Ниобий, его свойства и сплавы

      Ниобий. Химический элемент, символ Nb (лат. Niobium, старое название колумбий, Cb). Имеет порядковый номер 41, атомный вес 92, 906, плотность 8, 60 г/см3, температуру плавления 2470°С, температуру кипения 4840°С.

      Ниобий — металл серо-стального цвета. 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.

      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.

      Характерное свойство ниобия — способность поглощать газы — водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, при температуре примерно 360°С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуется гидрид NbH. Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600°С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются.

      Ниобий поглощает азот уже при 600°С, при более высокой температуре образуется нитрид NbN, который плавится при 2300°С.

      Углерод и углеродсодержащие газы (СН4, СО) при высокой температуре (1200 — 1400°С) взаимодействуют с металлом с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида NbC (плавится при 3500°С).

      С бором и кремнием ниобий образует тугоплавкиё и твёрдый борид и силицид NbB2 (плавится при 2900°С).

      Ниобий устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100 — 150°С. Металл растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно — в смеси плавиковой и азотной кислот.

      Менее устойчив ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедает металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли ниобиевой кислоты.

      Из ниобиевых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (т.е. нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.

      Кроме чистого металла для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.

      Ниобий применяли для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность ниобия к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Ниобиевые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции.

      Ниобиевые элементы конденсаторов изготовляют из тонкой фольги или пористых пластинок, спрессованных из металлических порошков.

      Коррозионная стойкость ниобия в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делают его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Ниобий обладает сочетанием свойств, удовлетворяющих требования атомной энергетики к конструкционным материалам.

      До 900°С ниобий слабо взаимодействует с ураном и пригоден для изготовления защитных оболочек для урановых тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. При этом возможно использование жидких металлических теплоносителей: натрия или сплава натрия с калием, с которыми ниобий не взаимодействует до 600°С. Для повышения живучести урановых тепловыделяющих элементов уран легируют ниобием (~ 7% ниобия). Присадка ниобия стабилизирует защитную окисную плёнку на уране, что повышает устойчивость его против паров воды.

      Ниобий входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование ниобием молибдена, титана, циркония, алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов. Существуют жаропрочные сплавы на основе ниобия в качестве конструкционного материала для деталей реактивных двигателей и ракет (изготовление турбинных лопаток, передних кромок крыльев, носовых концов самолётов и ракет, обшивки ракет). Ниобий и сплавы на его основе можно использовать при рабочих температурах 1000 — 1200°С.

      Карбид ниобия входит в состав некоторых марок твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама, используемых для резания сталей.

      Ниобий широко используется как легирующая добавка в сталях. Добавка ниобия в количестве, в 6 — 10 раз превышающем содержание углерода в стали, устраняет межкристаллитную коррозию нержавеющей стали и предохраняет сварные швы от разрушения.

      Ниобий также вводят в состав различных жаропрочных сталей (например, для газовых турбин), а также в состав инструментальных и магнитных сталей.

      Ниобий вводят в сталь в сплаве с железом (феррониобий), содержащем до 60% Nb. Кроме этого, применяют ферротанталониобий с различным соотношением между танталом и ниобием в ферросплаве.

      В органическом синтезе применяют некоторые соединения ниобия (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.

Химический состав ниобия в слитках и штабиках

© П.М.В., 2006-2015

КОНЕЦ

Марка

ГОСТ

Примеси, %, не более

N

O

C

Si

Ta

Fe

Ti

W+Mo

Ниобий в слитках

Нб1

ГОСТ 16099-70

0, 010

0, 010

0, 010

0, 005

0, 100

0, 005

0, 005

0, 010

Нб2

0, 010

0, 010

0, 010

0, 010

0, 150

-

-

0, 020

Нб3

0, 010

0, 015

0, 030

0, 020

0, 300

-

-

0, 040

Ниобий в штабиках

НбШ00

ГОСТ 16100-70

0, 03

0, 02

0, 03

0, 01

0, 1

0, 03

0, 01

-

НбШ0

0, 03

0, 02

0, 03

0, 03

0, 4

0, 08

0, 1

-

НбШ1

0, 05

0, 04

0, 06

0, 03

0, 4

0, 08

0, 1

-