Het metaal niobium

[Innomet Ko Buijs]

Niobium is een zacht en zeer ductiel metaal dat koud gedeformeerd kan worden tot een vervormingsgraad van maar liefst 90% voordat gloeien een noodzaak is. Het soortelijk gewicht van 8,57 is nogal laag vergeleken met die van andere hoogsmeltende metalen zoals tantaal en molybdeen dat respectievelijk 16,6 en 10,2 bedraagt. Niobium is op zich een uniek metaal omdat de gunstige verhouding van bepaalde eigenschappen de gebruiker bijzondere mogelijkheden verschaft. Men kan hierbij denken aan:
• Hoge elektrische en thermische geleidbaarheid;
• Lage uitzettingscoëfficiënt;
• Hoge hittebestendigheid;
• Hoge corrosiebestendigheid in vele chemische en biologische toepassingen.

De verwerkbaarheid doet een beetje denken aan het verwerken van koper en daarom is het metaal ook populair geworden bij edelsmedenrijen om er sieraden van te maken. Niobium wordt meetstal ongelegeerd toegepast. Verontreinigingen zoals stikstof, waterstof, zuurstof en koolstof mogen elk zo'n 15 tot 200 ppm bedragen. Ook zijn er enige niobiumlegeringen maar deze worden weinig toegepast. Net zoals andere reactieve metalen dankt niobium zijn corrosiebestendigheid aan een zeer dichte en goed hechtende oxidehuid die het metaal uiterst passief maakt. Daarom kan dit metaal de allermeeste organische- en anorganische zuren weerstaan tot minimaal 100°C m.u.v. fluorwaterstofzuur.

In tegenstelling tot de meeste andere reactieve metalen levert niobium nog prima resultaten in zuren die verontreinigd zijn met fluoriden. Wel heeft niobium wat minder corrosiebestendigheid in reducerende zuren zoals zoutzuur en zwavelzuur. In dat geval kan men beter tantaal toepassen. Het wordt overigens onmiddellijk weer meer resistent indien er oxiderende ionen worden toegevoegd. De goede corrosieweerstand tegen natriumdampen bij hoge temperaturen en drukken maakt het metaal vooral geschikt voor het gebruik in vloeibare alkalimetalen waar tevens de warmte-overdracht kritisch is. Het metaal kan daarom probleemloos tot 1000°C worden ingezet in vloeibaar lithium.

Niobium is echter niet geschikt voor toepassingen in hete waterige alkalische oplossingen omdat de kans dat er waterstofbrosheid ontstaat nogal groot is alhoewel het met de corrosiesnelheid wel meevalt.

Niobium heeft unieke eigenschappen t.b.v. het gebruik van allerlei gassen. In agressieve gassen zoals broom-, chloor- en zwaveldioxide is de corrosiebestendigheid van niobium niet afhankelijk van het vochtgehalte doch wel van de temperatuur. Titaan zal namelijk spontaan branden in droog chloorgas doch niobium is daar geheel ongevoelig voor. Niobium kan probleemloos in chloorgas worden gebruikt tot 200°C, in broom tot 100°C en in koolmonoxide of dioxide tot 250°C. Boven de 200°C zal niobium gaan oxideren aan de lucht en deze oxidatie zal pas echt aanmerkelijk worden boven 500°C. Indien men niobium wil toepassen bij hoge temperaturen dan zal men een beschermende coating moeten aanbrengen aan het oppervlak. Niobium reageert boven 350°C met stikstof en met waterdamp boven 300°C.

Lassen
Niobium een reactief metaal dat zelfs onder zijn smeltpunt reageert met allerlei gassen zoals stikstof, zuurstof, waterstof en kooldioxide. Op het smeltpunt en daarboven zal niobium reageren met de allermeeste fluxen en dat geeft de nodige beperkingen aan het lassen. Zeer belangrijk is dat het metaal grondig wordt gereinigd voordat men gaat lassen. Voor niobium wordt het TIG-lasproces aanbevolen zoals dat ook wordt gebruikt bij roestvast staal, titaan en zirkoon. Toch dienen er enkele lasparameters te worden gewijzigd zodat het gesmolten metaal absoluut zeker wordt bedekt met het inerte argongas. Ook het gebruik van backinggas is een vereiste en de afkoelende las dient ook in het inerte argongas af te koelen i.v.m. de diffusiedrang van verschillende gassen.

Toepassingen
Naast toepassingen van niobium in naverbranders van straalmotoren en juwelen is het metaal ook bijzonder geschikt om gebruikt te worden als buismateriaal in natriumlampen. Ook wordt het toegepast als pijpmateriaal in de ventilatiesystemen van autoclaven. In de ruimtevaart vindt het toepassing als stuwkrachtvergroter bij onder meer satellieten en in uitlaatsystemen. Voorts heeft men niobium met succes toegepast als behuizing voor supergeleiding en als versneller voor zware ionen. Ook industrieel wordt niobium aangewend in warmtewisselaars ten behoeve van zowel corrosieve media als voor stoffen met zeer hoge temperaturen. Als vervanging voor de röntgenstralen is er nu een nieuwe ontwikkeling op de markt, namelijk het MRI-systeem. MRI staat voor ‘Magnetic Resonance Imaging Device’; dankzij niobium dat gebruikt wordt in het ‘diagnosteergereedschap’ kan men nu het menselijk lichaam laagje voor laagje scannen zonder gevaarlijke röntgenstraling.

Niobium is verkrijgbaar in alle wenselijke vormen zoals plaat, folie, staf, draad en buis en kan verwerkt worden met de reeds bestaande gereedschapwerktuigen die ook voor andere metalen worden gebruikt. Het kan mechanisch aan elkaar worden verbonden doch ook door middel van het lasproces. Ook zijn er specifieke soldeertechnieken beschikbaar die een goede verbinding kunnen maken voor bepaalde toepassingen.