Применение ниобия в высокотехнологичных областях промышленности

Ниобий (Nb от лат. niobium) – редкий, с точки зрения распространения в земной коре (0,002% по массе), металл серо-стального цвета. Ниобий обладает исключительной ценностью для сохранения темпов роста и развития целого ряда высокотехнологичных и наукоемких отраслей. По данным Bloomberg, сегодня ежегодный спрос на ниобий в мире достигает 100 тысяч тонн, что превышает спрос, например, на медь, в четыре раза. Примерно 90% ниобия в виде ферросплава (феррониобий 60—65 % Nb), потребляется сталелитейной промышленностью для легирования и производства:

• конструкционных высокопрочных и легких сталей;
• жаропрочных и жаростойких сплавов;
• сверхпроводниковых сплавов.

В числе ключевых свойств ниобия:

• высокая коррозионная стойкость;
• термостойкость (температура: плавления ~2415°С, кипения ~5100°С);
• твердость (45 кг/мм² по Бринеллю);
• прочность на растяжение (до 34,2 кг/мм² при 20°С)
• пластичность;
• выдающиеся электротехнические характеристики;
• устойчивость против действия минеральных кислот;
• высокие диэлектрические свойства оксидной пленки;
• малый удельный вес.

Металлургическая промышленность выпускает несколько видов полуфабрикатов из ниобия, наиболее востребованными из которых являются: ниобиевая проволока, ниобиевая лента, ниобиевый пруток, ниобиевая труба, ниобиевый лист и ниобиевый порошок. Требуемые характеристики полуфабрикатам из ниобия придаются с помощью обработки металла по определенным технологическим схемам.

В номенклатуру областей применения ниобия в виде функциональной продукции и материалов на его основе входят:

• химическое машиностроение;
• производство сверхпроводников;
• приборостроение;
• машиностроение;
• авто-, судо-, авиа- и ракетостроение;
• атомная энергетика;
• медицина;
• производство нефтегазоперерабатывающего оборудования;
• изготовление промышленных труб, в том числе для нефте- и газопроводов;
• производство оптически активных материалов и т.д.

Производство сверхпроводников

Широкое применение ниобиевый пруток марки НбП1(2) и ниобиевая проволока марки НбПр-1 (ТУ 48-4-316-74) получили в производстве многоволоконных низкотемпературных сверхпроводников для термоядерных реакторов, магнитных систем нового поколения, ускорителей заряженных частиц. Для промышленного изготовления сверхпроводников используется несколько методов. Один из них построен на твердофазной диффузии (структурном встраивании) ниобиевых прутков в сердечник из олова, окруженных медной матрицей. После волочения заготовки до необходимого диаметра и высокотемпературной обработки, получают сверхпроводящие провода Nb₃Sn в медной стабилизирующей оболочке.

Рисунок 1. Сверхпроводник в разрезе.

Кристаллический ниобиевый порошок также используется для конструирования сверхпроводников по Методу Кюнцлера («порошок в трубе»). Порошок ниобия смешивается с оловянным порошком, затем смесь собирают с ниобиевыми прутками и прессуют в медной матрице. Многоволоконные области окружаются диффузионным барьером, материалом для которого обычно служит тонкий ниобиевый лист марки Нб-1(НбЦ-1) или фольга марки НБ (ТУ 48-19-293-78). Высокую эффективность в качестве сверхпроводников показывают интерметаллиды ниобия – соединения с титаном, цирконием, германием, которые производятся путем горячего плавления металлов. Технические ниобиевосодержащие сверхпроводники применяют в аппаратах формирования магнитных полей, томографах (медицинских), спектрографах, детекторах столкновения частиц. Например, провод из интерметаллида Nb-Ti использован для обмотки сверхпроводящих магнитов БАК в Церне.

Атомная энергетика

Ниобий обладает уникальным сочетанием свойств, критически необходимых для конструкционных элементов атомных реакторов. Наиболее важные из них: слабое взаимодействие с ураном (при температурах до 900-1100°С) и малое сечение радиационного захвата тепловых нейтронов (около 1,15 х 10-24 см²). В связи с этим ниобиевый лист входит в число основных материалов, из которых изготавливают защитные оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) водяных и кипящих энергетических реакторов. В свою очередь ниобиевая труба марки НБЦ-1 используется в конструкциях трубопроводов и насосного оборудования, которые применяются на объектах атомной промышленности.

Химическое машиностроение

Способность ниобия эффективно противостоять коррозии в минеральных и органических кислотах, в большинстве солей, морской воде, обуславливает его ценность в качестве материала для ответственных узлов и деталей химических машин и аппаратов. При производстве конструкционных элементов используется практически весь спектр полуфабрикатов: ниобиевая лента марки Нб1(Нб2) и пруток, труба, лист, проволока. Из ниобия и ниобиевых сплавов производят трубопроводы и теплообменники, участвующие в высокотемпературных процессах до 1000–2000°С, а также работающие с агрессивными жидкими рабочими средами, например, для производства высокочистых кислот. Поскольку ниобий хорошо поглощает газы, из него изготавливают лабораторное вакуумное оборудование и камеры для нагрева газов, а благодаря незаурядной термостойкости, металл используют для огнеупорного покрытия высокотемпературных печей.

Металлургия

В металлургической промышленности ниобий применяется для легирования стали и цветных металлов (Ni, Co, Cr и др.) при производстве коррозионностойких жаропрочных и жаростойких сплавов, высокопрочных и легких сталей. Низколегированные ниобием стали применяют для изготовления кузовов и рам автомобилей, корпусов морских и речных судов, нефтегазовых труб большого диаметра различного климатического исполнения. При концентрации ниобия, превышающей концентрацию углерода в 6-10 раз, сталь становится более устойчивой к межкристаллитной коррозии, приобретает высокую прочность сварных швов. Содержащие ниобий жаростойкие и жаропрочные сплавы отличаются высокой рабочей температурой 800–1250°С, жесткостью и плотностью, что позволяет использовать их для производства деталей двигателей самолетов, ракетных сопел, лопаток газовых турбин, компонентов бортовой аппаратуры ракетной техники. Из твердых карбидов ниобия изготавливают высокопроизводительный режущий инструмент, бурильные насадки для горнодобывающей отрасли, зубья экскаваторных ковшей, износостойкие детали различных машин и механизмов.

Производство оптически активных материалов

Техническая пятиокись (пентаоксид) ниобия – ниобиевый порошок белого цвета, который традиционно используется для создания ниобиевых ферросплавов и сплавов с ниобием, нашел применение в производстве оптического стекла для целого ряда приборов различного назначения. Материал обладает высоким коэффициентом преломления и низким коэффициентом оптического поглощения света. Эти особенности, вкупе с высокой механической, химической и термической стойкостью, делают сверхчистый пентаоксид ниобия (Nb₂O₅) эффективным компонентом оптического стекла, существенно улучшающим его потребительские и технические характеристики. Путем смешения порошка пятиокиси ниобия с оксидом лития (Li₂CO₃) при 1000-1100°C, изготавливают оптические монокристаллы ниобата лития (LiNbO₃), которые обладают выдающимися пьезоэлектрическими, фотоупругими и электрооптическими свойствами, позволяющими изменять длину световой волны в видимом и инфракрасном диапазонах спектра.

Заключение

Рисунок 2. Вакуумный диод.

Помимо перечисленных выше направлений, ниобиевая лента и ниобиевая труба, а также пруток, проволока, лист, порошок, востребованы во многих других отраслях промышленности. В частности, ниобиевая проволока применяется для производства анодов, сеток и катодов электронных ламп. Образование на поверхности металла оксидной пленки с высокими диэлектрическими свойствами, устойчивой к кислым электролитам, обусловило использование ниобия в производстве микроконденсаторов для современной электроники. По оценкам того же Bloomberg, в ближайшее время темпы роста спроса на ниобий составят 10% в год, что лишний раз подтверждает статус металла, как стратегически важного для развития широкого спектра высокотехнологичной продукции.