Niobium

En réalité, le niobium est gris, comme tous les autres métaux. Néanmoins, si on lui applique une couche d'oxyde passivante, le métal brille dans une large gamme de couleurs. Ce n'est cependant pas sa seule qualité. Tout comme le tantale, il est résistant à de nombreux produits chimiques et peut être facilement mis en forme même à basse température.

Le niobium est un métal spécifique car il atteint un haut degré de résistance tout en étant relativement léger. Ce matériau est utilisé pour la fabrication d'éléments centraux de pièces de toutes les couleurs, de nacelles d'évaporation résistantes à la corrosion pour la technologie de revêtement et de creusets dimensionnellement stables pour la croissance du diamant. Le niobium est également utilisé pour la fabrication d'implants grâce à sa forte biocompatibilité. C'est également le matériau parfait pour la fabrication de câbles et aimants supraconducteurs, grâce à sa température de transition élevée.

Fil en niobium
Fil en niobium
Fil en niobium
Utilisations de Niobium
Numéro atomique41
Numéro CAS7440-03-1
Masse atomique92,91
Point de fusion2 468 °C
Point d'ébullition4 900 °C
Volume atomique0,0180 [nm³]
Densité à 20 °C8,55 [g/cm³]
Structure cristallinecubique centrée
Constante du réseau cristallin0,3301 [nm]
Ressource dans l'écorce terrestre20,0 [g/t]

Pureté garantie.

Vous pouvez nous faire confiance en matière de qualité. Nous utilisons le niobium le plus pur comme matériau de base. C'est pourquoi vous pouvez être sûrs de bénéficier de matériaux d'un très haut niveau de pureté.

Utilisations
Utilisations
Niobium
Niobium
Niobium Propriétés
Propriétés
Présence naturelle et préparation
Présence

Pièces et diamants. Utilisations du niobium.

L'utilisation du niobium est aussi diversifiée que les propriétés du matériau lui-même. Nous vous en présentons brièvement deux ci-dessous :

Précieux, lumineux et coloré.

Utilisé pour la production de pièces, notre niobium se présente sous son meilleur jour. Un procédé d'anodisation forme une fine couche d'oxyde sur une âme de niobium. La couche d'oxyde brille de différentes couleurs grâce à la réfraction de la lumière incidente. Ces couleurs peuvent être influencées en modifiant l'épaisseur de la couche. Du rouge au bleu : nous pouvons obtenir toutes les couleurs.

Mise en forme et résistance optimale.

Grâce à son haut degré de résistance et sa mise en forme optimale, le niobium est le matériau parfait pour la confection de creusets servant à fabriquer des diamants synthétiques polycristallins (PCD).

Qualité de fusion du niobium pur.

Nous fournissons le niobium prêt à la fusion sous forme de feuille, ruban ou barre. Nous sommes également à même de fabriquer des pièces complexes. Les propriétés de notre niobium pur sont :

  • Point de fusion élevé à 2468 °C
  • Ductilité élevée à température ambiante
  • Recristallisation entre 850 °C et 1300 °C ( dépendant du niveau de déformation et de pureté)
  • Forte résistance aux solutions aqueuses et aux métaux en fusion
  • Forte solubilité dans le carbone, l'oxygène, l'azote et l'hydrogène (risque de fragilisation)
  • Supraconductivité
  • Haut niveau de biocompatibilité

Un polyvalent: propriétés du niobium.

Le niobium appartient au groupe des métaux réfractaires. Les métaux réfractaires sont des métaux qui ont un point de fusion plus élevé que le platine (1772 °C). Dans les métaux réfractaires, l'énergie de liaison des atomes individuels est particulièrement élevé. Les métaux réfractaires ont un point de fusion élevé associé à une faible pression de vapeur, un haut module d'élasticité et une grande stabilité thermique. Les métaux réfractaires sont aussi caractérisés par un faible coefficient de dilatation thermique. Comparé aux autres métaux réfractaires, le niobium a une densité relativement faible de seulement 8.6 g/cm3

Le niobium se situe dans la même période que le molybdène dans le tableau périodique. Sa densité et son point de fusion sont comparables à ceux du molybdène. De la même manière, le niobium a tendance à se fragiliser avec l'hydrogène. Le traitement thermique du niobium se fait en vide poussé et non pas sous atmosphère d'hydrogène. Le deux, niobium et tantale offrent aussi un haut niveau de résistance aux attaques acides et une bonne formabilité.

A -263.95 °C, le niobium a la plus haute température de transition. En dessous de cette température, le niobium est supraconducteur. Et qui plus est, le niobium dispose d'une gamme de proriétés très particulières:

Propriétés
Numéro atomique41
Masse atomique92,91
Point de fusion 2 468 °C / 2 741 K
Point d'ébullition4 900 °C / 5 173 K
Volume atomique 1,80 · 10-29[m3]
Pression de vapeurà 1 800 °C
à 2 200 °C
5 · 10-6 [Pa]
4 · 10-3 [Pa]
Densité à 20 °C (293 K) 8.55 [g/cm3]
Structure cristallinecubique centrée
Constante du réseau cristallin 3.294 · 10-10 [m]
Dureté à 20 °C (293 K)recuit de détente
recristallisée
110 - 180 [HV10]
60 - 110 [HV10]
Module d'élasticité à 20 °C (293 K) 104 [GPa]
Coefficient de Poisson0,35
Coefficient de dilatation thermique linéaire à 20 °C (293 K) 7.1 · 10-6 [m/(m·K)]
Conductivité thermique à 20 °C (293 K) 52 [W/(m·K)]
Chaleur spécifique à 20 °C (293 K) 0.27 [J/(g·K)]
Conductivité électrique à 20 °C (293 K)7 · 106 [1/(Ω·m)]
Résistance électrique spécifique à 20 °C (293 K)0.14 [(Ω·mm2)/m]
Vitesse du son à 20 °C (293 K)Onde longitudinale
Onde transversale
4 900 [m/s]
2 100 [m/s]
Travail d'émission électronique4,3 [eV]
Section de capture de neutrons thermiques 1.15 · 10-28 [m2]
Température de recristallisation (temps de recuit : 1 heure)850 - 1 300 °C
Supraconductivité (température de transition) < -263.95 °C
/ < 9.2 K

Propriétés thermophysiques.

Comme tous les métaux réfractaires, le niobium a un point de fusion et une densité relativement élevés. Sa conductivité thermique est du même ordre de grandeur que celle du tantale mais plus basse que celle du tungstène. Le coefficient de dilatation thermique du niobium est plus élevé que celui du tungstène mais reste néanmoins bien en dessous de celui du fer ou de l'aluminium.

Les propriétés thermophysiques du niobium changent en fonction de la température :

Coefficient de dilatation thermique linéaire du niobium et du tantale
Chaleur spécifique du niobium et du tantale
Conductivité thermique du niobium et du tantale

Propriétés mécaniques.

Les propriétés techniques du niobium dépendent essentiellement de sa pureté et particulièrement de son contenu en oxygène, azote, hydrogène et carbone. Des concentrations de ces éléments, même minimes, peuvent produire un effet considérable. D'autres facteurs tels que le procédé de fabrication, le degré de déformation et le traitement thermique modifient également les propriétés matérielles du niobium.

Comme la plupart des métaux réfractaires, le niobium possède un réseau cristallin cubique centré. La température de transition fragile-ductile du niobium est inférieure à la température ambiante. Le niobium est donc facile à mettre en forme.

À température ambiante, l'allongement à la rupture du niobium est de plus de 20 %. L'augmentation de la déformation rend le matériau plus solide mais fait chuter son allongement à la rupture. Le matériau perd en ductilité mais il ne devient pas pour autant fragile.

À 104 GPa à température ambiante, le module d'élasticité du niobium est plus faible que celui du tungstène, molybdène ou tantale. Le module d'élasticité diminue avec l'augmentation de la température. À environ 1 800 °C, la valeur est de 50 GPa.

Module d'élasticité du niobium comparé à celui du tungstène, du molybdène et du tantale.

Grâce à sa forte ductilité, le niobium est fortement conseillé pour les procédés de mise en forme tels que le pliage, l'estampage, le pressage ou l'emboutissage. Pour éviter le soudage à froid, il est préférable d'utiliser des outils en acier ou en métal dur. Il est difficile d'utiliser des procédés de coupe avec le niobium. Les puces ne se découpent pas proprement. Par conséquent, nous vous recommandons d'utiliser des outils munis de brise-copeaux. Le niobium offre une soudabilité optimale par rapport au tungstène et au molybdène.

Vous avez des questions au sujet du traitement mécanique des métaux réfractaires ? Fort de nos nombreuses années d'expérience, nous serons ravis de pouvoir vous aider.

Comportement chimique.

Le niobium est naturellement recouvert d'une couche d'oxyde dense. Cette couche d'oxyde le protège et le rend fortement résistant à la corrosion. À température ambiante, le niobium est résistant à pratiquement toutes les substances inorganiques sauf à : l'acide sulfurique concentré, le fluor, le fluorure d'hydrogène, l'acide fluorhydrique et l'acide oxalique. Le niobium est résistant aux solutions aqueuses d'ammoniac.

Les solutions alcalines, l'hydroxyde de sodium fondu et l'hydroxyde de potassium attaquent le niobium. Les éléments dissous de façon interstitielle, et notamment l'hydrogène, peuvent également fragiliser le niobium. La résistance du niobium à la corrosion diminue quand les températures augmentent et lorsqu'il est en contact avec des solutions composées de divers produits chimiques. À température ambiante, le niobium est totalement résistant à toute substance non métallique sauf au fluor. Cependant, il réagit avec le chlore, le brome, l'iode, le souffre et le phosphore à des températures supérieures à 150 °C.

Résistance à la corrosion provoquée par l'eau, les solutions aqueuses et les non-métaux
EauEau chaude < 150 °Crésistant
Acides inorganiques Acide chlorhydrique < 30 % jusqu'à 110 °C
Acide sulfurique < 98 % jusqu'à 100 °C
Acide nitrique < 65 % jusqu'à 190 °C
Acide fluorhydrique < 60 %
Acide phosphorique < 85 % jusqu'à 90 °C
résistant
résistant
résistant
pas résistant
résistant
Acides organiques Acide acétique < 100 % jusqu'à 100 °C
Acide oxalique < 10 %
Acide lactique < 85 % jusqu'à 150 °C
Acide tartrique < 20 % jusqu'à 150 °C
résistant
pas résistant
résistant
résistant
Soudes caustiquesHydroxyde de sodium < 5 %
Hydroxyde de potassium < 5 %
Solutions d'ammoniac < 17 % jusqu'à 20 °C
Carbonate de sodium < 20 % jusqu'à 20 °C
pas résistant
pas résistant
résistant
résistant
Solutions salines Chlorure d'ammonium < 150 °C
Chlorure de calcium < 150 °C
Chlorure ferrique < 150 °C
Chlorate de potassium < 150 °C
Liquides organiques < 150 °C
Sulfate de magnésium < 150 °C
Nitrate de sodium < 150 °C
Chlorure d'étain < 150 °C
résistant
résistant
résistant
résistant
résistant
résistant
résistant
résistant
Non-métalliqueFluor
Chlorure < 100 °C
Brome < 100 °C
Iode < 100 °C
Souffre < 100 °C
Phosphore < 100 °C
Bore < 800 °C
pas résistant
résistant
résistant
résistant
résistant
résistant
résistant

 

 

Le niobium est résistant à toute une série de fusions de métaux, tels que l'Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, K, Li, Mg, Na et Pb, étant donné que ces fusions ont une forte teneur en oxygène. L'Al, Fe, Be, Ni, Co, Zn et Sn affectent tous le niobium.

Résistance à la corrosion provoquée par les fusions de métaux
Aluminiumpas résistantLithium résistant à < 1 000 °C
Bérylliumpas résistantMagnésium résistant à < 950 °C
Plomb résistant à < 850 °CSodium résistant à < 1 000 °C
Cadmium résistant à < 400 °CNickelpas résistant
Césium résistant à < 670 °CMercure résistant à < 600°C
Ferpas résistantArgent résistant à < 1 100 °C
Gallium résistant à < 400 °CBismuth résistant à < 550°C
Potassium résistant à < 1 000 °CZincpas résistant
Cuivre résistant à < 1 200 °CÉtainpas résistant
Cobaltpas résistant

 

Le niobium ne réagit pas avec les gaz nobles. Les gaz nobles purs peuvent donc être utilisés comme gaz protecteurs. En revanche, lorsque la température augmente, le niobium réagit fortement avec l'oxygène de l'air, l'azote et l'hydrogène. Le recuit du matériau dans un système de vide poussé à plus de 1 700 °C peut de nouveau supprimer l'oxygène et l'azote. L'hydrogène est quant à lui supprimé à des températures plus basses, à environ 800 °C. Le procédé conduit à une perte de matériau relative aux oxydes volatiles et à la recristallisation de la structure.

Résistance à la corrosion provoquée par les gaz
Oxygène et air résistant à < 230 °C Vapeur d'eau résistant à < 150 °C
Hydrogène résistant à < 250 °CMonoxyde de carbone résistant à < 800 °C
Azote résistant à < 300 °CDioxyde de carbone résistant à < 400 °C
Hydrocarbures résistant à < 700 °CGaz nobles résistant
Ammoniac résistant à < 300 °C

 

Souhaitez-vous utiliser du niobium dans votre four ? Remarque : le niobium peut réagir avec les composants fait en oxydes ou graphite réfractaires. Même les oxydes très stables tels que l'aluminium, le magnésium ou l'oxyde de zirconium peuvent être diminués à haute température lorsqu'ils sont en contact avec du niobium. Un contact avec du graphite peut entrainer une formation de carbures, ce qui engendre une fragilisation du niobium. Bien qu'il se combine généralement facilement avec le molybdène et le tungstène, le niobium peut réagir avec le nitrure de bore hexagonal et le nitrure de silicium. Les températures limites indiquées dans le tableau ci-dessous sont valables uniquement dans un système de vide poussé. Si vous utilisez un gaz protecteur, ces valeurs diminuent de 100 °C à 200 °C.

Fragilisation par l'hydrogène
Acide sulfurique 98 % à 20 °C Hydrogène atomique > 25 °C
Acide sulfurique 10 % à 190 °C Acide oxalique 10 % à 20 °C
Acide phosphorique 85 % à 100 °C Hydroxyde de sodium 5 % à 100 °C
Acide chlorhydrique 30 % à 100 °C Hydrogène à 250 °C

Mesures contre la fragilisation par l'hydrogène :

  • Isolation électrique des métaux
  • Polarisation positive des métaux (env. + 15 V)
  • Ajout d'oxydants à la solution
  • Surfaces métalliques mises en forme
  • Contact électrique avec un métal plus noble (ex. Pt, Au, Pd, Rh, Ru)

Il est possible de régénérer le niobium fragilisé par la présence d'hydrogène au moyen d'un recuit sous vide poussé à 800 °C.

Présence naturelle et préparation.

En 1801, Charles Hatchett, chimiste britannique, analysa une pierre noire provenant d'Amérique. Il découvrit qu'elle contenait un élément jusqu'à ce jour inconnu qu'il appela Columbium en souvenir de son pays d'origine. Son nom actuel, niobium, a été inventé bien plus tard en 1844 par un second découvreur, Heinrich Rose. Ce dernier fut le premier à distinguer le niobium du tantale. Avant cela, il était impossible de différencier les deux matériaux. Heinrich Rose nomma le nouveau matériau niobium en référence à Niobé, la fille du roi Tantale. C'était un moyen de souligner le lien entre les deux métaux. Le niobium sous forme métallique a été fabriqué pour la première fois par C. W. Blomstrand en 1864 grâce à une méthode de réduction. Le nom officiel du niobium n'a été fixé que 100 ans plus tard après une longue période de conflit. L'Union internationale de chimie pure et appliquée a finalement tranché et adopté la désignation « niobium ».

Le plus souvent, le niobium se développe naturellement sous forme de minerai de columbite, également connu sous le nom de niobite et de formule chimique (Fe,Mn) [(Nb,Ta)O3]2. Une autre source importante du niobium est le pyrochlore, un niobate de calcium à structure complexe. On trouve ces dépôts de minerai en Australie, au Brésil et dans certains pays d'Afrique.

Les minerais sont traités en plusieurs étapes pour obtenir des concentrés pouvant aller jusqu'à 70 % de (Ta,Nb)2O5. Ces concentrés sont ensuite dissous dans de l'acide fluorhydrique et sulfurique. Puis, les composés de fluorure de tantale et de niobium sont séparés par un procédé d'extraction. Le fluorure de niobium est oxydé avec de l'oxygène pour former le pentoxyde de niobium. Il est, ensuite, réduit par le carbone à 2 000 °C pour produire le niobium sous forme métallique. Le niobium ultra-pur est obtenu par un procédé de refonte par faisceau d'électrons.

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