À quelle famille appartient le niobium ? Application du niobium à la métallurgie et à l'industrie. Méthodes d'obtention du niobium

Le tantale et le niobium sont obtenus par réduction à partir de composés de haute pureté : oxydes, sels fluorés complexes, chlorures. Les méthodes industrielles de production de métaux peuvent être divisées en quatre groupes :

Réduction natriothermique à partir de fluorures complexes ;

Réduction des oxydes avec du carbone (méthode carbothermique) ;

Réduction des oxydes d'aluminium (méthode aluminothermique) ;

Réduction des chlorures avec de l'hydrogène ;

Électrolyse des milieux fondus.

En raison du point de fusion élevé du tantale (~3000 C) et du niobium (~2500 C), ils sont obtenus par réduction par toutes les méthodes énumérées, à l'exception de la troisième, sous forme de poudres ou d'éponges frittées. La tâche de production de tantale et de niobium malléables compacts est compliquée par le fait que ces métaux absorbent activement des gaz (hydrogène, azote, oxygène), dont les impuretés les rendent cassants. Par conséquent, il est nécessaire de fritter des ébauches pressées à partir de poudres ou de les faire fondre sous vide poussé.

Méthode natriothermique pour la production de poudres de tantale et de niobium

La réduction thermique du sodium des fluorures complexes K2TaF7 et K2NbF7 est la première méthode industrielle de production de tantale et de niobium. Il est encore utilisé aujourd'hui. Le sodium, le calcium et le magnésium, qui ont une forte affinité pour le fluor, conviennent à la réduction des composés fluorés du tantale et du niobium, comme le montrent les valeurs indiquées ci-dessous :

Al<^ент Nb Та Na Mg Са

AG298, kJ/g-atome F. . . . -339 -358 -543 -527 -582

Le sodium est utilisé pour la réduction, car le fluorure de sodium est soluble dans l'eau et peut être séparé par lavage des poudres de tantale et de niobium, tandis que les fluorures de magnésium et de calcium sont légèrement solubles dans l'eau et les acides.

Considérons le processus en utilisant l'exemple de la production de tantale. La réduction de K2TaF7 avec du sodium se déroule avec un dégagement de chaleur important (même à une échelle de charge allant jusqu'à 5 kg), suffisant pour que le processus se déroule spontanément. Après avoir chauffé la charge en un seul endroit à 450-500 C, la réaction se propage rapidement dans toute la masse de la charge et la température atteint 800-900 C. Puisque le sodium fond à 97 C et bout à 883, il est évident que le liquide et la vapeur de sodium participent à la réduction :

K2TaF7 + 5NaW = Ta + 5NaF + 2KF ; K2TaF7 + 5Na(ra3) = Ta + 5NaF + 2KF.

Les effets thermiques spécifiques des réactions (2.18) et (2.19) sont respectivement égaux à 1980 et 3120 kJ/kg de charge.

La réduction est effectuée dans un creuset en acier, dans lequel sont chargés couche par couche du fluorantalate de potassium et des morceaux de sodium (~ 120 % de la quantité stoechiométriquement requise), qui sont coupés avec des ciseaux spéciaux. Le mélange est recouvert d'une couche de chlorure de sodium, qui forme un mélange à bas point de fusion avec KF et NaF. Le sel fondu protège les particules de l'oxydation
poudre de tantale Dans la version la plus simple du procédé, pour initier la réaction, la paroi du fond du creuset est chauffée avec la flamme d'un chalumeau jusqu'à l'apparition d'une tache rouge. La réaction se déroule rapidement dans toute la masse et se termine en 1 à 2 minutes. Avec ce procédé, en raison d'une exposition à court terme des produits à une température maximale (800-900 C), on obtient de fines poudres de tantale qui, après lavage des sels, contiennent jusqu'à 2 % d'oxygène.

Une poudre à grains plus grossiers avec une teneur en oxygène plus faible est obtenue en plaçant le creuset de réaction dans un four électrique à cuve et en le maintenant dans le four après la fin de la réaction à 1 000 °C.

Le tantale obtenu est disséminé sous forme de petites particules dans les scories fluorures-chlorures contenant un excès de sodium. Après refroidissement, le contenu du creuset est extrait, broyé dans un concasseur à mâchoires et chargé par petites portions dans un réacteur contenant de l'eau, où le sodium est « éteint » et la majeure partie des sels est dissoute. Ensuite, la poudre est lavée séquentiellement avec du chlorure de sodium dilué (pour éliminer plus complètement les sels et dissoudre les impuretés de fer et partiellement de titane). Pour réduire la teneur en oxydes de tantale, la poudre est parfois lavée en plus avec de l'acide fluorhydrique dilué à froid. Ensuite la poudre est lavée à l'eau distillée, filtrée et séchée à 110-120 C.

En utilisant la méthode décrite ci-dessus, en observant à peu près les mêmes régimes, des poudres de niobium sont obtenues par réduction de k2NbF7 par du sodium. Les poudres de niobium séchées ont la composition, % : Ti, Si, Fe 0,02-0,06 ; O environ 0,5 ; N jusqu'à 0,1 ; De 0,1 à 0,15.

Méthode carbothermique pour produire du niobium et du tantale à partir d'oxydes

Cette méthode a été initialement développée pour la production de niobium à partir de Nb2o5.

Le niobium peut être réduit du Nb2os avec du carbone à 1 800-1 900 °C dans un four sous vide :

Nb2Os + 5C = 2Nb + SCO. (2.20)

La charge Nb205 + 5C contient peu de niobium et même à l'état briqueté a une faible densité (~1,8 g/cm3). Dans le même temps, un grand volume de co (~0,34 m3) est libéré pour 1 kg de charge. Ces circonstances rendent peu rentable la mise en œuvre du procédé selon la réaction (2.20), car la productivité du four sous vide est faible. Le processus se déroule donc en deux étapes :

Étape I - production de carbure de niobium

Nb203 + 1C = 2NbC + 5CO ; (2,2l)

Étape P - production de niobium dans des fours sous vide

Nb2Os + 5NbC = 7Nb + 5CO. (2.22)

La charge briquetée de l'étage її contient 84,2% (en poids) de niobium, la densité des briquettes est de ~3 g/cm3, le volume formé de 0,14 m3 pour 1 kg de charge (~ 2,5 fois moins que dans le cas de la charge Nb2o5 + sc ). Cela garantit une productivité plus élevée du four sous vide.

Un avantage important du procédé en deux étapes réside également dans le fait que la première étape peut être réalisée à pression atmosphérique dans des fours à résistance à tubes de graphite (Fig. 29).

Pour obtenir du carbure de niobium (étape 1 du procédé), un mélange de Nb2o5 avec de la suie est briqueté et les briquettes sont chauffées dans un four à tubes de graphite dans une atmosphère d'hydrogène ou d'argon à 1800-1900°C (les briquettes sont déplacées en continu La fournaise

Riz. 29. Schéma d'un four à résistance à tubes de graphite :

1 - boîtier ; 2 - tube à filaments de graphite ; 3 - tuyau de blindage en graphite ; 4- remblai calorifuge de suie ; 5 - réfrigérateur ; 6 - cônes de contact en graphite ; 7 - tête de contact refroidie ; 8 - trappe; 9 - bus fournissant du courant

Sur la base de leur séjour dans la zone chaude pendant 1 à 1,5 heures). Le carbure de niobium broyé est mélangé dans un broyeur à boulets avec du Nb2o5, pris avec un léger excès (3-5%) par rapport à ce qui est requis par la réaction (2.22).

La charge est pressée en billettes sous une pression de 100 MPa, qui sont chauffées dans des fours sous vide avec des radiateurs en graphite (ou des fours à induction sous vide avec un tuyau en graphite) à 1800-1900 C. L'exposition se termine lorsque la pression résiduelle atteint 1,3-0,13 Pa. .

Les réactions (2.21) et (2.22) sont totales. Ils passent par des étapes intermédiaires de formation d'oxydes inférieurs (Nt>o2 et NbO), ainsi que de carbure Nb2c. Principales réactions du stade I :

Nb2Os + C = 2Nb02 + CO ; (2.23)

Nb02 + C = NbO + CO ; (2.24)

2NbO + 3C = Nb2C + 2CO; (2.25)

Nb2C + C = 2NbC. (2.26)

Réactions de stade 1 :

Nb2Os + 2NbC = 2Nb02 + Nb2C + CO ; (2.27)

Nb02 + 2NbC = NbO + Nb2C + CO; (2.28)

NbO + Nb2C = 3Nb + CO. (2.29)

Le niobium métallique est obtenu par la réaction finale de l'étape II du procédé (2.29). Pression d'équilibre co pour la réaction (2.29) à 1 800 °C > 1,3 Pa. Par conséquent, le processus doit être effectué à une pression résiduelle inférieure à la pression d'équilibre pour une réaction donnée (0,5-0,13 Pa).

Les briquettes poreuses frittées de niobium obtenues contiennent, % : C 0,1-0,15 ; Environ 0,15-0,30 ; N 0,04-0,5. Pour obtenir un métal malléable compact, les briquettes sont fondues dans un four à faisceau électronique. Une autre méthode consiste à obtenir de la poudre à partir de briquettes (par hydrogénation à 450 C, broyage puis déshydrogénation sous vide), en pressant les barres et en les frittant sous vide à 2300-2350 C. Dans les processus de fusion sous vide et de frittage sous vide, l'oxygène et le carbone est éliminé de la composition co, et l'excès d'oxygène dans la composition des oxydes inférieurs volatils.

Les principaux avantages de la méthode carbothermique sont le rendement direct élevé en métal (pas inférieur à 96 %) et l'utilisation d'un agent réducteur bon marché. L’inconvénient de cette méthode est la complexité de conception des fours sous vide à haute température.

La méthode carbothermique peut également produire des alliages de tantale et de niobium-tantale.

Méthode aluminathermique pour produire du niobium et du tantale à partir d'oxydes supérieurs

La méthode aluminométrique de production de niobium par réduction du pentoxyde de niobium avec de l'aluminium, développée ces dernières années, présente des avantages techniques et économiques par rapport aux autres méthodes de production de niobium en raison de sa nature à faible étape et de la simplicité de son équipement.

La méthode est basée sur une réaction exothermique :

3Nb2Os + 10A1 = 6Nb + 5A1203 ; (2h30)

Dow = -925,3 + 0,1362t, kJ/mol Nb2o5.

L'effet thermique spécifique élevé de la réaction (2640 kJ/kg de charge de composition stoechiométrique) permet de réaliser le procédé sans chauffage extérieur avec la fusion d'un lingot d'alliage niobium-aluminium. Une réduction aluminothermique hors four réussie est possible si la température du procédé est supérieure au point de fusion de l'A12®3 = 2 030 °C) et de la phase métallique (l'alliage Nb + 10 % ai fond à 2 050 °C). Avec un excès d'aluminium dans la charge de 30 à 40 % au-dessus de la quantité stoechiométrique, la température du processus atteint ~2 150 à 2 200 °C. En raison de l'apparition rapide d'une réduction, une augmentation de la température d'environ 100 à 150 °C par rapport à la fusion Les températures des scories et des phases métalliques sont suffisantes pour assurer leur séparation. Avec l'excès d'aluminium mentionné ci-dessus dans la charge, un alliage de niobium contenant 8 à 10 % d'aluminium est obtenu avec une extraction réelle de niobium de 98 à 98,5 %.

La réduction aluminothermique est réalisée dans un creuset en acier avec un revêtement garni d'oxydes de magnésium ou d'aluminium calcinés. Pour faciliter le déchargement des produits de fusion, le creuset est rendu amovible. Des contacts sont insérés à travers les parois pour fournir du courant électrique (20 V, 15 A) au fusible sous la forme d'un fil nichrome placé dans la charge. Une autre option possible consiste à réaliser le processus dans un creuset massif en cuivre fendu, sur les parois duquel est formée une couche protectrice.

Un mélange de Nb2o5 soigneusement séché et de poudre d'aluminium d'une taille de particules d'environ 100 μm est chargé dans un creuset. Pour éviter tout contact avec l'air, il est conseillé de placer le creuset dans une enceinte remplie d'argon.

Après avoir allumé le fusible, la réaction se déroule rapidement sur toute la masse de la charge. Le lingot d'alliage obtenu est broyé en morceaux et soumis à un traitement thermique sous vide à 1800-2000 C dans un four équipé d'un réchauffeur en graphite à une pression résiduelle de ~0,13 Pa afin d'éliminer la majeure partie de l'aluminium (jusqu'à sa teneur de 0,2 % ). Ensuite, la fusion et l'affinage sont effectués dans un four à faisceau d'électrons, obtenant des lingots de niobium de haute pureté avec une teneur en impuretés, % : A1.< 0,002; С 0,005; Си < 0,0025; Fe < 0,0025; Mg, Mn, Ni, Sn < 0,001; N 0,005; О < 0,010; Si < 0,0025; Ті < < 0,005; V < 0,0025.

En principe, la production aluminothermique du tantale est possible, mais le processus est un peu plus compliqué. L'effet thermique spécifique de la réaction de réduction est de 895 kJ/kg de charge. En raison du point de fusion élevé du tantale et de ses alliages avec l'aluminium, de l'oxyde de fer est introduit dans la charge pour fondre le lingot (à raison d'obtenir un alliage à 7-7,5% de fer et 1,5% d'aluminium), ainsi qu'un chauffage additif - chlorate de potassium (sel de bertholite) . Le creuset avec la charge est placé dans le four. A 925 C, une réaction spontanée commence. L'extraction du tantale dans l'alliage est d'environ 90 %.

Après traitement thermique sous vide et fusion par faisceau d'électrons, les lingots de tantale ont une pureté élevée, comparable à celle donnée ci-dessus pour le niobium.

Préparation du tantale et du niobium par réduction de leurs chlorures avec de l'hydrogène

Différentes méthodes ont été développées pour la réduction du tantale et du niobium à partir de leurs chlorures : réduction avec du magnésium, du sodium et de l'hydrogène. Les plus prometteuses sont certaines options de réduction à l'hydrogène, en particulier la méthode décrite ci-dessous pour la réduction des vapeurs de chlorure sur des substrats chauffés afin de produire une tige métallique compacte.

En figue. La figure 30 montre un schéma d'une installation de production de tantale par réduction de la vapeur de TaC15 avec de l'hydrogène sur une bande de tantale chauffée à 1 200-1 400 °C. La vapeur de TaCI5 mélangée à de l'hydrogène s'écoule de l'évaporateur dans le réacteur, au centre duquel se trouve une bande de tantale, chauffée par passage direct d'un courant électrique à une température donnée. Pour répartir uniformément le mélange vapeur-gaz sur toute la longueur de la bande et assurer un écoulement perpendiculaire à sa surface, un tamis en acier inoxydable percé de trous est installé autour de la bande. Une réaction se produit sur une surface chauffée :

TaC15 + 2,5 H2 = Ta + 5 HCl ; AG°m k = -512 kJ. (2.31)

Riz. 30. Schéma de l'installation de réduction du pentachlorure de tantale par l'hydrogène : 1 - bride du réacteur ; 2 - alimentation électrique isolée ; 3 - contacts à pince ; 4 - condensateur pour chlorure n'ayant pas réagi ; 5 - ruban de tantale ; 6 - bords percés, - 7 - corps du réacteur ; 8 - réchauffeur de réacteur ; 9 - rotamètre chauffé ; 10 - vanne à pointeau ; 11 - four électrique à évaporateur ; 12 - évaporateur de pentachlorure de tantale ; 13 - rotamètre pour l'hydrogène

Conditions optimales pour le dépôt de tantale : température de la bande 1 200-1 300 °C, concentration de TaCI5 dans le mélange gazeux ~ 0,2 mol/mol du mélange. La vitesse de dépôt dans ces conditions est de 2,5 à 3,6 g/(cm2 h) (ou 1,5 à 2,1 mm/h). Ainsi, en 24 heures, on obtient une tige de tantale pure d'un diamètre moyen de 24 à 25 mm, qui peut être roulés en feuilles, utilisés pour la refusion dans un four à faisceau électronique ou transformés en poudres de haute pureté (en hydrogénant, broyant et déshydrogénant la poudre). Le degré de conversion des chlorures (extraction directe dans le revêtement) est de 20 à 30 %. Le chlorure n'ayant pas réagi est condensé et réutilisé. La consommation d'électricité est de 7 à 15 kWh pour 1 kg de tantale, selon le mode adopté.

L'hydrogène après séparation des vapeurs de HCI par absorption par l'eau peut être renvoyé dans le procédé.

Le procédé décrit peut également produire des tiges de niobium. Conditions optimales pour le dépôt du niobium : température de la bande 1 000-1 300 C, concentration en pentachlorure 0,1-0,2 mol/mol de mélange gazeux. Le taux de dépôt de métal est de 0,7 à 1,5 g/(cm2-h), le degré de conversion du chlorure en métal est de 15 à 30 %, la consommation électrique est de 17 à 22 kWh/kg de métal. Le processus pour le niobium est compliqué par le fait qu'une partie du NbCl5 est réduite dans le volume du réacteur à une certaine distance de la bande chauffée en NbCl3 non volatil déposé sur les parois du réacteur.

Méthode électrolytique pour produire du tantale

Le tantale et le niobium ne peuvent pas être isolés par électrolyse à partir de solutions aqueuses. Tous les procédés développés sont basés sur l’électrolyse de milieux fondus.

Dans la pratique industrielle, la méthode est utilisée pour obtenir du tantale. Ainsi, depuis plusieurs années, la méthode électrolytique du tantale est utilisée par la société Fensteel (USA) ; une partie du tantale produit au Japon est actuellement obtenue par électrolyse. Des recherches approfondies et des tests industriels sur la méthode ont été menés en URSS.

La méthode de production électrolytique du tantale est similaire à la méthode de production de l’aluminium.

L'électrolyte est à base de sels fondus K2TaF7 - KF - - KS1, dans lesquels est dissous l'oxyde de tantale Ta205. L'utilisation d'un électrolyte contenant un seul sel, K2TaF7, est pratiquement impossible en raison de l'effet anodique continu lors de l'utilisation d'une anode en graphite. L'électrolyse est possible dans un bain contenant du K2TaF7, du KC1 et du NaCl. L'inconvénient de cet électrolyte est l'accumulation de sels de fluorure lors de l'électrolyse, ce qui entraîne une diminution de la densité de courant critique et nécessite un ajustement de la composition du bain. Cet inconvénient est éliminé en introduisant du Ta205 dans l'électrolyte. Le résultat de l'électrolyse dans ce cas est la décomposition électrolytique de l'oxyde de tantale avec libération de tantale à la cathode, et à l'anode de l'oxygène réagissant avec le graphite de l'anode pour former du CO2 et du CO. De plus, l'introduction de Ta205 dans le sel fondu améliore le mouillage de l'anode de graphite avec le bain fondu et augmente la densité de courant critique.

Le choix de la composition électrolytique est basé sur les données issues des études du système ternaire K2TaF7-KCl-KF (Fig. 31). Ce système contient deux sels doubles K2TaF7 KF (ou KjTaFg) et K2TaF7 KS1 (ou K3TaF7Cl), deux eutectiques ternaires Ei et E2, fondant respectivement à 580 et 710 C et un point péritectique P à 678°C. Lorsque le Ta205 est introduit dans la masse fondue, il interagit avec les fluorotantalates pour former de l'oxofluorotantalate :

3K3TaF8 + Ta2Os + 6KF = 5K3TaOF6. (2.32)

La réaction avec K3TaF7Cl se déroule de la même manière. La formation de complexes d'oxofluorure de tantale détermine la solubilité du Ta2O5 dans l'électrolyte. La solubilité limite dépend de la teneur en K3TaF8 dans le bain et correspond à la stœchiométrie de la réaction (2.32).

Sur la base de données sur l'influence de la composition électrolytique sur les performances de l'électrolyse (densité de courant critique, efficacité du courant, extraction, qualité de la poudre de tantale), des chercheurs soviétiques ont proposé la composition électrolytique optimale suivante : 12,5 % (en poids) K2TaF7, le reste KS1 et KF par rapport à 2 :1 (en poids). La concentration de Ta2O introduit est de 2,5 à 3,5 % (en poids). Dans cet électrolyte à des températures de 700 à 800 °C utilisant une anode en graphite, la tension de décomposition du complexe oxofluorure est de 1,4 V, tandis que pour KF et KS1, les tensions de décomposition sont respectivement d'environ 3,4 V et d'environ 4,6 V.

KS I K2TaF,-KCl KJaFf

Riz. 31. Schéma de fusibilité du système K2TaF7-KF-KCl

Lors de l'électrolyse à la cathode, une décharge progressive des cations Ta5+ se produit :

Ta5+ + 2e > Ta3+ + be * Ta0.

Les processus à l'anode peuvent être représentés par les réactions : TaOF63" - Ze = TaFs + F" + 0 ; 20 + C = C02 ; CO2 + C = 2CO ; TaFj + 3F~ = TaF|~. Les ions TaF|~, réagissant avec les Ta2O introduits dans la masse fondue, forment à nouveau des ions TaOF|~. À des températures d'électrolyse de 700 à 750 °C, la composition du gaz est de -95 % de CO2, 5 à 7 % de CO ; 0,2-

Parmi les modèles d'électrolyseurs testés en URSS, les meilleurs résultats ont été obtenus dans ceux où la cathode est un creuset en nickel (ou en alliage de nickel et de chrome), au centre

Figure 32. Schéma d'un électrolyseur pour la production de tantale :

1 - trémie avec alimentateur Ta205 ; 2 - vibrateur électromagnétique du chargeur ; 3 - support avec fixation pour l'anode ; 4 - anode creuse en graphite avec des trous dans le mur ; 5 - creuset-cathode nichrome ; 6 - couverture; 7 - verre calorifuge; 8 - volant de levage de l'actionneur ; 9 - fiche avec tige pour alimentation

Qui contient une anode creuse en graphite avec des trous dans les parois (Fig. 32). L'oxyde de tantale est introduit périodiquement dans l'anode creuse par un alimentateur vibrant automatique. Avec cette méthode d'alimentation, la contamination mécanique du dépôt cathodique par le pentoxyde de tantale non dissous est éliminée. Les gaz sont éliminés via une aspiration embarquée. A une température d'électrolyse de 700-720 C, alimentation continue du bain Ta205 (c'est-à-dire avec un nombre minimum d'effets anodiques), densité de courant cathodique de 30-50 A/dm2 et rapport DjDк = 2*4, extraction directe du tantale est de 87 à 93 %, le rendement actuel est de 80 %.

L'électrolyse est réalisée jusqu'à ce que les 2/3 du volume utile du creuset soient remplis de sédiment cathodique. A la fin de l'électrolyse, l'anode est relevée et l'électrolyte ainsi que le dépôt cathodique sont refroidis. Deux méthodes de traitement du produit cathodique sont utilisées pour séparer l'électrolyte des particules de poudre de tantale : le broyage avec séparation de l'air et le nettoyage thermique sous vide.

La méthode thermique sous vide, développée en URSS, consiste à séparer la majeure partie des sels du tantale par fusion (fusion) sous atmosphère d'argon, suivie de l'élimination du résidu par évaporation sous vide à 900 C. L'électrolyte fondu et condensé est renvoyé à l'électrolyse.

Cela en broyant avec séparation de l'air 30 à 70 microns et en utilisant un traitement thermique sous vide - 100 à 120 microns.

La production de niobium à partir d'électrolytes oxyfluorure-chlorure, comme le tantale, n'a pas donné de résultats positifs en raison du fait que lors de la décharge à la cathode, des oxydes inférieurs se forment qui polluent le métal. La sortie de courant est faible.

Les électrolytes sans oxygène sont prometteurs pour le niobium (ainsi que le tantale). Les pentachlorures de niobium et de tantale se dissolvent dans les chlorures de métaux alcalins fondus pour former des sels complexes A/eNbCl6 et MeTaCl6. Lors de la décomposition électrolytique de ces complexes, des dépôts cristallins grossiers de niobium et de tantale sont libérés à la cathode et du chlore est libéré à l'anode en graphite.

Description et propriétés du niobium

Niobium– un élément appartenant au cinquième groupe périodique, de numéro atomique – 41. Formule électronique du niobium— No 4d45sl. Formule graphique du niobium- Nb - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1. Découvert en 1801 - initialement appelé « Columbia », du nom de la rivière dans laquelle il a été découvert. Renommé plus tard.

Niobium – métal abat-jour en acier blanc, plasticité - facilement enroulé en feuilles. Structure électronique du niobium lui confère certaines caractéristiques. Une indication d'une température élevée lors de la fusion et du point d'ébullition du métal est notée. Pour cette raison, la sortie électronique d’électrons est considérée comme une caractéristique. La supraconductivité n'apparaît qu'à haute température. Pour l'oxydation, le métal nécessite une température minimale d'environ 300 ºC ou plus. Cela crée un spécifique oxyde de niobium Nb2O5.

Niobium, propriétés qui interagit activement avec certains gaz. Il s'agit de l'hydrogène, de l'oxygène et de l'azote ; sous leur influence, certaines caractéristiques peuvent être modifiées. Plus la température est élevée, plus l'hydrogène est absorbé intensément, ce qui rend le niobium plus fragile ; lorsque le point de contrôle de 600 °C est atteint, une évolution inverse commence à se produire et le métal retrouve ses propriétés perdues. Après cela commence la formation de nitrure de NbN, dont la fusion nécessite 2300º C.

Le carbone et les gaz qui le contiennent commencent leur interaction avec le niobium à la température requise supérieure à 1200º C, ce qui entraîne la formation de carbure NbC - point de fusion - 3500º C. En raison de l'interaction du silicium et du bore avec le métal niobium, le borure NbB2 est formé - point de fusion - 2900º C.

Élément niobium résistant à presque tous les acides connus, à l'exception de l'acide fluorhydrique, et surtout de son mélange avec l'acide nitrique. Le métal est sensible aux alcalis, surtout chauds. Lorsqu'ils sont dissous, un processus d'oxydation se produit et de l'acide niobique se forme.

Extraction et origine du niobium

La teneur en métaux par tonne de roche empruntée est relativement faible : seulement 18 g par tonne. La teneur est augmentée dans les roches plus acides. Le plus souvent trouvé dans un seul dépôt niobium et tantale, en raison de leurs propriétés chimiques similaires, qui leur permettent de se retrouver dans le même minéral et de participer à des processus communs. Souvent, dans certains minéraux contenant du titane, un phénomène de remplacement se produit - "niobium - titane".

Une centaine de minéraux différents contenant du niobium sont connus. Mais seuls quelques-uns sont utilisés dans l’industrie. Ce sont le pyrochlore, la loparite, la torolite, etc. Dans les roches ultramafiques et alcalines, le niobium est présent dans la pérovskite et l'eudialyte.

Gisements de niobium disponible au Brésil, en Australie, au Canada, au Congo, au Nigeria et au Rwanda.

Production de niobium un processus assez complexe avec trois étapes principales. Tout d’abord, le concentré est ouvert, puis le niobium est séparé en composés purs. La dernière étape concerne les processus de récupération et d’affinage des métaux. Les méthodes les plus courantes comprennent les méthodes carbothermiques, aluminothermiques et sodiques.

Par exemple, en mélangeant de l'oxyde de niobium et de la suie à haute température dans un environnement hydrogène, on obtient du carbure, puis en mélangeant du carbure et de l'oxyde de niobium aux mêmes températures, mais sous vide complet, on obtient un métal, à partir duquel divers alliages de niobium. Il est possible d'obtenir des alliages de niobium en utilisant des méthodes de métallurgie des poudres, en utilisant des méthodes de fusion sous vide et à arc électronique.

Applications du niobium

En raison de ses propriétés uniques, le niobium est utilisé dans de nombreux domaines industriels. Alliages de niobium ont des propriétés réfractaires, de résistance à la chaleur, de supraconductivité, de getter et d'anticorrosion. De plus, il est assez simple à traiter et à souder. Il est largement utilisé dans les technologies spatiales et aéronautiques, l’ingénierie radio et électrique, l’industrie chimique et l’énergie nucléaire. Dans les lampes génératrices, de nombreux éléments chauffants sont fabriqués avec. Son alliage avec le tantale est également utilisé à ces fins.

Les redresseurs électriques et les condensateurs électrolytiques contiennent également une certaine quantité de ce métal. Son utilisation dans ces appareils est due à ses propriétés caractéristiques de transmission et d’oxydation. Les condensateurs contenant ce métal, de dimensions relativement petites, ont une résistance élevée. Tous les éléments du condensateur sont constitués d'une feuille spéciale. Il est pressé à partir de poudre de niobium.

La résistance à divers acides, la conductivité thermique élevée et la souplesse de la structure déterminent sa popularité en chimie et métallurgie, dans la création de divers dispositifs et structures. La combinaison des propriétés positives de ce métal important est recherchée même dans le domaine de l’énergie nucléaire.

En raison du faible effet du niobium sur l'uranium industriel, à des températures relativement basses (900°C), le métal convient pour créer une couche protectrice sur les réacteurs nucléaires. Avec une telle coque, il devient possible d'utiliser des liquides de refroidissement au sodium, avec lesquels il n'interagit pratiquement pas non plus. Le niobium prolonge considérablement la durée de vie des éléments d'uranium en créant un oxyde protecteur à leur surface contre les effets nocifs de la vapeur d'eau.

Les propriétés de résistance à la chaleur de certains peuvent être améliorées par un alliage avec du niobium. Les alliages de niobium ont également fait leurs preuves. Par exemple, c'est un alliage niobium – zirconium, caractérisé par des propriétés remarquables. Diverses pièces d'engins spatiaux et d'avions, ainsi que leurs revêtements, sont fabriquées à partir de ces alliages. La température de fonctionnement d'un tel alliage peut atteindre jusqu'à 1200ºC.

Certains alliages destinés au traitement de l'acier contiennent du carbure de niobium, ce qui améliore les propriétés de l'alliage. Un ajout relativement faible de niobium à l'acier inoxydable renforce ses propriétés anticorrosion et améliore la qualité des soudures résultantes. De nombreux aciers à outils contiennent également du niobium. En catalyse, ses différents composés participent aux processus de synthèse organique artificielle.

Prix du niobium

La principale forme de vente sur le marché mondial est lingots de niobium, mais d'autres formes de stockage sont tout à fait possibles. Il y a toujours eu une demande dans le monde pour niobium, prix qui est resté stable jusqu’au début de l’année 2000. Une croissance confiante de la demande associée au développement des économies de nombreux pays et une augmentation des volumes de production dans le domaine des technologies innovantes, des industries métallurgiques et chimiques ont contribué à une forte hausse des prix en 2007, passant de 12 dollars à 32 dollars le kilogramme de métal.

Au cours des années suivantes, en raison de la crise mondiale du secteur économique, jusqu'en 2012, il y a eu une légère baisse. Le taux de rotation des échanges commerciaux a diminué en conséquence. Mais en 2012, les prix ont de nouveau augmenté, et même alors acheter du niobium cela n’était possible qu’à 60 dollars le kilo, et la croissance ne s’est pas encore arrêtée. La question de substituts équivalents, mais plus accessibles, se pose depuis longtemps. Et ils existent, mais leurs propriétés sont nettement inférieures à celles du niobium. C'est donc toujours dans le prix.

Université des Mines d'État de l'Oural

Sur le sujet : Propriétés du niobium

Groupe : M-13-3

Étudiant : Mokhnashin Nikita

1. Informations générales sur l'élément

Propriétés physiques du niobium

Propriétés chimiques du niobium

Niobium gratuit

Oxydes de niobium et leurs sels

Composés de niobium

Pays leaders dans la production de niobium

1. Informations générales sur l'élément

L’humanité connaît depuis longtemps l’élément qui occupe la 41e cellule du tableau périodique. Son nom actuel, niobium, est plus jeune de près d’un demi-siècle. Il se trouve que l'élément n°41 a été ouvert deux fois. La première fois - en 1801, le scientifique anglais Charles Hatchet a examiné un échantillon du véritable minéral envoyé d'Amérique au British Museum. De ce minéral, il a isolé l'oxyde d'un élément jusqu'alors inconnu. Hatchet a nommé le nouvel élément columbium, soulignant ainsi son origine étrangère. Et le minéral noir s’appelait colombite. Un an plus tard, le chimiste suédois Ekeberg isolait l'oxyde d'un autre nouvel élément de la colombite, appelé tantale. La similitude entre les composés Columbia et tantale était si grande que pendant 40 ans, la plupart des chimistes ont cru que le tantale et le columbium étaient le même élément.

En 1844, le chimiste allemand Heinrich Rose examina des échantillons de colombite trouvés en Bavière. Il découvrit à nouveau des oxydes de deux métaux. L’un d’eux était l’oxyde du tantale déjà connu. Les oxydes étaient similaires et, soulignant leur similitude, Rose nomma l'élément formant le deuxième oxyde niobium, d'après Niobe, la fille du martyr mythologique Tantale. Cependant, Rose, comme Hatchet, n’a pas pu obtenir cet élément à l’état libre. Le niobium métallique n'a été obtenu pour la première fois qu'en 1866 par le scientifique suédois Blomstrand lors de la réduction du chlorure de niobium avec de l'hydrogène. Fin du 19ème siècle. deux autres façons d'obtenir cet élément ont été trouvées. Moissan l'a d'abord obtenu dans un four électrique, en réduisant l'oxyde de niobium avec du carbone, puis Goldschmidt a pu réduire le même élément avec de l'aluminium. Et l'élément n° 41 a continué à être appelé différemment selon les pays : en Angleterre et aux États-Unis - Colombie, dans d'autres pays - niobium. L’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) mit fin à cette polémique en 1950. Il fut décidé de légitimer partout le nom de l’élément « niobium », et le nom de « columbite » fut attribué au principal minéral du niobium. Sa formule est (Fe, Mn) (Nb, Ta)2 À PROPOS 6.

Ce n'est pas un hasard si le niobium est considéré comme un élément rare : on le trouve en effet peu fréquemment et en faible quantité, toujours sous forme de minéraux et jamais à l'état natif. Un détail intéressant : dans différentes publications de référence, le clarke (teneur dans la croûte terrestre) du niobium est différent. Cela s'explique principalement par le fait que ces dernières années, de nouveaux gisements de minéraux contenant du niobium ont été découverts dans les pays africains. The Chemist's Handbook, vol. 1 (M., Chemistry, 1963) donne les chiffres suivants : 3,2 10,5% (1939), 1,10-3% (1949) et 2,4.10-3% (1954). Mais les derniers chiffres sont également sous-estimés : les gisements africains découverts ces dernières années ne sont pas pris en compte ici. Néanmoins, on estime qu'environ 1,5 million de tonnes de niobium métallique peuvent être fondues à partir de minéraux provenant de gisements déjà connus.

Propriétés physiques du niobium

Le niobium est un métal gris argenté brillant.

Le niobium élémentaire est un métal extrêmement réfractaire (2468°C) et à haut point d'ébullition (4927°C), très résistant à de nombreux environnements agressifs. Tous les acides, à l’exception de l’acide fluorhydrique, n’ont aucun effet sur celui-ci. Les acides oxydants « passivent » le niobium en le recouvrant d'un film protecteur d'oxyde (n° 205). Mais à haute température, l'activité chimique du niobium augmente. Si à 150...200°C seule une petite couche superficielle de métal est oxydée, alors à 900...1200°C l'épaisseur du film d'oxyde augmente considérablement.

Le réseau cristallin du niobium est cubique centré avec un paramètre a = 3,294 Å.

Le métal pur est ductile et peut être laminé en feuilles minces (jusqu'à une épaisseur de 0,01 mm) à froid sans recuit intermédiaire.

On peut noter des propriétés du niobium telles que des points de fusion et d'ébullition élevés, un travail de travail électronique inférieur à celui d'autres métaux réfractaires - le tungstène et le molybdène. La dernière propriété caractérise la capacité d'émission d'électrons (émission d'électrons), qui est utilisée pour l'utilisation du niobium dans la technologie du vide électrique. Le niobium a également une température de transition élevée vers l'état supraconducteur.

Densité 8,57 g/cm 3(20 °C); t PL 2 500 °C ; t balle 4927 °C ; pression de vapeur (en mm Hg ; 1 mm Hg = 133,3 n/m 2) 1·10 -5(2194 °C), 1 10 -4(2355 °C), 6 10 -4(à t PL ), 1·10-3 (2539 °C).

Aux températures ordinaires, le niobium est stable dans l’air. Le début de l'oxydation (film de décoloration) est observé lorsque le métal est chauffé à 200 - 300°C. Au-dessus de 500°, une oxydation rapide se produit avec formation d’oxyde de Nb2 Ô 5.

La conductivité thermique en W/(m·K) à 0°C et 600°C est respectivement de 51,4 et 56,2, et la même en cal/(cm·sec·°C) est de 0,125 et 0,156. Résistance électrique volumétrique spécifique à 0°C 15,22 10 -8ohm m (15,22 10 -6ohm cm). La température de transition vers l'état supraconducteur est de 9,25 K. Le niobium est paramagnétique. Fonction de travail électronique 4,01 eV.

Le Niobium pur se traite facilement par pression à froid et conserve des propriétés mécaniques satisfaisantes à haute température. Sa résistance à la traction à 20 et 800 °C est respectivement de 342 et 312 Mn/m 2, le même en kgf/mm 234.2 et 31.2 ; l'allongement relatif à 20 et 800 °C est respectivement de 19,2 et 20,7 %. La dureté Brinell du niobium pur est de 450, technique 750-1800 Mn/m 2. Les impuretés de certains éléments, notamment l'hydrogène, l'azote, le carbone et l'oxygène, altèrent fortement la ductilité et augmentent la dureté du Niobium.

3. Propriétés chimiques du niobium

Le niobium est particulièrement apprécié pour sa résistance aux substances inorganiques et organiques.

Il existe une différence dans le comportement chimique du métal en poudre et en morceaux. Ce dernier est plus stable. Les métaux n'ont aucun effet sur lui, même s'ils sont chauffés à des températures élevées. Les métaux alcalins liquides et leurs alliages, le bismuth, le plomb, le mercure et l'étain peuvent être en contact prolongé avec le niobium sans modifier ses propriétés. Même des agents oxydants aussi puissants que l'acide perchlorique, l'eau régale, sans parler du nitrique, du sulfurique, du chlorhydrique et de tous les autres, n'y peuvent rien. Les solutions alcalines n'ont également aucun effet sur le niobium.

Il existe cependant trois réactifs capables de convertir le niobium métallique en composés chimiques. L'un d'eux est une fonte d'hydroxyde d'un métal alcalin :

Nb+4NaOH+5O2 = 4NaNbO3+2H2O

Les deux autres sont l'acide fluorhydrique (HF) ou son mélange avec l'acide nitrique (HF+HNO). Dans ce cas, il se forme des complexes de fluorure dont la composition dépend largement des conditions de réaction. Dans tous les cas, l'élément fait partie d'un anion de type 2- ou 2-.

Si vous prenez du niobium en poudre, il est un peu plus actif. Par exemple, dans le nitrate de sodium fondu, il s'enflamme même et se transforme en oxyde. Le niobium compact commence à s'oxyder lorsqu'il est chauffé au-dessus de 200°C, et la poudre se recouvre d'un film d'oxyde dès 150°C. Dans le même temps, l'une des propriétés merveilleuses de ce métal se manifeste : il conserve sa ductilité.

Sous forme de sciure de bois, lorsqu'elle est chauffée au-dessus de 900°C, elle brûle complètement en Nb2O5. Brûle vigoureusement dans un jet de chlore :

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Lorsqu'il est chauffé, il réagit avec le soufre. Il est difficile de s’allier avec la plupart des métaux. Il n'y a peut-être que deux exceptions : le fer, avec lequel se forment des solutions solides de différents rapports, et l'aluminium, qui contient le composé Al2Nb avec le niobium.

Quelles qualités du niobium l’aident à résister à l’action des acides oxydants les plus forts ? Il s’avère que cela ne fait pas référence aux propriétés du métal, mais aux caractéristiques de ses oxydes. Au contact d'agents oxydants, une fine couche d'oxydes (donc imperceptible) mais très dense apparaît à la surface du métal. Cette couche devient une barrière insurmontable sur le chemin de l'agent oxydant vers une surface métallique propre. Seuls certains réactifs chimiques, notamment l'anion fluor, peuvent y pénétrer. Par conséquent, le métal est essentiellement oxydé, mais pratiquement les résultats de l’oxydation sont invisibles en raison de la présence d’un mince film protecteur. La passivité envers l'acide sulfurique dilué est utilisée pour créer un redresseur AC. Sa conception est simple : des plaques de platine et de niobium sont immergées dans une solution de 0,05 m d'acide sulfurique. Le niobium dans un état passivé peut conduire le courant s'il s'agit d'une électrode négative - une cathode, c'est-à-dire que les électrons ne peuvent traverser la couche d'oxyde que du côté métallique. Le chemin pour les électrons hors de la solution est fermé. Par conséquent, lorsqu’un courant alternatif traverse un tel dispositif, une seule phase passe, pour laquelle le platine est l’anode et le niobium est la cathode.

halogène métallique niobium

4. Niobium à l'état libre

Il est si beau qu'à une époque on essayait d'en faire des bijoux : avec sa couleur gris clair, le niobium ressemble au platine. Malgré ses points de fusion élevés (2 500 °C) et d’ébullition (4 840 °C), n’importe quel produit peut être facilement fabriqué à partir de celui-ci. Le métal est si ductile qu'il peut être traité à froid. Il est très important que le niobium conserve ses propriétés mécaniques à haute température. Certes, comme dans le cas du vanadium, même de petites impuretés d'hydrogène, d'azote, de carbone et d'oxygène réduisent considérablement la ductilité et augmentent la dureté. Le niobium devient cassant à des températures de - 100 à - 200 °C.

L’obtention du niobium sous forme ultra-pure et compacte est devenue possible grâce à l’utilisation de la technologie ces dernières années. L'ensemble du processus technologique est complexe et demande beaucoup de main-d'œuvre. Fondamentalement, il est divisé en 4 étapes :

1.obtention du concentré : ferroniobium ou ferrotantaloniobium ;

.ouvrir le concentré - convertir le niobium (et le tantale) en certains composés insolubles afin de le séparer de la majeure partie du concentré ;

.séparation du niobium et du tantale et obtention de leurs composés individuels ;

.production et raffinage des métaux.

Les deux premières étapes sont assez simples et courantes, bien que laborieuses. Le degré de séparation du niobium et du tantale est déterminé par la troisième étape. La volonté d'obtenir le plus de niobium et surtout de tantale possible nous a obligé à trouver les dernières méthodes de séparation : extraction sélective, échange d'ions et rectification des composés de ces éléments avec des halogènes. En conséquence, des oxydes ou des pentachlorures de tantale et de niobium sont obtenus séparément. Lors de la dernière étape, une réduction au charbon (suie) est utilisée dans un courant d'hydrogène à 1800°C, puis la température est portée à 1900°C et la pression est réduite. Le carbure résultant de l'interaction avec le charbon réagit avec Nb2O5 :

2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,

et de la poudre de niobium apparaît. Si, à la suite de la séparation du niobium du tantale, on obtient non pas un oxyde, mais un sel, alors il est traité avec du sodium métallique à 1 000 °C et du niobium en poudre est également obtenu. Par conséquent, lors de la transformation ultérieure de la poudre en un monolithe compact, une refusion est effectuée dans un four à arc et, pour obtenir des monocristaux de niobium particulièrement pur, une fusion par faisceau d'électrons et par zone est utilisée.

Oxydes de niobium et leurs sels

Le nombre de composés contenant de l'oxygène dans le niobium est faible, nettement inférieur à celui du vanadium. Ceci s'explique par le fait que dans les composés correspondant aux états d'oxydation +4, +3 et +2, le niobium est extrêmement instable. Si un atome de cet élément commence à abandonner des électrons, il a alors tendance à abandonner les cinq pour exposer une configuration électronique stable.

Si nous comparons les ions du même état d'oxydation de deux voisins du groupe - le vanadium et le niobium, nous constatons une augmentation des propriétés en direction des métaux. Le caractère acide de l’oxyde de Nb2O5 est nettement plus faible que celui de l’oxyde de vanadium (V). Il ne forme pas d'acide une fois dissous. Ce n'est que lorsqu'il est fusionné avec des alcalis ou des carbonates que ses propriétés acides apparaissent :

O5 + 3NA2СО3 = 2NA3NbO4 + 3С02

Ce sel - l'orthoniobate de sodium - est similaire aux mêmes sels des acides orthophosphorique et orthovanadique. Cependant, dans le phosphore et l'arsenic, la forme ortho est la plus stable et une tentative d'obtention de l'orthoniobate sous sa forme pure a échoué. Lorsque l'alliage est traité avec de l'eau, ce n'est pas du sel Na3NbO4 qui est libéré, mais du méthaniobate NaNbO3. C'est une poudre finement cristalline, incolore et peu soluble dans l'eau froide. Par conséquent, dans le niobium au plus haut degré d'oxydation, ce n'est pas la forme ortho, mais la méta-forme des composés qui est la plus stable.

Parmi d'autres composés d'oxyde de niobium (V) avec des oxydes basiques, on connaît les diniobates K4Nb2O7, rappelant les pyroacides, et les polyniobates (comme l'ombre des acides polyphosphoriques et polyvanadium) avec les formules approximatives K7Nb5O16.nH2O et K8Nb6O19.mH2O. Les sels mentionnés, correspondant à l'oxyde de niobium supérieur, contiennent cet élément dans le cadre de l'anion. La forme de ces sels permet de les considérer comme des dérivés du niobium. acides Ces acides ne peuvent pas être obtenus sous leur forme pure, puisqu’ils peuvent plutôt être considérés comme des oxydes liés aux molécules d’eau. Par exemple, la métaforme est Nb2O5. H2O, et la forme orgo est Nb2O5. 3H2O. Parallèlement à ce type de composés, le niobium en possède d’autres où il fait déjà partie du cation. Le niobium ne forme pas de sels simples tels que les sulfates, les nitrates, etc. Lors de l'interaction avec l'hydrogénosulfate de sodium NaHSO4 ou l'oxyde d'azote N2O4, des substances avec un cation complexe apparaissent : Nb2O2(SO4)3. Les cations contenus dans ces sels ressemblent au cation vanadium à la seule différence qu'ici l'ion est chargé à cinq et que le vanadium a un état d'oxydation de quatre dans l'ion vanadyle. Le même cation NbO3+ entre dans la composition de certains sels complexes. L'oxyde Nb2O5 se dissout assez facilement dans l'acide fluorhydrique aqueux. A partir de ces solutions, le sel complexe K2 peut être isolé. H2O.

Sur la base des réactions considérées, nous pouvons conclure que le niobium, dans son état d'oxydation le plus élevé, peut faire partie à la fois des anions et des cations. Cela signifie que le niobium pentavalent est amphotère, mais avec toujours une prédominance significative de propriétés acides.

Il existe plusieurs façons d'obtenir du Nb2O5. Premièrement, l'interaction du niobium avec l'oxygène lorsqu'il est chauffé. Deuxièmement, la calcination des sels de niobium sous air : sulfure, nitrure ou carbure. Troisièmement, la méthode la plus courante est la déshydratation des hydrates. L'oxyde hydraté Nb2O5 est précipité à partir de solutions aqueuses de sels contenant des acides concentrés. xH2O. Puis, lorsque les solutions sont diluées, un précipité d’oxyde blanc se forme. La déshydratation du sédiment Nb2O5 xH2O s'accompagne d'un dégagement de chaleur. La masse entière se réchauffe. Cela se produit en raison de la transformation de l’oxyde amorphe en une forme cristalline. L'oxyde de niobium est disponible en deux couleurs. Dans des conditions normales, il est blanc, mais lorsqu'il est chauffé, il devient jaune. Cependant, dès que l’oxyde refroidit, la couleur disparaît. L'oxyde est réfractaire (tfondre = 1460°C) et non volatil.

Les états d'oxydation inférieurs du niobium correspondent à NbO2 et NbO. La première de ces deux est une poudre noire avec une teinte bleue. NbO2 est obtenu à partir de Nb2O5 en éliminant l'oxygène avec du magnésium ou de l'hydrogène à une température d'environ mille degrés :

O5 + H2 = 2NbO2 + H2O

Dans l’air, ce composé se transforme facilement en oxyde supérieur Nb2O5. Son caractère est plutôt secret, puisque l'oxyde est insoluble ni dans l'eau ni dans les acides. Pourtant, on lui attribue un caractère acide sur la base de son interaction avec les alcalis aqueux chauds ; dans ce cas, cependant, l’oxydation se produit en un ion à cinq charges.

Il semblerait que la différence entre un électron ne soit pas si grande, mais contrairement au Nb2O5, l'oxyde de NbO2 conduit le courant électrique. De toute évidence, dans ce composé, il existe une liaison métal-métal. Si vous profitez de cette qualité, alors lorsqu'il est chauffé avec un fort courant alternatif, vous pouvez forcer le NbO2 à abandonner son oxygène.

Lorsque l’oxygène est perdu, le NbO2 se transforme en oxyde de NbO, puis tout l’oxygène est éliminé assez rapidement. On sait peu de choses sur l'oxyde de niobium inférieur, NbO. Il a un éclat métallique et ressemble à du métal. Conduit parfaitement l’électricité. En un mot, il se comporte comme s’il n’y avait pas d’oxygène dans sa composition. Même, comme un métal typique, il réagit violemment avec le chlore lorsqu'il est chauffé et se transforme en oxychlorure :

2NbO + 3Cl2=2NbOCl3

Il déplace l'hydrogène de l'acide chlorhydrique (comme s'il ne s'agissait pas du tout d'un oxyde, mais d'un métal comme le zinc) :

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

NbO peut être obtenu sous forme pure par calcination du sel complexe K2 déjà mentionné avec du sodium métallique :

K2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

L'oxyde de NbO a le point de fusion le plus élevé de tous les oxydes de niobium, 1935°C. Pour purifier le niobium de l'oxygène, la température est augmentée à 2 300 - 2 350°C, puis simultanément à l'évaporation, le NbO se décompose en oxygène et en métal. L'affinage (nettoyage) du métal a lieu.

Composés de niobium

Une histoire sur cet élément ne serait pas complète sans mentionner ses composés avec des halogènes, des carbures et des nitrures. Ceci est important pour deux raisons. Premièrement, grâce aux complexes fluorés, il est possible de séparer le niobium de son éternel compagnon le tantale. Deuxièmement, ces composés nous révèlent les qualités du niobium en tant que métal.

Interaction des halogènes avec le niobium métallique :

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 peuvent être obtenus, tous les pentahalogénures de niobium possibles.

Le pentafluorure NbF5 (fond = 76 °C) est incolore à l'état liquide et en vapeur. Comme le pentafluorure de vanadium, à l’état liquide, il est polymère. Les atomes de niobium sont reliés les uns aux autres par des atomes de fluor. Sous forme solide, il présente une structure constituée de quatre molécules (Fig. 2).

Riz. 2. La structure du NbF5 et du TaF5 sous forme solide est constituée de quatre molécules.

Les solutions dans l'acide fluorhydrique H2F2 contiennent divers ions complexes :

H2F2 = H2 ;+ H2O = H2

Sel de potassium K2. H2O est important pour séparer le niobium du tantale car, contrairement au sel de tantale, il est hautement soluble.

Les pentahalogénures de niobium restants sont de couleurs vives : NbCl5 jaune, NbBr5 rouge-violet, NbI2 marron. Tous se subliment sans décomposition dans une atmosphère d'halogène correspondant ; par paires, ce sont des monomères. Leurs points de fusion et d'ébullition augmentent lorsqu'on passe du chlore au brome et à l'iode. Certaines des méthodes de préparation des pentahalogénures sont :

2Nb+5I2 2NbI5;O5+5C+5Cl22NbCl5+5CO;.

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Les pentahalogénures se dissolvent bien dans les solvants organiques : éther, chloroforme, alcool. Cependant, ils sont complètement décomposés par l’eau – hydrolysés. À la suite de l'hydrolyse, deux acides sont obtenus: l'acide halohydrique et l'acide niobique. Par exemple,

4H2O = 5HCl + H3NbO4

Lorsque l’hydrolyse n’est pas souhaitable, un acide fort est introduit et l’équilibre du processus décrit ci-dessus se déplace vers NbCl5. Dans ce cas, le pentahalogénure se dissout sans subir d'hydrolyse,

Le carbure de niobium a suscité une gratitude particulière de la part des métallurgistes. Dans tout acier, il y a du carbone ; le niobium, en le liant au carbure, améliore la qualité de l'acier allié. Généralement, lors du soudage de l’acier inoxydable, la soudure a moins de résistance. L'introduction de niobium à raison de 200 g par tonne permet de corriger cette carence. Lorsqu'il est chauffé, le niobium, avant tous les autres métaux en acier, forme un composé avec le carbure de carbone. Ce composé est assez plastique et en même temps capable de résister à des températures allant jusqu'à 3500°C. Une couche de carbure d’à peine un demi-millimètre d’épaisseur suffit à protéger les métaux et, ce qui est particulièrement précieux, le graphite de la corrosion. Le carbure peut être obtenu en chauffant du métal ou de l'oxyde de niobium (V) avec du carbone ou des gaz contenant du carbone (CH4, CO).

Le nitrure de niobium est un composé qui n'est affecté par aucun acide ni même par la « vodka regia » lorsqu'il est bouilli ; résistant à l'eau. La seule chose avec laquelle il peut être forcé d’interagir est un alcali bouillant. Dans ce cas, il se décompose en libérant de l'ammoniac.

Le nitrure de NbN est gris clair avec une teinte jaunâtre. Il est réfractaire (temp. mp. 2300°C), possède une caractéristique remarquable : à une température proche du zéro absolu (15,6 K, ou -267,4°C), il possède une supraconductivité.

Parmi les composés contenant du niobium dans un état d'oxydation inférieur, les halogénures sont les plus connus. Tous les halogénures inférieurs sont des solides cristallins foncés (du rouge foncé au noir). Leur stabilité diminue à mesure que l'état d'oxydation du métal diminue.

Application du niobium dans diverses industries

Application du niobium pour l'alliage de métaux

L'acier allié au niobium présente une bonne résistance à la corrosion. Le chrome augmente également la résistance à la corrosion de l'acier et est beaucoup moins cher que le niobium. Ce lecteur a à la fois raison et tort. Je me trompe parce que j'ai oublié une chose.

L'acier au chrome-nickel, comme tout autre, contient toujours du carbone. Mais le carbone se combine au chrome pour former du carbure, ce qui rend l'acier plus cassant. Le niobium a une plus grande affinité pour le carbone que le chrome. Par conséquent, lorsque du niobium est ajouté à l’acier, du carbure de niobium se forme nécessairement. L'acier allié au niobium acquiert des propriétés anticorrosion élevées et ne perd pas sa ductilité. L'effet souhaité est obtenu lorsque seulement 200 g de niobium métallique sont ajoutés à une tonne d'acier. Et le niobium confère une résistance élevée à l'usure à l'acier au chrome-manganèse.

De nombreux métaux non ferreux sont également alliés au niobium. Ainsi, l'aluminium, qui se dissout facilement dans les alcalis, ne réagit pas avec eux si seulement 0,05 % de niobium y est ajouté. Et le cuivre, connu pour sa douceur, et nombre de ses alliages semblent durcis par le niobium. Il augmente la résistance des métaux tels que le titane, le molybdène, le zirconium et augmente en même temps leur résistance à la chaleur et leur résistance à la chaleur.

Aujourd'hui, les propriétés et les capacités du niobium sont appréciées par l'aviation, l'ingénierie mécanique, l'ingénierie radio, l'industrie chimique et l'énergie nucléaire. Tous sont devenus consommateurs de niobium.

Cette propriété unique - l'absence d'interaction notable du niobium avec l'uranium à des températures allant jusqu'à 1 100°C et, en outre, une bonne conductivité thermique et une faible section efficace d'absorption des neutrons thermiques - a fait du niobium un concurrent sérieux aux métaux reconnus dans le domaine nucléaire. industrie - aluminium, béryllium et zirconium. De plus, la radioactivité artificielle (induite) du niobium est faible. Il peut donc être utilisé pour fabriquer des conteneurs pour le stockage de déchets radioactifs ou des installations pour leur utilisation.

L’industrie chimique consomme relativement peu de niobium, mais cela ne peut s’expliquer que par sa rareté. L'équipement pour la production d'acides de haute pureté est parfois fabriqué à partir d'alliages contenant du niobium et, plus rarement, à partir de niobium en feuille. La capacité du niobium à influencer la vitesse de certaines réactions chimiques est utilisée, par exemple, dans la synthèse de l'alcool à partir du butadiène.

La technologie des fusées et de l’espace est également devenue consommatrice de l’élément n°41. Ce n’est un secret pour personne que certaines quantités de cet élément tournent déjà sur des orbites proches de la Terre. Certaines pièces des fusées et des équipements embarqués des satellites artificiels de la Terre sont fabriquées à partir d'alliages contenant du niobium et de niobium pur.

Utilisations du niobium dans d'autres industries

Les « raccords chauds » (c'est-à-dire les pièces chauffées) sont fabriqués à partir de feuilles et de barres de niobium - anodes, grilles, cathodes chauffées indirectement et autres parties de lampes électroniques, en particulier de lampes génératrices puissantes.

En plus du métal pur, les alliages tantalonium-bium sont utilisés aux mêmes fins.

Le niobium était utilisé pour fabriquer des condensateurs électrolytiques et des redresseurs de courant. Ici, la capacité du niobium à former un film d'oxyde stable lors de l'oxydation anodique est utilisée. Le film d'oxyde est stable dans les électrolytes acides et laisse passer le courant uniquement dans le sens allant de l'électrolyte au métal. Les condensateurs au niobium à électrolyte solide se caractérisent par une capacité élevée avec de petites dimensions et une résistance d'isolation élevée.

Les éléments de condensateur au niobium sont fabriqués à partir de feuilles minces ou de plaques poreuses pressées à partir de poudres métalliques.

La résistance à la corrosion du niobium dans les acides et autres milieux, combinée à une conductivité thermique et une ductilité élevées, en font un matériau structurel précieux pour les équipements des industries chimiques et métallurgiques. Le niobium possède une combinaison de propriétés qui répondent aux exigences de l'énergie nucléaire pour les matériaux de structure.

Jusqu'à 900°C, le niobium interagit faiblement avec l'uranium et convient à la fabrication d'enveloppes de protection pour les éléments combustibles à l'uranium des réacteurs de puissance. Dans ce cas, il est possible d'utiliser des réfrigérants métalliques liquides : du sodium ou un alliage de sodium et de potassium, avec lequel le niobium n'interagit pas jusqu'à 600°C. Pour augmenter la capacité de survie des éléments combustibles à l'uranium, l'uranium est dopé au niobium (~ 7 % de niobium). L'additif niobium stabilise le film protecteur d'oxyde sur l'uranium, ce qui augmente sa résistance à la vapeur d'eau.

Le niobium est un composant de divers alliages résistants à la chaleur pour les turbines à gaz des moteurs à réaction. L'alliage du molybdène, du titane, du zirconium, de l'aluminium et du cuivre avec le niobium améliore considérablement les propriétés de ces métaux, ainsi que de leurs alliages. Il existe des alliages réfractaires à base de niobium comme matériau de structure pour des pièces de moteurs à réaction et de fusées (fabrication d'aubes de turbine, de bords d'attaque d'ailes, de nez d'avions et de fusées, de revêtements de fusées). Le niobium et ses alliages peuvent être utilisés à des températures de fonctionnement de 1 000 à 1 200°C.

Le carbure de niobium est un composant de certaines qualités de carbure à base de carbure de tungstène utilisé pour couper les aciers.

Le niobium est largement utilisé comme additif d’alliage dans les aciers. L'ajout de niobium en quantité 6 à 10 fois supérieure à la teneur en carbone de l'acier élimine la corrosion intergranulaire de l'acier inoxydable et protège les soudures de la destruction.

Le niobium est également ajouté à divers aciers résistants à la chaleur (par exemple pour les turbines à gaz), ainsi qu'aux aciers à outils et magnétiques.

Le niobium est introduit dans l'acier dans un alliage avec le fer (ferroniobium), contenant jusqu'à 60 % de Nb. De plus, le ferrotantaloniobium est utilisé avec différents rapports entre le tantale et le niobium dans le ferroalliage.

En synthèse organique, certains composés du niobium (sels complexes de fluorure, oxydes) sont utilisés comme catalyseurs.

L'utilisation et la production de niobium augmentent rapidement, en raison d'une combinaison de propriétés telles que le caractère réfractaire, une petite section efficace pour la capture des neutrons thermiques, la capacité de former des alliages résistants à la chaleur, supraconducteurs et autres, la résistance à la corrosion, les propriétés getter, fonction de travail à faible électron, bonne maniabilité sous pression à froid et soudabilité. Les principaux domaines d'application du niobium sont : les fusées, la technologie aéronautique et spatiale, l'ingénierie radio, l'électronique, l'ingénierie chimique, l'énergie nucléaire.

Applications du niobium métallique

Les pièces d'avion sont fabriquées à partir de niobium pur ou de ses alliages ; gaines pour éléments combustibles à l'uranium et au plutonium ; conteneurs et tuyaux; pour les métaux liquides ; pièces de condensateurs électrolytiques; raccords « chauds » pour lampes électroniques (pour installations radar) et générateurs puissants (anodes, cathodes, grilles, etc.) ; équipement résistant à la corrosion dans l’industrie chimique.

D'autres métaux non ferreux, dont l'uranium, sont alliés au niobium.

Le niobium est utilisé dans les cryotrons – éléments supraconducteurs des ordinateurs. Le niobium est également connu pour son utilisation dans les structures accélératrices du Grand collisionneur de hadrons.

Composés intermétalliques et alliages de niobium

Le stanniure de Nb3Sn et les alliages de niobium avec du titane et du zirconium sont utilisés pour la fabrication de solénoïdes supraconducteurs.

Le niobium et les alliages avec du tantale remplacent dans de nombreux cas le tantale, ce qui donne un effet économique important (le niobium est moins cher et presque deux fois plus léger que le tantale).

Le ferroniobium est introduit dans les aciers inoxydables au chrome-nickel pour empêcher leur corrosion et leur destruction intergranulaires et dans d'autres types d'acier pour améliorer leurs propriétés.

Le niobium est utilisé dans la frappe de pièces de collection. Ainsi, la Banque de Lettonie affirme que le niobium est utilisé avec l'argent dans les pièces de collection de 1 lat.

Application du catalyseur O5 de composés de niobium dans l’industrie chimique ;

dans la production de réfractaires, cermets, spéciaux. verre, nitrure, carbure, niobates.

Le carbure de niobium (point de fusion 3 480 °C) allié au carbure de zirconium et au carbure d'uranium 235 est le matériau structurel le plus important pour les barres de combustible des moteurs à réaction nucléaires en phase solide.

Le nitrure de niobium NbN est utilisé pour produire des films supraconducteurs minces et ultra-minces avec une température critique de 5 à 10 K avec une transition étroite de l'ordre de 0,1 K.

Le niobium en médecine

La haute résistance à la corrosion du niobium a permis son utilisation en médecine. Les fils de niobium n'irritent pas les tissus vivants et y adhèrent bien. La chirurgie reconstructive a utilisé avec succès ces fils pour recoudre des tendons, des vaisseaux sanguins et même des nerfs déchirés.

Application en bijouterie

Le niobium possède non seulement un ensemble de propriétés nécessaires à la technologie, mais il est également très beau. Les bijoutiers ont essayé d’utiliser ce métal blanc brillant pour fabriquer des boîtiers de montres. Les alliages de niobium avec du tungstène ou du rhénium remplacent parfois les métaux nobles : or, platine, iridium. Ce dernier point est particulièrement important, car l'alliage de niobium et de rhénium est non seulement extérieurement similaire à l'iridium métallique, mais il est presque aussi résistant à l'usure. Cela a permis à certains pays de se passer de l'iridium coûteux dans la production de pannes à souder pour les plumes de stylos-plumes.

Extraction de niobium en Russie

Ces dernières années, la production mondiale de niobium s'est élevée à 24 000 à 29 000 tonnes. Il convient de noter que le marché mondial du niobium est largement monopolisé par la société brésilienne SVMM, qui représente environ 85 % de la production mondiale de niobium.

Le Japon est le principal consommateur de produits contenant du niobium (cela inclut principalement le ferroniobium). Ce pays importe chaque année plus de 4 000 tonnes de ferroniobium du Brésil. Par conséquent, les prix des importations japonaises de produits contenant du niobium peuvent être considérés avec une grande confiance comme étant proches de la moyenne mondiale. Ces dernières années, les prix du ferroniobium ont eu tendance à augmenter. Cela est dû à son utilisation croissante pour la production d’aciers faiblement alliés destinés principalement aux oléoducs et gazoducs. De manière générale, il convient de noter qu'au cours des 15 dernières années, la consommation mondiale de niobium a augmenté en moyenne de 4 à 5 % par an.

C'est avec regret que nous devons admettre que la Russie est en marge du marché du niobium. Au début des années 90, selon les spécialistes de Giredmet, environ 2 000 tonnes de niobium (en termes d'oxyde de niobium) étaient produites et consommées dans l'ex-URSS. Actuellement, la consommation de produits à base de niobium par l'industrie russe ne dépasse pas seulement 100 à 200 tonnes. Il convient de noter que d'importantes capacités de production de niobium ont été créées dans l'ex-URSS, dispersées dans différentes républiques - Russie, Estonie et Kazakhstan. Cette caractéristique traditionnelle du développement de l'industrie en URSS place aujourd'hui la Russie dans une situation très difficile en ce qui concerne de nombreux types de matières premières et de métaux. Le marché du niobium commence par la production de matières premières contenant du niobium. Son type principal en Russie était et reste le concentré de loparite produit au GOK de Lovozersky (aujourd'hui Sevredmet JSC, région de Mourmansk). Avant l'effondrement de l'URSS, l'entreprise produisait environ 23 000 tonnes de concentré de loparite (la teneur en oxyde de niobium est d'environ 8,5 %). Par la suite, la production de concentrés a diminué régulièrement entre 1996 et 1998. L'entreprise s'est arrêtée à plusieurs reprises faute de ventes. Actuellement, on estime que la production de concentré de loparite dans l'entreprise se situe entre 700 et 800 tonnes par mois.

Il convient de noter que l'entreprise est étroitement liée à son seul consommateur, l'usine de magnésium de Solikamsk. Le fait est que le concentré de loparite est un produit assez spécifique qui ne peut être obtenu qu'en Russie. Sa technologie de transformation est assez complexe en raison du complexe de métaux rares qu'il contient (niobium, tantale, titane). De plus, le concentré est radioactif, c'est en grande partie pourquoi toutes les tentatives d'entrée sur le marché mondial avec ce produit se sont soldées par des échecs. Il convient également de noter qu’il est impossible d’obtenir du ferroniobium à partir du concentré de loparite. En 2000, à l'usine de Sevredmet, la société Rosredmet a lancé une installation expérimentale de traitement du concentré de loparite pour produire, entre autres métaux, des produits commerciaux contenant du niobium (oxyde de niobium).

Les principaux marchés pour les produits en niobium de SMZ sont les pays hors CEI : les livraisons sont effectuées aux États-Unis, au Japon et dans les pays européens. La part des exportations dans la production totale dépasse 90 %. D'importantes capacités de production de niobium en URSS étaient concentrées en Estonie - au sein de l'Association de production chimique et métallurgique de Sillamae (Sillamae). Aujourd'hui, la société estonienne s'appelle Silmet. À l'époque soviétique, l'entreprise traitait le concentré de loparite provenant de l'usine d'extraction et de traitement de Lovoozersk ; depuis 1992, son expédition a été interrompue. Actuellement, Silmet ne traite qu'un petit volume d'hydroxyde de niobium provenant de l'usine de magnésium de Solikamsk. L'entreprise reçoit actuellement la plupart de ses matières premières contenant du niobium du Brésil et du Nigeria. La direction de l'entreprise n'exclut pas la fourniture de concentré de loparite, mais Sevredmet tente de mener une politique de transformation locale, car l'exportation de matières premières est moins rentable que les produits finis.

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Il existe un assez grand nombre d'éléments qui, lorsqu'ils sont combinés avec d'autres substances, forment des alliages dotés de propriétés de performance particulières. Un exemple est le niobium, un élément qui a d’abord été appelé « columbium » (d’après le nom de la rivière où il a été trouvé pour la première fois), mais qui a ensuite été renommé. Le niobium est un métal aux propriétés assez inhabituelles, dont nous parlerons plus en détail plus tard.

Obtenir un élément

Lorsqu’on considère les propriétés du niobium, il convient de noter que la teneur de ce métal par tonne de roche est relativement faible, environ 18 grammes. C'est pourquoi, après sa découverte, de nombreuses tentatives ont été faites pour obtenir le métal artificiellement. En raison de sa composition chimique similaire, cette substance est souvent extraite avec le tantale.

Les gisements de niobium sont situés presque partout dans le monde. Les exemples incluent les mines du Congo, du Rwanda, du Brésil et de nombreux autres pays. Cependant, cet élément ne peut pas être qualifié de répandu ; dans de nombreuses régions, on ne le trouve pratiquement pas, même en faibles concentrations.

La concentration relativement faible de la substance dans la roche terrestre est aggravée par les difficultés rencontrées pour l'obtenir à partir de concentré. Il convient de noter que le niobium NBS ne peut être obtenu qu’à partir de roches saturées de tantale. Voici les caractéristiques du processus de production :

Pour commencer, du minerai concentré est fourni à l'usine, qui passe par plusieurs étapes de purification. Lors de la production de niobium, le minerai obtenu est séparé en éléments purs, dont le tantale.
Le processus de traitement final consiste à affiner le métal.

Malgré les difficultés rencontrées lors de l'extraction et du traitement du minerai en question, le volume de production de l'alliage en question augmente chaque année de manière significative. Cela est dû au fait que le métal possède des qualités de performance exceptionnelles et est largement utilisé dans une grande variété d'industries.

Oxydes de niobium

L'élément chimique en question peut devenir la base de divers composés. Le plus courant est le pentoxyde de niobium. Parmi les caractéristiques de cette connexion, on peut noter les points suivants :

L'oxyde de niobium est une poudre cristalline blanche qui a une teinte crémeuse.
La substance ne se dissout pas dans l'eau.
La substance résultante conserve sa structure lorsqu'elle est mélangée à la plupart des acides.

Les caractéristiques du pentoxyde de niobium incluent également les propriétés suivantes :

Force accrue.
Haute réfractarité. La substance peut résister à des températures allant jusqu'à 1490 degrés Celsius.
Lorsqu'elle est chauffée, la surface s'oxyde.
Réagit au chlore et peut être réduit par l'hydrogène.

L'hydroxyde de niobium est dans la plupart des cas utilisé pour produire des nuances d'acier fortement alliées, qui présentent des propriétés de performance très attractives.

Proprietes physiques et chimiques

Le niobium possède des propriétés chimiques similaires à celles du tantale. Lorsque vous examinez les principales caractéristiques du niobium, vous devez prêter attention aux points suivants :

Résistant à divers types de corrosion. Les alliages obtenus en introduisant cet élément dans la composition présentent des qualités élevées de résistance à la corrosion.
L'élément chimique en question présente un point de fusion élevé. Comme le montre la pratique, la plupart des alliages ont un point de fusion supérieur à 1 400 degrés Celsius. cela complique le processus de traitement, mais rend les métaux indispensables dans divers domaines d'activité.
Les propriétés physiques de base sont également caractérisées par la facilité de soudage des alliages obtenus.
À des températures inférieures à zéro, la structure de l'élément reste pratiquement inchangée, ce qui permet de préserver les propriétés opérationnelles du métal.
La structure particulière de l’atome de niobium détermine les qualités supraconductrices du matériau.
La masse atomique est de 92,9, la valence dépend des caractéristiques de la composition.

Le principal avantage de la substance est considéré comme son caractère réfractaire. C'est pourquoi il a commencé à être utilisé dans une grande variété d'industries. La substance fond à une température d'environ 2 500 degrés Celsius. Certains alliages fondent même à une température record de 4 500 degrés Celsius. La densité de la substance est assez élevée, 8,57 grammes par centimètre cube. Il convient de noter que le métal est caractérisé par son caractère paramagnétique.

Les acides suivants n'affectent pas le réseau cristallin :

sulfurique;
sel;
phosphore;
chlore

N'affecte pas les solutions métalliques et aqueuses de chlore. Avec un certain impact sur le métal, un film d'oxyde diélectrique se forme à sa surface. C'est pourquoi le métal a commencé à être utilisé dans la production de condensateurs miniatures de grande capacité, également fabriqués à partir de tantale plus coûteux.

Applications du niobium

Une grande variété de produits en niobium sont fabriqués, dont la plupart sont associés à la production d'avions. Un exemple est l'utilisation du niobium dans la fabrication de pièces installées lors de l'assemblage de fusées ou d'avions. De plus, on peut distinguer les utilisations suivantes de cet élément :

Production d'éléments à partir desquels sont réalisées les installations radar.
Comme indiqué précédemment, l’alliage en question peut être utilisé pour produire des condensateurs électriques capacitifs moins chers.
Les cathodes et anodes en feuille sont également fabriquées à partir de l'élément en question, associé à une résistance élevée à la chaleur.
Vous pouvez souvent trouver des modèles de lampes génératrices puissantes dotées d’une grille à l’intérieur. Pour que ce treillis puisse résister à des températures élevées, il est réalisé à partir de l'alliage en question.

Des qualités physiques et chimiques élevées déterminent l'utilisation du niobium dans la production de tuyaux destinés au transport de métaux liquides. De plus, les alliages sont utilisés pour produire des conteneurs à des fins diverses.

Alliages avec du niobium

Lors de l'examen de tels alliages, il convient de garder à l'esprit que cet élément est souvent utilisé pour la production de ferroniobium. Ce matériau est largement utilisé dans les industries de fonderie, ainsi que dans la fabrication de revêtements électroniques. Comprend :

fer;
niobium avec tantale;
silicium;
aluminium;
carbone;
soufre;
phosphore;
titane.

La concentration des principaux éléments peut varier dans une plage assez large, ce qui détermine les performances du matériau.

Un alliage de ferroniobium alternatif peut être appelé niobium 5VMC. Lors de sa production, le tungstène, le zirconium et le molybdène sont utilisés comme éléments d'alliage. Dans la plupart des cas, cette résine est utilisée pour la fabrication de produits semi-finis.

En conclusion, notons que le niobium est utilisé dans la production de pièces de monnaie dans certains pays. Cela est dû au coût assez élevé du matériau. Avec la production en série d’alliages contenant du niobium comme élément principal, des lingots uniques sont créés.

Application du niobium pour l'alliage de métaux

L'industrie chimique consomme relativement peu de niobium, mais cela ne peut s'expliquer que par sa rareté. L'équipement pour la production d'acides de haute pureté est parfois fabriqué à partir d'alliages contenant du niobium et, plus rarement, à partir de niobium en feuille. La capacité du niobium à influencer la vitesse de certaines réactions chimiques est utilisée, par exemple, dans la synthèse de l'alcool à partir du butadiène.

Utilisations du niobium dans d'autres industries

En plus du métal pur, les alliages tantalonium-bium sont utilisés aux mêmes fins.

Les éléments de condensateur au niobium sont fabriqués à partir de feuilles minces ou de plaques poreuses pressées à partir de poudres métalliques.

Le carbure de niobium est un composant de certaines qualités de carbure à base de carbure de tungstène utilisé pour couper les aciers.

Le niobium est également ajouté à divers aciers résistants à la chaleur (par exemple pour les turbines à gaz), ainsi qu'aux aciers à outils et magnétiques.

En synthèse organique, certains composés du niobium (sels complexes de fluorure, oxydes) sont utilisés comme catalyseurs.

Applications du niobium métallique

Les pièces d'avion sont fabriquées à partir de niobium pur ou de ses alliages ; gaines pour éléments combustibles à l'uranium et au plutonium ; conteneurs et tuyaux; pour les métaux liquides ; pièces de condensateurs électrolytiques; raccords « chauds » pour lampes électroniques (pour installations radar) et générateurs puissants (anodes, cathodes, grilles, etc.) ; équipement résistant à la corrosion dans l’industrie chimique.
D'autres métaux non ferreux, dont l'uranium, sont alliés au niobium.
Le niobium est utilisé dans les cryotrons – éléments supraconducteurs des ordinateurs. Le niobium est également connu pour son utilisation dans les structures accélératrices du Grand collisionneur de hadrons.

Composés intermétalliques et alliages de niobium

Le stanniure de Nb 3 Sn et les alliages de niobium avec du titane et du zirconium sont utilisés pour la fabrication de solénoïdes supraconducteurs.
Le niobium et les alliages avec du tantale remplacent dans de nombreux cas le tantale, ce qui donne un effet économique important (le niobium est moins cher et presque deux fois plus léger que le tantale).
Le ferroniobium est introduit dans les aciers inoxydables au chrome-nickel pour empêcher leur corrosion et leur destruction intergranulaires et dans d'autres types d'acier pour améliorer leurs propriétés.
Le niobium est utilisé dans la frappe de pièces de collection. Ainsi, la Banque de Lettonie affirme que le niobium est utilisé avec l'argent dans les pièces de collection de 1 lat.

Application de composés de niobium

Catalyseur Nb 2 O 5 dans l'industrie chimique ;
dans la production de réfractaires, cermets, spéciaux. verre, nitrure, carbure, niobates.
Le carbure de niobium (point de fusion 3 480 °C) allié au carbure de zirconium et au carbure d'uranium 235 est le matériau structurel le plus important pour les barres de combustible des moteurs à réaction nucléaires en phase solide.
Le nitrure de niobium NbN est utilisé pour produire des films supraconducteurs minces et ultra-minces avec une température critique de 5 à 10 K avec une transition étroite de l'ordre de 0,1 K.

Le niobium en médecine

Application en bijouterie

Le niobium possède non seulement un ensemble de propriétés nécessaires à la technologie, mais il est également très beau. Les bijoutiers ont essayé d’utiliser ce métal blanc brillant pour fabriquer des boîtiers de montres. Les alliages de niobium avec du tungstène ou du rhénium remplacent parfois les métaux nobles : or, platine, iridium. Ce dernier point est particulièrement important, car l’alliage niobium-rhénium ressemble non seulement à l’iridium métallique, mais il est presque aussi résistant à l’usure. Cela a permis à certains pays de se passer de l'iridium coûteux dans la production de pannes à souder pour les plumes de stylos-plumes.

Le niobium comme matériau supraconducteur de première génération

L'étonnant phénomène de supraconductivité, lorsque la température d'un conducteur diminue, une disparition brutale de la résistance électrique s'y produit, a été observé pour la première fois par le physicien néerlandais G. Kamerlingh-Onnes en 1911. Le premier supraconducteur s'est avéré être le mercure, mais ce n'est pas le cas, mais le niobium et certains composés intermétalliques du niobium étaient destinés à devenir les premiers matériaux supraconducteurs techniquement importants.

Deux caractéristiques des supraconducteurs sont pratiquement importantes : la valeur de la température critique à laquelle se produit la transition vers l'état de supraconductivité, et le champ magnétique critique (Kamerlingh Onnes a également observé la perte de supraconductivité d'un supraconducteur lorsqu'il est exposé à un champ magnétique suffisamment fort ). En 1975, le composé intermétallique de niobium et de germanium de composition Nb 3 Ge est devenu le détenteur du record de la température critique la plus élevée. Sa température critique est de 23,2°K ; C'est plus élevé que le point d'ébullition de l'hydrogène. (La plupart des supraconducteurs connus ne deviennent supraconducteurs qu'à la température de l'hélium liquide).

La capacité de passer à un état de supraconductivité est également caractéristique du stannide de niobium Nb 3 Sn, alliages de niobium avec de l'aluminium et du germanium ou avec du titane et du zirconium. Tous ces alliages et composés sont déjà utilisés pour fabriquer des solénoïdes supraconducteurs, ainsi que d’autres dispositifs techniques importants.

L'un des supraconducteurs activement utilisés (température de transition supraconductrice 9,25 K). Les composés de niobium ont une température de transition supraconductrice allant jusqu'à 23,2 K (Nb 3 Ge).
Les supraconducteurs industriels les plus couramment utilisés sont le NbTi et le Nb 3 Sn.
Le niobium est également utilisé dans les alliages magnétiques.
Utilisé comme additif d'alliage.
Le nitrure de niobium est utilisé pour produire des bolomètres supraconducteurs.

La résistance exceptionnelle du niobium et de ses alliages avec le tantale dans la vapeur de césium 133 surchauffée en fait l'un des matériaux structurels les plus appréciés et les moins chers pour les générateurs thermoioniques de haute puissance.

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