Сергей Венецкий - Рассказы о металлах [4-е изд.]

Важную роль было суждено сыграть ниобию в сварочном деле. До тех пор, пока сварке подвергали лишь обычные стали, никаких трудностей этот процесс не представлял. Но когда сварщикам пришлось иметь дело со специальными легированными сталями сложного химического состава, например с нержавеющей, оказалось, что сварной шов теряет многие ценные свойства, которыми обладает свариваемый металл. Как улучшить качество шва? Пробовали изменить конструкцию сварочного аппарата — не помогло. Меняли состав электродов — безуспешно. Пытались вести сварку в атмосфере инертных газов — никакого эффекта. Вот тут-то на помощь пришел ниобий. Сталь, в которую был введен этот элемент, можно было сваривать, не беспокоясь о качестве шва: он ни в чем не уступал соседним слоям металла, не подвергавшимся сварке.

До последнего времени большие трудности возникали при необходимости получить прочное соединение тугоплавких металлов, например ниобия с молибденом. Выручила… пустота. Оказалось, что в вакууме температура плавления многих веществ значительно ниже, чем в обычных условиях. Ученые не замедлили воспользоваться этим обстоятельством, чтобы преодолеть барьер "несовместимости": сварка тугоплавких металлов в вакууме дала отличные результаты.

Как легирующий элемент ниобий широко известен в цветной металлургии. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него ввести всего 0,05 % ниобия. Медь и ее сплавы при добавке этого элемента приобретают твердость, титан, молибден и цирконий становятся более прочными и жаростойкими. При низких температурах многие сплавы и стали хрупки, как стекло. Оказалось, что ниобий в состоянии избавить их от этого недостатка. Небольшая добавка ниобия позволяет металлу сохранять свою прочность даже при восьмидесятиградусных морозах. Это качество особенно важно для деталей реактивных самолетов, летающих на больших высотах

Сам ниобий охотно вступает в союз с другими элементами. Когда одна из американских фирм выпустила партию якобы сверхчистого ниобия, заказчики были весьма удивлены, что он не плавится при 2500 °C, хотя температура плавления чистого ниобия несколько ниже. Лабораторный анализ помог установить, что в этом "сверхчистом" ниобии содержались небольшие количества циркония. Так неожиданно был открыт сверхжаростойкий ниобий-циркониевый сплав.

Ряд ценных качеств придают ниобию и добавки других металлов. Вольфрам и молибден повышают теплостойкость металлического ниобия, алюминий делает его прочнее, медь значительно улучшает его электропроводность. Чистый ниобий проводит электрический ток почти в десять раз хуже, чем медь. Сплав же ниобия с 20 % меди обладает высокой электропроводностью и при этом он вдвое прочнее и тверже чистой меди. В союзе с танталом ниобий способен противостоять серной и соляной кислотам даже при 100 °C.

Ниобий — незаменимая составная часть сплавов для рабочих лопаток турбин реактивных двигателей, где металл должен сохранять свою прочность при высоких температурах. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия изготовлены некоторые детали сверхзвуковых самолетов, космических ракет, искусственных спутников Земли.

Еще совсем недавно явлением сверхпроводимости интересовались только физики. Сейчас сверхпроводимость уже перешагнула границы лабораторий и начинает вторгаться в технику, где для ее практического применения открываются широкие перспективы. В чем же сущность этого явления?

Более 70 лет назад было обнаружено, что при очень низких температурах в некоторых металлах, сплавах и химических соединениях ток начинает протекать без всяких потерь — сопротивление исчезает. Но для этого металл нужно охладить почти до абсолютного нуля, т. е. до —273 °C. Очень высокой (если только здесь уместен этот термин), а значит, сравнительно легко достижимой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (18 К, или —265 °C) характеризуется станнид ниобия — соединение ниобия с оловом. Изготовленные из него сверхпроводящие магнитные катушки создают колоссальные магнитные поля: магнит размером чуть больше обычной консервной банки, в котором обмоткой служит лента из такого соединения, способен создать поле напряженностью в 100 тысяч эрстед (для сравнения укажем, что напряженность магнитного поля Земли составляет всего несколько эрстед).

Долгое время станнид ниобия считался рекордсменом по температурному порогу сверхпроводимости, но в 1974 году он вынужден был уступить этот титул другому представителю семейства ниобия — его германиду, т. е. соединению с германием. Теперь рекордная критическая температура, ниже которой наблюдается эффект сверхпроводимости, составляет примерно 23 К (или —250 °C). В экспериментах, проведенных американскими учеными, через квадратный сантиметр пленки из германида ниобия удавалось передать ток в миллион ампер. Это значит, что для снабжения электроэнергией среднего по величине города достаточно будет двух небольших, толщиной с карандаш, сверхпроводящих трубок.

Ниобий широко используют в технике и в чистом виде. Исключительно высокая коррозионная стойкость этого металла обусловила его применение в химическом машиностроении. Интересно, что при изготовлении аппаратуры и трубопроводов солянокислотного производства ниобий не только служит конструкционным материалом, но и играет при этом роль катализатора, давая возможность получить более концентрированную кислоту. Каталитические способности ниобия используют и в других процессах, например при синтезе спирта из бутадиена.

Весьма почетна и служба ниобия в атомных реакторах, где он трудится бок о бок с цирконием, порой вполне успешно конкурируя с ним. Подобно цирконию, ниобий обладает нейтронной прозрачностью (т. е. способностью пропускать нейтроны) и наряду с этим очень высокой температурой плавления, значительной жаростойкостью, стойким сопротивлением химическим воздействиям, отличными механическими свойствами. Кроме того, ниобий почти не взаимодействует с расплавленными щелочными металлами. Жидкие натрий и калий, применяемые в качестве теплоносителей в ядерных реакторах некоторых типов, могут свободно циркулировать по ниобиевым трубам, не причиняя им никакого вреда. Для ниобия характерна невысокая искусственная (наведенная) радиоактивность, поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.

Следует упомянуть еще об одном интересном свойстве этого металла: он отличный газопоглотитель. Так, при обычной температуре в 1 грамме ниобия может быть растворено более 100 кубических сантиметров водорода; даже при 500 °C растворимость водорода в ниобии составляет около 75 кубических сантиметров на грамм. Это свойство металла используют в производстве высоковакуумных электронных ламп. При откачивании ламп в них все же остается некоторое количество газов, мешающих работе. Ниобий, нанесенный на детали ламп, как губка, поглощает эти газы, обеспечивая тем самым весьма высокий вакуум. Детали электронных ламп, изготовленные из ниобия, более экономичны, чем танталовые или вольфрамовые, и служат гораздо дольше. Так, срок службы мощных генераторных ламп с ниобиевым катодом достигает 10 тысяч часов.