金属钼的物化性质和主要用途

        作者:Mark浏览次数: 日期:2011年6月27日 16:41

        摘要:

        简单介绍了作为工业金属重要原料之一—钼的物理化学特性以及其用途。

         


        钼的性质  

        密度10.2克/立方厘米。熔点2610℃.沸点5560℃。化合价+2、+4和+6,稳定价为+6。钼是一种过渡元素,极易改变其氧化状态,在体内的氧化还原反应中起着传递电子的作用。在氧化的形式下,钼很可能是处于+6价状态。虽然在电子转移期间它也很可能首先还原为+5价状态,但是在还原后的酶中也曾发现过钼的其他氧化状态。

        钼与钨的性质非常相近,其沸点和导电性能突出,线热膨胀系数小,所不同的是钼比较易于加工。

            金属钼的热导率[135瓦/(米·开)]与比热[0.276千焦/(千克·开)]呈最佳搭配,使它成为抗热震和热疲劳的天然选择。它的熔点为2620℃,次于钨、钽,但密度却较之低得多,因此其比强度(强度/密度)大于钨、钽等金属,在对重量要求极关键的应用中,更为有效。钼在1200℃仍有高的强度。

            钼的主要缺点是抗高温氧化性能差(高于600℃迅速氧化)和室温延性不佳。为扬长避短,对高温氧化问题多采用涂层(如涂MoSi2、镀镍、镀铬等)办法控制;对塑性过差即通常说的低温脆化的欠缺,则通过合金强化和加人碳化物实现强化等措施解决。

            钨(W)、铼(Re)、钽(Ta)、钛(Ti)和锆(Zr)等是常见的固溶强化元素。钨是钼的主要固溶强化元素,铼可把延脆转变温度降到—200℃。由它们形成的工业钼合金参见表。其中由镧构成的钼镧合金显示出极为突出的抗蠕变及高温变形能力,其在高温下的这一特性表现得尤为明显。

        工业钼合金及其应用

        合金

        标称成分(重量%)

        应    用

        纯钼

        TZM

        MHC

        Mo—W

        Mo—Re

        Mo—La

        99.95Mo

        0.5Ti,O.08Zr,0.03C

        1~1.5Hf,0.03~0.05C

        10~30W

        41~47.5Re

        0.5—1.5La(呈近La2O3状态)

        真空炉、玻璃熔炼、电子器件、热阱

        热加工工具、炉子安装用具

        热加工工具

        熔融锌处理、溅射靶

        行波管、火箭助推器

        烧结舟皿

        钼的用途

            从全球的消费结构看,钼确实称得上是铁的同盟军。西方发达国家对钼的需求80%源于钢铁,不锈钢吸纳30%的钼,低合金钢吸纳30%,钻探刀头和切削刀具占10%,铸钢占10%。另外20%的钼消费在钼化学制品、钼基润滑剂和石油精炼等方面。颇为典型的美国1998年在钢铁生产中钼的消费比例是75%。

            此外以钼为基的合金在电子、金属加工及航天工业中也得到日益广泛的应用。

            1.钼合金

            TZM合金具有优异的高温强度及综合性能,是应用最广泛的钼合金。美国用TZM合金制作发动机的涡轮盘,其用钼量占钼总用量的15%。我国生产包括TZM钼合金在内的钼材已不下于22个牌号,20世纪90年代初我国钼及钼制品的产量已近200吨。虽然钼矿主要分布在我国北方,偏西部地区,但是南方的钼合金产品,如何钼片,钼棒,钼坩埚等产品的制造也相当发达,南部城市株洲的硬质合金加工久负盛名,在钼坩埚制造方面当属株洲佳邦难熔金属有限公司质量最为上乘,品质最高。详情请参照http://gb.chinatungstens.com/products_detail/&productId=39&comp_stats=comp-FrontProducts_list01-cp.html

            TZM和TZC钼合金的高温机械性能比纯钼好,广泛用于制造高温工、模具及各种结构件。我国早在20世纪年代即已成功地将它们制成各种无缝钢管的热穿孔顶头。此种用粉冶技术制造的烧结钼顶头减少了原料消耗(为铸态的50%),平均使用寿命提高1.5~2倍。

        钼铼合金(含50%Re)制成的无缝管高温性能优良,可在接近其熔点的温度下使用,用作热电偶套管和电子管阴极的支架、环、栅极等零件。

            钼及钼合金除具有高温强度,良好的导电、导热和低的热膨胀系数(与电子管用玻璃相近)外,还拥有较钨易于加工的优势,因此用常规加工方法生产的板、带、箔、管、棒、线和型材等在电子管(栅极和阳极)、电光源(支撑材料)零件,金属加工工具(压铸和挤压模、锻模、穿孔顶头、液态金属滤筛)及涡轮盘等部件中得到广泛应用。

            2.钢的合金元素

            钼作为钢材的盟友,和镍、铬一起作为合金元素能够减少合金钢在热处理时经常发生的脆变。在高速钢中用钼代替钨在解决钨资源不足方面,美国走在了前面。据计算,钼具有两倍于钨的“能力”。这样一来含钨18%的钢可由含钼9%的钢代替(同时加入铬与钒),大大降低了钢的生产成本。钼在不锈钢内的作用是提高耐蚀性、增加高温强度及改善可焊性。可见钼在钢铁工业中有着非同凡响的作用。

            3.其他应用

            钼在真空炉工作的温度和压力下,具有极低的蒸气压。因此钼零件对炉内工件或工作物质的污染最少,并且蒸发损失肯定不会制约诸如加热元件和隔热包封等钼质高温零件的使用寿命。

            在制造玻璃制品方面钼的高温强度使它成为快速加热期间最为理想的电极与处理和加工设备。钼与大多数玻璃组分在化学上是相容的,更不会由于小量钼溶解在玻璃熔槽内而造成有害的发色效应。作为玻璃熔炼炉中的加热电极,其寿命可长达3~5年。株洲佳邦难熔金属有限公司专业生产钨钼电极等钨钼合金产品。详情请参见http://gb.chinatungstens.com/products_detail/&productId=51&comp_stats=comp-FrontProducts_list01-cp.html

            4.新兴应用

            解决钼的低温延性和高温氧化问题的主要途径就是开发一种以二硅化钼(MoSi2)为基的先进复合材料。

            钼与氧接触形成的Mo02在800℃升华,冷凝时得到一种黄白色的翳状物,给发挥钼在高温强度和抗蠕变性能上的优势造成了严重的工程问题。为此采用了有自愈能力的富硅涂层,然而这种涂层抗热循环效应的能力极差。而以二硅化钼作基体的复合材料Mo-Si-B的高温强度和抗氧化能力极好,但延性差,仅限生产小批量商用产品。为解决延性问题,最近确定了这种钼—硅—硼系复合材料的组成范围,使之除抗氧化性能奇佳外,高温机械性能与TZM合金相当。该复合材以Mo5SiB(T2)为基体相,以金属钼为第二相。金属相提高了复合材料的延性,基体相可形成自愈性的氧化皮。目前制成的同时加入钛的Mo-6Ti-2.2Si-1.1B复合材料在1370℃下暴露在空气中2小时,肉眼几乎看不到变化,较之TZM还要优越。这是钼基合金一项了不起的成就。

            钼的第二项新成就是作充填炸药弹头的内衬(军事上叫药型罩),这种弹头在军事和工业应用中可穿透和切削很深的深度。在这类装置内,内衬周围的炸药以可控的方式起爆,使内衬以一种非常奇特的方式变形。变形使内衬材料产生有极高速度、极大张力的棒状碎片(喷射器)可深深地穿入靶材或目标。

            衬钼炸药药型罩的开发是一个崭新的研究领域。传统弹头药型内衬材料是铜,但钼的声速为5.12千米/秒(铜为3.94千米/秒)、密度10.2克/厘米3(铜为8.93克/厘米3)。为获得高速相干喷射,尖头必须要有高的声速。使用钼的药型设计可使喷射尖头的速度大于12千米/秒,而使用铜速度尚不足10千米/秒。两者速度相差20%~25%,其原因就在于高声速使尖头的能量增加,从而导致穿透力提高。最新的炸药药型罩以锥形和嗽叭型为好。用钼代铜将是军械上的一项重要改革。   

            钼的第三项新成就是制造平板型显示设备。在电子行业,平板型显示设备至今仍然使用有源矩阵液晶显示(LCD)技术。但LCD正与处于不同开发阶段的场发射显示(FED)、电致发光显示(EL)、等离子体显示面板(PDP)、阴极射线发光显示(CRT)及真空荧光显示(VFD))进行着全方位的激烈竞争。在这项显示工艺中,显示借两块被真空隔离的玻璃薄片实现。背面的玻璃当作阴极,在这片玻璃上以场发射极阵列的形式分布着5亿个以上的发射极尖端,发射极间的间隔比电视屏幕上的象素小得多。发射极尖端即由钼制造,它们在显示时既可单独控制亦可分组控制。鉴于它们的视角宽,响应时间快,有宽的温度范围公差,特别是功耗低,与要求清晰、明亮、可移动、耐用的潮流一起,成为发展乎板显示工艺的主要推动力。显示市场有高达100亿美元以上的市场。平板显示工艺用电子束蒸发将钼沉积在发射极尖端上,其用量虽少,但对发展大屏幕、高清晰度电视却有着不可限量的前程。

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