Температура плавления ниобия

Ниобий. Свойства ниобия. Применение ниобия

Описание и свойства ниобия

Ниобий – элемент, относящийся к пятой группе периодической таблицы , 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 тантал 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 сплавов , 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.

Ниобий

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.

Химический элемент ниобий

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:

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:

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Физико-химические свойства ниобия и его соединений

Порядковый номер ниобия в периодической системе элементов 41, атомная масса 92,91. В природе имеется только один естественный изотоп 93Nb; искусственные изотопы имеют атомную массу от 89 до 99.

Ниобий имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку с координационным числом 8, параметр решетки а = 0,3294 нм, полиморфных изменений ниобий не претерпевает вплоть до температуры плавления. Атомный радиус ниобия составляет 0,147 нм, ионный радиус ниобия 0,066 нм, атомный объем 10,8 см3/г*атом.

Плотность твердого ниобия при 293 К составляет 8,57 г/см3, плотность жидкого ниобия 7,7 г/см3.

В химических соединениях ниобий наиболее часто выступает как пятивалентный металл; известны также его соединения с валентностью 4, 3, 2 и даже 1.

Температура плавления ниобия 2741 ± 10 К, температура кипения 5200 К.

Упругость пара ниобия в интервале 2304—2596 К определяется уравнением
Теплота сублимации ниобия при 25° С—722 кДж/г-атом. Теплота плавления ниобия составляет 26796 Дж/г-атом, скрытая теплота испарения 697 кДж/г-атом.

Система ниобий—кислород. В этой системе установлены четыре фазы (рис. 122): твердый раствор кислорода в ниобии, окись ниобия NbO (14,69% О), двуокись ниобия NbO2 (22,65%О) и пятиокись ниобия Nb2O5 (30,09%О).

Твердый раствор кислорода в ниобии и окись NbO при 10,5 % О образуют эвтектику, плавящуюся при 2218 К. Эвтектика, образованная окисью и двуокисью ниобия, соответствует 21% О и плавится при 2083 К.

Температурная зависимость растворимости кислорода в ниобии в интервале 1023—1813 К определяется уравнением:
Теплота растворения кислорода в ниобии составляет 52,3 кДж/моль.

Область гомогенности окиси ниобии заключена в узких пределах от NbO0,94 до NbO1,04. Плотность NbO равна 7,30 г/см3, молекулярный объем 15,0 см3. Температура плавления окиси ниобия составляет 2218 К.

Двуокись ниобия NbO2 имеет плотность 5,98 г/см3, молекулярный объем 20,5 см3. Область гомогенности двуокиси ниобия составляет Nb) 1,94—NbO2,07. Температура плавления NbO2 равна 2188 К, теплота образования 1594300 Дж/моль.
Установлены две модификации пятиокиси ниобия: а-Nb2O5, устойчивая при температурах 1770 К эта фаза распадается на р- и n-фазы;

3) n-фаза, соответствующая соединению Fe2Nb3 и так же, как p-фаза, обладающая широкой областью гомогенности — 56,5—64,5% (атомн.) Nb; максимальная точка ликвидуса для сплавов этой области составляет — 2100 К;

4) p-фаза, находящаяся в области высоких концентраций ниобия и устойчивая при 1420—1870 К; температура плавления сплавов в этой области превышает 2270 К.

Из диаграммы состояния Fe—Nb следует, что температура ликвидуса двойных сплавов железа с ниобием в области концентраций ниобия 60—65% не превышает 1940 К; дальнейшее увеличение содержания ниобия в сплаве вызывает заметный рост точки ликвидуса. Следует отметить, что даже при 50—65% Nb температура ликвидус сплавов превышает оптимальную как для легирования стали, так и для алюминотермического процесса.
Система ниобий—углерод. В этой системе (рис. 126) имеются монокарбид NbC, гомогенный в области составов от NbC0,72 до NbC1,00 и субкарбид Nb2C, область гомогенности которого лежит в пределах от NbC0,35 до NbC0,50.

Растворимость углерода в ниобии при 2500 К составляет 0,8% и резко снижается с уменьшением температуры: при комнатной температуре она равна 0,02% (атомн.). Ниобий не растворяется в твердом углероде.

Температура плавления монокарбида ниобия 3723 +/- 125 К, температура кипения 4723 К. Теплота образования NbC в стандартных условиях 140670 +/- 3 350 Дж/моль. Поскольку температура плавления карбида ниобия NbC значительно выше, чем ниобия, он кристаллизуется главным образом внутри зерен и не препятствует горячей деформации металла при 1700—1800 К.

Монокарбид ниобия образует с карбидами многих легирующих элементов непрерывные ряды двойных твердых растворов. Как следует из рис. 127, изменение параметров решетки (г. ц. к.) при образовании твердых растворов с карбидами Zr, Ta, Ti и V очень близко к аддитивному.

Система ниобий—азот. Ниобий энергично взаимодействует с молекулярным азотом, образуя при нагревании твердые нитриды. При взаимодействии азота с ниобием в обычных условиях образуются следующие пять фаз:

1) твердый раствор азота в ниобии (теплота растворения 19260 Дж/моль);

2) нитрид Nb2N (в-фаза) с областью гомогенности при 1470—1670 К от NbN0,40 до NbN0,50, плотность этого нитрида 8,33 г/см3;

3) нитрид с областью гомогенности NbN0,80—NbN0,90 (у-фаза);

4) мононитрид NbN (b-фаза), область гомогенности которого находится в пределах NbN0,88 — NbN0,98; плотность этого нитрида 8,40 г/см3, теплота образования 250 +/- 20 кДж/моль; выше 2570 К нитрид NbN разлагается;

5) нитрид с областью гомогенности от NbN1,00 до NbN1,018 (е-фаза), устойчив до 1640 К; выше этой температуры e-фаза обедняется азотом и переходит в b-фазу.
Нитрид ниобия NbN дает непрерывные твердые растворы с нитридами циркония, титана и ванадия, при этом значения постоянной кристаллической решетки меняются по зависимости, близкой к линейной.

При взаимодействии нитрида NbN и карбида ниобия NbC также образуется непрерывный ряд твердых растворов с почти аддитивным изменением параметров кристаллической решетки. Нитрид NbN также образует непрерывный ряд твердых растворов с карбидом Nb2C.

Система ниобий—водород. Водород растворяется в ниобии в атомарном состоянии; при этом образование твердого раствора является экзотермической реакцией, тепловой эффект которой увеличивается с ростом концентрации водорода от 1990 Дж/г*атом при атомном отношении H : Nb, равном 0,05, до 15 700 Дж/г*атом при H : Nb = 0,5.

Максимальная растворимость водорода в металлическом ниобии достигает 10% (атомн.), при более высоких его концентрациях образуются гидриды ниобия NbH0,5 и NbH. Гидрид ниобия NbH устойчив при комнатной температуре, при нагревании он окисляется до Nb2O5. В вакууме при нагревании до 1170 К поглощенный ниобием водород почти полностью удаляется.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Температура – плавление – ниобий

Температура плавления ниобия ниже, чем у тантала, а потому приходится снижать температуру спекания прессованных анодов до 1900 С и даже ниже; это ухудшает удаление примесей из анода в процессе спекания и дает увеличение тока утечки по сравнению с танталовыми конденсаторами, это же обстоятельство снижает верхний предел рабочей температуры. [2]

Данные различных исследователей, определявших температуру плавления ниобия , сильно расходятся, что обусловлено значительным влиянием на Зту характеристику присутствующих в металле примесей. [3]

С увеличением содержания кислорода в металле температура плавления ниобия снижается, чем в значительной степени объясняется разноречивость данных из различных источников. [4]

Ниобий обладает высокой кислотостойкостью, он чрезвычайно пластичен, его можно обрабатывать на холоде, температура плавления ниобия 2500 С. Из сплава ниобия с цезием изготовляют центральную часть атомного реактора. Тантал – тугоплавкий металл, температура плавления 2996 С, коррозионно стоек, применяется в виде пластинок и проволоки в костной и пластической хирургии. Осмий – самый тяжелый и твердый металл, очень износоустойчив, наплавляется на хирургический инструмент, золотые перья, долгоиграющие иглы, оси и опоры точных измерительных приборов и часовых механизмов. [5]

Максимального упрочнения при равных размерных эффектах при высоких температурах следует ожидать при добавлении элементов, повышающих температуру плавления ниобия . Это предположение основано на увеличении сил электронной связи, обнаруживаемом в ряду переходных металлов по мере приближения электронных структур к структурам металлов VI группы. Металлы, обнаруживающие значительную растворимость в ниобии, на основе приведенных выше соображений должны располагаться в порядке уменьшения эффективности упрочнения при высоких температурах следующим образом: W, Мо, Та, V, Ш, Zr и Ti. Так как высокоактивные элементы IV группы Hf, Zr, Ti могут усложнить эффекты взаимодействия, в настоящем исследовании рассматривается влияние вольфрама, молибдена, тантала и ванадия, главным образом влияние легирования твердого раствора, на характеристики длительной прочности. [6]

Для ракетной техники и атомной энергетики необходимы металлы и сплавы, выдерживающие высокие температуры, – ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений. Температура плавления ниобия 2450 С, он лластичен, устойчив против атмосферной коррозии, действия кислот и щелочей. Большая реакционная способность ниобия при нагревании в сочетании с его тугоплавкостью затрудняет получение компактного металла на его основе. Получение компактного ниобия должно проводиться в условиях вакуума. Водород и гидриды сравнительно легко удаляются при нагревании металла в вакууме до 700 С. Удаление кислорода путем улетучивания окислов происходит с заметной скоростью яри нагревании до 1900 – 2000 С. В результате вакуумного рафи – п нирования при температуре 2300 – 2350 С из ниобия удаляются не только адсорбированные и растворенные газы, но и такие примеси, как свинец, кремний, железо. [7]

Для ракетной техники и атомной энергетики необходимы металлы и сплавы, выдерживающие высокие температуры: ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений. Температура плавления ниобия 2450 С, он пластичен, устойчив против атмосферной коррозии, действия кислот и щелочей. Однако при нагревании на воздухе до 400 С и выше ниобий интенсивно окисляется и поглощает газы: кислород, водород и азот, которые образуют с металлом твердые растворы и химические соединения и резко снижают пластичность металла. Большая реакционная способность ниобия при нагревании в сочетании с его тугоплавкостью затрудняет получение чистого металла в обычных условиях, поэтому получение ниобия должно проводиться в вакууме. [8]

Кроме того, более высокая прочность сплава Nb – 20Та – 15 4W – 6 2Mo по сравнению с Nb – 17W – 7Мо показывает, что для длительной службы при 1370 С сплавов Nb – W – Мо – Та тантал имеет весьма значительный упрочняющий эффект. Наблюдения хорошо согласуются с предположением, которое сделано исходя из понятия гомологической температуры, так как вольфрам и тантал наиболее эффективно увеличивают температуру плавления ниобия . [10]

С повышением температуры растворимость кислорода повышается до 0 72 вес. После достижения предела растворимости образуются окислы. В настоящее время установлено существование трех окислов: NbO, NbO2 и IM Os. Все окислы имеют температуру плавления ниже температуры плавления ниобия . При нагреве в вакууме до высоких температур твердый раствор кислорода в ниобии распадается, а окисел Nb2Os переходит в NbO2, выделяя кислород. [11]