Blog Ko Buijs: Niobium een opmerkelijk metaal
Hoewel er al een blog is geschreven over niobium in deze rubriek, volgt in deze blog wat meer achtergrondinformatie over dit unieke metaal. Niobium is een uiterst reactief metaal dat best wat meer bekendheid mag krijgen en daarom deze blog. Niobium wordt bereid door verbindingen van niobium/ferro met een hoog niobiumgehalte te chloreren waardoor er een verbinding van niobiumchloor ontstaat. Deze verbinding wordt onderworpen aan een hydrolyseproces waardoor er vochtig niobiumoxide ontstaat dat gecalcineerd wordt. Dit calcinaat wordt d.m.v. metaalreductie omgezet in ruw niobium dat daarna met het elektrosmeltproces wordt omgesmolten tot zuivere gietelingen.
(Door Ko Buijs - Innomet Consultancy)
Deze gietelingen kunnen na een machinale bewerking worden gesmeed tot een bepaalde vorm die daarna verder gesmeed kan worden tot een andere vorm. Daarna kan het verder worden uitgewalst tot het gewenste eindproduct. Niobium is beschikbaar als plaat, poeder, staf, folie en buis en is goed lasbaar mits de nodige voorzorgsmaatregelen worden genomen om te voorkomen dat ongewenste gassen binnendringen in het afkoelende gedeelte. Dit is te vergelijken met het lassen van titaan en zirkoon. Ook kunnen niobiumproducenten desgewenst verschillende niobiumverbindingen vervaardigen zoals niobiumoxides, niobiumcarbiden en niobiumhalides.
Ook zijn er niobiumlegeringen verkrijgbaar gelegeerd met tantaal, hafnium, wolfraam en zirkoon. De reden voor dit legeren is om hogere mechanische waarden te krijgen gecombineerd met een betere corrosie- en/of hittebestendigheid. De kruipbestendigheid wordt verbeterd indien er zirkoon aan het metaal wordt toegevoegd. Zoals eerder is gesteld, is niobium een uiterst reactief metaal dat zelfs onder zijn smeltpunt reageert met allerlei gassen zoals stikstof, zuurstof, waterstof en kooldioxide. Boven het smeltpunt zal niobium reageren met de allermeeste fluxen en dat geeft de nodige beperkingen tijdens het lassen.
Voor niobium wordt het TIG-lasproces aanbevolen zoals dat ook wordt gebruikt bij roestvast staal, titaan en zirkoon. De lasparameters dienen zodanig te worden gekozen dat het gesmolten metaal absoluut zeker wordt bedekt met het inerte argongas. Ook het zorgvuldig gebruik van backinggas is een vereiste en bovendien moet tijdens het afkoelen, de gestolde lasverbinding ook met een inert gas beschermd worden i.v.m. de diffusiedrang van verschillende gassen.
Voor plaat met een dikte vanaf 0,5 mm is het aan te bevelen het TIG lasproces toe te passen. Maar dunne tot zeer dunne plaat kan het beste worden gelast m.b.v. weerstandlassen. Men dient hierbij veel aandacht te besteden aan de vorm van de elektrodepunt. Het is ook van het uiterste belang dat de dunne platen nauwkeurig ten opzichte van elkaar zijn gesitueerd en dat tijdens het lassen deze positionering niet verandert. Het voordeel van weerstandlassen is dat de thermische belasting dusdanig kort is dat er weinig kans is op contaminatie van de las. Puntlassen kan men het beste doen onder water opdat het water snel de warmte kan afvoeren waardoor er nagenoeg geen kans is voor ongewenste elementen om binnen te dringen. Ook hier geldt dat de materialen zeer goed gereinigd en ontvet worden voordat met lassen wordt begonnen.
Niobium buizen.
De goede corrosieweerstand tegen natriumdampen bij hoge temperaturen en drukken maakt niobium vooral geschikt voor het gebruik in vloeibare alkalimetalen waar tevens de warmteoverdracht kritisch is. Het metaal kan daarom probleemloos tot 1000°C worden ingezet in vloeibaar lithium en tot 850°C in het vloeibare eutectische thorium/magnesium. Aanzienlijke hoeveelheden gasverontreinigingen zullen deze corrosiebestendigheid wel reduceren.
Niobium heeft unieke en nuttige eigenschappen bij het gebruik van allerlei gassen. In agressieve gassen zoals broom-, chloor- en zwaveldioxide is de corrosiebestendigheid van niobium niet afhankelijk van het vochtgehalte doch hoofdzakelijk van de temperatuur. De gassen mogen zowel nat als droog zijn. Titaan zal namelijk spontaan branden in droog chloorgas doch niobium is daar geheel ongevoelig voor. Niobium kan probleemloos in chloorgas worden ingezet tot 200°C, in broom tot 100°C en in koolmonoxide of dioxide tot 250°C. Boven 200°C zal niobium gaan oxideren aan de lucht en deze oxidatie neemt snel toe boven 500°C. Indien men niobium wil toepassen bij hoge temperaturen zal men een beschermcoating moeten aanbrengen op het oppervlak. Niobium reageert boven 350°C met stikstof en met waterdamp boven 300°C.
Soms wordt niobium als legeringselement c.q. stabilisator gebruikt in roestvast staal en een bekend voorbeeld is AISI 347 (1.4550) waar maximaal 1% niobium aan toegevoegd is. Niobium zal het koolstof binden waardoor de kans op interkristallijne corrosie wordt verminderd. Men voorkomt dan dat de schadelijke chroomcarbiden ontstaan in het sensitieve gebeid dankzij de vorming van niobiumcarbiden. Dat betekent dat dit type roestvast staal gestabiliseerd is.