Реклама на портале

Как определить ниобий в домашних условиях. Ниобий — свойства, применение и сплавы ниобия

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

Что такое ниобий

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

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

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

Производство

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

Чаще всего для того, чтобы получить этот элемент, осуществляется процесс термического восстановления, в котором участвует алюминий или же кремний. В результате проведения этой операции получаются соединения феррониобий и ферротанталониобий. Стоит отметить, что получение металлического варианта этого вещества осуществляется с этой же руды, но при этом используется более сложная технология. Тигли из ниобия и другие полученные материалы характеризуются очень высокими эксплуатационными характеристиками.

Методы получения ниобия

В настоящее время одними из наиболее развитых направлений получения этого материала являются алюминотермическое, натриетермическое и карботермическое. Отличие между этими типами заключается также и в прекурсорах, которые используются для восстановления ниобия. Допустим, в натриетермическом способе используется K2NbF7. А вот, к примеру, при алюминотермическом способе применяется пятиокись ниобия.

Если говорить о карботермическом способе получения, то эта технология подразумевает под собой смешение Nb с сажей. Проходить этот процесс должен в высокотемпературной и водородной среде. В результате проведения этой операции будет получен карбид ниобия. Второй этап заключается в том, что водородная среда заменяется вакуумной, а температура сохраняется. В этот момент к карбиду ниобия добавляется его оксид и получается сам металл.

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

Также может выпускаться штабик этого материала, который разделяется на несколько категорий в зависимости от чистоты вещества. Меньше всего примесей содержится в штабике с маркировкой НБШ-00. Класс НБШ-0 характеризуется более высоким наличием таких элементов, как железо, титан и кремний тантала. Категория, которая обладает наиболее высоким показателем примесей, НБШ-1. Можно добавить, что у ниобия в слитках такой классификации не имеется.

Альтернативные способы производства

К альтернативным способам можно отнести бестигельную электроннолучевую зонную плавку. Этот процесс позволяет получать монокристаллы Nb. Тигли из ниобия производятся с использованием этого метода. Он относится к порошковой металлургии. Его применяют для того, чтобы сначала получить сплав этого материала, а после и его чистый образец. Наличие этого метода стало причиной тому, что довольно часто встречаются объявления о покупке ниобия. Этот способ позволяет использовать для получения чистого металла не саму руду, добыть которую довольно сложно, или же концентрат из нее, а вторичное сырье.

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

Прокат и фольга

Фольга из этого материала представляет собой довольно распространенный полуфабрикат. Он является наиболее тонким листом проката этого вещества. Используется для производства некоторых изделий и деталей. Фольга из ниобия получается из чистого сырья путем холодного проката Nb слитков. Полученные изделия характеризуются такими показателями, как высокая устойчивость к коррозии, воздействию агрессивной среды, а также высокой температуры. Прокат ниобия и его слитков дает также такие характеристики, как стойкость изделия к износу, высокая пластичность, хорошая поддаваемость обработке.

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

Применение в электродах и сплавах

Применение ниобия очень широко распространено. Он может использоваться, как хром и никель, в качестве материала, который входит в состав железного сплава, использующегося для производства электродов. Из-за того, что ниобий, как и тантал, способен образовывать сверхтвердый карбид, его часто применяют для производства сверхтвердых сплавов. Можно добавить, что в настоящее время пробуют при помощи этого материала улучшать свойства сплавов, полученных на основе

Так как ниобий является сырьем, способным создавать карбидные элементы, то он, как и тантал, применяется в качестве легирующей смеси при производстве стали. Стоит отметить, что долгое время применение ниобия в качестве примеси к танталу считалось отрицательным действием. Однако на сегодняшний день мнение изменилось. Было установлено, что Nb может выступать в качестве заменителя танталу, причем с большим успехом, так как из-за меньшей атомной массы можно использовать меньшее количество вещества, сохраняя все старые возможности и эффекты изделия.

Применение в электрической технике

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

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

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

Производство ниобия в России

Если говорить о запасах этой руды, то всего насчитывается около 16 млн тонн. Наибольшее месторождение, занимающее примерно 70% всего объема, находится в Бразилии. На территории России же располагается около 25% запасов данной руды. Данный показатель считается значительной частью от всех запасов ниобия. Наибольшее месторождение этого вещества находится в Восточной Сибири, а также на Дальнем Востоке. На сегодняшний день на территории Российской Федерации добычей и производством этого вещества занимается компания Ловозерский ГОК. Можно заметить, что производством ниобия в России занималась также фирма "Стальмаг". Она разрабатывала татарское месторождение этой руды, однако в 2010 году была закрыта.

Также можно добавить, что занимается производством оксида ниобия. Его они получают, перерабатывая лопаритовый концентрат. Это предприятие вырабатывает от 400 до 450 тонн этого вещества, большая часть из которого уходит на экспорт в такие страны, как США и Германия. Часть оставшегося оксида уходит на Чепецкий механический завод, который производит как чистый ниобий, так и его сплавы. Там располагаются значительные мощности, позволяющие производить до 100 тонн материала в год.

Металл из ниобия и его стоимость

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

Основные параметры, которые влияют на стоимость ниобия:

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

Примерный список цен на материал в Москве:

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

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

Описание и свойства ниобия

Ниобий – элемент, относящийся к пятой группе периодической , атомный номер – 41. Электронная формула ниобия — Nb 4d45sl. Графическая формула ниобия — Nb — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1. Открыт в 1801 г. – первоначально назван “колумбием”, по названию реки, в которой был обнаружен. В дальнейшем переименован.

Ниобий – металл бело-стального оттенка, имеет пластичность – легко прокатывается в листы. Электронное строение ниобия наделяет его определёнными характеристиками. Отмечается показание большого температурного режима при плавке и точки кипения металла. За счёт этого, как особенность отмечается электронный исход электронов. Сверхпроводимость проявляется только при большой температуре. Для окисления металлу требуется минимальная температура около 300º С и выше. При этом образуется специфичный оксид ниобия Nb2O5.

Ниобий, свойства которого активно взаимодействовать с некоторыми газами. Это водород, кислород и азот, под их воздействием может поменять определённые характеристики. Чем выше температура, тем интенсивнее поглощается водород, делающий ниобий более хрупким, при достижении контрольной отметки 600º С, начинает происходить обратное выделение, и металл восстанавливает утраченные показатели. После этого начинается образование нитрида NbN, для плавления которого требуется 2300º С.

Углерод и содержащие его газы, начинают своё взаимодействие с ниобием при необходимой температуре свыше 1200º С, в результате образуется карбид NbC – t плавления — 3500º С. В результате взаимодействия кремния и бора с металлом ниобием образуется борид NbB2 – t плавления — 2900º С.

Элемент ниобий устойчив почти ко всем известным кислотам, кроме плавиковой кислоты, а особенно её смеси с азотной кислотой. Металл подвержен воздействию щелочей, особенно, горячих. При растворении в них, происходит процесс окисления, и образуется ниобиевая кислота.

Добыча и происхождение ниобия

Содержание металла на тонну заемной породы сравнительно невелико – всего 18 г на тонну. Содержание увеличено в более кислых породах. Наиболее часто в одном залеже встречаются ниобий и тантал , за счёт их близких химических свойств, которые позволяют находится им в одном минерале, и участвовать в общих процессах. Зачастую в некоторых минералах содержащих титан, происходит замещающее явление – «ниобий – титан».

Известно около ста различных минералов содержащих ниобий. Но в промышленности используются единицы. Это пирохлор, лопарит, торолит и т.д. В ультраосновных и щелочных породах ниобий встречается в перовските и эвдиалите.

Месторождения ниобия имеются в Бразилии, Австралии, Канаде, Конго, Нигерии и Руанде.

Производство ниобия довольно сложный процесс, имеющий три основных стадии. Для начала вскрывается концентрат, потом разделяются ниобий и на чистые соединения. Завершающей стадией является восстановительные процессы и рафинирование металла. Из наиболее распространенных способов можно отметить – карботермические, алюмотермические и натриетермические методы.

К примеру, смешивая оксид ниобия и сажу при высоких температурах в водородной среде получают карбид, затем смешав карбид и оксид ниобия при тех же температурах, но уже в полном вакууме получают металл, из которого в дальнейшем выплавляют различные сплавы ниобия . Не исключено получение сплавов ниобия, используя методы порошковой металлургии, с применением вакуумных и электроннолучевых способов дуговой плавки.

Применение ниобия

В связи с уникальными свойствами, ниобий находит применение во многих областях промышленности. Сплавы ниобия обладают тугоплавкостью, жаропрочностью, сверхпроводимостью, геттерными и антикоррозийными свойствами. К тому же он довольно легко обрабатывается и сваривается. Он широко применяется в космических и авиационных технологиях, радио и электротехнике, химической отрасли и атомной энергетике. В генераторных лампах многие нагревательные элементы, выполнены с его применением. Также для этих целей применяются его сплав с танталом.

Электрические выпрямители и электролитические конденсаторы тоже содержат определённое количество этого металла. Его применение в этих устройствах обусловлено характерными ему пропускными и окислительными свойствами. Конденсаторы, включающие в свой состав данный металл, при сравнительно небольших габаритах, обладают большим сопротивлением. Все элементы конденсаторов, выполняются из специальной фольги. Она прессуется из порошка ниобия.

Стойкость к воздействию различных кислот, высокая теплопроводность и податливость структуры, обуславливают его популярность в химии и металлургии, при создании различной аппаратов и конструкций. Сочетание положительных свойств этого важного металла, востребовано даже в атомной энергетике.

За счёт слабого воздействия ниобия с промышленным ураном, при сравнительно невысоких температурах (900º С), металл годен для создания защитного слоя на атомных реакторах. При такой оболочке становиться возможным применение натриевых теплоносителей, с которыми он также почти не взаимодействует. Ниобий значительно продлевает срок службы урановых элементов, создавая на их поверхности защитную окись, от пагубного влияния водяного пара.

Улучшить жаростойкие свойства некоторых , можно посредством легирования с помощью ниобия. Также довольно хорошо себя зарекомендовали сплавы из ниобия. К примеру, это сплав ниобий – цирконий , отличающийся примечательными свойствами. Из подобных сплавов изготовляются различные детали для космических аппаратов и самолётов, а также их обшивки. Рабочая температура такого сплава может доходить до 1200º С.

В состав некоторых сплавов для обработки стали имеется карбид ниобия, усиливающий свойства сплава. Сравнительно небольшая прибавка ниобия, в нержавеющую сталь, усиливает её антикоррозийные свойства и улучшает качество получаемых сварных швов. Многие инструментальные стали также имеют примесь ниобия. Как катализ его различные соединения участвуют в процессах искусственного органического синтеза.

Цена ниобия

Основной формой для продажи на мировом рынке является ниобий в слитках , но вполне возможны и другие формы хранения. В мире всегда имелся спрос на ниобий, цена которого до начала 2000 года держалась на стабильном уровне. Уверенный рост спроса, связанный с развитием экономики многих стран, и увеличением объёма производства в области инновационных технологий, металлургических и химических отраслях, способствовало резкому взлёту цен к 2007 году с 12 $ до 32 $ за килограмм метала.

В последующих годах, в связи с мировым кризисом в экономической отрасли, вплоть до 2012 года, отмечалось их некоторое падение. Темпы товарооборота соответственно снизились. Но уже к 2012 году цены снова поползли вверх, и уже тогда ниобий купить можно было только по 60 $ за килограмм, и рост пока не остановился. Уже давно стоит вопрос о равноценных, но более доступных заменителях. И они имеются, но по свойствам явно уступают ниобию. Поэтому он пока находится в цене.

Существует довольно большое количество элементов, которые при соединении с другими веществами образуют сплавы с особыми эксплуатационными качествами. Примером можно назвать ниобий – элемент, который получил сначала название «колумбий» (по названию реки, где он впервые найден), но после был переименован. Ниобий – металл с довольно необычными свойствами, о которых далее поговорим подробнее.

Получение элемента

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

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

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

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

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

Оксиды ниобия

Рассматриваемый химический элемент может стать основой различных соединений. Самым распространенным можно назвать пятиокись ниобия. Среди особенностей данного соединения можно отметить нижеприведенные моменты:

  1. Оксид ниобия представлен белым кристаллическим порошком, который имеет кремовый оттенок.
  2. Вещество не растворяется в воде.
  3. Получаемое вещество сохраняет свою структуру при смешивании с большинства кислотами.

К особенностям пентаоксида ниобия также можно отнести следующие свойства:

  1. Повышенная прочность.
  2. Высокая тугоплавкость. Вещество способно выдерживать температуру до 1490 градусов Цельсия.
  3. При нагреве поверхность окисляется.
  4. Реагирует на воздействие хлора, может восстанавливаться водородом.

Гидроксид ниобия в большинстве случаев применяется для получения высоколегированных марок стали, которые обладают довольно привлекательными эксплуатационными качествами.

Физические и химические свойства

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

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

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

На кристаллическую решетку не оказывают воздействия следующие кислоты:

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

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

Применение ниобия

Изготавливаются самые различные изделия из ниобия, большая часть которых связана с выпуском авиационной техники. Примером можно назвать применение ниобия в изготовлении деталей, которые устанавливаются при сборе ракет или самолетов. Кроме этого, можно выделить следующее применение данного элемента:

  1. Производство элементов, из которых изготавливают радарные установки.
  2. Как ранее было отмечено, для получения более дешевых емкостных электрических конденсаторов может применяться рассматриваемый сплав.
  3. Катоды, аноды из фольги тоже изготавливают при применении рассматриваемого элемента, что связано с высокой жаропрочностью.
  4. Часто можно встретить конструкции мощных генераторных ламп, которые имеют внутри сетку. Для того чтобы эта сетка выдержала воздействие высокой температуры ее изготавливают из рассматриваемого сплава.

Высокие физические и химические качества определяют применение ниобия при производстве труб для транспортировки жидких металлов. Кроме этого, сплавы применяются для получения контейнеров самого различного предназначения.

Сплавы с ниобием

Рассматривая подобные сплавы следует учитывать, что часто этот элемент применяется для производства феррониобия. Этот материал получил широкое применение в литейных отраслях индустрии, а также при изготовлении электронных покрытий. В состав входит:

  1. железо;
  2. ниобий с танталом;
  3. кремний;
  4. алюминий;
  5. углерод;
  6. сера;
  7. фосфор;
  8. титан.

Концентрация основных элементов может варьироваться в достаточно большом диапазоне, от чего и зависят эксплуатационные качества материала.

Альтернативным сплавов феррониобия можно назвать ниобий 5ВМЦ. При его получении в качестве легирующих элементов используется вольфрам, цирконий и молибден. В большинстве случаев этот спав используется для производства полуфабрикатов.

В заключение отметим, что ниобий в некоторых странах применяется при производстве монет. Это связано с достаточно высокой стоимостью материала. При массовом выпуске сплавов, которые в качестве основного элемента имеют в составе ниобий, создаются своеобразные слитки.

Химический элемент, названный в честь античной Ниобы - женщины, осмелившейся смеяться над богами и поплатившейся за это смертью своих детей. Ниобий олицетворяет переход человечества от промышленного производства к цифровому; от паровых локомотивов к ракетным носителям; от угольных теплостанций к ядерной энергетике. В мире цена ниобия за грамм достаточно высока, также как и спрос на него. Большинство последних достижений науки тесно связаны с использованием этого металла.

Цена на ниобий за грамм

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

Значение цены на него определяется несколькими факторами:

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

Ориентировочный обзор по ценам в Москве:

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

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

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

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

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

Физические свойства ниобия

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

Механические характеристики также находятся на высоком уровне. Плотность составляет 8570 кг/м3 при аналогичном показателе стали 7850 кг/м3. Устойчив к работе как при динамических нагрузках, так и циклических. Предел прочности на разрыв - 34,2 кг/мм2. Обладает высокой пластичностью. Коэффициент относительного удлинения варьируется пределах 19-21%, что позволяет получать из него листовой прокат ниобия толщиной до 0,1 мм.

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

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

Теплопроводность существенно не изменяется при больших колебаниях температуры. Например, при 20 ºС она составляет 51,4 вт/ (м К), а при 620 С повышается всего на 4 единицы. Ниобий конкурирует в электропроводности с такими элементами как медь и алюминий. Электросопротивление - 153,2 нОм м. Относится к категории сверхпроводящих материалов. Температура, при которой сплав переходит в режим сверхпроводника, составляет 9,171 К.

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

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

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

Разновидности сплавов

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

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

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

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

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

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

Применение ниобия

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

  • Использование в металлурги в виде легирующего элемента. Причем ниобием легируют как черные, так и цветные сплавы. Например, добавление всего 0,02% его в состав нержавеющей стали 12Х18Н10Т увеличивает ее износостойкость на 50%. Улучшенный ниобием (0,04%) алюминий становится полностью невосприимчив к щелочи. На медь ниобий действует как закалка на сталь, увеличивая ее механические свойства на порядок. Отметим, что ниобием легируют даже уран.
  • Пентооксид ниобия является основным компонентом при изготовлении особо огнеупорной керамики. Также ему нашли применение в оборонной промышленности: бронированные стекла военной техники, оптика с большим углом преломления и прочее.
  • Феррониобий используется для легирования сталей. Основная его задача - это увеличение коррозионостойкости.
  • В электротехнике применяют для изготовления конденсаторов и токовыпрямителей. Такие конденсаторы отличаются повышенной емкостью и сопротивлением изоляции, малыми размерами.
  • Широким применением пользуются соединения кремния и германия с ниобием в области электроники. Из них изготавливают сверхпроводимые соленоиды и элементы генераторов тока.

    • Ниобий (латинское Niobium, обозначается символом Nb) - элемент с атомным номером 41 и атомной массой 92,9064. Ниобий является элементом побочной подгруппы пятой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Вместе с танталом ниобий входит в подгруппу ванадия. Имея в наружном электронном слое атома два или один электрон, эти элементы отличаются от элементов главной подгруппы преобладанием металлических свойств и отсутствием водородных соединений. В свободном состоянии ванадий, ниобий и тантал весьма стойки к химическим воздействиям и обладают высокими температурами плавления. Эти металлы совместно с хромом, молибденом, вольфрамом, рением, а также рутением, родием, осмием и иридием относятся к тугоплавким металлам. Сорок первый элемент в свободном состоянии - металл серо-стального цвета, твердый (однако не хрупкий), тугоплавкий (температура плавления 2500° C) и высококипящий (4927° C), хорошо поддающийся механической обработке и весьма стойкий во многих агрессивных средах. Плотность ниобия 8,57 г/см3. Природный ниобий состоит всего из одного стабильного изотопа 93Nb.

    История открытия сорок первого элемента очень тесно связана с историей другого родственного металла, входящего в ту же подгруппу, что и ниобий - тантала. Еще в середине семнадцатого века в Южной Америке (в бассейне реки Колумбии) был обнаружен тяжелый черный минерал с золотистыми прожилками слюды. Его доставили в Англию, где он более века провел в одной из витрин Британского музея под именем «железной руды» и лишь в 1801 году английский химик Чарльз Хатчет заинтересовался необычным минералом. Он выделил окисел неизвестного прежде элемента, который назвал «колумбием», а минерал «колумбитом». Год спустя шведский химик Экеберг выделил из того же минерала окисел еще одного нового элемента, названного танталом. По этой причине долгие годы считалось, что колумбий и тантал - идентичные металлы, ведь находятся они в одном минерале. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе, исследуя колумбит, обнаружил в нем окислы двух металлов, сходных по свойствам, однако являющихся самостоятельными элементами. Один из них был известный уже тантал, а другой Розе назвал ниобием (по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала).

    Ниобий - один из основных компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяют в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет. Сорок первый элемент вводят также в некоторые марки нержавеющих сталей - он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Так стали, содержащие от одного до четырех процентов ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются в качестве материала для производства котлов высокого давления. Кроме того, сталь с добавкой ниобия - превосходный материал для электросварки стальных конструкций: ее применение обеспечивает необычайную прочность сварных швов. Карбиды ниобия отличаются исключительной твердостью и чаще всего применяются в металлообрабатывающей промышленности для изготовления режущего инструмента.

    Ниобий - микроэлемент, содержащийся в человеческом организме (у взрослых в миллиграммовых дозах). Основные депо концентрации данного металла - кости, печень, мышцы, кровь. Его биологическая роль до конца не изучена, однако, благодаря тому, что ниобий гипоаллергенен (не вызывает биологического отторжения) его широко использует медицина. В то же время металлическая пыль ниобия вызывает раздражение глаз и кожи, а некоторые соединения этого металла довольно токсичны.

    Биологические свойства

    Ниобий является неотъемлемым микроэлементом человеческого организма. Сорок первый элемент обнаружен в крови, костях, мышцах и печени человека. Подсчитано, что в среднем в организме взрослого человека весом 70 килограмм содержится до 1,5 мг ниобия.

    К сожалению, биологическая роль данного элемента изучена весьма слабо. Однако, известно, что ниобий гипоаллергенен, то есть его можно безопасно использовать для введения в тело, так как он не будет вызывать биологического отторжения организмом. Это ценное свойство использует медицина - ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов. В отличие от прочих медицинских легированных сталей и имплантационных сплавов ниобий представляет собою чистый химический элемент, который нельзя разделить на отдельные компоненты. То есть при контакте с тканями он не способен выделять отдельные компоненты и поэтому не является аллергеном.

    Не только медицина использует данное качество ниобия - в последнее время на ниобий большой спрос как на материал для подкожного бодипирсинга. К тому же ниобий является реактивным металлом и его можно в ходе химического электролиза анодировать. При этом на поверхности металла появляется тонкий оксидный слой, который вызывает появление интерференционных цветов и за счет особенностей попадания света возникает при отражении и преломлении впечатление переливания изменяющихся цветов окраски (подобный эффект можно наблюдать на пленке нефтяного или бензинового пятна на сыром асфальте). У поклонников пирсинга подобная цветовая игра пользуется популярностью, к тому же анодированный слой полностью совместим с тканями организма, поскольку он представляет собой оксид ниобия. Естественно, что всё выше сказанное относится только к чистому ниобию - украшения для пирсинга из сплавов ниобия (или металла с примесями) могут нанести вред организму человека.

    Несмотря на все положительные аспекты биологического влияния сорок первого элемента на организм, некоторые соединения ниобия ядовиты. Профессиональных отравлений ниобием не зафиксировано. Однако относительно высокая заболеваемость верхних дыхательных путей у рабочих, использующих комплексные соединения ниобия, вероятнее всего связана с воздействием выделяющегося HF и фторониобатов. Основные эксперименты по установлению степени токсичности соединений сорок первого элемента, проводимые на животных показали, что К2NbF7 и NbCl5 резко раздражают кожные покровы и слизистые глаз кролика. Введенный в желудок ниобаткалия KNbO3 вызывает острое отравление с летальным исходом у белых мышей при дозировке в 725-1140 мг/кг; пентафторооксониобата калия K2NbOF5 - при дозе 130 мг/кг; хлорида ниобия (V) NbCl5 - 829,6 мг/кг. Для лабораторных крыс эти дозы несколько выше. Введенные соединения привели к зернистой и вакуольной дистрофии в канальцах почек, некрозу печени и эпителия пищевода, дистрофическим изменениям в слизистой желудка. Хронические отравления были вызваны введением в желудок подопытных животных в течение четырех месяцев NbCl5 в дозе 100 мг/кг, что привело к изменению состава крови и сбою функций печени, незначительным изменениям по ходу ЖКТ. Введение пыли Nb2O5 в дозе 50 мг в течение 6-9 месяцев вызвало у лабораторных крыс уплотнение межальвеолярной перегородки и эмфизему легких. У тех же лабораторных животных ежедневные затравки пылью нитрида ниобия NbN по 40 мг/м3 в течение трех месяцев привели к развитию пневмосклероза и вторичной эмфиземы. К такому же результату привело введение в трахею крыс 50 мг NbN.

    ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л, для нитрида ниобия в воздухе рабочей зоны 10 мг/м3. Для фторониобатов рекомендуется ПДК как для солей HF.

    Называя новый элемент ниобием, Генрих Розе руководствовался его сходством с танталом. Ведь мифический царь Тантал, наказанный олимпийскими богами за дерзость, был отцом Ниобы, в честь которой и был назван сорок первый элемент. Однако Розе наверняка не мог предполагать то, что названный им элемент будет схож с мифологическим персонажем не только родством с танталом. Прежде, чем объяснить, что еще общего имеют реальный металл ниобий и мифологическая принцесса Ниоба, вкратце расскажем ее историю.

    Ниоба (Ниобея) - героиня древнегреческих мифов, дочь фригийского царя Тантала, жена фиванского царя Амфиона. Имея большое потомство (семь сыновей и семь дочерей), Ниоба возгордилась и своим хвастовством оскорбила Лето (Латону) - мать бога Аполлона и богини Артемиды. За такую дерзость Аполлон и Артемида стрелами из своих луков умертвили всех детей Ниобы. Сама Ниоба, окаменевшая от горя, была перенесена на вершину горы Сипил, где она в вечном одиночестве в образе камня проливает слезы по убитым детям.

    Причем же здесь ниобий? Дело в том, что у этого металла всего лишь один природный изотоп - 93Nb. Получается, что металл также одинок, как и фиванская царица Ниоба.

    Известно, что ниобий обладает высокой коррозионной стойкостью, что обуславливает его применение в химическом машиностроении. Интересным фактом является то, что при изготовлении запорной аппаратуры и трубопроводов солянокислотного производства, ниобий не только служит конструкционным материалом, но и играет при этом роль катализатора, давая возможность получить более концентрированную кислоту.

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

    В связи с острой нехваткой серебра американские финансисты предлагают для изготовления металлических денег использовать вместо него ниобий, поскольку стоимость ниобия примерно соответствует стоимости серебра. С 2003 года ниобий официально используется при чеканке коллекционных монет. Первопроходцем в использовании этого металла был Австрийский монетный двор Münze Österreich. Одной из особенностей ниобия является то, что при определённой обработке металла можно получить разную окраску поверхности. В результате, Австрия выпускает биметаллические монеты с разной окраской, уже отчеканено семь тысяч подобных монет. Пример Австрии оказался заразителен - в 2005 году в Сьерра-Леоне выпустили биметаллическую монету, с использованием золота и фиолетового ниобия. Выпуск посвящен Папе Римскому Иоанну Павлу II. Кроме этих стран биметаллические монеты с использованием ниобия выпустили: Монголия - 500 тугриков, серебряный овал и вставка из серого ниобия (2003 год), Латвия - 1 лат, серебро, вставка из зеленого ниобия (2010 год) и ряд других стан.

    Бразильская компания CBMM - крупнейший производитель ниобия в мире, в настоящее время она обеспечивает 80 % всего мирового спроса на ниобий. Именно от действий компании в значительной мере зависит, будет ли мировой рынок испытывать дефицит ниобия.

    В последнее время (в странах Запада) ниобий стал применяться в ювелирном деле как материал для изготовления ювелирных украшений, это связано с тем, что ниобий не является аллергеном.

    Известно, что до 1950 года в некоторых странах (США и Великобритании) долго сохранялось первоначальное название сорок первого элемента - Колумбий, пока Международным союзом чистой и прикладной химии (ЮПАК) не было принято решение именовать во всем мире этот элемент ниобием. Поначалу американские и английские химики требовали отмены этого решения, которое казалось им несправедливым, но «приговор» ЮПАК был окончательным и обжалованию не подлежал. Пришлось «колумбистам» примириться с этим фактом, а в химической литературе США и Англии появился новый символ «Nb».

    Искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика, поэтому из ниобия можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.

    На знаменитом Большом адронном коллайдере под Женевой витки сверхпроводящих магнитов изготовлены из соединения ниобия и титана.

    История

    Не всякий химический элемент может похвастать своим повторным открытием, а на долю сорок первого элемента периодической системы это «счастье» перепало.

    С завоеванием Америки в Европу стали попадать доселе невиданные богатства, экзотические диковинки, вещи, требующие тщательного изучения и разъяснения. Так как покорителей нового континента интересовали лишь грабеж и нажива, то многое новое игнорировалось, считалось ненужным, если не могло найти своего применения. Так, платину называли «плохим серебром», считая металлом фальшивомонетчиков, и сотнями тонн топили в реках и морях. А образцы необычного минерала черного цвета с золотистыми вкраплениями были увезены в качестве сувениров, осев в частных коллекциях и музеях под всевозможными названиями. Один из таких образцов провалялся на пыльной витрине Британского музея в Лондоне полтора века под табличкой, которая гласила, что перед вами образец «железной руды».

    Удивительно, но нашелся человек, который заинтересовался пыльным экспонатом и решил узнать истинную сущность камня. Это был английский химик Чарльз Хатчет, который в 1801 году исследовал образец необычного минерала, выделил из него окисел неизвестного прежде элемента и дал ему название - «колумбий», тем самым, подчеркнув заокеанское происхождение нового элемента (в честь Христофора Колумба и старинного названия Америки). Сам же необычный тяжелый черный минерал химик назвал «колумбитом». Именно таким образом впервые был открыт сорок первый элемент периодической таблицы, получив своё первое имя. И если по началу Хатчет сомневался в том, что перед ним нечто ранее не изученное и отождествлял колумбит с сибирской хромовой рудой, то затем ученый обнаружил, что кислота (окисел), образующаяся из щелочного сплава минерала, обладает совершенно иными свойствами, чем хромовая кислота. Однако получить из окисла металл Хатчету не удалось.

    Годом позже шведский химик Андерс Густав Экеберг, исследуя колумбитовую руду, обнаруженную на одном из финских рудников, открывает новый металл, названный им танталом (Tantalum). Окисел этого металла оказался чрезвычайно устойчивым и не разрушался даже в избытке кислоты (он как бы не мог насытиться кислотой, подобно тому, как мифический Тантал, наказанный Зевсом, стоя по горло в воде и терзаясь жаждой, не мог удовлетворить ее). Минерал, в котором был обнаружен новый металл, назвали танталитом. С этого момента и началась путаница и неразбериха - сходство соединений колумбия и тантала было так велико, что в течение сорока лет большинство химиков считало: тантал и колумбий - один и тот же элемент. «Масла в огонь» подлил авторитетный английский ученый Уильям Хайд Волластон, который первым получил платину в чистом виде и открыл палладий. В 1809 году он доказал, что колумбий Хатчета и тантал Экеберга представляют собой один и тот же металл, так как их окислы очень близки по удельному весу.

    Точку в этой запутанной истории поставил немецкий химик Генрих Розе в 1844 году. В его распоряжении были образцы колумбитов и танталитов, найденные в Баварии. После тщательного изучения образцов, ученый установил, что в ряде образцов присутствуют окислы двух металлов. Оставив танталу прежнее название, он дал второму элементу, сходному с танталом, новое имя - ниобий (Niobium) в честь мифической Ниобы, дочери Тантала. Нетронутым осталось и название минерала, которое дал Хатчет, ведь колумбит, который он исследовал, был смесью тантала и ниобия. Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить ниобий в свободном состоянии. Это произошло лишь в 1866 году, когда шведский ученый Кристиан Вильгельм Бломстранд при восстановлении хлорида ниобия водородом получил металлический ниобий. В дальнейшем ученые разработали еще два способа получения металла в чистом виде: сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием.

    В России заинтересованность ниобием была скромна: колумбием Хатчета заинтересовался лишь химик-аналитик Т. Е. Ловиа, который начал исследование нового металла, но не успел его закончить, опубликовав о нем лишь заметку (1806). Что касается названия, то в русской литературе начала XIX века колумбий Хатчета назывался колумб (Шерер, 1808), колумбий (Ловиц), тантал и ниобий (Гесс). В Англии и США металл по-прежнему продолжали называть колумбием, в остальных странах придерживались новой версии и называли сорок первый элемент ниобием. Окончательное решение в этом вопросе было принято Международным союзом чистой и прикладной химии (ИЮПАК) лишь в 1950 году! На заседнии союза было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия закрепилось первоначальное наименование «колумбит».

    Нахождение в природе

    Ниобий считается редким элементом (содержание в земной коре 2,4 10-3 % по массе), он встречается действительно нечасто в небольших количествах и всегда в виде минералов (в самородном состоянии ниобий не существует). Любопытно, что в разной справочной литературе кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это связано с тем, что всё чаще в Африке обнаруживаются новые богатые месторождения руд, содержащих ниобий. Поэтому, вероятнее всего, данные будут продолжать изменяться. Так или иначе, но приблизительно подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 18 миллионов тонн металлического ниобия.

    Ниобий - литофильный элемент, связан с гранитными, нифелинсиенитовыми, ультраосновными щелочными породами и карбонатитами. Только в щелочных изверженных породах - нифелиновых сиенитах и прочих, содержание сорок первого элемента повышено до 10-2-10-1 %. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала ниобия и около 130 других минералов, содержащих повышенные количества этого элемента. По большей части это сложные и простые окислы. В минералах сорок первый элемент связан с редкоземельными элементами и с танталом, титаном, кальцием, натрием, торием, железом, барием (тантало-ниобаты, титанаты и других). Дело в том, что породообразующим аналогом ниобия (а также тантала) является титан. При высокой концентрации Ti4+ происходит рассеяние Nb5+ по титановым минералам.

    В биосфере геохимия ниобия изучена слабо. Достоверно установлено, что в районах щелочных пород, обогащенных ниобием, он мигрирует в виде соединений с органическими и другими комплексами. Существуют минералы сорок первого элемента, образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит). Содержание ниобия в морской воде около 1 10-9 % по массе.

    Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более ста минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, содержащий 50-76 % Nb2O5; пирохлор (Na, Ca)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F), в котором количество Nb2O5 варьируется от 40 до 70 % не более. Что интересно в колумбите из Гренландии не обнаружено тантала, этот минерал - смесь соли закиси железа (FeO = 17,33 %) и ниобиевой кислоты (Nb2O5 = 77,97 %), также содержащая закись марганца (MnО = 3,28 %) и еще MgO, PbO, ZrO2, SnO2 и WO3. Меньшее промышленное значение имеет лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb, Ta)O3 (содержание комплекса (Nb, Ta)2O5 составляет 8 - 10 %), иногда используются эвксенит Y(Nb, Ta, Ti)2O6 (21-34 % Nb2O5), торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). Минералы ниобия слабо парамагнитны и радиоактивны из-за примесей U и Th. Минимальные содержания, при которых рентабельно разрабатывать коренные ниобиевые руды, порядка 0,15-0,2 % Nb2O5. Среднее содержание Nb2O5 в большинстве месторождений ниобиевых руд мира 0,2-0,6 %; богатые месторождения содержат 1 % и более (до 4 %) Nb2O5. Минимальные содержания, при которых разрабатываются россыпи колумбита и месторождения кор выветривания, равны 0,1-0,15 кг/м3.

    Значительные месторождения выше перечисленных минералов есть в разных странах: Малайзии, Мозамбике, Заире, Бразилии, США, Канаде (щелочные породы), Норвегии, Финляндии. Однако крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия (богатые россыпные месторождения). В России есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.

    Применение

    Благодаря сочетанию таких ценных качеств - как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и другие сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошая обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость - производство и применение ниобия постоянно возрастают. Примерно 50 % производимого ниобия используется для микролегирования сталей (концентрация ниобия 0,05-0,10 % по массе). Из них 20-30 % идут на получение нержавеющих и жаростойких сталей (содержание ниобия 0,2-1,2 %), 20-25 % используются при получении жаропрочных сплавов на основе никеля или железа (1-5 % ниобия), 1-3 % расходуется в виде металла и сплавов на основе ниобия.

    Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Так, например, в хромоникелевой стали всегда присутствует углерод, который соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Добавка ниобия, имеющего большее сродство с углеродом, чем хром, связывает углерод в безопасный карбид ниобия. Положительный эффект достигается при введении в тонну стали всего двухсот грамм сорок первого элемента. Добавка ниобия в хромомарганцевую сталь придает ей высокую износоустойчивость.

    Сорок первым элементом легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05 % ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность. Ниобием легируют даже уран. Стали, легированные ниобием, широко использует ракетостроение, авиационная и космическая техника (детали летательных аппаратов), радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение (контейнеры и трубы для жидких металлов), атомная энергетика. Еще одно уникальное свойство ниобия, используемое в атомной энергетике - отсутствие заметного взаимодействия с ураном при температуре до 1 100 °C.

    Кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов - алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. По этой причине из ниобия можно изготовлять контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию. Малый процент потребления ниобия химической промышленностью объясняется лишь дефицитом данного элемента.

    Из сплавов, содержащих сорок первый элемент, реже из листового ниобия делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия (катализатор) влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена. Сплавы ниобия используются при производстве деталей ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли. Ниобий используется в деталях электрических конденсаторов, из него изготовляют «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и другие). Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием - для изготовления сверхпроводящих соленоидов.

    Нитрид ниобия NbN применяют для изготовления сверхпроводящих болометров, мишеней передающих телевизионных трубок. Карбид ниобия NbC - пластичное вещество с характерным розоватым блеском, сочетающее хорошую ковкость и высокую термостойкость с приятными «внешними данными» сделало NbC ценным материалом для изготовления покрытий. Слой этого вещества толщиной всего 0,5 мм надежно защищает от коррозии при высоких температурах многие материалы, в частности графит, который другими покрытиями не защищается.

    Карбид ниобия используется и как конструкционный материал в ракетостроении и производстве турбин. Карбонитрид NbC0,25N0,75 используют при изготовлении сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, высокочастотных резонаторов с высокими значениями добротности; NbC0,25N0,75 перспективен для использования в магнитных системах реакторов термоядерного синтеза.

    Металлиды Nb3Sn и Nb3Ge применяют при изготовлении соленоидов сверхпроводящих устройств; Nb3Ge перспективен для использования в магнитах МГД-генераторов и других электротехнических устройств. Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали других типов для улучшения их свойств.

    Оксиды ниобия - компоненты огнеупорных материалов, керметов, стекол с высокими коэффициентами преломления. Ниобий вводят в нержавеющие стали для улучшения свойств сварочного шва.

    Производство

    Ниобиевые руды, как правило, комплексные и бедны металлом, хотя следует учесть, что их запасы превосходят запасы танталовых руд. Так, например, колумбит-танталитовые концентраты содержат всего 8 % Та2О5, и более 60 % Nb2O5. Большую часть (примерно 95 %) ниобия получают из пирохлоровых, колумбит-танталитовых и лопаритовых руд. Основные методы обогащения рудного сырья - гравитационный метод и флотация либо электромагнитная или радиометрическая сепарация. Получившиеся после обогащения рудные концентраты содержат пятиокись ниобия в количестве: колумбитовые - 30-60 %, пирохлоровые - не менее 37 %, лопаритовые - 7 % и более. Далее большую часть концентратов перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (сплав железа с ниобием, с содержанием Nb 40-60 %) и ферротанталониобий, технически чистого Nb2O5, реже до галогенидов сорок первого элемента - NbCl5 и K2NbF7.

    По сути феррониобий и ферротанталониобий - конечные продукты при обработке концентратов, ведь они являются легирующими элементами, которые вводят в различные сорта сталей для улучшения их свойств. При производстве феррониобия смесь пирохлоровых концентратов с гематитом Fe2O3, порошкообразным алюминием и добавками флюса загружают в вертикальные охлаждаемые водой стальные или медные реакторы и с помощью специального запала инициируют экзотермические реакции. После чего сливают шлак, охлаждают и измельчают полученный сплав. Выход ниобия в слиток при массе загрузки концентрата до 18 тонн достигает 98 %!

    Технический Nb2O5, являющийся катализатором в химической промышленности, получают выщелачиванием ниобия и танатала из концентратов и шлаков оловянной плавки действием фтористоводородной кислоты с последующей очисткой и разделением ниобия и тантала. Разделение осуществляется экстракцией 100 %-ным трибутилфосфатом, метилизобутилкетоном, циклогексаноном (иногда другими соединениями), реэкстракцией ниобия действием водного раствора NH4F, осаждением из реэкстракта гидроксида ниобия, его сушкой и прокаливанием.

    По сульфатному способу концентраты обрабатывают серной кислотой H2SO4 или ее смесью с (NH4)2SO4 при 150-300 °С, выщелачивают растворимые сульфаты водой, отделяют ниобий и тантал от титана, разделяют и очищают ниобий и тантал экстракцией из фторидных или оксофторидных комплексов, выделяя затем Nb2O5.

    Хлоридный способ предусматривает смешение концентрата с коксом, брикетирование и хлорирование брикетов в шахтной печи при 700-800° С или хлорирование непосредственно порошкообразного концентрата и кокса в солевом хлоридном расплаве на основе NaCl и КСl. Затем производят отделение летучих хлоридов ниобия и тантала, их разделение и очистку ректификацией и раздельный гидролиз водой с прокаливанием осадка гидроксида ниобия. Иногда хлорируют феррониобий или отходы металла.

    Описаны способы переработки концентратов ниобия с использованием жидких и газообразных фторирующих реагентов.

    Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в несколько стадий: вскрытие концентрата, разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединений, восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов. Процессы обогащения и вскрытия концентратов, также как и пути разделения ниобия с танталом, описаны выше. Поэтому рассмотрим лишь методы получения ниобия восстановлением его соединений, например хлорида ниобия NbCl5 или фтор-ниобата калия K2NbF7, при высокой температуре:

    K2NbF7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF

    Применяют также электролитическое восстановление Nb2O5 или K2NbF7 в расплаве K2NbF7 и хлоридов щелочных металлов. Особо чистый металл или покрытия из ниобия на различных металлических поверхностях получают восстановлением NbCl5 водородом при температурах выше 1 000 °С.

    Из пятиокиси ниобия, получение которой различными методами мы рассмотрели ранее, металл получают алюмино- или карбо-термическим восстановлением либо нагреванием смеси Nb2O5 и NbC при 1 800-1 900 °С в вакууме. Продуктом таких реакций является металлический порошок ниобия, который необходимо затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии: порошок брикетируют, под большим давлением (1 т/см2) прессуют в штабики прямоугольного или квадратного сечения их спекают в вакууме (при 2 300 °С), затем соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом. Монокристаллы ниобия особой чистоты получают методом бестигельной электронно-лучевой зонной плавки. Суть его в том, что на порошкообразный ниобий (операции прессования и спекания исключены) направляют мощный пучок электронов, который плавит порошок. Капли металла стекают на ниобиевый слиток, который постепенно растет и выводится из рабочей камеры.

    Физические свойства

    Металлический ниобий впервые получили лишь во второй половине XIX века, поэтому человечество знакомо со свойствами этого блестящего металла серо-стального цвета не так давно. Каковы же физические характеристики данного элемента? У сорок первого элемента периодической системы объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 3,294Å. Определенно он легче своего спутника тантала (плотность 16,6 г/см3), однако ниобий всё равно остается тяжелым металлом, ведь его плотность при комнатной температуре (20 °C) составляет 8,57 г/см3. Да это меньше чем у свинца (11,34 г/см3) или ртути (13,5457 г/см3) при той же температуре, однако это значение выше, чем у железа (7,87 г/см3) или хрома (7,19 г/см3), например.

    Ниобий - высокопрочный и твердый металл, его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм2 34,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7 %. Твердость чистого ниобия по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. К тому же, сорок первый элемент сочетает в себе и отличные пластические характеристики: очищенный ниобий хорошо поддается механической обработке - легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Чистый металл настолько пластичен, что может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0,01 мм) в холодном состоянии без промежуточного отжига. Правда всё это относится к очищенному металлу, ниобий, содержащий примеси некоторых элементов (особенно опасны водород, азот, углерод и кислород) сильно ухудшает свою пластичность. Однако наличие примесей повышает твердость ниобия и его хрупкость. В хрупкое состояние ниобий переходит при температурах от -100 до -200 °С.

    Ниобий один из ряда тугоплавких металлов, его температура плавления (tпл) 2 500 °С, а температура кипения (tкип) 4927 °С. Более высокие точки плавления у молибдена (2 620 °C), тантала (3 000 °C), рения (около 3 190 °C) и вольфрама (около 3 400 °C). Однако у ниобия более низкая работа выхода электронов (4,01 эв) по сравнению с другими тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом. Данная особенность характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости. Это удивительное явление, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Опытным образцом, который и стал первым сверхпроводником, была ртуть. Однако не ей, а ниобию и некоторым его интерметаллическим соединениям суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами. Температура перехода ниобия в сверхпроводящее состояние 9,17 °K, в то время как большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия. Интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb3Ge имеет критическую температуру 23,2 °К - это выше температуры кипения водорода! Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также стапниду ниобия Nb3Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием.

    Теплопроводность сорок первого элемента в вт/(м К) при 0 °С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см сек °С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление ниобия при 0° С 15,22 10-8 ом м (15,22 10-6 ом см). Ниобий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость + 2,28∙10-6 (при 18° С). Теплоёмкость (при 25 °C) 24,6 Дж/(моль∙К); теплопроводность (при 0 °C) 51,4 Вт/(м∙К).

    Химические свойства

    Химически ниобий довольно инертен. Хотя и не настолько, как тантал, но на холоде и при небольшом нагреве сорок первый элемент чрезвычайно устойчив к действию многих агрессивных сред, однако при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Компактный ниобий заметно окисляется на воздухе только при температуре выше 200 °С (если при 150...200 °C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1 200 °C толщина окисной пленки значительно увеличивается), образуя Nb2О5 (окисел белого цвета, имеет кислотный характер и tпл = 1512 °С), причем для этого оксида описано около десяти кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb2О5. Кроме того, сорок первый элемент образует NbO2 (полупроводник с tпл 2 080 °С, черного цвета), NbO, ряд нестехиометрических оксидов, промежуточных между NbO2,42 и NbO2,50 и близких по структуре к β-форме Nb2О5.

    Что интересно, окись ниобия NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700° С, интенсивно - при 2 300-2 350 °С, что используют для вакуумной очистки ниобия от кислорода. При сплавлении пятиокиси ниобия с различными оксидами получают ниобаты: Ti2Nb10О29, FeNb49О124 - которые можно рассматривать, как соли гипотетических ниобиевых кислот (ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений). Ниобаты делятся на метаниобаты MNbO3, ортониобаты M3NbO4, пирониобаты M4Nb2O7 или полиниобаты M2O nNb2O5 (где M - однозарядный катион, а n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов. Еще ниобаты получают в результате обменных реакций после сплавления пятиокиси ниобия с содой:

    Nb2O5 + 3Na2CO4 → 2Na3NbО4 + 3CO2

    Хорошо изучены соли нескольких ниобиевых кислот, в первую очередь метаниобиевой HNbO3, а также диниобаты и пентаниобаты (K4Nb2O7, К7Nb5О16 ∙ mH2O). Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M2O/Nb2O5 гидролизуются:

    6Na3NbO4 + 5H2O → Na8Nb6O19 + 10NaOH

    Для сорок первого элемента характерно свойство поглощения газов - водорода, азота и кислорода. Причем даже небольшие примеси данных элементов отрицательно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, но уже при температуре примерно 360 °С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуется гидрид переменного состава от NbH0,7 до NbH. Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, однако этот процесс обратим - при нагревании в вакууме выше 600 °С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются. Азот ниобий начинает поглощать при уже при 600 °С, при более высокой температуре образуется высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком, который плавится при 2 300 °С. В системе Nb - N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb2N и NbN.

    Углерод и углеродсодержащие газы (СН4, СО) при высокой температуре (1 200-1 400 °С) взаимодействуют с ниобием с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида NbC (плавится при 3 500 °С). При температурах 1 800-2 000 °С ниобий образует с углеродом три фазы: α-фаза - твердый раствор внедрения углерода в ниобий, β-фаза - Nb2C, δ-фаза - NbC.

    Ниобий невосприимчив к действию большинства кислот и растворов солей. С ним не взаимодействуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака и органические кислоты любой концентрации на холоду и при 100-150 °С. Металл растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее устойчив сорок первый элемент в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли ниобиевой кислоты.

    С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal5, тетрагалогениды NbHal4 и фазы NbHal2,67 - NbHal3+x, в которых имеются группировки Nb3 или Nb2. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой. Из них наиболее важны пентафторид NbF5, пентахлорид NbCl5, окситрихлорид NbOCl3, фторониобат калия K2NbF7 и оксифторониобат калия K2NbOF7 Н2О.

    С фосфором ниобий образует фосфиды NbP и NbP2, с мышьяком - арсениды NbAs и NbAs2, с сурьмой - антимониды Nb3Sb, Nb5Sb4, NbSb2, с серой - сульфиды NbS3, NbS2 и NbS. Станнид Nb3Sn (tпл ~ 2130° С) и германид Nb3Ge (tпл ~ 1 970 °С) - сверхпроводники с температурами перехода в сверхпроводящее состояние соответственно 18,05 °К и 23,2 °К; получают их из простых веществ. Практически не действуют на ниобий очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.