Физические свойства ниобия

Ниобий -- блестящий серебристо-серый металл.

Элементарный ниобий - чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (№205). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.

Кристаллическая решетка Ниобия объемно центрированная кубическая с параметром а = 3,294A.

Чистый металл пластичен и может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0, 01 мм.) в холодном состоянии без промежуточного отжига.

Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами -- вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.

Плотность 8,57 г/см3 (20 °С); tпл 2500 °С; tкип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м2) 1·10-5 (2194 °С), 1·10-4 (2355 °С), 6·10-4 (при tпл), 1·10-3 (2539 °С).

При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Начало окисления (плёнки побежалости) наблюдается при нагревании металла до 200 -- 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Nb2O5.

Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10-8 ом·м (15,22·10-6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.

Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм234,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобиы по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.

Химические свойства ниобия

Ниобий особенно ценится за его устойчивость к действию неорганических и органических веществ.

Есть разница в химическом поведении порошкообразного и кускового металла. Последний более устойчив. Металлы на него не действуют, даже если нагреть их до высоких температур. Жидкие щелочные металлы и их сплавы, висмут, свинец, ртуть, олово могут находиться в контакте с ниобием долго, не меняя его свойств. С ним ничего не могут поделать даже такие сильные окислители, как хлорная кислота, «царская водка», не говоря уж об азотной, серной, соляной и всех прочих. Растворы щелочей на ниобий тоже не действуют.

Существует, однако, три реагента, которые могут переводить металлический ниобий в химические соединения. Одним из них является расплав гидроксида какого-либо щелочного металла:

4Nb+4NaOH+5О2 = 4NaNbO3+2H2О

Двумя другими являются плавиковая кислота (HF) или ее смесь с азотной (HF+HNO). При этом образуются фторидные комплексы, состав которых в значительной степени зависит от условий проведения реакции. Элемент в любом случае входит в состав аниона типа 2- или 2-.

Если же взять порошкообразный ниобий, то он несколько более активен. Например, в расплавленном нитрате натрия он даже воспламеняется, превращаясь в оксид. Компактный ниобий начинает окисляться при нагревании выше 200°С, а порошок покрывается окисной пленкой уже при 150°С. При этом проявляется одно из чудесных свойств этого металла -- он сохраняет пластичность.

В виде опилок при нагревании выше 900°С он полностью сгорает до Nb2O5. Энергично сгорает в токе хлора:

2Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

При нагревании реагирует с серой. С большинством металлов он сплавляется с трудом. Исключение, пожалуй, составляют лишь два: железо, с которым образуются твердые растворы разного отношения, да алюминий, имеющий с ниобием соединение Al2Nb.

Какие же качества ниобия помогают ему сопротивляться действию сильнейших кислот--окислителей? Оказывается, это относится не к свойствам металла, а к особенностям его оксидов. При соприкосновении с окислителями на поверхности металла возникает тончайший (поэтому он и незаметен), но очень плотный слой оксидов. Этот слой встает неодолимой преградой на пути окислителя к чистой металлической поверхности. Проникнуть сквозь него могут только некоторые химические реагенты, в частности анион фтора. Следовательно, по существу металл окисляется, но практически результатов окисления незаметно из-за присутствия тонкой защитной пленки. Пассивность по отношению к разбавленной серной кислоте используют для создания выпрямителя переменного тока. Устроен он просто: платиновая и ниобиевая пластинки погружены в 0,05 м. раствор серной кислоты. Ниобий в пассивированном состоянии может проводить ток, если является отрицательным электродом -- катодом, т. е. электроны могут проходить сквозь слой оксидов только со стороны металла. Из раствора путь электронам закрыт. Поэтому, когда через такой прибор пропускают переменный ток, то проходит только одна фаза, для которой платина -- анод, а ниобий -- катод.

ниобий металл галоген

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.

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 2 468 °C
• высокая пластичность при комнатной температуре
• рекристаллизация при температуре от 850 °C до 1 300 °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 (1 772 °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 . Тугоплавкие металлы также имеют низкий коэффициент теплового расширения . По сравнению с другими тугоплавкими металлами ниобий имеет относительно низкую плотность, которая составляет всего 8.6 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:

Теплофизические 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:

Коэффициент линейного теплового расширения ниобия и тантала

Удельная теплоемкость ниобия и тантала

Теплопроводность ниобия и тантала

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, относится 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 комнатной температуре модуль упругости ниобия составляет 104 ГПа, что меньше, чем у вольфрама, молибдена или тантала. Модуль упругости снижается при повышении температуры. При температуре 1 800 °C он составляет 50 ГПа.

Модуль упругости ниобия в сравнении с вольфрамом, молибденом и танталом

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.

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..

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 1 700 °C. Водород устраняется уже при 800 °C. Такой процесс приводит к потере материала из-за образования летучих оксидов и рекристаллизации структуры.

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 °C-200 °C ниже.

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.

Добытая руда обогащается различными методами, и в результате получается концентрат с содержанием (Ta,Nb)2O5 до 70%. Затем концентрат растворяется во фтористоводородной и серной кислоте. После этого путем экстракции извлекаются фтористые соединения тантала и ниобия. Фторид ниобия окисляется кислородом, в результате чего образуется пентоксид ниобия, а затем восстанавливается углеродом при температуре 2 000 °C, в результате чего образуется металлический ниобий. Посредством дополнительной электронно-лучевой плавки получается ниобий высокой чистоты.

Стоит начать с того, что ниобий неразрывно связан с таким веществом, как тантал. Это даже несмотря на то что открыты эти материалы были не в одно и то же время.

Что такое ниобий

Что же на сегодняшний день известно о таком веществе, как ниобий? Он является химическим элементом, который располагается в 5 группе таблицы Менделеева, обладая атомным номером 41, а также атомной массой 92,9. Как и многие другие металлы, для этого вещества характерен серо-стальной блеск.

Одним из наиболее важных физических параметров этого его тугоплавкость. Именно благодаря этой характеристике применение ниобия стало широко распространено во многих отраслях промышленности. Температура плавления этого вещества - 2468 градусов по Цельсию, а температура кипения - 4927 градусов по Цельсию.

Химические свойства этого вещества также находятся на высоком уровне. Он характеризуется высоким уровнем устойчивости к воздействию отрицательных температур, а также к воздействию большинства агрессивных сред.

Производство

Стоит сказать о том, что наличие руды, которая содержит элемент Nb (ниобий), гораздо больше, чем той, что содержит тантал, но проблема заключается в скудности содержания самого элемента в этой руде.

Чаще всего для того, чтобы получить этот элемент, осуществляется процесс термического восстановления, в котором участвует алюминий или же кремний. В результате проведения этой операции получаются соединения феррониобий и ферротанталониобий. Стоит отметить, что получение металлического варианта этого вещества осуществляется с этой же руды, но при этом используется более сложная технология. Тигли из ниобия и другие полученные материалы характеризуются очень высокими эксплуатационными характеристиками.

Методы получения ниобия

В настоящее время одними из наиболее развитых направлений получения этого материала являются алюминотермическое, натриетермическое и карботермическое. Отличие между этими типами заключается также и в прекурсорах, которые используются для восстановления ниобия. Допустим, в натриетермическом способе используется K2NbF7. А вот, к примеру, при алюминотермическом способе применяется пятиокись ниобия.

Если говорить о карботермическом способе получения, то эта технология подразумевает под собой смешение Nb с сажей. Проходить этот процесс должен в высокотемпературной и водородной среде. В результате проведения этой операции будет получен карбид ниобия. Второй этап заключается в том, что водородная среда заменяется вакуумной, а температура сохраняется. В этот момент к карбиду ниобия добавляется его оксид и получается сам металл.

Важно отметить, что среди форм выпускаемого металла довольно распространен ниобий в слитках. Этот продукт предназначается для производства сплава на базе металла, а также других различных полуфабрикатов.

Также может выпускаться штабик этого материала, который разделяется на несколько категорий в зависимости от чистоты вещества. Меньше всего примесей содержится в штабике с маркировкой НБШ-00. Класс НБШ-0 характеризуется более высоким наличием таких элементов, как железо, титан и кремний тантала. Категория, которая обладает наиболее высоким показателем примесей, НБШ-1. Можно добавить, что у ниобия в слитках такой классификации не имеется.

Альтернативные способы производства

К альтернативным способам можно отнести бестигельную электроннолучевую зонную плавку. Этот процесс позволяет получать монокристаллы Nb. Тигли из ниобия производятся с использованием этого метода. Он относится к порошковой металлургии. Его применяют для того, чтобы сначала получить сплав этого материала, а после и его чистый образец. Наличие этого метода стало причиной тому, что довольно часто встречаются объявления о покупке ниобия. Этот способ позволяет использовать для получения чистого металла не саму руду, добыть которую довольно сложно, или же концентрат из нее, а вторичное сырье.

К еще одному альтернативному методу производства можно отнести прокат ниобия. Стоит отметить, что большинство различных фирм отдает предпочтение покупке именно прутьев, проволоке или листовому металлу.

Прокат и фольга

Фольга из этого материала представляет собой довольно распространенный полуфабрикат. Он является наиболее тонким листом проката этого вещества. Используется для производства некоторых изделий и деталей. Фольга из ниобия получается из чистого сырья путем холодного проката Nb слитков. Полученные изделия характеризуются такими показателями, как высокая устойчивость к коррозии, воздействию агрессивной среды, а также высокой температуры. Прокат ниобия и его слитков дает также такие характеристики, как стойкость изделия к износу, высокая пластичность, хорошая поддаваемость обработке.

Продукты, полученные таким образом, чаще всего используются в таких сферах деятельности, как авиастроение, ракетостроение, медицина (хирургия), радиотехника, электротехника, атомная энергетика, ядерная энергетика. Фольга из ниобия упаковывается в катушки и хранится в сухом, защищенном от попадания влаги месте, а также в защищенном месте от механического воздействия со стороны.

Применение в электродах и сплавах

Применение ниобия очень широко распространено. Он может использоваться, как хром и никель, в качестве материала, который входит в состав железного сплава, использующегося для производства электродов. Из-за того, что ниобий, как и тантал, способен образовывать сверхтвердый карбид, его часто применяют для производства сверхтвердых сплавов. Можно добавить, что в настоящее время пробуют при помощи этого материала улучшать свойства сплавов, полученных на основе

Так как ниобий является сырьем, способным создавать карбидные элементы, то он, как и тантал, применяется в качестве легирующей смеси при производстве стали. Стоит отметить, что долгое время применение ниобия в качестве примеси к танталу считалось отрицательным действием. Однако на сегодняшний день мнение изменилось. Было установлено, что Nb может выступать в качестве заменителя танталу, причем с большим успехом, так как из-за меньшей атомной массы можно использовать меньшее количество вещества, сохраняя все старые возможности и эффекты изделия.

Применение в электрической технике

Стоит подчеркнуть, что применение ниобия, как и его брата тантала, возможно в выпрямителях, благодаря тому, что они обладают свойством униполярной проводимости, то есть эти вещества пропускают электрически ток лишь в одном направлении. Возможно использование этого металла для создания таких устройств, как аноды, что используются в мощных генераторах и усилительных лампах.

Очень важно отметить, что применение ниобия дошло и до атомной энергетики. В этой отрасли изделия из этого вещества применяются в качестве конструкционных материалов. Это стало возможным, так как наличие Nb в деталях делает их устойчивыми к жару, а также придает им высокие качества химической стойкости.

Отличные физические характеристики этого металла привели к тому, что его довольно широко используют в ракетной технике, в реактивных самолетах, в газовых турбинах.

Производство ниобия в России

Если говорить о запасах этой руды, то всего насчитывается около 16 млн тонн. Наибольшее месторождение, занимающее примерно 70% всего объема, находится в Бразилии. На территории России же располагается около 25% запасов данной руды. Данный показатель считается значительной частью от всех запасов ниобия. Наибольшее месторождение этого вещества находится в Восточной Сибири, а также на Дальнем Востоке. На сегодняшний день на территории Российской Федерации добычей и производством этого вещества занимается компания Ловозерский ГОК. Можно заметить, что производством ниобия в России занималась также фирма "Стальмаг". Она разрабатывала татарское месторождение этой руды, однако в 2010 году была закрыта.

Также можно добавить, что занимается производством оксида ниобия. Его они получают, перерабатывая лопаритовый концентрат. Это предприятие вырабатывает от 400 до 450 тонн этого вещества, большая часть из которого уходит на экспорт в такие страны, как США и Германия. Часть оставшегося оксида уходит на Чепецкий механический завод, который производит как чистый ниобий, так и его сплавы. Там располагаются значительные мощности, позволяющие производить до 100 тонн материала в год.

Металл из ниобия и его стоимость

Несмотря на то что сфера применения этого вещества довольно широка, основное предназначение - это космическая и ядерная промышленность. По этой причине Nb относится к стратегическим материалам.

Основные параметры, которые влияют на стоимость ниобия:

• чистота сплава, большое количество примесей снижает цену;
• форма поставки материала;
• объемы поставляемого материала;
• расположение пункта приема руды (разные регионы нуждаются в разном количестве элемента, а значит и цена на него отличается).

Примерный список цен на материал в Москве:

• ниобий марки НБ-2 стоит в пределах 420-450 рублей за кг;
• стружка ниобия стоит от 500 до 510 рублей за кг;
• штабик марки НБШ-00 стоит от 490 до 500 рублей за кг.

Стоит отметить, что, несмотря на огромную стоимость этого товара, спрос на него только увеличивается.

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.

Ниобий был открыт в 1801 году английским химиком Ч. Гетчером и был им назван колумбием, по имени минерала, в котором он содержался. В чистом виде ниобий был выделен только в 1907 году, что было связано с большими трудностями его получения. Ниобий получил своё название в честь героини греческой мифологии Ниобеи, дочери Тантала, сына Зевса, которая была олицетворением сомнений и страданий.

Руды ниобия распространены в земной коре в разных минералах, этот элемент содержится в рудах в виде минералов колумбита, пирохрола, лопарита, ловчорита. Все эти минералы разделяют посредством методов обогащения и превращают в ниобиевый концентрат.

Ниобий считается редким элементом, его содержание в земной коре составляет 3,2.10-5%, в природе он встречается почти всегда вместе с танталом в виде смеси пятиокиси Nb2O5 и Ta2O5, причём в ней в 8-10 раз меньше, чем ниобия.

В природе известно около 120 минералов содержащих ниобий, но только некоторые из них годятся для промышленной переработки— в основном ниобий добывается из колумбита(до 77% пентоксида ниобия, есть тантал), лопарита (11% пентоксида ниобия), пирохрола (до 65% пентоксида ниобия).

Ниобий металл белого цвета, с сильным блеском. Чистый ниобий пластичен: куётся, протягивается. Ниобий сваривается при температуре красного каления, превосходя по этим свойствам тантал.

На воздухе ниобий весьма устойчив против окисления, при нагревании покрывается тонкой плёнкой окиси, изменяющей свой цвет по мере повышения температуры нагрева от жёлтого, затем голубого, до коричневато-голубого. Порошок металлического ниобия, нагретый до 400ОС, энергично окисляется на воздухе, разлагает воду с выделением водорода. С азотом, при нагреве до 1000ОС, образует нитрид. Способен поглощать водород, образуя гидрид, который очень хрупок. С хлором энергично реагирует при температуре 200ОС и выше. С бромом и йодом соединяется только при более высокой температуре. С серой соединяется при нагревании, образуя сульфиды NbS и Nb2S3.

Металлический компактный ниобий не растворим в соляной, азотной, серной кислотах и в царской водке, медленно растворяется в плавиковой кислоте, растворение ускоряется при контакте с платиной.

Растворы щелочей не действуют на ниобий, но расплавленные щёлочи и углещелочные соли образуют ниобаты. При высокой температуре ниобий отнимает кислород от CO2, SO2, P2O5, As2O5, Cr2O3.

ПОЛУЧЕНИЕ.

Ниобий — металл — Nb

Основным способом обогащения руд, содержащих колумбит и танталит, служит гравитационное обогащение (мокрая отсадка, обогащение на столах). В результате получают концентрат, содержащий кроме танталита и колумбита, касситерит, вольфрамит и некоторые другие минералы. Дальнейшее обогащение ведётся с помощью флотации и электромагнитного разделения. Переработка танталово-ниобиевых концентратов состоит из двух стадий: получение окислов тантала и ниобия, после чего следует разделение тантала и ниобия, и затем выделение чистых соединений-исходных продуктов для производства металлов.

Существует несколько способов обработки ниобиевых концентратов, в том числе:

тонкоизмельчённый концентрат сплавляют с NaOH,в железном тигле при нагревании до температуры 800-1000ОС.После сплавления расплав выливают на противни, охлаждают, дробят и затем выщелачивают водой. При этом удаляется небольшая часть примесей кремния, олова, вольфрама, алюминия, серы, фосфора в виде растворимых натриевых солей. Затем осадок, содержащий ниобат или танталат натрия и щелочные соединения примесей, обрабатывают слабой, затем крепкой соляной кислотой удаляют примеси, остающийся осадок Nb2O5 растворяют в HF и добавкой KF переводят в двойную соль K2NbOF5, хорошо растворимую в воде (в отличие от соли тантала K2TaF7, отделяемой таким образом от ниобия).

• концентрат обрабатывают смесью серной и щавелевой кислот при нагревании, ниобий переходит в раствор, из которого может быть выделен в виде пятиокиси.

Металлический ниобий получают различными способами:

1. восстановлением хлорида ниобия при нагреве;

2. металлотермическим восстановлением пятиокиси ниобия алюминием;

3. способами применяемыми для восстановления тантала, с учётом несколько повышенной летучести ниобия при высокой температуре, по сравнению с танталом.

В результате длительного и сложного технологического процесса ниобий получают в виде порошка. Переработка порошков в компактные слитки, пригодные для различных целей, осуществляется главным образом спеканием порошков или плавкой в высоком вакууме.

ПРИМЕНЕНИЕ.

Применение ниобия в виде феррониобия и технически чистого металла в качестве легирующего элемента при производстве нержавеющих сталей, высоколегированных сплавов цветных металлов, твёрдых сплавов и магнитных материалов всё время возрастает.

Основная доля ниобия применяется в виде лигатурного сплава — феррониобия, в котором содержание ниобия составляет 35-57%; содержание углерода в этих лигатурах строго нормируется из расчета не превышения нормы 0,2%Св легируемой стали.

Ниобиевые сплавы находят всё большее применение в производстве космических летательных аппаратов. Из ниобиевых сплавов изготавливают трубы атомных реакторов, особенно теплообменников, заполненных жидкими щелочными металлами, а также детали турбореактивных двигателей, работающих при температурах до 1500ОС.

Пластинчатый ниобий нашёл применение в электронной промышленности (в рентгеновских трубках, высоковольтных выпрямителях).

Из ниобия и ниобиевых сплавов изготавливают нагреватели для работы в вакууме или в нейтральной атмосфере при температурах 1400 — 2000ОС.

Стали содержащие от 1 до5% ниобия, отличаются исключительной жаростойкостью и применяются для устройств котлов высокого давления. Добавка ниобия к специальным сортам стали резко повышает устойчивость сварных швов из этих сталей.

Чистый ниобий хорошо поглощает водород, при обычной температуре 1 грамм ниобия поглощает 100см3 газа, что в перспективе может быть использовано для создания двигателей на водородном горючем.