Niob

Eigentlich glänzt Niob wie alle Metalle grau. Doch mit einer passivierenden Oxidschicht lassen wir das Metall schon mal in den schönsten Farben schillern. Aber Niob ist nicht nur dekorativ. Es ist, ähnlich wie Tantal, gegen zahlreiche Chemikalien beständig und lässt sich schon bei niedrigen Temperaturen gut umformen.

Seine gute Beständigkeit bei relativ wenig Gewicht zeichnet Niob aus. Wir machen aus dem Werkstoff Münzeinsätze in allen Farben, korrosionsbeständige Verdampferschiffchen für die Beschichtungstechnik oder formstabile Tiegel für die Diamantzucht. Niob wird dank seiner guten Biokompatibilität auch als Implantatwerkstoff eingesetzt. Mit seiner hohen Sprungtemperatur ist Niob der perfekte Werkstoff für supraleitende Kabel und Magnete.

Niob Draht
Niob Draht
Niob Draht
Eigenschaften von Niob
Ordnungszahl41
CAS-Nummer7440-03-1
Atommasse92,91
Schmelzpunkt2 468 °C
Siedepunkt4 900 °C
Atomvolumen0,0180 [nm³]
Dichte bei 20 °C8,55 [g/cm³]
Kristallstrukturkubisch-raumzentriert
Gitterkonstante0,3294 [nm]
Häufigkeit in der Erdkruste20,0 [g/t]

Garantiert rein

Auf unsere Qualität können Sie sich verlassen. Als Ausgangsmaterial verwenden wir nur reines Niob. So garantieren wir Ihnen eine sehr hohe Materialreinheit.

Einsatzgebiete
Einsatzgebiete
Niob
Niob
Niob Eigenschaften
Eigenschaften
Vorkommen und Aufbereitung
Vorkommen

Von Münzen und Diamanten: Einsatzgebiete von Niob.

So unterschiedlich seine Eigenschaften, so unterschiedlich sind die Anwendungen unseres Niobs. Zwei davon möchten wir Ihnen kurz vorstellen:

Wertvoll und in allen Farben schillernd

Als Münze zeigt sich unser Niob von seiner schönsten Seite. Durch Anodisierung bildet sich eine dünne Oxidschicht auf dem Niobkern. Lichtbrechung lässt die Schicht in unterschiedlichen Farben strahlen. Durch die Dicke der Schicht können wir die Farbe beeinflussen. Von Rot bis Blau: Alle Farben sind möglich.

Exzellent formbar und beständig

Die gute Beständigkeit bei gleichzeitig guter Umformbarkeit macht Niob zum perfekten Werkstoff für Tiegel zur Herstellung von künstlichen polykristallinen Diamanten (PKD). Unsere Niobtiegel werden für die Hochdruck-Hochtemperatursynthese eingesetzt.

Reines Niob in Schmelzqualität

Wir bieten unser Niob in Schmelzqualität als Blech, Band oder als Stab an. Gerne fertigen wir auch komplexe Bauteile. Unser reines Niob hat folgende Eigenschaften:

  • Hoher Schmelzpunkt von 2 468 °C
  • Hohe Duktilität bei Raumtemperatur
  • Rekristallisation zwischen 850 °C und 1300 °C
    (abhängig vom Umformgrad und der Reinheit)
  • Gute Beständigkeit gegen wässrige Lösungen und Metallschmelzen
  • Große Löslichkeit für Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff (Versprödungsgefahr)
  • Supraleitfähigkeit
  • Gute Biokompatibilität

Rundum gut: Werkstoffeigenschaften von Niob.

Niob gehört zur Gruppe der hochschmelzenden Metalle (auch Refraktärmetalle genannt). Refraktärmetalle sind jene Metalle, die einen höheren Schmelzpunkt als Platin haben (1 772 °C). Bei hochschmelzenden Metallen ist die Bindungsenergie zwischen den einzelnen Atomen besonders hoch. Refraktärmetalle haben einen hohen Schmelzpunkt bei gleichzeitig niedrigem Dampfdruck, einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Warmfestigkeit. Auch der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient ist für Refraktärmetalle charakteristisch. Vergleicht man Niob mit anderen Refraktärmetallen, hat es eine verhältnismäßig geringe Dichte von nur 8,55 g/cm3.

Niob steht in derselben Periode wie Molybdän. Seine Dichte und der Schmelzpunkt sind daher mit Molybdän vergleichbar. Ähnlich wie Tantal ist Niob anfällig für Wasserstoffversprödung. Niob wird deshalb im Hochvakuum und nicht in Wasserstoffatmosphäre wärmebehandelt. Auch die gute Beständigkeit gegen alle Säuren und die gute Umformbarkeit haben Niob und Tantal gemeinsam.

Niob hat mit -263,95 °C die höchste Sprungtemperatur von allen Elementen. Unterhalb dieser Temperatur ist Niob supraleitend. Auch sonst hat Niob ein ganz spezielles Eigenschaftenprofil:

Eigenschaften
Ordnungszahl41
Atommasse92,91
Schmelzpunkt 2 468 °C / 2 741 K
Siedepunkt4 900 °C / 5 173 K
Atomvolumen 1,80 · 10-29 [m3]
Dampfdruckbei 1 800 °C
bei 2 200 °C
5 · 10-6 [Pa]
4 · 10-3 [Pa]
Dichte bei 20 °C (293 K) 8,55 [g/cm3]
Kristallstrukturkubisch-raumzentriert
Gitterkonstante 3,294 · 10-10 [m]
Härte bei 20 °C (293 K)verformt
rekristallisiert
110 - 180 [HV10]
60 - 110 [HV10]
E-Modul bei 20 °C (293 K) 104 [GPa]
Poisson'sche Zahl0,35
Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient bei 20 °C (293 K) 7,1 · 10-6 [m/(m·K)]
Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C (293 K) 52 [W/(m·K)]
Spezifische Wärme bei 20 °C (293 K) 0,27 [J/(g·K)]
Elektrische Leitfähigkeit bei 20 °C (293 K)7 · 106 [1/(Ω·m)]
Spezifischer elektrischer Widerstand bei 20 °C (293 K)0,14 [(Ω·mm2)/m]
Schallgeschwindigkeit bei 20 °C (293 K)Longitudinalwelle
Transversalwelle
4 900 [m/s]
2 100 [m/s]
Elektronenaustrittsarbeit4,3 [eV]
Einfangquerschnitt für thermische Neutronen 1,15 · 10-28 [m2]
Rekristallisationstemperatur (Glühdauer 1 Stunde)850 - 1 300 °C
Supraleitfähigkeit (Sprungtemperatur) < -263,95 °C
/ < 9,2 K

Thermophysikalische Eigenschaften

Wie alle Refraktärmetalle hat Niob einen hohen Schmelzpunkt und eine relativ hohe Dichte. Die thermische Leitfähigkeit von Niob liegt im Bereich von Tantal, ist verglichen zu jener von Wolfram jedoch geringer. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Niob liegt über dem von Wolfram, jedoch weit unter dem von Eisen oder Aluminium.

Die thermophysikalischen Eigenschaften von Niob ändern sich mit der Temperatur:

Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient von Niob und Tantal.
Spezifische Wärmekapazität von Niob und Tantal
Wärmeleitfähigkeit von Niob und Tantal

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Niob sind hauptsächlich von seiner Reinheit, vor allem vom Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff abhängig. Diese Elemente können schon in geringen Konzentrationen große Wirkung zeigen. Auch der Herstellprozess, der Umformgrad und die Wärmebehandlung verändern die Materialeigenschaften von Niob.

Niob besitzt wie nahezu alle Refraktärmetalle ein kubisch-raumzentriertes Gitter. Die Spröd-Duktil-Übergangstemperatur von Niob liegt unterhalb der Raumtemperatur. Niob ist deshalb sehr gut formbar.

Niob weist bei Raumtemperatur eine Bruchdehnung von mehr als 20 % auf. Mit zunehmender Umformung steigt die Festigkeit und Härte, jedoch sinkt gleichzeitig die Bruchdehnung. Der Werkstoff verliert zwar an Duktilität, versprödet aber nicht.

Der Elastizitätsmodul von Niob ist mit 104 GPa bei Raumtemperatur niedriger als der Elastizitätsmodul von Wolfram, Molybdän und Tantal. Mit steigender Temperatur sinkt der Elastizitätsmodul. Bei etwa 1 800 °C liegt er bei 50 GPa.

Elastizitätsmodul von Niob im Vergleich zu Wolfram, Molybdän und Tantal

Für die spanlose Formgebung wie Biegen, Prägen, Drücken oder Tiefziehen ist Niob dank seiner hohen Duktilität sehr gut geeignet. Um Kaltverschweißungen zu vermeiden, sollten Sie mit Stahl oder Hartmetallwerkzeugen arbeiten. Die spanabhebende Bearbeitung von Niob ist nur sehr schwer möglich. Der Span bricht schlecht. Deshalb empfehlen wir Werkzeuge mit Spanleitstufen. Niob ist im Vergleich zu Wolfram und Molybdän sehr gut schweißbar.

Sie haben Fragen zur mechanischen Bearbeitung von Refraktärmetallen? Wir stehen Ihnen mit unserer langjährigen Erfahrung sehr gerne zur Verfügung.

Chemisches Verhalten

Niob ist von Natur aus mit einer dichten Oxidschicht überzogen. Diese Oxidschicht schützt das Material und macht Niob sehr korrosionsbeständig. Niob ist bei Raumtemperatur nur gegen sehr wenige anorganische Substanzen nicht beständig: Konzentrierte Schwefelsäure, Fluor, Fluorwasserstoff, Flusssäure oder Oxalsäure. Gegenüber wässrigen Ammoniaklösungen ist Niob beständig.

Alkalische Lösungen, geschmolzenes Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid greifen Niob an. Auch interstitiell gelöste Elemente, vor allem Wasserstoff, können Niob verspröden. Die Korrosionsbeständigkeit von Niob wird bei zunehmender Temperatur und in Kontakt mit Lösungen aus mehreren Chemikalien schlechter. Niob ist, abgesehen von Fluor, gegen nicht metallische elementare Stoffe bei Raumtemperatur absolut beständig. Über etwa 150 °C regiert Niob jedoch mit Chlor, Brom, Iod, Schwefel und Phosphor.

Korrosionsverhalten gegenüber Wasser, wässrigen Lösungen und Nichtmetallen
WasserHeißwasser < 150 °Cbeständig
Anorganische Säuren Salzsäure < 30 % bis 110 °C
Schwefelsäure < 98 % bis 100 °C
Salpetersäure < 65 % bis 190 °C
Flusssäure < 60 %
Phosphorsäure < 85 % bis 90 °C
beständig
beständig
beständig
nicht beständig
beständig
Organische Säuren Essigsäure < 100 % bis 100 °C
Oxalsäure < 10 %
Milchsäure < 85 % bis 150 °C
Weinsäure < 20 % bis 150 °C
beständig
nicht beständig
beständig
beständig
LaugeNatronlauge < 5 %
Kalilauge < 5 %
Ammoniaklösung < 17 % bis 20 °C
Natriumcarbonat < 20 % bis 20 °C
nicht beständig
nicht beständig
beständig
beständig
Salzlösungen Ammoniumchlorid < 150 °C
Calciumchlorid < 150 °C
Eisen-(III)-Chlorid < 150 °C
Kaliumchlorat < 150 °C
Körperflüssigkeiten < 150 °C
Magnesiumsulfat < 150 °C
Natriumnitrat < 150 °C
Zinnchlorid < 150 °C
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
NichtmetalleFlour
Chlor < 100 °C
Brom < 100 °C
Iod < 100 °C
Schwefel < 100 °C
Phosphor < 100 °C
Bor < 800 °C
nicht beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig
beständig

 

Niob ist gegen eine Reihe von Metallschmelzen wie Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, K, Li, Mg, Na und Pb beständig, wenn diese Schmelzen wenig Sauerstoff enthalten. Al, Fe, Be, Ni, Co und auch Zn und Sn greifen Niob an.

Korrosionsverhalten gegenüber Metallschmelzen
Aluminiumnicht beständigLithium < 1 000 °C beständig
Berylliumnicht beständigMagnesium < 950 °C beständig
Blei< 850 °C beständigNatrium < 1 000 °C beständig
Cadmium < 400 °C beständigNickelnicht beständig
Cäsium < 670 °C beständigQuecksilber < 600°C beständig
Eisennicht beständigSilber < 1 100 °C beständig
Gallium < 400 °C beständigWismut < 550°C beständig
Kalium < 1 000 °C beständigZinknicht beständig
Kupfer < 1200 °C beständigZinnnicht beständig
Kobaltnicht beständig

 

Niob ist gegenüber Edelgasen inert. Reine Edelgase können daher als Schutzgas verwendet werden. Niob reagiert jedoch mit zunehmender Temperatur stark mit Sauerstoff, Stickstoff und auch Wasserstoff aus der Luft. Durch Glühen im Hochvakuum bei Temperaturen über 1 700 °C können Sauerstoff und Stickstoff wieder entfernt werden. Der Wasserstoff entweicht schon bei Temperaturen von ca. 800 °C. Dabei treten Substanzverluste durch flüchtige Oxide und Rekristallisation des Gefüges auf.

Korrosionsverhalten gegenüber Gasen
Sauerstoff und Luft < 230 °C beständig Wasserdampf < 150 °C beständig
Wasserstoff < 250 °C beständigKohlenmonoxid < 800 °C beständig
Stickstoff < 300 °C beständigKohlendioxid < 400 °C beständig
Kohlenwasserstoffe < 700 °C beständigEdelgase beständig
Ammoniak < 300 °C beständig

 

Sie wollen Niob in Ihren Öfen einsetzen? Beachten Sie bitte, dass Niob mit Konstruktionsteilen aus hochschmelzenden Oxiden oder Grafit reagieren kann. Sogar sehr stabile Oxide wie Aluminium-, Magnesium- oder Zirkoniumoxid können im Kontakt mit Niob bei hohen Temperaturen reduziert werden. Beim Kontakt mit Grafit können sich Karbide bilden, die Niob verspröden. Die Kombination von Niob mit Molybdän oder Wolfram ist meist problemlos, mit hexagonalem Bornitrid und Siliziumnitrid kann Niob hingegen reagieren. Die in nachstehender Tabelle angeführten Grenztemperaturen gelten im Vakuum. Sollten Sie Schutzgas verwenden, sind die Werte etwa 100 bis 200 °C niedriger.

Wasserstoffversprödung
Schwefelsäure 98 % bei 20 °C Atomarer Wasserstoff > 25 °C
Schwefelsäure 10 % bei 190 °C Oxalsäure 10 % bei 20 °C
Phosphorsäure 85 % bei 100 °C Natronlauge 5 % bei 100 °C
Salzsäure 30 % bei 100 °C Wasserstoff bei 250 °C

Maßnahmen gegen Wasserstoffversprödung:

  • Elektrische Isolierung der Metalle
  • Positive Polarisierung der Metalle (ca. + 15 V)
  • Zusatz von Oxidationsmitteln zu den Lösungen
  • Formierte Metalloberflächen
  • Elektrische Kontaktierung mit einem edleren Metall (z. B. Pt, Au, Pd, Rh, Ru)

Durch Wasserstoff versprödetes Niob können Sie durch eine Hochvakuumglühung bei 800 °C regenerieren.

Vorkommen und Aufbereitung

Im Jahr 1801 untersuchte der englische Chemiker Charles Hatchett einen schweren schwarzen Stein aus Amerika. Er fand darin ein bis dahin unbekanntes Element und nannte es zu Ehren Amerikas Columbium. Der heute gebräuchliche Name Niob geht auf das Jahr 1844 zurück und stammt vom zweiten Entdecker Heinrich Rose. Heinrich Rose gelang es erstmals, Niob und Tantal zu trennen. Vorher war es nicht möglich, die beiden Werkstoffe zu unterscheiden. Rose benannte Niob nach Niobe, der Tochter von König Tantalus. Er wollte damit die enge Verbundenheit der beiden Metalle zum Ausdruck bringen. Die erste Herstellung von metallischem Niob durch Reduktion gelang C. W. Blomstrand 1864. Den offiziellen Namen erhielt Niob erst knapp 100 Jahre später nach langen Streitigkeiten. Die International Union of Pure and Applied Chemistry legte den Namen Niob als offizielle Bezeichnung fest.

Das wichtigste natürliche Vorkommen von Niob ist das Erz Columbit, auch Niobit genannt, mit der chemischen Formel (Fe, Mn) [(Nb, Ta) O3]2. Ein weiteres wichtiges Niobmineral ist Pyrochlor, ein Calciumniobat mit kompliziertem Aufbau. Die Lagerstätten dieser Erze befinden sich in Australien, Brasilien und Ländern in Afrika.

Die gewonnenen Erze werden über diverse Anreicherungsschritte zu Konzentraten mit bis 70 % (Ta, Nb)2O5, die dann mittels Flusssäure und Schwefelsäure aufgelöst werden. Die Tantal- und Niob-Fluoridkomplexe werden dann durch Extraktion getrennt. Das Niobfluorid wird mit Sauerstoff zu Niobpentoxid oxidiert und schließlich mit Kohlenstoff bei 2 000 °C zu metallischem Niob reduziert. Hochreines Niob erhält man durch zusätzliches Elektronenstrahlumschmelzen.

Hier gibt es unsere Sicherheitsdatenblätter zum Download (Englisch):