Тантал и ниобий – редкие металлы, области применения которых реализуются в сфере высоких технологий и производстве высококачественных современных материалов. Основные области применения тантала и ниобия существенно разнятся: тантал – важный материал электронной техники, ниобий – ценный легирующий металл. Значительно различается и состояние их рынков, хотя в некоторых промышленных источниках сырья, в частности, в колумбите, тантал и ниобий сосуществуют в качестве главных полезных компонентов.

Главная область применения ниобия – производство стали. Феррониобий используется в основном как добавка в высокопрочные низколегированные стали (ВНЛС) для нефтяных и газопроводов, мостов, строительных конструкций, корпусов легковых и грузовых автомобилей, инструментальных сталей и железнодорожных путей. Ниобий вдвое повышает прочность и жесткость таких сталей.

Специальные сплавы с ниобием применяются для производства деталей реактивных двигателей, ракетных агрегатов, противопожарного и топочного оборудования; цирконий с добавкой ниобия - в атомной технике; ниобий-титановые и ниобий-оловянные сплавы – для изготовления сверхпроводящих магнитных катушек, используемых в ядерно-магнитной резонансной диагностике, ускорителях частиц, транспорте на магнитной подушке.

В число других областей применения входят добавки при производстве стекла для получения более высокого показателя преломления в корректирующих оптических линзах, изделия для ювелирной промышленности, медицинских приборов, таких как пейсмекеры, акустических фильтров и покрытия стекла компьютерных экранов.

Сравнительно новая область применения – конденсаторы твердых электролитов, которые используются в дорогой электронике (ноутбуки, автомобили, телевизоры с плоскими панелями) для повышения надежности, в основном, заменяя традиционный алюминий и в некоторых областях применения танталовые конденсаторы.

Цена ниобия обычно соответствует 1/6 цены тантала, что делает его недорогим альтернативным заменителем последнего в аналогичных областях использования: химическом машиностроении, ядерно-энергетическом оборудовании, электронике, режущих инструментах.

Потребление ниобия в мире устойчиво растет, особенно интенсивно в последние годы. В начале 1990-х гг. в мире использовалось 13-16 тыс.т Nb , в 1995-1997 гг. – 16-20 тыс.т, в 1998-2003 гг. – 23-27 тыс.т. В 2005 г. мировое потребление ниобия увеличился до 43 тыс.т, на 47% по сравнению с 29,3 тыс.т в 2004 г. Это ускорение объясняется интенсификацией развития экономики Китая и резким ростом цен на ванадий, который конкурирует с ниобием, как легирующий компонент в производстве стали. В 2006-2007 гг. потребление феррониобия продолжало увеличиваться за счет роста потребностей черной металлургии КНР, Японии, Республики Корея и Тайваня и 45 тыс.т в пересчете на Nb. По некоторым оценкам, в 2007 г. суммарное мировое потребление ниобия было рекордным, составив 58,2 тыс.т (83 тыс.т в персчетет на Nb 2 О 5 ) .

Суммарное потребление металлического ниобия, его сплавов и химических соединений в 2006 г. достигло 8,1 тыс. т, увеличившись по сравнению с 2000 г. в 2,2 раза, Быстрыми темпами росло использование ниобиевых продуктов, в частности пентоксида, в новых областях применения, например, в линзах для цифровых фотокамер (20% в год).

В целом мировая структура потребления ниобия стабильна: на феррониобий приходится 85-90% суммарного объема использования, на потребление других продуктов – 10-15%.

Главные потребители ниобия – США, Япония, Китай и страны Западной Европы. Расширяется круг стран, потребляющих ниобий; в 1990-е годы в число заметных потребителей, помимо Китая, вошли Южная Корея, Индия, Бразилия.

В России в настоящее время потребление ниобия оценивается по разным данным от 1400 до 2400 (в начале 2000-х годов – 350-400 т). Основной объем потребления ниобия в России реализовывался в черной металлургии.

Минерально-сырьевая база. По запасам ниобия лидирует Бразилия, разведанные запасы в которой составляют 3,8 млн.т Nb 2 О 5 . Крупные запасы содержат также Австралия (460 тыс.т) и Канада (130 тыс.т). Относительно небольшие запасы ниобия имеются в ниобий-танталовом сырье во многих странах Европы, Азии и Африки.

Крупнейшее в мире и уникальное по запасам и качеству ниобиевых руд месторождение Араша заключает практически неисчерпаемые запасы – 460 млн. т руды со средним содержанием Nb 2 O 5 более 2,5% (11,4 млн.т Nb 2 O 5 Nb 2 O 5 ), что при существующем спросе на ниобий хватит ~ на 170 лет.

Промышленное сырье. Около 90% сырья ниобиевая промышленность получает из источников, не связанных с разработкой танталсодержащих руд. Главным промышленным минералом ниобиевых руд является пирохлор.

Колумбитовые концентраты, содержащие 65% (Nb,Ta) 2 O 5 при соотношении Nb:Ta = (8-10):1, и колумбит-танталитовые концентраты, содержащие от 25 до 40% Nb 2 O 5 , используются для получения различных соединений ниобия, в первую очередь, оксидов. Небольшая часть ниобия производится из оловянных шлаков, в которых содержится от 2 до 10% Nb 2 O 5 и приблизительно столько же Ta 2 O 5 . В России ниобиевым сырьем являются лопаритовые концентраты.

По добыче и производству ниобия с большим отрывом лидирует Бразилия. Из общего объема ниобия в концентратах (86-88,6 тыс. т Nb 2 О 5 в последние три года), на Бразилию приходится более 90% – 81-83 тыс.т. В Канаде производится 7-9%, в других странах – 1% или менее. В Бразилии и Канаде разрабатываются пирохлоровые месторождения. На мировом рынке пирохлоровые концентраты не продаются, непосредственно в районе рудников они перерабатываются на феррониобий. Из колумбит-танталитовых и танталитовых концентратов попутное производство ниобия составляет в последние годы чуть более 400 т.

В Бразилии главным производителем ниобиевого сырья и продукции является компания Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineracão (CBMM ), контролирующая 80-90% поставок ниобия на мировой рынок. CBMM – полностью интегрированная компания, имеющая в районе Араша крупный современный горно-металлургический комплекс, в состав которого входит карьер, обогатительная фабрика и заводы, перерабатывающие пирохлоровые концентраты в феррониобий стандартного сорта и другие ниобиевые продукты: пентоксид ниобия, спецсплавы и металлический ниобий. Отработка месторождения ведется открытым способом без привлечения буровых и взрывных работ, что обеспечивает очень низкую себестоимость добычи руды.

В России ниобиевое сырье добывается в последние годы на двух месторождениях: Ловозерском в Мурманской обл. (лопаритовые концентраты) и Татарском в Красноярском крае (пирохлоровые концентраты). Производство лопаритового концентрата на Ловозерском в последние годы сокращалось. Разработка Татарского месторождения была приостановлена в 2005 г. из-за возникших технологических трудностей, но в настоящее время возобновлена с производительностью 150 тыс.т руды и получением 14 тыс.т чернового концентрата Nb 2 O 5 . Производитель феррониобия – Ключевской завод ферросплавов (КЗФ), который в последние годы начинает использовать африканское пирохлоровое сырье с месторождения Луэш в ДР Конго, освоение которого КЗФ частично финансировал.

Пентоксид и гидроксид ниобия из лопаритового концентрата, а также соединения ниобия для оптики и электроники производит Соликамский магниевый завод, который обеспечивает около 10% мирового производства пентоксида ниобия. В 2006 г. производство составило 656 т в пересчете на Nb 2 О 5 . Большая часть продукции экспортируется. Металлический ниобий в небольшом количестве производится на заводе «Луч» в г.Подольске.

Несколько перерабатывающих предприятий имеется на территории бывшего СССР. Недавно возобновлено производство ниобиевой продукции на заводе в г.Силламяэ в Эстонии, который в качестве сырья использует гидроксид ниобия Соликамского МЗ и концентраты, импортируемые из Бразилии и Нигерии. На своем оборудовании фабрика редких металлов компании «Силмет» способна производить 120 т в месяц феррониобия и выпускать 80-90 т в месяц пентоксида ниобия. Часть его является готовой продукцией, часть направляется на металлургическую фабрику для получения металлического ниобия и сплава Nb-Ni.

Крупные мощности по выпуску ниобия имел Иртышский ХМЗ в Казахстане (ныне « Иртышский Химико-металлургический завод, ОА»). В 1990-е годы производство ниобия сначала резко снизилось, а потом и вовсе прекратилось, долгое время предприятие находилось на грани банкротства. Начиная с августа 2000 г., предприятие перерабатывало около 10 тыс. т импортного сырья (гидроксид ниобия от американской компании), выпуская 5-7 т металлического ниобия в месяц. Однако, сообщалось о планах удвоения объема производства. В небольшом количестве металлический ниобий производится на Ульбинском МЗ в г.Усть-Каменогорске, который импортирует сырье из африканских стран и России. Свою потребность в ниобиевом сырье на 2005 г. УМЗ определил в 120 т ниобия.

Вторичное сырье по-видимому не играет существенной роли в производстве ниобия, хотя он и может быть извлечен из ниобийсодержащих сталей и суперсплавов. Излечение из скрапа не эффективно вследствие низкого содержания ниобия. По приблизительной оценке Геологической службы США оно может достигать 20% видимого потребления.

Конъюнктура мирового рынка и цены. Характерной особенностью ниобиевого рынка является его относительная устойчивость, обусловленная большим потенциалом расширения производственных мощностей. Эту особенность ярко продемонстрировала ситуация, сложившаяся с середины 2000-х годов. Рост потребления ниобия был особенно интенсивным в 2004-2005 году, но бразильские компании быстро отреагировали на увеличение спроса на феррониобий, так что потребление и производство остались в целом сбалансированными. Устойчивость ниобиевого рынка в большой мере определяется также тем, что доминирующая на нем бразильская компания СВММ весьма ответственно относится к сохранению стабильности на этом рынке.

Ниобий – небиржевой металл, и цены, как правило, договорные. Они могут разниться в зависимости от качества товара и объема поставок. Цены на основной вид ниобиевого сырья – пирохлоровые концентраты с 1994 г. не публикуются; в 1992-1993 гг. на рынке США они составляли 6,06 долл./кг Nb 2 O 5 в концентрате, на западноевропейском рынке – 5,84 долл./кг. Цены на танталит-колумбитовый концентрат приведены в разделе «Тантал».

До 2007 года цены на ниобий оставались достаточно устойчивыми, в 2007 г. увеличились более, чем вдвое, как из-за активного роста спроса, так и по причине необходимости привести их в соответствие с увеличившимися издержками производства и для компенсации капитальных затрат на расширение производственных мощностей.

По сообщению торговой системы Металлоторг от 23.10.2008 китайские поставщики пентоксида ниобия удерживали цены на уровне 17,7 –18,5 долл./кг на материал чистотой минимум 99%.

Цены на феррониобий (в долл./кгNb в сплаве) резко повысились с середины 2007 года. К маю 2008 года цены по разовым сделкам (цена спот) повысились до 39,7-41,9 долл/кг при ценах производителей t 35,3-36,4 долл./кг. В ноябре 2008 года сообщалось о базовой договорной цене 43-46 долл./кг, но к марту 2009 г. цены понизились до 34 долл./кг. Текущая цена ЕС на FeNb составляет ~ 41 долл./кг, как это было в октябре 2008.

Применение ниобия для легирования металлов

Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия. Этот читатель прав и не прав одновременно. Не прав потому, что забыл об одном.

В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром. Поэтому при добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид ниобия. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего 200 г металлического ниобия. А хромо-маргаицевой стали ниобий придает высокую износоустойчивость.

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

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

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

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

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

Использования ниобия в других отраслях промышленности

Из ниобиевых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (т.е. нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.

Кроме чистого металла для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.

Ниобий применяли для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность ниобия к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Ниобиевые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции.

Ниобиевые элементы конденсаторов изготовляют из тонкой фольги или пористых пластинок, спрессованных из металлических порошков.

Коррозионная стойкость ниобия в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делают его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Ниобий обладает сочетанием свойств, удовлетворяющих требования атомной энергетики к конструкционным материалам.

До 900°С ниобий слабо взаимодействует с ураном и пригоден для изготовления защитных оболочек для урановых тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. При этом возможно использование жидких металлических теплоносителей: натрия или сплава натрия с калием, с которыми ниобий не взаимодействует до 600°С. Для повышения живучести урановых тепловыделяющих элементов уран легируют ниобием (~ 7% ниобия). Присадка ниобия стабилизирует защитную окисную плёнку на уране, что повышает устойчивость его против паров воды.

Ниобий входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование ниобием молибдена, титана, циркония, алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов. Существуют жаропрочные сплавы на основе ниобия в качестве конструкционного материала для деталей реактивных двигателей и ракет (изготовление турбинных лопаток, передних кромок крыльев, носовых концов самолётов и ракет, обшивки ракет). Ниобий и сплавы на его основе можно использовать при рабочих температурах 1000 - 1200°С.

Карбид ниобия входит в состав некоторых марок твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама, используемых для резания сталей.

Ниобий широко используется как легирующая добавка в сталях. Добавка ниобия в количестве, в 6 - 10 раз превышающем содержание углерода в стали, устраняет межкристаллитную коррозию нержавеющей стали и предохраняет сварные швы от разрушения.

Ниобий также вводят в состав различных жаропрочных сталей (например, для газовых турбин), а также в состав инструментальных и магнитных сталей.

Ниобий вводят в сталь в сплаве с железом (феррониобий), содержащем до 60% Nb. Кроме этого, применяют ферротанталониобий с различным соотношением между танталом и ниобием в ферросплаве.

В органическом синтезе применяют некоторые соединения ниобия (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.

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

Применение металлического ниобия

• Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы; для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности.
• Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран.
• Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера .

Интерметаллиды и сплавы ниобия

• Станнид Nb 3 Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов.
• Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).
• Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.
• Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Латвийский Банк утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий .

Применение соединений ниобия

• Nb 2 O 5 катализатор в химической промышленности;
• в производстве огнеупоров, керметов, спец. стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
• Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235, является важнейшим конструкционным материалом для ТВЭЛов твердофазных ядерных реактивных двигателей.
• Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К

Ниобий в медицине

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

Применение в ювелирном деле

Ниобий не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для изготовления корпусов ручных часов. Сплавы ниобия с вольфрамом или рением иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на металлический иридий, но почти так же износостоек. Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.

Ниобий как сверхпроводящий материал первого поколения

Удивительное явление сверхпроводимости, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Первым сверхпроводником оказалась ртуть, но не ей, а ниобию и некоторым интерметаллическим соединениям ниобия суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами.

Практически важны две характеристики сверхпроводников: величина критической температуры, при которой происходит переход в состояние сверхпроводимости, и критического магнитного поля (еще Камерлинг-Оннес наблюдал утрату сверхпроводником сверхпроводимости при воздействии на него достаточно сильного магнитного поля). В 1975 г. сверхпроводником–рекордсменом по величине критической температуры стало интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb 3 Ge. Его критическая температура 23,2°К; это выше температуры кипения водорода. (Большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия).

Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также стапниду ниобия Nb 3 Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием. Все эти сплавы и соединения уже используются для изготовления сверхпроводящих соленоидов, а также некоторых других важных технических устройств.

• Один из активно применяемых сверхпроводников (температура сверхпроводящего перехода 9,25 К). Соединения ниобия имеют температуру сверхпроводящего перехода до 23,2 К (Nb 3 Ge).
• Наиболее часто используемые промышленные сверхпроводники - NbTi и Nb 3 Sn.
• Ниобий используется также в магнитных сплавах.
• Применяется как легирующая добавка.
• Нитрид ниобия используется для производства сверхпроводящих болометров.

Исключительная стойкость ниобия и его сплавов с танталом в перегретом паре цезия-133 - делает его одним из наиболее предпочтительных и дешёвых конструкционных материалов для термоэмиссионных генераторов большой мощности.

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.

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.

Енвд