Ниобий
На самом деле ниобий, как и все остальные металлы, серый. Однако, используя пассивирующий слой оксида, мы делаем так, что наш металл светится красивейшими цветами. Но ниобий — это не просто металл, приятный глазу. Как и тантал, он устойчив во многих химических веществах и легко поддается формовке даже при низкой температуре.
Ниобий отличается тем, что высокий уровень коррозионной стойкости сочетается в нем с малым весом. Мы используем этот материал для производства вставок в монеты любых цветов, коррозионностойких выпарительных чаш для использования в технике для нанесения покрытий и формоустойчивых тиглей для выращивания алмазов. Благодаря высокому уровню биологической совместимости ниобий также используется в качестве материала для имплантатов. Высокая температура перехода также делает ниобий идеальным материалов для сверхпроводящих кабелей и магнитов.
| Сферы применения ниобия | |
|---|---|
| Атомное число | 41 |
| CAS | 7440-03-1 |
| Атомная масса | 92,91 |
| Температура плавления | 2468 °C |
| Температура кипения | 4744 °C |
| Атомный объем | 0,0180 [нм³] |
| Плотность при 20 °C | 8,57 [г/см³] |
| Кристаллическая структура | объемноцентрированная кубическая |
| Постоянная кристаллической решетки | 329 [пм] |
| Наличие в земной коре | 20,0 [г/т] |
Гарантированная чистота
Вы можете быть уверенными в качестве нашей продукции. В качестве исходного материала мы используем только чистейший ниобий. Так мы гарантируем вам чрезвычайно высокую чистоту материала.
Монеты и алмазы. Сферы применения ниобия.
Сферы применения нашего ниобия столь же разнообразны, как и свойства самого материала. Ниже мы кратко представим вам две из них:
Ценная и цветная
В самом выгодном свете наш ниобий предстает при производстве монет. В результате анодирования на поверхности ниобия образуется тонкий слой оксида. Из-за преломления света этот слой светится различными цветами. Мы можем влиять на эти цвета, изменяя толщину слоя. От красного до синего: возможны любые цвета.
Превосходная формуемость и стойкость
Высокая коррозионная стойкость и превосходная формуемость делают ниобий идеальным материалом для тиглей, используемых для производства искусственных поликристаллических алмазов (PCD). Наши ниобиевые тигли используются для высокотемпературного синтеза при высоком давлении.
Чистый ниобий, полученный плавкой
Мы поставляем наш ниобий, полученный плавкой, в виде листов, лент или прутков. Мы также можем изготавливать из него продукты сложной геометрии. Наш чистый ниобий обладает следующими свойствами:
- высокая температура плавления, составляющая 2468 °C
- высокая пластичность при комнатной температуре
- рекристаллизация при температуре от 850 до 1300 °C
(в зависимости от степени деформации и чистоты) - высокая стойкость в водных растворах и расплавах металлов
- высокая способность к растворению углерода, кислорода, азота и водорода (риск повышения хрупкости)
- сверхпроводимость
- высокий уровень биологической совместимости
Хорош во всех отношениях: характеристики ниобия.
Ниобий относится к группе тугоплавких металлов. Тугоплавкие металлы — это металлы, температура плавления которых превышает температуру плавления платины (1772 °C). В тугоплавких металлах энергия, связывающая отдельные атомы, чрезвычайно высока. Тугоплавкие металлы отличаются высокой температурой плавления в сочетании с низким давлением пара, высоким модулем упругости и высокой термической стабильностью. Кроме того, тугоплавкие металлы имеют низкий коэффициент теплового расширения. По сравнению с другими тугоплавкими металлами ниобий имеет относительно низкую плотность — всего 8,57 г/см3.
В периодической системе химических элементов ниобий находится в том же периоде, что и молибден. В связи с этим его плотность и температура плавления сравнимы с плотностью и температурой плавления молибдена. Как и тантал, ниобий подвержен водородной хрупкости. По этой причине термическая обработка ниобия выполняется в высоком вакууме, а не в водородной среде. И ниобий, и тантал также обладают высокой коррозионной стойкостью во всех кислотах и хорошей формуемостью.
Ниобий имеет самую высокую температуру перехода среди всех элементов, и она составляет -263,95 °C. При температуре ниже указанной ниобий является сверхпроводящим. Более того, ниобий обладает рядом крайне специфических свойств:
| Свойства | ||
|---|---|---|
| Атомное число | 41 | |
| Атомная масса | 92,91 | |
| Температура плавления | 2468 °C/2741 °K | |
| Температура кипения | 4744 °C/5017 °K | |
| Атомный объем | 1,80 · 10-29 [м3] | |
| Давление пара | при 1800 °C при 2200 °C | 5 · 10-6 [Па] 4 · 10-3 [Па] |
| Плотность при 20 °C (293 °K) | 8,57 [г/см3] | |
| Кристаллическая структура | объемноцентрированная кубическая | |
| Постоянная кристаллической решетки | 329 [пм] | |
| Твердость при 20 °C (293 °K) | деформированный рекристаллизованный | 110–180 [HV10] 60–110 [HV10] |
| Модуль упругости при 20 °C (293 °K) | 104 [ГПa] | |
| Коэффициент Пуассона | 0,35 | |
| Коэффициент линейного теплового расширения при 20 °C (293 °K) | 7,1 · 10–6 [м/(м·K)] | |
| Теплопроводность при 20 °C (293 °K) | 53,7 [Вт/(м•K)] | |
| Удельная теплоемкость при 20 °C (293 °K) | 0,27 [Дж/(г·K)] | |
| Электропроводность при 20 °C (293 °K) | 7,1 · 106[1/Ом•м)] | |
| Удельное электрическое сопротивление при 20 °C (293 °K) | 0,141 [(Ом·мм2)/м] | |
| Скорость звука при 20 °C (293 °K) | Продольная волна Поперечная волна | 4920 [м/с] 2100 [м/с] |
| Работа выхода электрона | 4,3 [эВ] | |
| Сечение захвата тепловых нейтронов | 1,15 · 10-28 [м2] | |
| Температура рекристаллизации (продолжительность отжига: 1 час) | 850–1300 °C | |
| Сверхпроводимость (температура перехода) | < -263,95 °C / < 9,2 °K | |
Термофизические свойства
Как и все тугоплавкие металлы, ниобий имеет высокую температуру плавления и относительно высокую плотность. Теплопроводность ниобия сравнима с теплопроводностью тантала, но ниже, чем у вольфрама. Коэффициент теплового расширения ниобия выше, чем у вольфрама, но все же значительно ниже, чем у железа или алюминия.
Теплофизические свойства ниобия изменяются при изменении температуры:
Механические свойства
Механические свойства ниобия зависят прежде всего от его чистоты и, в частности, содержания кислорода, азота, водорода и углерода. Даже малые концентрации этих элементов могут оказывать значительное влияние. К другим факторам, оказывающим воздействие на свойства ниобия, относятся технология производства, степень деформации и термическая обработка.
Как и практически все тугоплавкие металлы, ниобий имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку. Температура хрупко-вязкого перехода ниобия ниже комнатной. По этой причине ниобий крайне легко поддается формовке.
При комнатной температуре удлинение при разрыве составляет более 20 %. При увеличении степени холодной обработки металла повышается его прочность и твердость, но одновременно снижается удлинение при разрыве. Хотя материал теряет пластичность, он не становится хрупким.
При 104 ГПа и при комнатной температуре модуль упругости ниобия меньше, чем у вольфрама, молибдена или тантала. Модуль упругости падает с ростом температуры. При температуре около 1800 °С это значение составляет 50 ГПа.
Благодаря высокой пластичности ниобий оптимально подходит для формовочных процессов, таких как гибка, штамповка, прессование или глубокая вытяжка. Для предотвращения холодной сварки рекомендуется использовать инструменты из стали или твердого металла. Ниобий с трудом поддается резке. Стружка плохо отделяется. В связи с этим мы рекомендуем использовать инструменты со стружкоотводными ступеньками. Ниобий отличается превосходной свариваемостью в сравнении с вольфрамом и молибденом.
У вас есть вопросы о механической обработке тугоплавких металлов? Мы будем рады помочь вам, используя наш многолетний опыт.
Химические свойства
Ниобий от природы покрыт плотным слоем оксида. Слой оксида защищает материал и обеспечивает высокую коррозионную стойкость. При комнатной температуре ниобий не является устойчивым лишь в нескольких неорганических веществах: это концентрированная серная кислота, фтор, фтороводород, фтористоводородная кислота и щавелевая кислота. Ниобий устойчив в водных растворах аммиака.
Щелочные растворы, жидкий гидроксид натрия и гидроксид калия также оказывают химическое воздействие на ниобий. Элементы, образующие твердые растворы внедрения, в частности водород, также могут сделать ниобий хрупким. Коррозионная стойкость ниобия падает при повышении температуры и при контакте с растворами, состоящими из нескольких химических веществ. При комнатной температуре ниобий полностью устойчив в среде любых неметаллических веществ, за исключением фтора. Однако при температуре выше примерно 150 °C ниобий вступает в реакцию с хлором, бромом, йодом, серой и фосфором.
| Коррозионная стойкость в воде, водных растворах и в среде неметаллов | ||
|---|---|---|
| Вода | Горячая вода < 150 °C | стойкий |
| Неорганические кислоты | Соляная кислота < 30 % до 110 °C Серная кислота < 98 % до 100 °C Азотная кислота < 65 % до 190 °C Фтористо-водородная кислота < 60 % Фосфорная кислота < 85 % до 90 °C | стойкий стойкий стойкий нестойкий стойкий |
| Органические кислоты | Уксусная кислота < 100 % до 100 °C Щавелевая кислота < 10 % Молочная кислота < 85 % до 150 °C Винная кислота < 20 % до 150 °C | стойкий нестойкий стойкий стойкий |
| Щелочные растворы | Гидроксид натрия < 5 % Гидроксид калия < 5 % Аммиачные растворы < 17 % до 20 °C Карбонат натрия < 20 % до 20 °C | нестойкий нестойкий стойкий стойкий |
| Соляные растворы | Хлорид аммония < 150 °C Хлорид кальция < 150 °C Хлорид железа < 150 °C Хлорат калия < 150 °C Биологические жидкости < 150 °C Сульфат магния < 150 °C Нитрат натрия < 150 °C Хлорид олова < 150 °C | стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий |
| Неметаллы | Фтор Хлор < 100 °C Бром < 100 °C Йод < 100 °C Сера < 100 °C Фосфор < 100 °C Бор < 800 °C | не стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий |
Ниобий устойчив в некоторых расплавах металлов, таких как Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, °K, Li, Mg, Na и Pb, при условии что эти расплавы содержат малое количество кислорода. Al, Fe, Be, Ni, Co, а также Zn и Sn все оказывают химическое воздействие на ниобий.
| Коррозионная стойкость в расплавах металлов | |||
|---|---|---|---|
| Алюминий | нестойкий | Литий | стойкий при температуре < 1000 °C |
| Бериллий | нестойкий | Магний | стойкий при температуре < 950 °C |
| Свинец | стойкий при температуре < 850 °C | Натрий | стойкий при температуре < 1000 °C |
| Кадмий | стойкий при температуре < 400 °C | Никель | нестойкий |
| Цезий | стойкий при температуре < 670 °C | Ртуть | стойкий при температуре < 600°C |
| Железо | нестойкий | Серебро | стойкий при температуре < 1100 °C |
| Галлий | стойкий при температуре < 400 °C | Висмут | стойкий при температуре < 550°C |
| Калий | стойкий при температуре < 1000 °C | Цинк | нестойкий |
| медь | стойкий при температуре < 1200 °C | Олово | нестойкий |
| Кобальт | нестойкий | ||
Ниобий не вступает в реакцию с инертными газами. По этой причине чистые инертные газы могут использоваться в качестве защитных газов. Однако при повышении температуры ниобий активно вступает в реакцию с содержащимися в воздухе кислородом, азотом и водородом. Кислород и азот можно устранить путем отжига материала в высоком вакууме при температуре выше 1700 °C. Водород устраняется уже при 800 °C. Такой процесс приводит к потере материала из-за образования летучих оксидов и рекристаллизации структуры.
| Коррозионная стойкость в газовой среде | |||
|---|---|---|---|
| Кислород и воздух | стойкий при температуре < 230 °C | Водяной пар | стойкий при температуре < 150 °C |
| Водород | стойкий при температуре < 250 °C | Угарный газ | стойкий при температуре < 800 °C |
| Азот | стойкий при температуре < 300 °C | Углекислый газ | стойкий при температуре < 400 °C |
| Углеводороды | стойкий при < 700 °C | Инертные газы | стойкий |
| Аммиак | стойкий при температуре < 300 °C | ||
Вы хотите использовать ниобий в своей промышленной печи? Обратите внимание на то, что ниобий может вступать в реакцию с деталями конструкции, изготовленными из тугоплавких оксидов или графита. Даже очень устойчивые оксиды, такие как оксид алюминия, магния или циркония, могут подвергаться восстановлению при высокой температуре, если они вступают в контакт с ниобием. При контакте с графитом могут образовываться карбиды, которые приводят к повышению хрупкости ниобия. Хотя обычно ниобий можно легко комбинировать с молибденом или вольфрамом, он может вступать в реакцию с гексагональным нитридом бора и нитридом кремния. Указанные в таблице предельные температуры действительны для вакуума. При использовании защитного газа эти температуры примерно на 100–200 °C ниже.
| Водородная хрупкость | |
|---|---|
| Серная кислота 98 % до 20 °C | Атомарный водород > 25 °C |
| Серная кислота 10 % при 190 °C | Щавелевая кислота 10 % при 20 °C |
| Фосфорная кислота 85 % при 100 °C | Гидроксид натрия 5 % при 100 °C |
| Соляная кислота 30 % при 100 °C | Водород при 250 °C |
Меры против водородной хрупкости:
- электрическая изоляция металлов
- положительная поляризация металлов (прибл. + 15 В)
- добавление окислителей в раствор
- формованные металлические поверхности
- электрический контакт с более благородным металлом (например, Pt, Au, Pd, Rh, Ru)
Ниобий, ставший хрупким при контакте с водородом, можно регенерировать посредством отжига в высоком вакууме при температуре 800 °C.
Распространенность в природе и подготовка
В 1801 году английский химик Чарльз Хэтчетт исследовал тяжелый черный камень, привезенный из Америки. Он обнаружил, что камень содержит неизвестный на тот момент элемент, который он назвал колумбием по его стране происхождения. Название, под которым он известен сейчас — ниобий, — было дано ему в 1844 году его вторым открывателем Генрихом Розе. Генрих Розе стал первым человеком, которому удалось отделить ниобий от тантала. До этого отличить эти два материала было невозможно. Розе дал металлу название ниобий по имени дочери царя Тантала Ниобии. Тем самым он хотел подчеркнуть тесное родство двух металлов. Металлический ниобий был впервые получен путем восстановления в 1864 году К. В. Бломстрандом. Официальное название ниобий получил только спустя примерно 100 лет после долгих споров. Международное объединение теоретической и прикладной химии признало «ниобий» официальным названием металла.
Ниобий чаще всего встречается в природе в виде колумбита, также известного как ниобит, химическая формула которого (Fe,Mn) [(Nb,Ta)O3]2. Другим важным источником ниобия является пирохлор, ниобат кальция сложной структуры. Месторождения этой руды находятся в Австралии, Бразилии и некоторых африканских странах.
Добываемые руды перерабатываются на нескольких различных стадиях с получением концентратов до 70 % (Ta, Nb)2O5. Затем они растворяются во фтороводородной и серной кислотах. После этого соединения фторида тантала и ниобия разделяют с использованием процесса экстракции. Фторид ниобия окисляется кислородом с образованием пентоксида ниобия, а затем восстанавливается углеродом при 2000 °C с образованием металлического ниобия. После этого получают сверхчистый ниобий, применяя дополнительный процесс электронно-лучевого переплава.