Métal Niobium
Le niobium est un élément chimique dont le symbole est Nb (anciennement columbium, Cb) et le numéro atomique est 41. C'est un métal de transition gris clair, cristallin et ductile. Le niobium pur a une dureté Mohs similaire à celle du titane pur et sa ductilité est similaire à celle du fer. Le niobium s'oxyde très lentement dans l'atmosphère terrestre, d'où son utilisation en bijouterie comme alternative hypoallergénique au nickel. Le niobium se trouve souvent dans les minéraux pyrochlore et columbite, d'où l'ancien nom « columbium ».
Avantages du métal niobium
Ductilité et malléabilité :Le niobium est un métal très ductile et malléable. Cela signifie qu'il peut être étiré pour former des fils ou martelé pour former des feuilles minces, une propriété essentielle pour les applications de fabrication et d'ingénierie.
Point de fusion élevé :Avec un point de fusion d'environ 2 468 degrés Celsius (4 474 degrés Fahrenheit), le métal niobium peut résister à des températures extrêmes, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans des applications d'ingénierie à haute température.
Résistance à la corrosion:Le métal niobium est exceptionnellement résistant à la corrosion, ce qui le rend utile dans les environnements qui dégraderaient ou endommageraient d’autres matériaux.
Supraconductivité:L'une des propriétés les plus remarquables du métal niobium est sa capacité à devenir supraconducteur à des températures cryogéniques. Lorsqu'il est refroidi en dessous d'une certaine température, il peut conduire l'électricité sans résistance, une propriété exploitée dans diverses applications scientifiques et médicales.
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Quelles sont les applications du métal niobium
Industrie du fer et de l'acier
Environ 85 à 9 % du métal niobium dans le monde est utilisé pour la production de fer et d'acier sous forme de niobium-fer. L'acier peut augmenter sa résistance de plus de 30 % en ajoutant 0,03 % de niobium. Le niobium peut induire une précipitation et contrôler la vitesse de refroidissement pour obtenir une distribution de dispersion des précipités et ajuster le niveau de ténacité de l'acier dans une large gamme. Par conséquent, l'ajout d'acier au niobium peut non seulement améliorer la résistance de l'acier, mais également améliorer la résistance à l'oxydation à haute température et la résistance à la corrosion de l'acier, réduire la température de transition ductile et fragile de l'acier, l'acier a de bonnes propriétés de soudage et de formabilité.
Industrie des matériaux supraconducteurs
Certains composés de niobium et le métal niobium ont une température de transition supraconductrice élevée, qui est largement utilisée dans la fabrication de divers supraconducteurs industriels, tels qu'un générateur supraconducteur, des aimants d'accélérateur haute puissance, un stockage d'énergie magnétique supraconducteur, un équipement d'imagerie par résonance magnétique, etc.
À l’heure actuelle, les matériaux supraconducteurs les plus importants sont le NB Ti et le Nb Sn, qui sont largement utilisés dans le diagnostic médical des appareils d’imagerie par résonance magnétique et du spectromètre de résonance magnétique nucléaire pour l’analyse des lignes spectrales.
Industrie aérospaciale
L'industrie aérospatiale est le principal domaine d'application du niobium de haute pureté, principalement utilisé pour la fabrication de moteurs et de composants résistants à la chaleur des fusées et des engins spatiaux. Les alliages à chaud à base de NB et de Ta ont une excellente résistance thermique et une excellente aptitude au traitement, qui sont largement utilisés dans les composants d'aéronefs et les aubes de turbines à gaz. Aux États-Unis, presque tous les moteurs de chasseurs à réaction sont fabriqués en alliage de niobium.
Industrie de l'énergie atomique
Le niobium métallique présente une conductivité thermique élevée, un point de fusion élevé, une bonne résistance à la corrosion et une faible section efficace de capture de neutrons. C'est un matériau bien adapté aux réacteurs nucléaires. Les principales utilisations du niobium métallique dans l'industrie de l'énergie atomique comprennent l'inclusion de combustible nucléaire, les alliages de combustibles nucléaires et les matériaux de structure des échangeurs de chaleur dans les réacteurs nucléaires.
Industrie électronique
Les céramiques au niobium peuvent être utilisées pour la production de condensateurs. Les monocristaux tels que les composés au niobate de lithium et au niobate de potassium sont un nouveau type d'optoélectronique et d'électronique avec de bonnes propriétés cristallines, piézoélectriques, pyroélectriques et optiques, et ont été largement appliqués à l'infrarouge, à la technologie laser et à l'industrie électronique. De plus, le métal niobium a un point de fusion élevé, une capacité d'émission électronique élevée et a la capacité d'attirer l'air. Il peut être utilisé pour fabriquer des tubes électroniques et d'autres dispositifs électroniques sous vide.
Domaine médical
Le niobium a une compatibilité physiologique anticorrosive et une bonne compatibilité biologique, n'entraînera pas la présence de diverses substances liquides dans le corps humain et n'endommagera presque pas les tissus biologiques, peut s'adapter à n'importe quelle méthode de stérilisation, qui est souvent utilisée dans la fabrication de plaques osseuses, de vis de plaques crâniennes, de racines de plantes, d'instruments chirurgicaux, etc.
Autres applications
Dans l'industrie chimique, le niobium métallique est un matériau de haute qualité résistant à la corrosion par les acides et les métaux liquides qui peut être utilisé dans les appareils de cuisson, les radiateurs et les refroidisseurs. De plus, l'acide niobium est également un catalyseur important.
Le métal niobium a également été appliqué à l'industrie de la fonderie, son rôle principal est de former un carbure dur et de changer la morphologie et la taille du graphite, qui sont souvent utilisés dans la fabrication de culasses automobiles, de segments de piston et de freins, etc. De plus, le niobium est parfois utilisé dans les pièces commémoratives avec de l'or et de l'argent.
Types de métal Niobium
Les plaques de niobium peuvent être utilisées dans diverses applications de haute technologie dans les domaines de la métallurgie, de l'ingénierie et de l'industrie. Des formes, des tailles et des épaisseurs personnalisées peuvent être fabriquées pour répondre aux exigences des clients.
Des alliages de niobium-titane destinés à être utilisés dans les supraconducteurs et les accélérateurs de particules, des inserts pour pièces de monnaie et des creusets dimensionnellement stables utilisés pour la croissance des diamants peuvent tous être fabriqués à l'aide de ce procédé.
Le niobium métallique est un métal réfractaire exceptionnel doté d'une résistance supérieure à l'usure et à la chaleur. De plus, son point de fusion est élevé et présente d'excellentes propriétés de résistance à la corrosion.
Le Nb est un élément d'alliage essentiel dans les aciers à haute résistance et à faible teneur en alliages (HSLA). Il fournit des agents de renforcement plus efficaces que le vanadium ou le titane ; il suffit de la moitié de la quantité de Nb nécessaire pour obtenir la même augmentation de résistance.
Le niobium est un métal de transition gris et mou doté d'excellentes propriétés d'alliage et de nombreuses applications dans les équipements de haute technologie tels que les aimants supraconducteurs et les scanners IRM.
La faible toxicité et l'irisation du niobium en font un matériau idéal pour les applications de bijouterie et de décoration, telles que l'anodisation. L'anodisation produit une gamme de couleurs contrôlée et répétable qui ne rouille pas et ne ternit pas et peut être facilement polie ou lustrée pour obtenir des finitions très brillantes.
Il est produit par des procédés de laminage à froid et chimiquement pur pour diverses applications réactives. Ils sont également disponibles sous forme de bobines utilisées dans les applications de semi-conducteurs et d'énergie électronique.
Le niobium est un métal de transition gris et mou semblable au tantale avec des propriétés proches de celui-ci qui trouve une utilisation dans les applications médicales et les processus de production d'acier.
En raison de ses propriétés de résistance à la corrosion et de solidité, le titane est souvent ajouté à l'acier inoxydable pour le protéger contre la corrosion et améliorer la résistance. De plus, il sert de fondant dans les baguettes de soudage.
Le niobium est également un matériau idéal pour les aimants supraconducteurs utilisés dans les scanners IRM en raison de son excellente flexibilité et de sa résistance à l'oxydation, ce qui en fait un complément approprié.
Le niobium est un métal de transition cristallin gris clair doté de propriétés de flexibilité élevées qui le rendent adapté à la galvanoplastie de bijoux et aux applications de supraconductivité. De plus, ce métal polyvalent a de nombreuses utilisations industrielles car il a été découvert dans des matériaux et des applications supraconducteurs.
Les mesures de section efficace de capture de neutrons thermiques sont faibles, ce qui rend ce matériau adapté aux applications nucléaires telles que celles trouvées dans les aimants des scanners IRM.
Le point de fusion élevé de l'aluminium et son excellente résistance à la corrosion en font un matériau recherché pour la fabrication de pièces. Il peut même être allié au nickel ou au fer pour créer des matériaux supraconducteurs.
L'aluminium peut également être un matériau efficace pour transmettre des signaux optiques via des ondes évanescentes localisées en surface. Il constitue un choix crucial en nanophotonique, offrant une alternative aux métaux nobles pour la transmission optique.
Le métal prend une teinte bleuâtre lorsqu'il est exposé à l'air à température ambiante pendant des périodes prolongées. Malgré un point de fusion élevé sous forme élémentaire (2 468 degrés), il est moins dense que les autres métaux réfractaires. De plus, il résiste à la corrosion, présente des propriétés de supraconductivité et forme des couches d'oxyde diélectrique.
Le niobium métallique est légèrement moins électropositif et plus compact que son prédécesseur dans le tableau périodique, le zirconium, alors que sa taille est pratiquement identique à celle des atomes plus lourds du tantale, en raison de la contraction des lanthanides. Par conséquent, les propriétés chimiques du niobium métallique sont très similaires à celles du tantale, qui apparaît directement sous le niobium métallique dans le tableau périodique. Bien que sa résistance à la corrosion ne soit pas aussi exceptionnelle que celle du tantale, son prix plus bas et sa plus grande disponibilité rendent le niobium métallique intéressant pour des applications moins exigeantes, telles que les revêtements de cuves dans les usines chimiques.
Méthode de traitement du fil métallique en niobium
Le niobium est un métal rare doté d'excellentes propriétés physiques et chimiques, et son fil est largement utilisé dans de nombreux domaines de haute technologie. Les méthodes de traitement du fil de niobium comprennent principalement la fusion, la coulée en lingots, le traitement à chaud, le traitement à froid et le moulage final. Voici les principales étapes du traitement du niobium :
Fonte et coulée de lingots
La fusion du niobium métallique est généralement réalisée sous vide ou sous protection gazeuse inerte pour empêcher le niobium de réagir avec l'oxygène, l'azote et l'hydrogène de l'air. Les méthodes courantes comprennent la fusion par faisceau d'électrons et la fusion à l'arc. Après la fusion, le niobium liquide est versé dans un moule pour former un lingot.
Traitement à chaud
Le lingot subit un traitement préliminaire à chaud, tel que le forgeage et le laminage, pour obtenir des billettes plus petites. Ce procédé peut améliorer la densité et l'uniformité du métal niobium et améliorer ses propriétés mécaniques. Le forgeage et le laminage sont généralement effectués à haute température pour réduire la dureté du métal et augmenter sa ductilité.
Recuit
Après le traitement à chaud, la billette de niobium doit être recuite pour éliminer les contraintes internes et restaurer la plasticité du matériau. Le recuit est généralement effectué sous vide ou sous atmosphère inerte pour éviter l'oxydation du niobium.
Traitement à froid
Le traitement à froid, notamment le tréfilage et le laminage à froid, est l'étape clé pour transformer la billette de niobium recuite en fil fin. Le traitement à froid doit être effectué dans des conditions strictement contrôlées pour garantir la précision dimensionnelle et la qualité de surface du fil de niobium.
Tréfilage
Le tréfilage est le processus qui consiste à étirer progressivement la tige de niobium grossière pour en faire un fil fin, grâce à une série de réductions progressives du diamètre du moule. Chaque tréfilage s'accompagne du durcissement du matériau, de sorte que plusieurs recuits sont nécessaires pour maintenir l'usinabilité et la malléabilité du niobium.
Laminage à froid
Dans certains cas, les billettes de niobium doivent subir un processus de laminage à froid, qui consiste à faire passer le métal à travers une paire de rouleaux rotatifs pour réduire son épaisseur et augmenter sa longueur. Le laminage à froid est généralement alterné avec le recuit pour transformer progressivement la billette de niobium en la forme et la taille de fil souhaitées.
Traitement de surface
Afin de garantir la haute pureté et la finition de surface du fil métallique en niobium, le fil de niobium fini nécessite généralement un traitement de surface. Les méthodes de traitement de surface courantes comprennent le polissage électrolytique et le polissage chimique. Ces méthodes peuvent éliminer les oxydes et les impuretés de la surface et améliorer la résistance à la corrosion et la conductivité électrique du fil de niobium.
Test et emballage
Enfin, le fil métallique en niobium doit être soumis à des tests rigoureux pour garantir que sa taille, sa pureté et ses propriétés mécaniques répondent aux exigences. Le fil de niobium qualifié est emballé selon les exigences du client, généralement dans un emballage sous vide ou sous gaz inerte pour éviter l'oxydation pendant le transport et le stockage.
Catégories de propriétés du métal niobium
Le niobium est un métal brillant et ductile. Il présente un point de fusion élevé (2 477 °C), une densité inférieure à celle des métaux réfractaires similaires, une résistance élevée à la corrosion (mais inférieure à celle du tantale) et de bonnes propriétés de travail à froid.
Voici un résumé de ses propriétés :
Catégorie d'éléments — Métaux de transition
Phase — Solid
Symbole — Nb
Numéro — 41
Densité — 8,57 grammes par centimètre cube
Poids atomique STD — 92,90638(2) g/mol
Structure cristalline — Cubique centrée sur le corps
Température de fusion — 2750 K, 2477 degrés C, 4491 degrés F
Point d'ébullition — 5017 K, 4744 degrés C, 8571 degrés F
Résistivité électrique — (0 degré) 152 nΩ·m
Conductivité thermique — (300 K) 53,7 W·m−1·K−1
Dilatation thermique — 7,3 µm/(m·K)
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