Лат. Niobium.

Nb - химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп ⁹³Nb.

Н. открыт в 1801 английским учёным Ч. Хатчетом (1765-1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им «колумбием». В 1844 немецкий химик Г. Розе (1795 - 1864) обнаружил «новый» элемент и назвал его «ниобием» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между Н. и танталом. Позднее было установлено, что Н. тот же элемент, что и колумбий.

Распространение в природе. Среднее содержание Н. в земной коре (кларк) 2·10^-3% по массе. Только в щелочных изверженных породах - нифелиновых сиенитах и др., содержание Н. повышено до 10^-2-10^-1%. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала Н. и около 130 др. минералов, содержащих повышенные количества Н. Это в основном сложные и простые окислы. В минералах Nb связан с редкоземельными элементами и с Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ниобаты, титанаты и др.). Из 6 промышленных минералов наиболее важны пирохлор и колумбит. Промышленные месторождения Н. связаны с массивами щелочных пород (например, на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными пегматитами. Важное значение имеют и россыпи тантало-ниобатов.

В биосфере геохимия Н. изучена плохо. Установлено только, что в районах щелочных пород, обогащенных Н., он мигрирует в виде соединений с органическими и др. комплексами. Известны минералы Н., образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит и др.). В морской воде лишь около 1 · 10^-9% Н. по массе.

В 60-е гг. 20 в. ежегодно в мире добывалось около 1300 т Н., что по сравнению с кларком свидетельствует о его слабом использовании (слабее большинства металлов).

Физические и химические свойства. Кристаллическая решётка Н. объёмноцентрированная кубическим с параметром а = 3,294 . Плотность 8,57 г/см³ (20 °C); t_пл 2500 °C; t_kип 4927 ^oC; давление пара (в мм рт. ст., 1 мм рт. ст. = 133,3 н/м²) 1 · 10^-5 (2194 °С), 1 · 10^-4 (2355 °С), 6 · 10^-4 (при t_пл), 1 · 10^-3 (2539 °С). Теплопроводность в вт/(м · К) при 0 °С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см · сек · °С) 0,125 и 0,156. Удельное объёмное электрическое сопротивление при 0°С 15,22 · 10^-8 ом · м (15,22 · 10^-6ом · см). температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Н. парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.

Чистый Н. легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м², то же в кгс/мм² 34,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твёрдость чистого Н. по Бринеллю 450, технического 750-1800 Мн/м². Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твёрдость Н.

По химическим свойствам Н. близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы (тантал более чем Н.) на холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный Н. заметно окисляется на воздухе только выше 200 °С. На Н. действуют: хлор выше 200 °С, водород при 250 °С (интенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. Практически не действуют на Н. очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.

Н. устойчив к действию многих кислот и растворов солей. На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи растворяют Н. В кислых электролитах на Н. образуется анодная окисная плёнка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать Н. и его сплавы с Ta взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой ёмкости с малыми токами утечки.

Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d⁴5s¹. Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Н., но известны и соединения со степенями окисления +4, +3, +2 и +1, к образованию которых Н. склонен более, чем тантал. Например, в системе Н. - кислород установлены фазы: пятиокись Nb₂O₅(t_пл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO_2,47 и NbO_2,42, двуокись NbO₂ (t_пл 2080 °С, цвет чёрный), окись NbO (t_пл 1935 °С, цвет серый) и твёрдый раствор кислорода в Н. NbO₂ - полупроводник; NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно - при 2300-2350 °С, что используют для вакуумной очистки Н. от кислорода; Nb₂O₅ имеет кислотный характер; ниобиевые кислоты не выделены в виде определённых химических соединений, но известны их соли - ниобаты.

С водородом Nb образует твёрдый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH_0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/см³) при 20 °С 104, при 500 °С 74,4, при 900 °С 4,0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется; это используют для очистки Nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Н. для электролитич. конденсаторов. Растворимость азота в Н. составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют Н. от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком; температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800-2000 °С Nb образует 3 фазы: a-фаза - твёрдый раствор внедрения углерода в Н., содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; b-фаза - Nb₂C, d-фаза - NbC. С галогенами Н. даёт галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны и лучше других изучены пентафторид NbF₅, пентахлорид NbCl₅, окситрихлорид NbOCI₃, фторониобат калия K₂NbF₇ и оксифторониобат калия K₂NbOF₇ · H₂O. Небольшое различие в давлении паров NbCl₅ и TaCl₅ используют для их весьма полного разделения и очистки методом ректификации.

Получение и применение. Руды Nb - обычно комплексные и бедны Nb, хотя их запасы намного превосходят запасы руд Та (см. Ниобиевые руды). Рудные концентраты содержат Nb₂O₅: пирохлоровые - не менее 37%, лопаритовые - 8%, колумбитовые - 30-60%. Большую их часть перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40-60% Nb) и ферротанталониобий. Металлический Nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение Nb и Ta и получение их чистых химических соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического Н. и его сплавов. Основные промышленные методы производства Nb и сплавов - алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb₂O₅ и сажи вначале получают при 1800 °С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800-1900 °С в вакууме - металл; для получения сплавов Н. в эту смесь добавляют окислы легирующих металлов (см. Ниобиевые сплавы); по другому варианту Н. восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb₂O₅ сажей. Натриетермическим способом Н. восстанавливают натрием из K₂NbF₇, алюминотермическим- алюминием из Nb₂O₅. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °С, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы Nb высокой чистоты - бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение и производство Н. быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,15 б), способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоду и свариваемость. Основные области применения Н.: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, хим. аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого Н. или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электрических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют др. цветные металлы, в том числе уран. Н. применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb₃Sn и сплавы Nb с Ti и Zr - для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Nb и сплавы с Ta во многих случаях заменяют Ta, что даёт большой экономический эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Ta). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств. Применяют и соединения Н.: Nb₂O₅ (катализатор в химической промышленности; в производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид, карбид, ниобаты.

Лит.: Зеликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973; Ниобий, тантал и их сплавы, пер. с англ., М., 1966; Недюха И. М., Черный В. Г., Ниобий - металл космической эры, Киев, 1965; Ниобий и тантал. Сб. [переводных ст.], под ред. О. П. Колчина, М., 1961; Филянд М. А., Семенова Е. И., Свойства редких элементов [Справочник], 2 изд., М., 1964.

О. П. Колчин

Коррозия, распространяющаяся в виде нитей, преимущественно под неметаллическими защитными покрытиями.

«Усы», монокристаллы в форме иголок и волокон, имеющие диаметр от нескольких нм (десятков Å) до нескольких сот мкм и большое отношение длины к диаметру (обычно более 100). Известны самородные волокнистые кристаллы Au, Ag, Cu, Sn, Pb, S, различных окислов и силикатов. Часто природные Н. к. встречаются в виде включений внутри др. минералов (например, иглы рутила в природных кристаллах рубина, кварца).

Первые упоминания об искусственном получении Н. к. относятся к 16 в. Особенный интерес к Н. к. возник в 50-х гг. 20 в. - после того как было обнаружено, что Н. к. многих веществ обладают необычно высокими механическими свойствами. В последующие годы в лабораториях ряда стран получены Н. к. более 140 различных элементов и соединений. Н. к. некоторых тугоплавких соединений (карбида кремния, окиси алюминия, нитрида кремния и др.) выпускаются в промышленных масштабах.

Наиболее важное свойство Н. к. - уникально высокая прочность (близкая к теоретической, которую можно оценить из значений модуля упругости материала), в несколько раз превосходящая прочность массивных моно- и поликристаллов (см. рис. 1). Высокая прочность Н. к. объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим, чем у массивных кристаллов, количеством (а иногда полным отсутствием) объёмных и поверхностных дефектов (одна из важнейших причин малой дефектности Н. к. - их малые размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика).

Рис. 1 Прочность нитевидных кристаллов в сравнении с теоретической и реальной прочностью некоторых материалов: 1 — теоретическая (s » 0,1 Е, где Е — модуль упругости); 2 — нитевидные кристаллы; 3 — непрерывные волокна; 4 — массивные образцы

Н. к. тугоплавких соединений, помимо высокой температуры плавления и прочности, имеют высокий модуль упругости, химически инертны по отношению ко многим металлическим, полимерным и керамическим материалам до весьма высоких температур. В Н. к., в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации, обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах. Известно большое число методов получения Н. к.: физическое испарение с последующей конденсацией, осаждение из газовой фазы при участии химических реакций, кристаллизация из растворов, направленная кристаллизация эвтектических сплавов, выращивание на пористых мембранах и др. Н. к. тугоплавких металлов и соединений обычно получают методом осаждения из газовой фазы в высокотемпературных печах периодического, полунепрерывного или непрерывного действия. На рис. 2 показаны возможные схемы роста Н. к. Наиболее важные направления в применении Н. к. - реализация их высоких прочностных свойств в композиционных материалах, а также использование их высокой тепловой и абразивной стойкости.

Рис. 2 Схемы роста нитевидного кристалла из газовой фазы по дислокационному механизму (а) и механизму пар — жидкость — твёрдая фаза (б)

Лит.: Бережкова Г. В., Нитевидные кристаллы М., 1969; Монокристальные волокна и армированные ими материалы, пер. с англ., М., 1973.

В. Н. Грибков, К. И. Портной

Особо точный металлорежущий станок, на котором изготовляют для рабочих металлорежущих станков основные точные детали (винты, зубчатые колеса и др.), определяющие качество и точность станков.

Кузнечный штамп для изготовления горячей штамповкой рабочих штампов или их основных деталей (ручьевых вставок, пуансонов, матриц).

Применение М.-ш. снижает стоимость рабочих штампов, т. к. значительно уменьшает объем последующей механической обработки (фрезерования).

От нем. MaЯstab, от MaЯ - мера, размер и Stab - палка.

Отношение длины отрезков на чертеже, плане, аэрофотоснимке или карте к длинам соответствующих им отрезков в натуре.

Определяемый так численный М. - отвлечённое число, большее 1 в случаях чертежей мелких деталей машин и приборов, а также многих микрообъектов, и меньшее 1 в других случаях, когда знаменатель дроби (при числителе, равном 1) показывает степень уменьшения размеров изображения объектов относительно их действительных размеров. М. планов и топографических карт - величина постоянная; М. географических карт - величина переменная. Для практики важен М. линейный, то есть прямая линия, разделённая на равные отрезки с подписями, указывающими длины соответствующих им отрезков в натуре. Для более точного нанесения и измерения линий на планах строят так называемый поперечный М. Это линейный М., параллельно которому проведён ряд равноотстоящих друг от друга горизонтальных линий, пересечённых перпендикулярами (вертикали) и наклонными линиями (трансверсали). Принцип построения и использования поперечного М. ясен из рисунка, приведённого для численного М. 1 : 5000. Отрезку поперечного М., помеченному на рисунке точками, соответствует на местности линия 200 + 60 + 6 = 266 м. Поперечным М. называют также металлическую линейку, на которой очень тонкими линиями высечено изображение такого рисунка, иногда без каких-либо надписей. Это позволяет легко использовать её в случае любого численного М., применяемого на практике.

Рис. 1 Поперечный масштаб

Лит.: Инженерная геодезия, под общей редакцией П. С. Закатова, М., 1969; Чеботарев А. С., Геодезия, 2 изд., ч. 1, М., 1955.

Отношение численного значения физической величины в свойственных ей единицах измерения к длине отрезка в миллиметрах, изображающего эту величину на схеме, графике и т.п. Не следует путать понятия М. к. и масштаба. Последнее применимо в черчении и картографии.

Размерности наиболее употребительных в материаловедении М. к.:

сил - [m_P] = Н/мм или кгс/мм;

напряжений [m_s] = МПа/мм или кгс×мм^-2/мм;

удлинений [m _Dl] = м/мм или мм/мм;

деформаций [m_e] = 1/мм.

Б.П. Сафонов

Показатель расхода материала, вещества на единицу производимого изделия.

Понятие М. является важной характеристикой во всех случаях, когда «ядро» потребительской ценности изделия представляет не сам материал, из которого оно изготовлено (например, в пищевой промышленности), а его функциональные характеристики (в производств радиоаппаратуры, машиностроении). Наряду с оценкой М. изделия нередко применяют оценки М. производства, что характерно при малоотходных и безотходных технологиях. Наибольший экономический эффект снижения М. достигается в материалоемких производствах – металлургическом, кузнечно-прессовом, в строительстве. Количественно показатель М. представляет собой дробь, в числитель которой записываются фактические затраты материала, а в знаменатель – теоретически рассчитанное минимальное количество материала, необходимое для оптимального функционирования данного изделия.

М. один из основных показателей экономической эффективности общественного производства. М. характеризует удельный (приходящийся на единицу продукции) расход материальных ресурсов (основных и вспомогательных материалов, топлива, энергии, амортизации основных фондов) на изготовление продукции. М. может измеряться в стоимостном и натуральном выражении. Показатель М. используется при анализе производственно-хозяйственной деятельности промышленных предприятий, в частности себестоимости продукции, при сравнительном анализе удельных затрат в различных отраслях промышленности, а также при укрупнённых методах планирования материально-технических ресурсов, установления оптовых цен на новую продукцию и тому подобному.

В рамках народного хозяйства для исключения влияния повторного счёта М. надо исчислять по конечному продукту, то есть по той части совокупного продукта, которая характеризует результат процесса общественного производства. В зависимости от отрасли производства числовое выражение показателя М. изменяется: 0,54 — для торфяной промышленности, 0,807 — в среднем по всей промышленности СССР. Расчёт М. ведётся или по нормам (нормативная величина Мн) или по фактическим данным (фактическая величина Мф). Превышение показателя Мф над Мн показывает резервы снижения М. Уменьшение М. имеет большое народно-хозяйственное значение: оно обусловливает сокращение затрат труда, овеществленного в сэкономленных материальных ресурсах, и увеличение выпуска продукции при тех же производств, фондах, способствует снижению себестоимости, повышению рентабельности. Основные пути сокращения М. — применение наиболее экономичных сортов, размеров и марок материалов, их предварительная обработка (например, обогащение полезных ископаемых), уменьшение отходов в процессе производства (точные методы литья и штамповки), установление оптимальных запасов прочности при конструировании изделий и прочее.

Г. В. Теплов

Исходное сырье, материалы, комплектующие изделия, топливо (предметы труда), а также энергии машины, оборудование и приборы (средства труда), необходимые для производства какой-либо продукции.

М. р. измеряются в натуральных (шт., кг, Дж. и т.п.) или стоимостных (руб.) показателях. М. р. представляют собой прошлый овеществленный труд; экономия их при создании новой продукции является важнейшим резервом снижения материалоемкости и повышения эффективности общественного производства.

От нем. mattieren - делать матовым.

1) Механическая обработка металлических изделий перед нанесением на них гальванических покрытий;

2) обработка поверхности стекла для придания поверхности шероховатой фактуры.

М. металлических изделий осуществляется мелкозернистыми эластичными шлифововальными кругами, смазанными специальными пастами, жирами, воском и т.п.

М. стекла осуществляется плавиковой кислотой или др. фтористыми соединениями, абразивами или струей песка Применяется в светотехнике и строительном деле.