для того щоб ця сітка витримала вплив високої температури, її виготовляють з сплаву, що розглядається.

Високі фізичні та хімічні якості визначають застосування ніобію під час виробництва труб для транспортування рідких металів. Крім цього, сплави застосовуються для отримання контейнерів різного призначення.

Сплави з ніобієм

Розглядаючи подібні сплави, слід враховувати, що часто цей елемент застосовується для виробництва ферроніобію. Цей матеріал отримав широке застосування в ливарних галузях промисловості, а також при виготовленні електронних покриттів. До складу входить:

1. залізо;
2. ніобій із танталом;
3. кремній;
4. алюміній;
5. вуглець;
6. сірка;
7. фосфор;
8. титан.

Концентрація основних елементів може змінюватись у досить великому діапазоні, від чого і залежать експлуатаційні якості матеріалу.

Альтернативним сплавам ферроніобію можна назвати ніобій 5ВМЦ. При його отриманні як легуючі елементи використовується вольфрам, цирконій і молібден. Найчастіше цей спав використовується для напівфабрикатів.

На закінчення відзначимо, що ніобій у деяких країнах застосовується під час виробництва монет. Це пов'язано із досить високою вартістю матеріалу. При масовому випуску сплавів, які як основний елемент мають у складі ніобій, створюються своєрідні зливки.

Варто почати з того, що ніобій пов'язаний з такою речовиною, як тантал. Це навіть незважаючи на те, що відкриті ці матеріали були не в один і той же час.

Що таке ніобій

Що ж на сьогодні відомо про таку речовину, як ніобій? Він є хімічним елементом, який знаходиться в 5 групі таблиці Менделєєва, володіючи атомним номером 41, а також атомною масою 92,9. Як і багато інших металів, для цієї речовини характерний сіро-сталевий блиск.

Одним з найважливіших фізичних властивостей цього є його тугоплавкість. Саме завдяки цій характеристиці застосування ніобію стало поширене у багатьох галузях промисловості. Температура плавлення цієї речовини – 2468 градусів за Цельсієм, а температура кипіння – 4927 градусів за Цельсієм.

Хімічні властивості цієї речовини також на високому рівні. Він характеризується високим рівнем стійкості до впливу негативних температур, а також впливу більшості агресивних середовищ.

Виробництво

Варто сказати про те, що наявність руди, яка містить елемент Nb (ніобій), набагато більша, ніж тій, що містить тантал, але проблема полягає у мізерності змісту самого елемента в цій руді.

Найчастіше для того, щоб отримати цей елемент, здійснюється процес термічного відновлення, в якому бере участь алюміній або кремній. В результаті проведення цієї операції утворюються сполуки фероніобій і ферротанталоніобій. Варто зазначити, що отримання металевого варіанта цієї речовини здійснюється з цієї ж руди, але при цьому використовується складніша технологія. Тиглі з ніобію та інші одержані матеріали характеризуються дуже високими експлуатаційними характеристиками.

Методи отримання ніобію

В даний час одними з найбільш розвинених напрямів отримання цього матеріалу є алюмінотермічне, натрієтермічне та карботермічне. Відмінність між цими типами полягає також у прекурсорах, які використовуються для відновлення ніобію. Допустимо, в натрієтермічному способі використовується K2NbF7. А ось, наприклад, при алюмінотермічному методі застосовується п'ятиокис ніобію.

Якщо говорити про карботермічний спосіб отримання, то ця технологія має на увазі під собою змішання Nb з сажею. Проходити цей процес повинен у високотемпературному та водневому середовищі. В результаті проведення цієї операції буде отримано карбід ніобію. Другий етап полягає в тому, що водневе середовище замінюється вакуумним, а температура зберігається. У цей момент до карбіду ніобію додається його оксид та виходить сам метал.

Важливо відзначити, що серед форм металу, що випускається, досить поширений ніобій в зливках. Цей продукт призначається для виробництва металу на основі металу, а також інших різних напівфабрикатів.

Також може випускатись штабик цього матеріалу, який поділяється на кілька категорій залежно від чистоти речовини. Найменше домішок міститься у штабику з маркуванням НБШ-00. Клас НБШ-0 характеризується більш високою наявністю таких елементів, як залізо, титан та кремній танталу. Категорія, яка має найвищий показник домішок, НБШ-1. Можна додати, що у ніобію в зливках такої класифікації немає.

Альтернативні засоби виробництва

До альтернативних способів можна віднести безтигельну електронно-променеву зонну плавку. Цей процес дозволяє отримувати монокристали Nb. Тиглі з ніобію виробляються з використанням цього методу. Він належить до порошкової металургії. Його застосовують для того, щоб спочатку отримати сплав цього матеріалу, а потім його чистий зразок. Наявність цього методу спричинила те, що досить часто зустрічаються оголошення про купівлю ніобію. Цей спосіб дозволяє використовувати для отримання чистого металу не саму руду, добути яку досить складно, або концентрат з неї, а вторинну сировину.

До ще одного альтернативного способу виробництва можна віднести прокат ніобію. Варто відзначити, що більшість різних фірм віддає перевагу покупці саме прутів, дроту або листового металу.

Прокат та фольга

Фольга з цього матеріалу є досить поширеним напівфабрикатом. Він є найтоншим листом прокату цієї речовини. Використовується для деяких виробів і деталей. Фольга з ніобію виходить із чистої сировини шляхом холодного прокату Nb злитків. Вироби характеризуються такими показниками, як висока стійкість до корозії, впливу агресивного середовища, а також високої температури. Прокат ніобію та його зливків дає також такі характеристики, як стійкість виробу до зносу, висока пластичність, хороша обробка, що піддається.

Продукти, отримані таким чином, найчастіше використовуються в таких сферах діяльності як авіабудування, ракетобудування, медицина (хірургія), радіотехніка, електротехніка, атомна енергетика, ядерна енергетика. Фольга з ніобію упаковується в котушки і зберігається в сухому, захищеному від попадання вологи місці, а також у захищеному місці від механічної дії з боку.

Застосування в електродах та сплавах

Застосування ніобію дуже поширене. Він може використовуватися, як хром і нікель, як матеріал, який входить до складу залізного сплаву, що використовується для виробництва електродів. Через те, що ніобій, як і тантал, здатний утворювати надтвердий карбід, його часто застосовують для виробництва надтвердих сплавів. Можна додати, що в даний час намагаються за допомогою цього матеріалу покращувати властивості сплавів, отриманих на основі

Так як ніобій є сировиною, здатною створювати карбідні елементи, то він, як і тантал, застосовується як легуюча суміш при виробництві сталі. Варто відзначити, що тривалий час застосування ніобію як домішка до танталу вважалося негативною дією. Проте на сьогоднішній день думка змінилася. Було встановлено, що Nb може виступати як замінник танталу, причому з великим успіхом, так як через меншу атомну масу можна використовувати меншу кількість речовини, зберігаючи всі старі можливості та ефекти виробу.

Застосування в електричній техніці

Варто підкреслити, що застосування ніобію, як і його брата тантала, можливе у випрямлячах, завдяки тому, що вони мають властивість уніполярної провідності, тобто ці речовини пропускають електрично струм лише в одному напрямку. Можливе використання цього металу для створення таких пристроїв, як аноди, що використовуються у потужних генераторах та підсилювальних лампах.

Дуже важливо відзначити, що застосування ніобію дійшло до атомної енергетики. У цій галузі вироби з цієї речовини застосовуються як конструкційні матеріали. Це стало можливим, оскільки наявність Nb у деталях робить їх стійкими до жару, а також надає їм високих якостей хімічної стійкості.

Відмінні фізичні характеристики цього металу призвели до того, що його досить широко використовують у ракетній техніці, реактивних літаках, газових турбінах.

Виробництво ніобію в Росії

Якщо говорити про запаси цієї руди, то налічується близько 16 млн тонн. Найбільше родовище, що займає приблизно 70% від усього обсягу, знаходиться в Бразилії. На території Росії розташовується близько 25% запасів даної руди. Цей показник вважається значною частиною всіх запасів ніобію. Найбільше родовище цієї речовини знаходиться у Східному Сибіру, ​​а також Далекому Сході. На сьогоднішній день на території Російської Федерації видобутком та виробництвом цієї речовини займається компанія Ловозерський ГЗК. Можна помітити, що виробництвом ніобію у Росії займалася також фірма "Стальмаг". Вона розробляла татарське родовище цієї руди, проте у 2010 році було закрито.

Також можна додати, що займається виробництвом оксиду ніобію. Його вони одержують, переробляючи лопаритовий концентрат. Це підприємство виробляє від 400 до 450 тонн цієї речовини, більша частина з якої йде на експорт у такі країни, як США та Німеччина. Частина оксиду, що залишився, йде на Чепецький механічний завод, який виробляє як чистий ніобій, так і його сплави. Там розміщуються значні потужності, що дозволяють виробляти до 100 тонн матеріалу на рік.

Метал з ніобію та його вартість

Незважаючи на те, що сфера застосування цієї речовини досить широка, основне призначення - це космічна та ядерна промисловість. З цієї причини Nb належить до стратегічних матеріалів.

Основні параметри, що впливають на вартість ніобію:

• чистота металу, велика кількість домішок знижує ціну;
• форма постачання матеріалу;
• обсяги матеріалу, що поставляється;
• розташування пункту прийому руди (різні регіони потребують різної кількості елемента, отже, і ціна нього відрізняється).

Орієнтовний перелік цін на матеріал у Москві:

• ніобій марки НБ-2 коштує близько 420-450 рублів за кг;
• стружка ніобію коштує від 500 до 510 рублів за кг;
• штабик марки НБШ-00 коштує від 490 до 500 рублів за кг.

Варто відзначити, що, незважаючи на велику вартість цього товару, попит на нього лише зростає.