Le niobium est un métal de transition de symbole Nb et de numéro atomique 41. Sa masse atomique est de 92,90637 u. Dans la nature, il est surtout associé à d’autres éléments dans des minerais : il faut donc séparer et traiter ces matières avant d’obtenir des produits utilisables. Ses emplois vont des aciers alliés aux cavités supraconductrices d’accélérateurs de particules.
Où trouve-t-on le niobium et comment l’extrait-on ?
La principale source industrielle est le pyrochlore, un minerai exploité notamment au Brésil et au Canada. La fiche de l’Élémentarium de la Société chimique de France décrit une chaîne où le minerai est broyé, débarrassé d’une partie de ses minéraux par séparation magnétique, puis concentré par flottation. Le produit obtenu n’est pas du niobium pur : il s’agit d’un concentré riche en oxyde de niobium.
Pour fabriquer le métal, cet oxyde doit ensuite être transformé et réduit. Dans l’industrie, une grande part du niobium est toutefois vendue sous forme de ferroniobium, un alliage de fer et de niobium destiné notamment à la fabrication de l’acier. La teneur moyenne indiquée dans la croûte terrestre est de 20 mg/kg, mais cette abondance ne signifie pas que l’élément se trouve sous forme métallique libre.
Pourquoi l’ajoute-t-on aux aciers et aux superalliages ?
En faible proportion, le niobium peut modifier les propriétés d’un acier : il contribue à renforcer certains aciers microalliés, utilisés lorsque les pièces doivent supporter des contraintes mécaniques. Il entre aussi dans des aciers inoxydables stabilisés et des superalliages destinés à des environnements exigeants. L’intérêt dépend de la composition du matériau et de son procédé de fabrication : le niobium n’a pas le même effet dans tous les alliages.
Cette diversité d’usages s’explique en partie par sa position parmi les métaux de transition, dans le groupe 5 et la période 5. Comme d’autres éléments de cette famille, il peut former des composés et être incorporé à des alliages. La fiche de l’Los Alamos National Laboratory mentionne notamment son emploi dans des matériaux métalliques et des baguettes de soudage pour certaines nuances d’acier inoxydable.
Que permet sa supraconductivité ?
En dessous d’une température critique, un matériau supraconducteur conduit le courant électrique sans résistance électrique mesurable dans les conditions appropriées. Le niobium pur devient supraconducteur sous environ 9,25 K, soit près de −264 °C. Ces températures très basses nécessitent un refroidissement spécialisé : cette propriété n’est donc pas exploitable dans les conditions ordinaires.
Des alliages comme le niobium-titane et des composés comme le niobium-étain sont utilisés pour fabriquer des fils et des aimants supraconducteurs. Ces aimants produisent des champs magnétiques intenses dans des installations scientifiques et médicales. Le Jefferson Lab décrit également des cavités en niobium refroidies à l’hélium liquide, qui servent à accélérer des électrons dans un accélérateur de particules. Une cavité radiofréquence est une structure métallique qui transmet de l’énergie au faisceau d’électrons.
D’où vient son nom ?
L’élément a été identifié en 1801 par le chimiste anglais Charles Hatchett, qui l’avait d’abord nommé columbium. Le nom niobium, adopté par la suite, fait référence à Niobé, figure de la mythologie grecque et fille de Tantale. Cette parenté de noms rappelle que le niobium se rencontre souvent avec le tantale dans les minerais et que leur séparation peut être une étape du traitement industriel.
Le niobium naturel est constitué d’un seul isotope stable, le niobium 93. Les valeurs d’identité fournies le décrivent comme un solide à température ambiante, avec un point de fusion de 2 476,8 °C. Sa forte température de fusion et sa capacité à former des matériaux supraconducteurs en font un métal utile dans des applications spécialisées, mais ses usages dépendent toujours de la forme chimique et de l’alliage concernés.