Ниобий

Общие сведения и методы получения

Ниобий (Nb) — металл серо-стального цвета.

Открыт в 1801 г английским химиком Хатчетом в минерале, най­денном в Колумбии, и получил вследствие этого название «Колумбии».

В 1844 г. немецкий химик Розе «открыл» этот элемент вторичной, полагая, что он еще неизвестен, назвал «ниобием» в честь Ниобеи (до­чери Тантала)—мифологической богини слез. Позднее было установ­лено, что ниобий н Колумбии — один и тот же элемент.

Считают, что металлический ииобнй впервые был получен в 1866 г. шведским ученым Бломстрадом путем восстановления хлорида ниобия водородом. Компактный пластичный ниобий получил (1907 г.) немец­кий химик Болтон. В промышленных масштабах ниобий начали вы­пускать в конце тридцатых годов XX в.

 Он входит в состав около 100 минералов, большей частью представляющих собой сложные комплексные соли ииобиевой и танталовой кислот. В минера­лах в различных количествах содержатся железо, марганец, щелочные и щелочноземельные металлы, а также редкоземельные элементы, ти­тан, цирконий, торий, уран, олово, сурьма, висмут, вольфрам и др.

Наиболее важные минералы ниобия подразделяются на две группы:

1. Танталониобаты — соли ниобиевой и танталовой кислот. Основ­ными минералами в этой группе являются танталит и колумбит; в тан­талите преобладает тантал, в колумбите — ниобий. Общее содержание ниобия и тантала в этих минералах, выраженное в виде суммы двух оксидов (Nb₂0₅ + Ta₂0₅), составляет 82—86 %.

2. Титано (тантало) ниобаты — сложные соли титановой, ниобиевой (танталовой) кислот. Почти все минералы этой группы содержат ред­коземельные элементы. Соотношение между ниобием и танталом изме­няется в широких пределах, но большей частью преобладает ниобий. Наиболее важные минералы этой группы — пирохлор, лопарит, коппит, бетафит.

Наиболее важные промышленные источники ниобия — колумбит (50—76 % Nb₂0₅) и пирохлор (40—70 % Nb₂0₅). Меньшее значение имеют фаргусонит (38—58 % Nb^Os), эвксенит (21—34% Nb₂0₅) и ло­парит (7—20 % Nb₂0₅).

Основным способом обогащения руд, содержащих колумбит и тан­талит, является гравитационное обогащение. В результате получают коллективный концентрат, содержащий, помимо колумбита и танталита, также касситерит, вольфрамит и некоторые другие минералы. Дальней­шее обогащение ведут, применил флотацию и электромагнитные методы.

Пирохлоровые и лопаритовые руды обогащают в основном также гравитацией с последующим доведением до требуемых кондиций фло­тацией, электромагнитным и электростатическим методами.

Согласно техническим условиям, принятым в нашей стране, колум-битовые концентраты I сорта должны содержать не менее 60 % Nb₂Os, II сорта — не менее 50 % Nb₂0₅.

В пирохлоровых концентратах, предназначенных главным образом для выплавки феррониобия, должно содержаться не менее 37 % (Nb, Та)₂0₅, а в лопаритовом концентрате — не менее 8% (Nb, Та)Об.

Кроме рудных концентратов, существенным источником ниобия яв­ляются шлаки оловянных заводов, в которых при выплавке олова Из касситерита концентрируются оксиды ниобия. Шлаки содержат от 3 до 15 % (Nb, Та)₂0₅.

Металлический ниобий получают из рудных концентратов в три ста­дии: 1) вскрытие концентрата; 2) разделение ниобия и тантала и полу­чение их чистых химических соединений; 3) восстановление и рафини­рование металлического ниобия.

Для вскрытия концентратов танталита — колумбита применяют сплав­ление с щелочами (NaOH, КОН) или разложение плавиковой кислотой. Для вскрытия лопаритовых концентратов используют способ хлориро­вания и сернокислый способ.

Разделение тантала и ниобия и очистку их соединений от примесей осуществляют дробной кристаллизацией комплексных фтористых солей, экстракцией органическими растворителями, разделением с помощью ионообменных смол, ректификацией хлоридов, избирательным восста­новлением пятихлористого ниобия.

Основные промышленные методы получения металлического нио­бия— алюминотермический, натриетермический, карботермический.

При использовании всех методов, кроме алюминотермического, нио­бий получают в виде порошка; при алюмотермическом методе получа­ют сплав ниобия с алюминием, который удаляют при вакуумной перс-плавке.

Компактный металл производят либо методами порошковой метал­лургии, спекая спрессованные из порошков ниобия штабики в вакууме при 2573 К, либо электронно-лучевой и вакуумно-дуговой плавками. Вакуумным спеканием получают ниобий чистотой более 99,6 % Nb, дуговой плавкой — чистотой 99,7—99,8 % Nb, электронно-лучевой плав­кой—чистотой 99,88—99,9 % Nb.

Монокристаллы ниобия высокой чистоты получают бестигельной электронно-лучевой зонной плавкой.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 41, атомная масса 92,906 а. е м, атомный объем 10,83*10^-6 м³/моль, атомный радиус 0,147 нм, ионный раднус Nb⁵+ 0,069 нм, Nb⁴⁺ 0,077 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек 4d⁴5s'.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Nb — 3e =i =*Nb³⁺ <р₀ = —1,1 В. В соединениях проявляет степень окисления +1, +2, +3, +4, +5. Элек­трохимический эквивалент 0,19256 мг/Кл.

При нормальной температуре компактный ниобий на воздухе устой­чив. Окисление компактного металла начинается при 200—300 ⁰О, по­рошкообразного при 150 °С; выше 500 °С происходит быстрое окисление с образованием оксида Nb₂6₆.

Ниобий устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфор­ной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100— 150 °С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах он уступает танталу. Ниобий растворяется в плавиковой кислоте и особенно интен­сивно в смеси плавиковой н азотной кислот. Менее устойчив ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл; в расплавленных щелочах и соде ниобий быстро окисляется с образо­ванием натриевой соли ниобиевой кислоты.

Характерным свойством ниобия является способность поглощать га­зы: водород, азот, кислород. Небольшие примеси этих элементов ока­зывают существенное влияние на механические и электрические свойства ниобия.

Кислород образует с ниобием твердый раствор внедрения и ряд ок­сидов: NbO, Nb0₂, Nb₂0₅. Оксиды NbO н Nb0₂ образуются при темпе­ратуре ниже 400"С, a Nb₂0₅ — при 400°С и выше. Оксид ниобия (И) NbO имеет г. ц. к. решетку с периодом а=0,4203 нм, плотность 7,260 Мг/м³, температура плавления 1935 "С. Оксид ниобия (IV) NbOj — полупроводник, структура тетрагональная (а = 0,482 нм, с=0,299 нм), температура плавления 2080 °С. Оксид ниобия (V) Nb₂O_s существует в трех модификациях: L — ниже 900 "С, М — в интервале 900—1100 °С и Я —выше 1100 °С. Низкотемпературная модификация имеет ортором-бическую структуру, плотность 4,950 Мг/м³, температура плавления 1510 "С.

Водород — наиболее вредная примесь в ниобии, сильно снижающая его пластичность. Компактный ниобий начинает взаимодействовать с водородом при 250 °С и очень быстро при 360 °С, образуя вначале твер­дый раствор, а затем гидрид (NbH), имеющий две модификации. По­глощение водорода носит обратимый характер: при нагревании в ва-

кууме выше 600 °С газ удаляется и механические свойства металла вос­станавливаются.

Ниобий поглощает азот уже при 600 °С, образуя раствор внедрения, при более высокой температуре образуется нитрид (NbN), температу­ра плавления которого 2300 °С. Азот может быть удален из твердого раствора в ниобии нагреванием выше 1900 °С в вакууме или вакуумной плавкой.

Углерод и углеродсодержащие газы (СО, СН₄) взаимодействуют с ниобием при 1200—1400°С с образованием твердого раствора и туго* плавких карбидов.

Ниобий с бором и кремнием образует тугоплавкие и твердые бориды (NbB, Nb₂B, NbB, Nb₃B₄, NbB₂) и силициды (NbSi₄, Nb₅Si₃, NbSi₂).

Известны два фосфида (NbP и NbP₂) и два сульфида (NbS, NbS₂) ниобия с узкими областями гомогенности.

С галогенами ниобий образует ряд галогенидов, оксигалогенидов и комплексных солей. Фтор действует на ниобий при комнатной темпера­туре, хлор — при температуре выше 200 °С, бром — выше 250 °С. Вые-шие хлориды и фториды ниобия (NbF₅ и NbCI₅) — легкоплавкие, лег­колетучие соединения, весьма гигроскопичны, в воде гидролизуются с образованием оксигалогенидов и гидратированных оксидов.

Ниобий взаимодействует с подавляющей частью элементов Перио­дической системы. По характеру этого взаимодействия все элементы классифицируются на четыре основные группы.

Первую группу составляют элементы, образующие с ниобием не­прерывные твердые растворы: Ti, Zr, Hf, V, Та, Мо и W.

Во вторую группу входят элементы, образующие с ниобием огра-ничейные твердые растворы: Си, Аи, Zn, Cd, Be, Ga, In, TI, B, Se, Y, La, Ac и лантаноиды: N, P, As, Sb, Bi, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir и Pt.

Третью группу составляют элементы VI и VII групп подгруппы Б, образующие с ниобием соединения с ионным или ковалентным типом связи: S, Se, Те, Ро, F, С1, В, А1.

Четвертую группу составляют элементы, ие взаимодействующие е ниобием: Li, Na, К, Pb, Cs, Fr, Са, Sr, и инертные газы: Не, Ne, Аг, Кг, Хс.

Ниобий обладает высокой химической стойкостью в различных аг­рессивных средах и, кроме того, отличается высокой стойкостью против воздействия расплавленных металлов, применяемых в качестве тепло­носителей в реакторах.

Технологические свойства

Чистый ниобий легко поддается обработке давлением (ковке, прокатке, волочению) и хорошо деформируется в холодном состоянии, сравни­тельно медленно при этом нагартовываясь. Учитывая, что при нагреве ниобий поглощает водород, азот, кислород, которые оказывают отри­цательное влияние на его пластичность, горячая деформация возможна только при применении специальной защиты (например, деформация в среде инертного газа). После обжатия с высокой степенью (70—95 %) листы (нли другие изделия) перед дальнейшей холодной деформацией подвергают отжигу при 1100—1300 °С в среде инертного газа или в ва­кууме. Отжиг готовых изделий производят в основном для снятия на­пряжений, вызванных обработкой давлением (или резанием), при 900— 1000 °С, в течение 1—5 ч, также в среде инертного газа или в вакууме.

Температура рекристаллизации ниобия повышается с увеличением содержания кислорода и других газов. Температура начала рекристал­лизации чистого ниобия 930—940 °С, полная рекристаллизация проис­ходит при 1200 °С.

Легирование ниобия вольфрамом, танталом, цирконием, молибде­ном повышает температуру рекристаллизации на 220—250 °С.

Ниобий хорошо сваривается с титаном, медью, цирконием и други» ми металлами. Сварку ведут в вакууме или нейтральной среде, приме» няя различные виды дуговой и электронно-лучевой сварки. При пайка на ниобий предварительно наносят электролитическим путем слой меди или никеля.

Обработку ниобия резанием можно производить обычными режущи­ми инструментами, но в связи со склонностью к налипанию требуется применять специальные смазочно-охлаждающие жидкости.

Области применения

Наиболее важные области применения чистого ниобия — производство жаропрочных и других сплавов, атомная энергетика и химическое ап-паратостроение. Металл используется для легирования медных, никеле­вых и других цветных сплавов с целью повышения их прочности и жа­ропрочности. В виде ферросплавов ниобий добавляют в различные стали для придания им необходимых физико-механических свойств. Ма­лые добавки ниобия модифицируют структуру и способствуют повы­шению коррозионной стойкости алюминиевых сплавов. Будучи введен в титановые сплавы, ниобий повышает их прочность и коррозионную стойкость. Небольшие присадки ниобия применяются для создания сплавов с особыми физико-химическими свойствами (с повышенной элек­трической проводимостью и теплопроводностью, коррозионной стойко­стью и др.).

Некоторые соединения ниобия (карбиды, бориды) используются при производстве сверхтвердых металлокерамических сплавов для повыше­ния их стойкости против износа и выкрашивания при механической об­работке сталей.

Благодаря отсутствию значительного взаимодействия с ураном, плу« тонием и жидкометаллическими теплоносителями, а также высокой устойчивости при облучении и сравнительно небольшому захвату теп­ловых нейтронов, ниобий и его сплавы представляют собой ценные кон­струкционные материалы для атомной энергетики и ракетостроения.

В последние годы большое значение в атомной технике приобрели сверхпроводящие ниобиевые сплавы; их используют при создании сверх» мощных магнитов для новых атомных ускорителей, для отражателей горячей плазмы в термоядерных установках, а также при создании кван­товых генераторов.

Ниобиевые жаропрочные сплавы используют в авиационных реак­тивных двигателях для изготовления турбинных дисков н неохлаждае-» мых турбинных лопаток взамен охлаждаемых. Кроме того, ниобий применяют для обшивки кромок крыльев и стабилизаторов в сверхзву­ковых самолетах, а также для изготовления различных деталей и узлов, работающих при высоких температурах.

Ниобий — один из важных конструкционных материалов, применяе­мых в радиотехнической и электротехнической промышленности (элек­тронные лампы радарных установок, катоды косвенного нагрева мощ­ных генераторных ламп и др.).

Антикоррозионные свойства ниобия позволяют применять его в ка­честве химически стойкого материала в теплообменниках и конденса­торах, для облицовки цистерн, для изготовления фильтров, мешалок, трубопроводов и других деталей аппаратов химической промышленно­сти. Соединения ниобия (в частности, Nb₂0₅) применяют в качестве ка­тализаторов в химической промышленности, в производстве специаль­ных стекол и т. д.

Применение ниобия и его сплавов в аппаратуре химического маши­ностроения позволяет резко увеличить срок его службы и в ряде слу­чаев способствует интенсификации процессов химического производ­ства.