Current Trends in the Application and Analytical Control of Niobium and Tantalum. Short Review

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Modern industry is associated not only with the use of new promising materials and technologies, but also with the development of traditional ones, the effectiveness of which has been confirmed by significant production experience. The cornerstone of most technologies is the reliability of the analytical control results of an industrial process. The work examines domestic and foreign requirements for one of the most popular types of rare refractory metals: niobium and tantalum, as well as materials based on them. A standardized regulatory framework for analytical control methods is shown. Summarizes information about modern analytical methods published in periodical scientific and technical literature. Brief descriptions of the methods and their characteristics are given. An analysis of methods for monitoring niobium and tantalum and materials based on them revealed the most common methods (ICP-AES, ICP-MS) and their inherent advantages and limitations. Solid-phase analysis methods, namely X-ray fluorescence, are very profitable and promising. Simultaneous determination of all elements, a wide range of concentrations from 10–4 to 100%, the absence of lengthy and labor-intensive sample preparation, rapid analysis, the non-destructive nature of the method, the absence of the need to use adequate standard samples in the case of using the fundamental parameters method (FPM) – all this is undeniable XRF has the advantage of characterizing niobium and tantalum, as well as most other refractory materials.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. N. Filippov

Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН; НИТУ МИСиС

Author for correspondence.
Email: karpukhina.lilya@mail.ru

д. ф.- м. н.

Russian Federation

L. Yu. Mezhevaja

НИТУ МИСиС; АО «Гиредмет» им. Н. П. Сажина

Email: karpukhina.lilya@mail.ru
Russian Federation

V. B. Baranovskaia

Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН; НИТУ МИСиС; АО «Гиредмет» им. Н. П. Сажина

Email: karpukhina.lilya@mail.ru

д. х. н.

Russian Federation

References

  1. Наумов А. Большая инновационная экономика и малые металлы. Национальная металлургия.2008;2:43–53. Naumov A. Big innovative economy and small metals. National metallurgy.2008;2:43–53.
  2. Обзор рынка ниобия в России, странах СНГ и мира (7-е изд-е). – М.: Инфомайн, 2019. 135 с. Review of the niobium market in Russia, the CIS countries and the world (7th edition). – M.: Infomine publ. 2019. 135 p. (In Russ.)
  3. Омарова Д. К. Применение тантала и производство мировой танталовой продукции (обзор). Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. 2012; 1(83):143–147. Omarova D. K. Application of tantalum and production of global tantalum products (review). Bulletin of the All-Russian Scientific Center SB RAMS. 2012; 1(83):143–147. (In Russ.)
  4. ГОСТ 16773-2003. Феррониобий. Технические требования и условия поставки. М.: Стандартинформ. 2006. 11 с. GOST 16773-2003. Ferroniobium. Technical requirements and delivery conditions. M.: Standartinform Publ. 2006. 11 p.
  5. ГОСТ 26252-84. Порошок ниобиевый. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1990, 33 с. GOST 26252-84. Niobium powder. Technical conditions. M.: Standards Publishing House, 1990, 33 p.
  6. ТУ48-19-259-85. Ниобиевая проволока НбЦ [Электронный ресурс]. URL: https://nd.gostinfo.ru/doc.aspx?catalogid=tu&classid= –1&search=%f2%f3%2048–19–259–85 (дата обращения 28.06.2023) TU48-19-259-85. Niobium wire NbTs
  7. Standard Specification for Niobium and Niobium Alloy Ingots. B 391–03.
  8. Standard Specification for Niobium and Niobium Alloy Bar, Rod, and Wire. B392–03.
  9. ТУ 120РК76224400-205-78. Танталовые слитки ЭЛП-1, ЭЛП-2, ЭЛП-3. TU 120RK76224400-205-78. Tantalum ingots ELP-1, ELP-2, ELP-3.
  10. ТУ 95.250-74. Танталовый порошок для электронной TU 95.250-74. Tantalum powder for the electronics industry.
  11. Standard Specification for Tantalum and Tantalum Alloy Ingots. B 364–18.
  12. Standard Specification for Tantalum and Tantalum Alloy Rod and Wire B 365–12 (2019).
  13. Imakita T., Onawa K., & Nakahara T. Spectrophotometric determination of trace amounts of silicon in niobium and tantalum metals after fluoride separation. Tetsu to Hagane-Journal of the Iron and Steel Institute of Japan.1999;85(2):135–137.
  14. Akiyama K., Kobayashi Y. Spectrophotometric determination of tungsten in tantalum and tantalum oxide. Bunseki Kagaku. 1965;14(4):292–296.
  15. Luke C. L. Spectrophotometric determination of niobium in tantalum metal. Analytica Chimica Acta. 1966;(34):165–168.
  16. Kitazume E., Sakamoto T., Kawaguchi H., Mizuike A. Determination of traces of copper in tantalum micro samples by microwave plasma emission spectrometry. Bunseki Kagaku. 1978;(27):566–570.
  17. Титов В. И. Фотометрическое определение тантала (1,0–5,0% по массе) в тугоплавких ниобиевых сплавах с реагентом пирогаллол. Труды ВИАМ. 2017;1(9):76–82. Titov V. I. (2017). Photometric determination of tantalum (1,0–5,0 wt. %) in refractory niobium alloys with a reagent pyrogallol. Trudy VIAM. 2017;1(9):76–82. (In Russ.)
  18. Hasegawa S.-ichi, Kobayashi T., Ide K., Hasegawa R. Determination of trace amounts of sodium and potassium in high-purity tantalum by graphite-furnace atomic absorption spectrometry. Bunseki Kagaku.1993;42(10):643–647.
  19. Huang M., Becker-Ross H., Okruss M., Geisler S., Florek S., Richter S., Meckelburg, A. Direct determination of fluorine in niobium oxide using slurry sampling electrothermal high-resolution continuum source molecular absorption spectrometry. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2014;94:34–38.
  20. Anil G., Reddy M. V., Kumar S., Munirathnam N., & Prakash T. L. Line selection and evaluation of radio frequency glow discharge atomic emission spectrometry in the determination of trace amounts of niobium in electron beam-melted tantalum sheet. Atomic Spectroscopy. 2008;29(1):16–20.
  21. Anil G., Reddy M. V., & Prakash T. L. Determination of trace impurities in tantalum powder and its compounds by inductively coupled plasma optical emission spectrometry using solvent extraction. Journal of Analytical Chemistry. 2006;61(7):641–643.
  22. Grebneva O. N., Kubrakova I. V., Kudinova T. F., Kuz’min N. M. Direct determination of trace elements in niobium, tantalum and their oxides by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry after microwave dissolution. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 1997;52(8):1151–1159.
  23. Zhang L. Research on the multicomponent spectral-fitting interference correction for the determination of micro niobium in tantalum by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. Yejin Fenxi/Metallurgical Analysis. 2010;30(8):1–6.
  24. Anil G., Reddy M., Arbind K., Prakash T. L. Determination of silicon in tantalum and its compounds using ICP-OES. Chemical Papers. 2004;58:195–199.
  25. Li S.-L., Ren F.-L., Chen L., Hu Q.-N., Song G. Determination of impurity in high-purity tantalum and its oxide by ICP-AES after trace-matrix separation. Journal of Central South University of Technology. 2000;31(3):242–245.
  26. Anil G., Reddy M. R. P., Kumar A., Prakash T. L. Tantalum effects on the ICP-OES determination of trace elements in tantalum powder. ATOMIC SPECTROSCOPY-NORWALK CONNECTICUT. 2003;24(5):185–189.
  27. Nete M., Purcell W., Snyders E., Nel J. T. Alternative dissolution methods for analysis of niobium containing samples. S. Afr. J. Chem. 2010;63:130–134.
  28. Smolik M., Turkowska M. Method of low tantalum amounts determination in niobium and its compounds by ICP-OES technique. Talanta. 2013;(115): 184–189.
  29. Turkowska M., Smolik M. Pre-concentration of Ta(v) by solvent extraction before determination of trace amounts of Ta in Nb and Nb compounds. Analytical Methods. 2016;8(26),5304–5310.
  30. Пальникова Т. И., Налобин Д. П., Сериков Ю. А. Получение стандартных образцов состава оксидов титана, ниобия, тантала, хлоридов калия и натрия с минимальным содержанием элементов-примесей в комплектах для градуировки. Эталоны. Стандартные образцы. 2010;(2):18–26. Palnikova T. I., Nalobin D. P., Serikov Yu. A. Obtaining standard samples of the composition of titanium, niobium, tantalum oxides, potassium and sodium chlorides with a minimum content of impurity elements in calibration kits. Standards. Standard samples. 2010;(2):18–26. (In Russ.)
  31. Черникова И. И., Томилина Е. А., Кукина В. А., Ермолаева Т. Н. Оптимизация условий микроволновой пробоподготовки в анализе феррованадия и феррониобия методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017;83(2):12–17. Chernikova I. I., Tomilina E. A., Kukina V. A., Ermolaeva T. N. Optimization of microwave sample preparation conditions in the analysis of ferrovanadium and ferroniobium using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. Factory laboratory. Diagnostics of materials. 2017;83(2):12–17. (In Russ.)
  32. Xu J., Zheng S.-L., Guo F., Wang X.-H., Zhang Y. Research on the multicomponent spectral-fitting interference correction for the determination of micro niobium in tantalum by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. Yejin Fenxi/Metallurgical Analysis. 2010;(30):1–6.
  33. Kozono S., Takahashi S., Haraguchi H. Determination of trace phosphorus in high purity tantalum materials by inductively coupled plasma mass spectrometry subsequent to matrix separation with on-line anion exchange/coprecipitation. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2002;372(4):542–548.
  34. Kozuka S., Matsunaga B. Determination of trace impurities in tantalum oxide films by inductively coupled plasma mass spectrometry combined with ion exchange. Analytical Sciences. 1991;7:1247–1248.
  35. Kozono S., Haraguchi H. Determination of ultratrace impurity elements in high purity niobium materials by on-line matrix separation and direct injection/inductively coupled plasma mass spectrometry. Talanta. 2007;72(5):1791–1799.
  36. Kozono S., Sakamoto H., Takashi R., Haraguchi H. Multielement determination of ultratrace impurities in high purity tantalum metals by flow injection/inductively coupled plasma mass spectrometry. Analytical Sciences. 1998;14(4):757–762.
  37. Kozono S., Takahashi S., Haraguchi H. Determination of boron in high-purity tantalum materials by on-line matrix separation/inductively coupled plasma mass spectrometry. The Analyst. 2002;127(7):930–934.
  38. Елизарова И.Р., Маслобоева С. М. Особенности применения метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой для анализа высокочистых твердых прекурсоров на основе пентаоксида ниобия. Вестник Мурманского государственного технического университета. 2013;16(3):550. Elizarova I. R., Masloboeva S. M. Features of the application of the inductively coupled plasma mass spectrometry method for the analysis of high-purity solid precursors based on niobium pentoxide. Bulletin of the Murmansk State Technical University. 2013;16(3):550. (In Russ.)
  39. Алексеев А. В., Якимович П. В., Мин П. Г. Определение примесей в сплаве на основе Nb методом ИСП-МС. Часть I. Труды ВИАМ. 2015;(6):27–35. Alekseev A. V., Yakimovich P. V., Min P. G. Determination of impurities in Nb-based alloy by ICP-MS. Part I. Trudy VIAM. 2015;(6):27–35. (In Russ.)
  40. Elizarova I. R., Masloboeva S. M. Determination of impurity elements in high-purity solid precursors based on tantalum pentoxide by inductively coupled plasma mass spectrometry. Journal of Analytical Chemistry. 2014;69(6):598–607.
  41. Алексеев А. В., Якимович П. В., Мин П. Г. Определение примесей в сплаве на основе ниобия методом ИСП-МС. Часть II. Труды ВИАМ. 2015;(7):11–18. Alekseev A. V., Yakimovich P. V., Min P. G. Determination of impurities in a niobium-based alloy by ICP-MS. Part II. Trudy VIAM. 2015;(7):11–18. (In Russ.)
  42. Anderson S., Robért R. V. D., Farrer H. N. Determination of trace impurities in tantalum oxide and niobium oxide by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 1992;7(8):1195–1199.
  43. Елизарова И. Р., Маслобоева С. М. Новые возможности применения метода ЛА-ИСП-МС для исследования состава и гомогенности порошковых проб на основе тантала. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022; 65(4):13–21. Elizarova I. R., Masloboeva S. M. New opportunities of the LA-ICP-MS application for research of the compound and homogeneity of tantalum based powder samples. Izv. Universities. Chemistry and chem. technology. 2022;65(4):13–21.
  44. Chen S. Determination of Trace Rare Earth Impurities in Tantalum Pentaoxide by Electrothermal Vaporization ICP-MS Using in situ Volatilization for Matrix Removal. Atomic Spectroscopy. 2013;34(1),1–5.
  45. Chen S.Z., Zhu S. P., Lu D. B. Use of in situ matrix removal for the determination of the volatile elements Pb, Cd, and Zn in high purity tantalum pentaoxide by ETV–ICP-MS. At. Spectrosc. 2015;36(5):196–201.
  46. Ishibashi W., Satoh S. Determination of impurities in high purity tantalum powder by spark source mass spectroscopy. Bunseki Kagaku. 1982;31(10):607–610.
  47. Eddy B., Balaes A. M. E. Determination of some trace elements in high-purity tantalum metal by thin-film x-ray fluorescence spectrometry. X-Ray Spectrometry. 1988;17(5):195–199.
  48. Shao C.-L. Determination of niobium, tantalum, copper, titanium, aluminum and phosphorus in ferro-niobium by X-ray fluorescence spectrometry. Yejin Fenxi/Metallurgical Analysis. 2017;(37):50–54.
  49. Konstantinov I. E., Zatolokin B. V., Krasnov N. N., Sevastyanov Y. G., Volkova L. S. Determination of metal traces in tantalum by proton activation analysis. Journal of Radioanalytical Chemistry. 1976;31(2):487–493.
  50. Krivan V., Swindle D. L. & Schweikert E. A. Nondestructive determination of some trace elements in tantalum by proton activation analysis. Analytical Chemistry. 1974;46(12):1626–1629.
  51. Park K. S., Kim N. B., Woo H. J., Lee K. Y., Yoon Y. Y., Hong W. Determination of impurities in niobium metal by a radiochemical neutron activation analysis. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Articles. 1994;179(1):81–86.
  52. Martinez-Duart J. M., Palacio C., Sanz J. M., Breth A. Study of the impurities in tantalum and anodic tantalum oxide by Auger electron spectroscopy. Proceedings of the seventh international vacuum congress and the third international conference on solid surfaces. 1977; Vol 3.
  53. Елизарова И. Р., Маслобоева С. М. Анализ состава и гомогенности легированных порошковых проб на основе ниобия. Труды Кольского научного центра РАН. 2018;9(2–2):602–607. Elizarova I. R., Masloboeva S. M. Analysis of the composition and homogeneity of alloyed powder samples based on niobium. Trudy’ Kol’skogo nauchnogo centra RAN. 2018;9(2–2):602–607. (In Russ.)
  54. Do N. L. F. M., Cury M., De C., Pointer M., Alves R. T. Production of niobium: overview of processes from the mine to products. Journal of Mining and Metallurgy. Section A: Mining. 2022;58(1):1–20.
  55. Патент РФ № 2238991. Способ электронно-лучевого переплава металлов и сплавов. Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара», Открытое акционерное общество «Чепецкий механический завод. Заявка № 2003106727/02 от 11.03.2003. Опубликовано 27.10.2004 Бюл. № 30. RF patent No. 2238991. Method of electron beam remelting of metals and alloys. Federal State Unitary Enterprise All-Russian Research Institute of Inorganic Materials named after Academician A. A. Bochvar, Open Joint-Stock Company Chepetsk Mechanical Plant. Order No. 2003106727/02 dated 11.03.2003. Published 27.10.2004 Bull. No. 30
  56. Патент РФ № 2204617. Способ рафинирования металлов и сплавов многократным электронно-лучевым переплавом. Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара», Открытое акционерное общество «Чепецкий механический завод». Заявка № 2002113271/02 от 20.05.2002. Опубликовано 20.05.2003. Бюл. № 14. RF patent No. 2204617. Method of refining metals and alloys by repeated electron beam remelting. Federal State Unitary Enterprise All-Russian Research Institute of Inorganic Materials named after Academician A. A. Bochvar, Open Joint-Stock Company Chepetsk Mechanical Plant. Application No. 2002113271/02 dated 20.04.2002. Published 20.05.2003. Bull. No. 14.
  57. Патент РФ № 2247164. Способ получения слитков ниобия высокой чистоты с регламентированным уровнем электрофизических свойств. Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара», Открытое акционерное общество «Чепецкий механический завод». Заявка № 2003106726/02 от 11.03.2003. Опубликовано 27.09.2004. Бюл. № 27. RF patent No. 2247164. A method for producing high-purity niobium ingots with a regulated level of electrophysical properties. Federal State Unitary Enterprise All-Russian Research Institute of Inorganic Materials named after Academician A. A. Bochvar, Open Joint-Stock Company Chepetsk Mechanical Plant. Application No. 2003106726/02 dated 11.03.2003. Published 27.09.2004. Bull. No. 27.
  58. Патент РФ № 2499065. Способ рафинирования сплавов на основе тантала. Закрытое Акционерное Общество «Уральские Инновационные Технологии» (ЗАО «УРАЛИНТЕХ»). Заявка № 2012143889/02 от 12.10.2012. Опубликовано 20.11.2013. Бюл. № 32 RF patent No. 2499065. Method for refining tantalum-based alloys. Closed Joint Stock Company Ural Innovative Technologies (CJSC URALINTEKH). Application No. 2012143889/02 dated 12.10.2012. Published 20.11.2013. Bull. No. 32
  59. Патент РФ № 2238992.Способ получения ниобиевых слитков. Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара», Открытое акционерное общество «Чепецкий механический завод». Заяка № 2003106728/02 от 11.03.2003. Опубликовано 27.10.2004. Бюл. № 30. RF Patent No. 2238992. Method for producing niobium ingots. Federal State Unitary Enterprise All-Russian Research Institute of Inorganic Materials named after Academician A. A. Bochvar, Open Joint-Stock Company Chepetsk Mechanical Plant. Application No. 2003106728/02 dated 11.03.2003. Published 27.10.2004. Bull. No. 30.
  60. Патент РФ № 2217515. Способ получения слитков из сплавов на основе тугоплавких металлов. Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара», Открытое акционерное общество «Чепецкий механический завод». Заявка № 2002113272/02 от 20.05.2002. Опубликовано 27.11.2003. Бюл. № 33. RF patent No. 2217515. Method for producing ingots from alloys based on refractory metals. Federal State Unitary Enterprise All-Russian Research Institute of Inorganic Materials named after Academician A. A. Bochvar, Open Joint-Stock Company Chepetsk Mechanical Plant. Application No. 2002113272/02 dated 20.052002. Published 27.11.2003. Bull. No. 33.
  61. Патент РФ № 2137857. Способ получения чистого ниобия. Открытое акционерное общество «Чепецкий механический завод». Заявка № 98108005/02 от 28.04.1998. Опубликовано 20.09.1999. RF patent No. 2137857. Method for obtaining pure niobium. Open Joint Stock Company Chepetsk Mechanical Plant. Application No. 98108005/02 dated 28.04.1998. Published 20.09.1999.
  62. Патент РФ № 2245384. Способ получения чистого ниобия. Открытое акционерное общество «Чепецкий механический завод». Заявка № 2003114974/02 от 20.05.2003. Опубликовано 27.01.2005. Бюл. № 3. RF Patent No. 2245384. Method for producing pure niobium. Open Joint Stock Company Chepetsk Mechanical Plant. Application No. 2003114974/02 dated 20.05.2003. Published 27.01.2005. Bull. No. 3.
  63. Патент РФ № 2084550. Способ получения тантала и ниобия из их соединений. Черных Виталий Петрович. Заявка № 9595113359 от 27.07.1995. RF Patent No. 2084550. Method for producing tantalum and niobium from their compounds. Chernykh Vitaly Petrovich. Application No. 9595113359 dated 27.07.1995.
  64. Голубева Н. К., Данилович Д. П., Несмелов Д. Д., Шабалкин И. Д. Получение оксида ниобия (V) с контролируемой дисперсностью и морфологией. Стекло и керамика. 2022;95(1):31–38. Golubeva N. K., Danilovich D. P., Nesmelov D. D., Shabalkin I. D. Preparation of niobium (V) oxide with controlled dispersity and morphology. Glass and Сeramics. 2022;95(1):31–38. (In Russ.)
  65. Ломачук Ю. В., Демидов Ю. А., Скрипников Л. В. и др. Расчет химических сдвигов рентгеновских эмиссионных спектров ниобия в оксидах ниобия(V) относительно металла. Оптика и спектроскопия. 2018;124(4):455–460. Lomachuk Yu.V., Demidov Yu.A., Skripnikov L. V. and others. Calculation of chemical shifts of X-ray emission spectra of niobium in niobium(V) oxides relative to the metal. Optics and spectroscopy. 2018;124(4):455–460. (In Russ.)
  66. Lepy M.-C., Riffaud J., Domergue C., Philibert H., Destouches C., Carcreff H. Fluorescence correction for activity measurement of Nb in niobium dosimeters: Calculation and experimental validation. European Physical Journal Conferences. 2023;278(01001).
  67. Павлинский Г. В. Основы физики рентгеновского излучения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 240 с. ISBN 978-5-9221-0783-9. Pavlinsky G. V. Fundamentals of X-ray physics. –M.: FIZMATLIT, 2007. 240 s. ISBN 978-5-9221-0783-9. (In Russ.)
  68. Haschke M., Flock J., Haller M. X-Ray fluorescence spectroscopy for laboratory applications. Wiley. 2021:491. ISBN 9783527816606.
  69. Лосев Н. Ф., Смагунова А. Н. Основы рентгеноспектрального флуоресцентного анализа. М.: Химия, 1982. 208 с. Losev N. F., Smagunova A. N. Fundamentals of X-ray fluorescence analysis. M.: Himiya, 1982. 208 p. (In Russ.)
  70. Афонин В. П., Комяк Н. И., Николаев В. П., Плотников Р. И. Рентгенофлуоресцентный анализ. Новосибирск: Наука, 1991. 173 с. Afonin V. P., Komyak N. I., Nikolaev V. P., Plotnikov R. I. X-ray fluorescence analysis. Novosibirsk: Nauka, 1991. 173 p.
  71. Klockenkämper R., Von Bohlen A. Total-reflection X-ray fluorescence analysis and related methods. – John Wiley & Sons, 2014.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Filippov M.N., Mezhevaja L.Y., Baranovskaia V.B.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies