钼及各种钼制品的用途

【专家解说】：黑色材料 合金钢、不锈钢、工具钢及铸铁是钼的主要应用领域，其生产量决定着钼的需求，钼在上述钢铁中的作用如下: ● 降低冷却速率至适当值获得一种硬马氏体组织，因而提高了大截面构件的强度、硬度和韧性; ● 降低回火脆性; ● 抗氢脆; ● 抗硫化物引起的应力开裂; ● 提高高温强度; ● 改善不锈钢的防腐性，特别是防氯化物点蚀; ● 改善高强度低合金钢的焊接性能。 有色合金 在大多数超合金及许多镍基、钛基合金中，钼是一种重要的添加元素。在高温下钼能有效加速固体强化，防止氯化物点蚀，提高在还原液中的防腐性能。 钼基合金 钼及钼合金的用途十分广泛，这是因为它有许多特性，如强度高(2000℃)，热膨胀系数低，优良的导热与导电性能，对熔融玻璃、熔盐及熔融金属有较高的防腐性，还可提高薄涂料的耐磨性。 钼 钢 钼是一种特殊钢合金元素，钼不仅将其许多优良性能带入了钢中，而且也很容易地添加到熔融金属中。往钢中添加氧化钼、钼铁或含钼废钢，能大大减小熔炼损耗。 1997年按最终用途分类的钼的消耗量(总钼含量:115000吨) 渗碳钢 钼(0.15%~0.30%)被用于渗碳钢中，可提高心部低碳部分的可硬化性，同时可增加高碳部分的韧性。对于大截面的零件，如齿轮等，尤其有效。在渗碳过程中钼不被氧化，作为有效的硬化剂，钼不会导致表面产生裂纹和剥落。 用Hastelloy CW6M 铸造的含钼达到20%的可耐高温严重腐蚀的阀门 高温钢 相对于其它合金元素，钼原子很大。所以，它是非常有效的强化剂，可提高钢的蠕变强度到能够在600℃左右使用的程度。它的尺寸有效地阻止了砷原子向晶界的迁移，从而防止了回火脆性。氢扩散也被阻止并使氢致开裂的程度减低到极小。 应用了钼的这些特性的最早的一种高温钢是0.50% C- Mo钢。它已被含钼0.50%~2.0%的Cr-Mo系列钢取代。2.25Cr-1.0%Mo钢是一种主力合金钢，广泛用于石油精炼厂、发电厂和石化厂的设备中。 高强度低合金(HSLA)钢 钼对低碳微合金HSLA钢的发展起了重要的作用。添加0.1%~0.3%的钼可细化针状铁素体晶粒组织,并可增强从其它合金元素获得的沉淀硬化效果。 不必进行强化热处理，HSLA钢就能获得450~600 MPa(65~85 ksi)的高屈服强度。由于塑脆性转变温度低至-60 ℃，这些材料被大量用于修建通向遥远的北极油气田的管道。较薄尺寸的含钼HSLA钢具有良好的可成形性，它们的高强度/重量比使其成为理想的汽车构件材料。 石油工业管材 对石油新来源的不断探索已使深油层的开发和发展成为必要，而深油层经常受到腐蚀性的二硫化氢、二氧化碳和高氯化盐水的污染，因而含钼0.15%~0.25%的AISI 4100系列Cr-Mo钢被广泛应用。经改进的含钼0.4%~0.6%的4140系列是对硫化物应力蚀裂(SCC)最具抵抗力的低合金钢，可用于含硫井。随着钻井深度的加深及使用条件的不断恶化，含钼更高的不锈钢和镍基合金，如合金C -22(13% Mo)和合金C -276(16% Mo)的应用将不断增加。 不锈钢 由于铬可在钢表面自然形成薄的具有保护作用的钝化膜，所以不锈钢具有耐蚀性。钼可使此钝化膜更强固，并可在钝化膜被氯化物破坏时使其迅速再生。钼含量的增加可提高不锈钢上麻点及裂缝的抗蚀性。 316型(2%~3% Mo)是最广泛应用的含钼不锈钢。它被指定用作食品处理和加工及医药品生产使用的罐、管道和热交换器材料。增加钼含量可增强对空气中的氯化物的抵抗作用，所以316型可用作海上及海岸周围建筑的选择材料。316型被用于包覆伦敦Canary Wharf 建筑物和世界上最高的建筑物-位于马来西亚吉隆坡的Petronas 塔的外层。 双相不锈钢(3%~4% Mo)强度高并对氯化物应力腐蚀开裂具有优良的抗性。最初在石油天然气工业中用作输送管的多用途不锈钢现在被更多地应用于化学加工和石油化学工业，并用作纸浆造纸工业的蒸煮器。 最具抗蚀性的不锈钢含6%~7.3%Mo。这类合金钢被用作发电厂的冷凝器、海底管道以及核发电厂的关键部件，如工业用水管道。1996年在南韩的一个火力发电厂中，选用含Mo 6%的不锈钢用于装有20多个烟气脱硫洗涤器的吸收塔上。 麻点/隙间腐蚀 钝态氧化铬层在晶界附近和非金属夹杂物附近非常敏感，可形成微电池并迅速产生麻点。缺氧区域，如垫圈下或搭接处，对类似的腐蚀是很敏感的，而它通常被称作隙间腐蚀。 钼是防止麻点腐蚀及隙间腐蚀的最有效的成本最低廉的合金元素。暴露在高温下的腐蚀介质中，尤其是含氯化物和硫化物的腐蚀介质中的不锈钢，其中若有外加的或残余的拉应力存在，应力腐蚀开裂(SCC)就会发生。增加钼含量是提高钢抗应力腐蚀开裂的一种最有效的方法。 上图示出了在北卡罗来纳大西洋上的LaQue Corrosion Services 的海上大气测试设备上暴露了56年的304型(不含MO)和316型(含3%~4% Mo)测试板。316型未被腐蚀，在非常恶劣的环境下保持优良状态长达半个多世纪。不含钼的不锈钢被严重腐蚀。此照片形象地反映了不锈钢中添加钼的有益效果。 在极其恶劣的操作环境中工作的发电厂的洗涤器、纸浆造纸及化学加工中的设备需要采用含钼量非常高的合金。含钼非常高的合金包括典型的含6%~8%Mo的合金和含10%~16% Mo的镍基合金。 工具钢和高速钢 钼的最早应用之一是在工具钢及高速钢中用作钨的替代物，很有效且成本低廉。钼的原子量大约是钨的一半，所以1%的钼大致相当于2%的钨。由于这些高合金钢被用于金属零件的加工、切削和成形，所以必须在较大的温度范围内兼具高硬度、高强度和高韧性。 工具钢 钼可提高工具钢的硬度和耐磨性。通过降低"临界冷却速率"，钼可促进最佳马氏体基体的形成，甚至可用于在不扭曲或不开裂的情况下不能迅速冷却的大块复杂铸件上。钼可与铬之类的元素合用形成特别硬的耐磨碳化物。 由于对工具钢的性能要求不断提高，所以其含钼量也就不断增加。 Mo% 塑性铸造钢 0.5(最大) 冷变形钢 0.5~1.0 热变形钢 3.0(最大) 高速钢 当工具钢中钼、钨和钒的总含量大于7%且含碳量大于0.6%时，被称为高速钢。此术语是对其能够"高速"切割金属的性能的描述。直到20世纪50年代，含钨18%的T-1还是首选的切削钢，但是可控气氛热处理炉的出现使钼全部或部分取代钨成为现实，且十分经济有效。 选定的高速钢的典型成分(%) 级别 C Cr Mo W V T-1 0.75 - - 18.0 1.1 M-2 0.95 4.2 5.0 6.0 2.0 M-7 1.00 3.8 8.7 1.6 2.0 M-42 1.10 3.8 9.5 1.5 1.2 添加5%~10%的钼可有效地使高速钢的硬度和韧性达到最佳，并在切割金属时产生的高温下保持这些特性。钼还有一个优点:在高温下，如果铁和铬的初生碳化物在尺寸上迅速长大，那么钢就会变软变脆。 钼，尤其是与钒结合的钼，可将碳化物重组为在高温下较稳定的微小的二次碳化物，从而使钢的软化脆化程度减低到最小。 高速钢的最大用途是用于制造各种切削工具:钻头、铣刀、齿轮刀具、锯条等。 通过在高速钢表面涂敷薄的但很硬的碳化钛涂层，高速钢有用的切削特性将被进一步提高，该种涂层可减少磨损、提高耐磨性，从而提高切削速度并延长工具寿命。 含钼高速钢的特别高温磨损性能使其在汽车阀门镶嵌件和凸轮环的新领域的应用很理想。 铸 铁 钼可通过降低珠光体转变温度来提高铸铁的强度和硬度。它还可提高高温下的强度和蠕变阻力。含钼2%~3% 的高铬铸铁比不含钼的高铬铸铁显示出了更大的冲击韧性，且在恶劣的磨蚀条件下应用很理想，比如，在采矿、铣削、破碎等过程中的应用。这些铸铁具有合格的性能，这就不必进行费用高昂的热处理，使其成为其它磨擦材料的价格低廉的替代物。降低奥氏体形成元素比如镍和锰的含量，还能将低温奥氏体的保持力--引起过早损毁的潜在原因减低到最小。 硅含量达到4%，钼含量达到1%的高Si-Mo塑性铁的应用越来越引起人们的兴趣。它们能在600℃工作的良好强度使其成为在高温应用中合金含量较高的铁和钢的有效的价格低廉的替代物，如在涡轮增压器外壳、发动机排气歧管和加热炉构件中的应用。经奥氏体淬火的球墨铸铁具有独特的显微组织，其强度超过了1000 MPa(145 ksi )，且具有良好的冲击韧性。它们的特异性能使其在特殊应用中很理想，如发电、船发动机和大型采矿设备需要的大齿轮和机轴。 粉末冶金 提高高速钢之类的高合金铸锭材料中的合金含量的最主要限制是在慢冷却过程中有偏析倾向。粉末冶金技术使钢液雾化为微滴，微滴冷却得极其迅速，防止了内部偏析的发生。通过这些颗粒的凝结产生的钢具有相当均匀的显微组织，与同等的传统品牌的钢相比，它具有无数的优点。许多粉末冶金(PM)高速钢、不锈钢和镍基合金已大量投入市场，而且这种技术预示将来可能生产出高合金钢的新一代产品。 在超耐热合金工业中，粉末冶金(PM)技术能够生产出高合金含量的关键零 件，如燃汽轮机部件。上图 在微电子器件中用于热处理的Mo/Cu和W/Cu散热片 钼基合金 钼金属通常是采用粉末冶金技术生产出来的，钼粉被流体静压力压制成生坯并在约2100 ℃烧结。 在870~1260 ℃的范围内进行热加工。当钼在空气中在约600 ℃以上被加热时形成挥发性的氧化物，所以它的高温应用被局限在无氧化或真空环境中。 右下图为含钼量高的蒸汽涡轮机转轴的钢质叶片 钼合金在高温(达到1900 ℃)下具有良好的强度和机械稳定性。它们的高延展性和韧性使其对缺陷和脆性断裂的容限比陶瓷要高。 钼合金的独特的性能使其具有多种用途: · 高温发热元件、辐射防护屏、挤压模具、锻造模具等; · 用于临床诊断的旋转X-射线阳极; · 耐熔融玻璃腐蚀的玻璃熔化炉电极和零件; · 用作半导体芯片防振垫的散热器，其热膨胀系数与硅相匹配; · 溅射层，只有几埃(10-7 mm)厚，用作集成电路芯片的门及互连; · 喷射涂层，用于汽车活塞环和机器零件，以减低摩擦改善磨损。 钼与其它金属组成合金可有许多专门用途: · 钼-钨合金以其对熔融锌的优越的耐蚀抗性而闻名; · 包覆铜的钼可用作具有低延伸率、高传导率的电子电路板; · Mo-25%Re合金用作火箭发动机元件和液体金属热交换器，它们必须在室温下具有可延展性。 钼粉的球状团聚物 超耐热合金和镍基合金 钼提高了不锈钢的耐蚀性，同样它也能增强镍基合金的抗腐蚀性和机械性能。许多含钼量高、耐蚀性强的镍基合金被广泛地应用在许多领域。 钼在超高温合金中是非常有效的基体强化剂，超高温合金使喷气发动机成为现实。钼(达到5%)强化了镍基体并通过将镍基与γ初析出相分割开来扩充其工作温度。这些合金被广泛用于旋转构件中，如涡轮机叶片及喷气发动机的涡轮圆盘。高钼合金，如X合金(含钼9%)，应用于许多固定的燃烧构件中。现今的超高温合金占喷气发动机重量的三分之一以上。Stellite21，一种含钼5%的钴基熔模铸造合金，对体液具有良好的抗腐蚀性，被广泛地用于制造假肢。 钛基合金 α-β型钛基合金中通常添加不超过5%的钼。这些材料可被有效地热处理至强度超过1000 MPa(145 ksi)，用作航空工业的发动机的空气压缩机及要求低重量、高强度和高耐蚀性的构件中。 化学应用 钼基化学制品具有在+4、+5和+6氧化态之间转变的多种化学性能。由钼酸盐制造的材料包括氧化催化剂，具有感光性和半导电性能。通过对钼化学性质的研究，钼的许多性能为其提供了发展的机会和新的工业性应用。钼化合物通常可用作毒性元素的安全的替代品。 催化剂 钼基催化剂的应用很广泛。当与钴和镍结合时，钼被用于石油工业，因为它能够将通常存在于原油中的有机硫化合物中的硫去除。由于世界原油供应的进一步扩大及低硫原油的越来越少，钼基催化剂的应用将会增加。钼催化剂在有硫存在的情况下，能够将对废料进行高温分解产生的氢和一氧化碳转换为醇类，否则可致贵金属催化剂中毒。钼还将煤转换为液态。钼不仅可用于经济的燃料精炼，而且在为我们提供一个较安全的环境方面做了贡献，因为它排硫量较少。 作为选择性氧化催化剂的一个成分，钼可将丙烯、氨水和空气转换为丙烯腈、乙晴和其它化学品，这些材料对塑料和纺织工业很重要。 颜 料 钼酸盐由于具备两种特性而被采用，即稳定的成色和耐蚀性能。 钼橙具有光和热稳定性，颜色从鲜红色-橙色到红色-黄色，被用于颜料和墨水、塑料、橡胶产品、及陶瓷中。磷钼酸，被用来沉淀染料Mithyl Violet(甲紫)和Victoria Blue(维多利亚蓝)。白色的缓蚀颜料被用作底漆。 缓蚀剂 钼酸钠由于在较大的Ph值范围内在低碳钢中具有缓蚀作用而取代铬酸盐几十年了。钼酸盐毒性非常低，而且是对通常添加在缓蚀剂中的有机添加剂有很弱腐蚀性的氧化剂。在空调冷却水和加热系统的构造中，保护低碳钢以防腐蚀是其主要用途。钼酸盐溶液可防止钢件在加工过程中生锈，并被用在水基液压系统中。还可用作汽车发动机防冻剂的添加剂。 缓蚀颜料，主要是钼酸锌，也有钙和锶的钼酸盐，被用作工业颜料。这些颜料是白色的，可用作底漆或其它颜色的调配剂。(右图 二硫化钼薄膜横截面的片状结构) 抑烟剂 在电子工程中，导线和电缆的绝缘层可能对消防人员及在飞机和医院中的人造成烟火危害。八钼酸铵与聚氯乙烯合用会抑制烟尘的形成。随着录像机、电话和计算机网络的不断增加，这些应用也会不断增加和发展。 润滑剂 二硫化钼是最常见的钼的自然形态，从矿石中提取净化后直接用作润滑剂。由于二硫化钼为层状结构，因而是一种很有效的润滑剂。这些分层能够在彼此间相互滑动，允许在钢面和其他金属面上流动自如，即使在重压下也是如此，如轴承表面。因为二硫化钼是地热作用形成的，它具有承受热压的化学稳定性。少量的硫与铁反应并形成一个硫化物层，该硫化物层与硫化钼是相容的，保持润滑膜。二硫化钼对许多化学品具有惰性，并在真空下会完成其润滑作用，而石墨则不能。 二硫化钼与其它固体润滑剂相比有许多独特的性能，包括: ● 二硫化钼不同于石墨，它的摩擦系数低(0.03~0.06)，不是吸附膜或气体所致，润滑性是它本身所固有的; ● 与金属的亲和力强; ● 具有膜成型结构; ● 屈服强度高达3450 MPa(500千磅/平方英寸); ● 在大多数溶剂中具有稳定性; ● 在空气中, 低温350℃下有极好的润滑性能(在1200℃惰性或真空条件下) 钼的化合物和水溶性的硫化合物溶液混合后在切削液和金属成型材料中具有润滑性和缓蚀性。油溶性的钼硫化合物，如硫代磷酸盐和硫代氨基甲酸盐，能避免发动机的磨损、氧化和腐蚀。有好几个商业制造厂家都生产这些润滑添加剂。 钼含量 产品类型 用途 1‐20 润滑脂:制造、采矿和运输 滚珠和辊子轴承及滚柱轴承、齿槽、底盘及传送器 20‐60 糊状物:矿物或合成碱 机器的装配，齿槽、齿轮、万向节、金属成型 0.5‐5 工业油和发动机油或合成液 所有汽车和工业齿轮、减压器、凸轮等 1‐20 水性悬浮液 金属加工及工艺、加工润滑剂、螺纹、导轨、包装、压模铸造 达85 胶粘涂料:空气或热愈合的有机或无机涂料 螺纹、工具、开关琐、阀门、导轨、加工润滑剂、金属加工 1‐40 金属加工混用化合物、肥皂、粉末等 挤压、冷成型、拉丝、深冲压 10‐100 纯粉末或混合粉末 冲裁、冲压、成型、继电器、开关、封装 复合材料 1‐10 摩擦产品、烧结的铜制动器 、半金属和非石棉垫 飞机、汽车和火车的刹车衬垫及离合器摩擦片 1‐30 塑料、橡胶及金属复合材料 齿轮、导轨、轴承垫圈、0形圈