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钼材料性能及用途
查看:1112  发稿日期:2017/6/15 16:17:50
钼材料性能及用途
1 金属钼的性质
金属钼主要有物理性质、力学性质和化学性质,表现如下:
1.1物理性质
1.1.1 原子和原子核特性
  钼是一种具有高沸点及高熔点的难熔金属,处于元素周期表的第五周期第ⅥB族。它具有两个末被电子充满的外电子层(N和O层)。
  钼有七个同位素,在天然混合物中同位素的质量数及含量见表1。据文献钼还有第八个同位素,在天然混合物中的含量为2-3%。
  原子序数为42,原子量为95.95,原子体积为9.42cm3/g,密度为10.2g/cm3,钼的自由原子电子层结构为1S22S22P63S23P63d104S24P64d55S1。钼的原子半径为0.139nm,Mo4+和Mo6+的离子半径分别为0.068nm和0.065nm。
  钼原子的热中子捕获面小,等于2.4±0.2巴恩,这使它能用作核反应堆中心的结构材料。
1.1.2 晶体结构
  1)晶格常数:钼是A2型体心立方结构,空间群为Oh9(1m3m).,钼无同素异构转变。其晶格常数范围为3.1467-3.1475,随着温度的变化稍有不同。不同的研究方法所得的数据有差异,似乎与被研究的钼试样中溶解的碳含量不同有关系。固溶体中的碳含量提高到0.02%,晶格常数则增高了0.0012。由于氧在钼中的溶解度极低,因此试样氧含量的变化对钼的晶格常数没有多大影响。
  2)密度:钼的密度按X-射线数据计算等于10.23g/cm3.试验所得的密度值与钼的制取方法有关。
1.1.3 热性质
  1)熔点:不同方法测出钼的熔点不同,最可靠的数据为2895±10K。仅次于碳、钨、镍、钽和饿。
  2)沸点:不同研究者得到钼的沸点有一定差异。H.A.Jones得到的数据为5960,其他资料上显示数据为5077K,后者似乎更可靠。
  3)熔化热:钼的熔化热等于6.6±0.7千卡/克。
  4)蒸发热:钼在沸点时的蒸发热为142千卡/克。
  5)升华热:在绝对零度时钼的升华热为155.55±0.9千卡/克,在298K时为157.5千卡/克
  6)蒸气压和蒸发速度:H.A.Jones根据钼在真空中的蒸发速度,计算在1000K至沸点范围内的钼的蒸气
  7)热膨胀:钼的线膨胀系数与钼的组织结构和纯度有关。用粉末冶金法制取的钼,降低平均晶粒度,在冷作以后退火,线膨胀系数升高。在20-1600℃范围内,单晶钼的线膨胀系数比多晶钼稍高,而且随着温度的升高,差别增加。
  在20-100℃,线膨胀系数为4.9×10-6-5.2×10-6/℃。其中高纯钼最可靠的数据为4.9×10-6/℃。钼的线膨胀系数约为一般铜材的三分之一到二分之一。这种低的膨胀系数使得钼材在高温下尺寸稳定,减少了破裂的危险。
  8)比热和热力学性质:钼在25℃时的比热等于0.058卡/克.度。钼的高温比热的各种研究结果示于图1,在2000K以下不同作者的数据之间的差别基本上在5%以内,但是在更高的温度下,数据之间的差异明显加大。图2是根据图1的数据分析结果而建立的比热最可能值的温度函数关系。钼的低温比热列于表8中。
  9)导热率 钼的热导率数倍于许多高温合金,大约为铜的一半。在室温下钼的导热率一般为0.34卡/厘米.秒.度。不同作者得到的钼的高温导热率与温度关系特性方面都有明显的不同,结果列于图3。
  另外在1300-2700K之间,单晶钼的导热率与晶体的取向无关,而且与含等量杂质的多晶钼的导热率没有差异。W.J.Wbeeler在测量具有变形结构钼板试样导热率时发现(热流垂直于轧制方向),1800~1900K的导热率由于再结晶生成等轴晶结构,比1400~1800K之间的导热率几乎降低了25%。
  当用少量钛、锆添加剂使钼合金化时(总重量不超过0.5%),导热率略有下降(比较图3上的曲线14和15),但是下降的幅度似乎不超过10%。杂质碳(0.02%以下)使钼的导热率略有下降。
钼的应用及其发展:
 钼与钨一样是一种难熔稀有金属。自1778年瑞典科学家C.W.SCHEELE发现钼元素之后经过十余
年努力M.MOISSAN才用电炉制得金属钼使人类第一次得到这种具有许多优良物理化学和机械性能的金
属。钼的熔点为2620℃由于原子间结合力极强所以在常温和高温下强度都很高。它的膨胀系数小导电率大导热性能好。在常温下不与盐酸、氢氟酸及碱溶液反应仅溶于硝酸、王水或浓硫酸之中对大
多数液态金属、非金属熔渣和熔融玻璃亦相当稳定。因此钼及其合金在冶金、农业、电气、化工、环保
和宇航等重要部门有着广泛的应用和良好的前景成为国民经济中一种重要的原料和不可替代的战略物质。  
  
 
  钼在地球上的蕴藏量较少其含量仅占地壳重量的0.001%钼矿总储量约为1500万吨主要分布在
美国、中国、智利、俄罗斯、加拿大等国。我国已探明的钼金属储量为172万吨基础储量为343万吨
仅次于美国而居世界第二位。辽宁锦西、陕西金堆成、吉林、山西、河 南、福建、广东、湖南、四川、江
西等省均有钼矿且储量大开发条件好产量在全国占有重要地位。世界上金属储量在50万吨以上的特
大型钼矿共有六个我国的河南栾川、吉林大黑山和陕西金堆城三大钼矿榜上有名。丰富的钼资源为我
国发展钼的冶炼和加工大力推广钼的应用提供了极为有利的条件和坚实的基础。具有工业价值的钼矿
物主要是辉钼矿(MoS2),约有99%的钼矿是以辉钼矿(MoS2)状态开采出来的。近年来我国钼精矿产量连
年大幅增长。 
   
   统计数据显示2008年我国钼精矿产量为180,589吨含钼量共计81,265吨钼同比增长22.48%。
其中河南和陕西钼精矿累计含钼量分别为38,581吨钼和16,736吨钼分别同比增长19.39%和12.27%
两者占全国总产量的68.1%。国家统计局数据显示2009年1-4月我国钼精矿折合量(折纯钼4.5%)产
量为58063.89吨同比增长6.57%。
   电率大导热性能好。在常温下不与盐酸、氢氟酸及碱溶液反应仅溶于硝酸、王水或浓硫酸之中对大
多数液态金属、非金属熔渣和熔融玻璃亦相当稳定。因此钼及其合金在冶金、农业、电气、化工、环保
和宇航等重要部门有着广泛的应用和良好的前景成为国民经济中一种重要的原料和不可替代的战略物质。  
  
 钼在地球上的蕴藏量较少其含量仅占地壳重量的0.001%钼矿总储量约为1500万吨主要分布在
美国、中国、智利、俄罗斯、加拿大等国。我国已探明的钼金属储量为172万吨基础储量为343万吨
仅次于美国而居世界第二位。辽宁锦西、陕西金堆成、吉林、山西、河 南、福建、广东、湖南、四川、江
西等省均有钼矿且储量大开发条件好产量在全国占有重要地位。世界上金属储量在50万吨以上的特
大型钼矿共有六个我国的河南栾川、吉林大黑山和陕西金堆城三大钼矿榜上有名。丰富的钼资源为我
国发展钼的冶炼和加工大力推广钼的应用提供了极为有利的条件和坚实的基础。具有工业价值的钼矿
物主要是辉钼矿(MoS2),约有99%的钼矿是以辉钼矿(MoS2)状态开采出来的。近年来我国钼精矿产量连
年大幅增长。 
    统计数据显示2008年我国钼精矿产量为180,589吨含钼量共计81,265吨钼同比增长22.48%。
其中河南和陕西钼精矿累计含钼量分别为38,581吨钼和16,736吨钼分别同比增长19.39%和12.27%
两者占全国总产量的68.1%。国家统计局数据显示2009年1-4月我国钼精矿折合量(折纯钼4.5%)产
量为58063.89吨同比增长6.57%。 
  钼的消费形式以工业三氧化钼为主约占70%钼铁约占20%金属钼和钼化学制品各占5%。其应用
领域和分配比例大概如下钢铁冶炼消费约占80%其中合金钢约为43%不锈钢约为23%工具钢和高
速钢约8%铸铁和轧辊约为6%化工产品约占10%金属钼制品消费约占6%高温高强度合金和特殊
合金约占3%其他钼制品约为1%。由上可见钢铁工业的发展对钼的消费起着决定性的作用但随着科学
技术的发展钼在高科技和其他领域的应用将会不断地扩大和发展。  
   
钢铁工业 根据世界各国钼消费统计钼在钢铁工业中的应用仍然占据着最主要的位置。钼作为钢的合
金化元素可以提高钢的强度特别是高温强度和韧性提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗蚀性提高
钢的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐热性。钼是一种良好的形成碳化物的元素在炼钢的过程中不氧化
可单独使用也可与其他合金元素共同使用。特殊钢的耗钼量在有规律地增长目前每吨特殊钢的钼消耗量
已达到0.201公斤的水平。  
   
钼与铬、镍、锰和硅等可制造不同类型的不锈钢、工具钢、高速钢和合金钢等。所制成的不锈钢有良
好的耐腐蚀性能可用于石油开采的耐腐蚀钢管一种加钼约6%的不锈钢还可取代钛用于海水淡化装置、
远洋船舶、海上石油及天然气开采管道。这类不锈钢还可以用于汽车外壳、污水处理设备等。含钼工具钢
的效率是钨工具的两倍性能优良成本低廉且重量较轻。钼系列高速钢具有碳化物不均匀性、耐磨、韧
性好、高温塑性强等优点适用于制造成型刀具。含钼合金钢可用于制造机床结构部件工业车辆和推土
设备。在轧制状态下有微细珠光体组织的含钼合金钢是铁轨和桥梁建设中的重要钢材。  
 
钼作为铁的合金添加剂有助于形成完全珠光体的基体能改善铸铁的强度和韧性提高大型铸件组
织的均匀性还可以提高热处理铸件的可淬性。含钼灰口铸铁具有很好的耐磨性可作重型车辆的闸轮和
刹车片等。 
  农用肥料 钼是植物体内必须的“微量元素”之一约占植物干物量的0.5ppm左右是不可缺少和不
可替代的。近年来国内外广泛地采用钼酸铵作为微量元素肥料能显著地提高豆类植物、牧草及其他作物
的质量和产量。这主要是钼能促进根瘤菌和其他固氮生物对空气中氮的固定并将氮元素进一步转化成植
物所需的蛋白质。钼也能促进植物对磷的吸收和在植物体内发挥其作用。钼还能加快植物体内醣类的形成
与转化提高植物叶绿素的含量与稳定性提高维生素丙的含量。不仅如此钼还能提高植物的抗旱抗寒
能力以及抗病性。 
  
施用钼肥的特点是用量少,收效大,成本低.是提高农业收成特别是使大豆丰收的一项重要措施。钼
在农业上的广泛应用也为我国钼生产工厂的废水、废渣及低品位矿的综合利用开辟了一条新的途径。  
 

电子电气 钼有良好的导电和高温性能特别是与玻璃的热膨胀系数极其相近广泛地用于制造灯泡中
螺旋灯丝的芯线、引出线、挂钩、支架、边杆及其他部件在电子管中做栅极和阳极支撑材料。在超大型
集成电路中钼用作金属氧化物半导体栅极把集成电路安装在钼上可以消除“双金属效应”。超薄型无缝钼
管约15μm可用作高清晰度电视机显象管的阳极支架这种电视机的图象扫描线达1125条比一般的
电视机提高2倍。钼圆片还可作功率晶体管隔热屏和硅整流器的基板和散热片。
  在现代电子工业中除使用纯钼外Mo-Re合金可作电子管和特种灯泡的结构材料Mo-50Re和TZM合
金还可作高功率微波管和毫米波管中的热离子阴极结构元件其工作温度可达到1200℃电流密度可达10
安培/厘米2。作为引出线的的纯钼丝再结晶温度低在高温下易出现脆化影响使用寿命近年来有人
研制出添加Si、k和C等元素以提高再结晶温度生产出“高温钼丝”。采取在氧化钼生产过程中添加稀
土元素钇、铈、镧等更能有效地提高再结晶温度克服材料高温脆化问题。含0.1—0.3%锆、0.1%钪的钼
丝在1200℃氮化处理使钪弥散到整个合金中去这种钼丝在20℃时抗拉强度可达到1400百万帕斯卡。 
  

模具工业的迅速发展使电火花加工技术得到普遍的应用钼丝是理想的电火花线切割机床用电极丝
可切割各种钢材和硬质合金加工形状极其复杂的零件其放电加工稳定能有效地提高模具的精度。  
 
以上是钼丝两种最为广泛的用途灯泡制造业的发展和模具制造业的崛起使得钼丝的生产和消费突
飞猛进。据中国照明协会统计2001年全国生产钼丝达到31.5亿米实际产量估计达到40亿米消耗将
近800吨钼条其数量十分可观。其中线切割用钼丝产量超过20亿米占钼丝总量的一半以上其市场发
展前景十分令人乐观。  
 
钨-铜假合金广泛应用电火花切削工具电极然而近年来研究以钼取代钨作电极结果表明钨基和钼
基电极随铜≤50%重量的含量而变的耐蚀性是不一样的。在加热脉冲和机械负荷脉冲存在时这种耐
腐蚀性主要取决于脆裂过程钼的延-脆性转变温度较钨低所以脆性小耐蚀性能较强。钼-铜、钼-银假
合金具有耐烧蚀性和良好的导电性可以作为空气开关、高压开关和接触器的触点。钼-铜复合薄膜在连续
的铜机体上夹带大量的离散钼粒子显微组织均匀有良好的穿厚导热性和导电性可作金属芯子应用于
多层电路板中。  
 
最近还研制出可变色的三氧化钼这种材料在强光照射下会改变颜色且可轻易还原可用于电子
计算机光存储元件及多次使用的复印材料。  
 
汽车喷涂 钼的熔点高达2620℃且有良好的高温性能和耐腐蚀性能钼与钢铁结合力强因而是汽车
部件生产中主要的热喷涂材料。汽车部件一般采用钼丝高速火焰喷涂喷枪的气体混合喷射装置产生高温
燃气燃烧特殊设计的燃烧室和气体喷射混合室使钼丝在完全熔化前以极高的速度喷涂在工件的表面上喷射钼的致密度可达99%以上结合强度接近10公斤/㎜2。这一工艺过程能有效地改善受磨面的耐磨
性也提供了一个可以浸渍润滑油的多孔表面。它广泛地应用于汽车工业以提高活塞环、同步环、拨叉和
其他受磨部件的性能也用于修复磨损的曲轴、轧辊、轴杆和其他机械部件。据资料介绍喷涂钼丝欧洲市
场年销售量可达1000吨美国每年消耗量也达600吨左右日本每年也消耗钼丝30—40吨我国喷涂钼
丝市场容量尚小于每年30吨。但随着我国汽车工业的发展汽车齿轮和其它部件的热喷涂将有较大发展
喷涂钼丝的销售量将大幅度增长。 
  
高温元件 钼的纯度高、耐高温、蒸汽压低等特性使之常常被用来制造高温炉的发热体和结构材料。
在钨钼及硬质合金生产过程中大都采用钼丝加热的方式制作还原炉和烧结炉部份铁制品连续烧结还采
用钼杆加热排作发热体钼杆加热排以钼钩悬挂于炉子的两侧。这类炉子一般为还原性气氛或非氧化性气
氛在氢气和分解氨中钼丝可使用至接近熔点氮气中可使用至2000℃。高于1700℃使用时可采用再结
晶温度更高、强度更好的TZM合金或钼镧合金作发热体。钼在熔化的石英中有很好的抗烧蚀性能在玻璃
工业中用作通电熔融电极每生产一吨玻璃钼电极仅损失7.8克使用寿命可长达一年多。除作电极外钼
还用作玻璃熔化高温结构材料如导槽、管子、坩埚、流口以及稀土冶炼的搅拌棒。以钼代铂在玻璃纤维
拉丝炉上使用效果良好大大降低了生产成本。新近研制出的核燃料烧结炉采用钼网加热用ф0.8mm钼
丝编织成三相网状加热器工作温度可达1800—2000℃。除此之外钼及其合金还可以作热等静压的炉架、
隔热屏、烧结和蒸涂的料舟、SmCo磁体及二氧化铀烧结的垫板热电偶及其保护套管等。  
 
硅化钼MoSi2是一种应用极为普遍的电热元件材料具有抗高温氧化、优异的耐蚀性能和高熔点等
特性。其抗氧化性是由于在加热表面形成了不透气的玻璃薄膜使之不受氧、氮、一氧化碳和二氧化硫的
破坏在1700—2000oK温度下二硅化钼加热可以工作二、三年之久。但低劣的机械性能影响硅化钼的应
用如果在硅化钼中加入SiC形成一种复合材料这种材料将碳化硅弥散进二硅化钼的基体中生成含有
钼原子和硅原子的双金属化合物其高温强度较二硅化钼单体高8倍之多使其应用前景大受青睐。  
 
石油开采 在开发低洼地区酸性天然气、油田和开发海底油气田时不仅有大量的H2S气体产生还有
海水的浸蚀使钻探管道硫化发脆迅速腐蚀。选用含钼高强度不锈钢管可有效地抵抗H2S气体和海水的
腐蚀大大节约钢材降低油气井的钻探成本。  
 
钼不仅可以应用于油气田钻探管道方面还常常与钻、镍相结合作石油提炼预处理的催化剂主要是
石油石油化学产品及液化煤的脱硫。在氢处理过程中硫化物在催化剂的表面与氢反应硫离子以硫化
氢的形式除掉同时消除了原油中氮和金属杂质以减少这些杂质在石油精炼时对其他催化剂的毒化从
而改善产品的色泽、气味和提高其稳定性。钼催化剂钝化后在其表面残留一层碳如果烧掉碳层催化剂
又可恢复其活性状态使用寿命可为1—5年左右。钼在石油裂化与重整中起着重要的作用是一种理想的
电子供体和载体。  
 
环境保护 人们越来越清楚地认识到钼在控制环境污染方面起着重要的作用含钼不锈钢的大量应用
大大减少了因锈蚀而造成对环境的影响另外钼及其化合物大都没有毒性利用比较安全的钼取代有毒的
金属也是钼对人类环境保护的一大贡献。在油漆和颜料工业中钼可取代有毒的铬、铅、钛等金属并且
是高效的着色剂在化学制品行业可取代防腐剂中的铬和阻燃物硝烟物中的锑钼在水处理工业中的应
用中也具有潜力主要在开路和闭路循环冷却系统的冷却水处理中用于抑制腐蚀在开路冷却塔中每升冷
却剂的二钼酸钠含量为10毫克而闭路冷却水空调装置中每升可达150毫克钼酸钠作为汽车防冻剂和冷
却系统以及切削液中防腐剂的用量也在不断增加。有人还提出钼可以改善玻璃化土壤简化高污染土壤的
处理减少土壤污染。    
  航空及核工业 钼合金由于有极好的耐热性能和高温机械性能可作航空器发动机的火焰导向器和燃烧
室宇航器液体火箭发动机的喉管、喷嘴和阀门重返飞行器的端头卫星和飞船的蒙皮、船翼及导向片
和保护涂层材料钼热胀系数低和导热性能好在太阳辐射光强烈作用下尺寸稳定性特别好用金属钼网
作成人造卫星天线可以保持其完全抛物的外型而较之石墨复合天线重量更轻。巡航式导弹使用钼涂层
材料作汽轮转子在1300℃高温下工作每分钟转速高达4—6万转已显示出良好的效果。  
 
钼的中子吸收截面小有较好的强度对核燃料有较好的稳定性抗液体金属腐蚀性好在核聚变反
应堆中作转换器铠装元件的保护片。Mo-Re合金可用于空间核反应堆的热离子能量转换器包套材料、加热
器、反射器和其他的丝或薄板元件。  
 
钼合金及其他 钼是一种高效多能的合金化元素不仅在钢中添加显示出独特的作用也能与多种有色
金属生成性能优良的合金。  
 
在钼中添加Ti、Zr、C的氧化物或碳化物形成弥散强化合金TZM。TZM合金除应用在宇航和核工业
外还可以作X射线旋转阳极零件压铸模具和挤压模具在挤压铜基合金时其操作温度可在870—1200℃。
TZM合金还非常适合作不锈钢热穿孔顶头穿孔钢管内壁质量好使用寿命长。加入少量稀土元素的TEM
合金有较高的再结晶温度再结晶时的延性较普通钼材高5倍也有良好的应用前景。  
 
含钛、锆和碳的钼合金MT-104含铪和碳的钼合金HCM及含钨、铪和碳的钼合金HMW均
有较高的强度可加工成棒、板、锻坯和其他制品大有用武之地。Mo-30w是一种固溶体合金熔点达到
2800℃以上在锌冶炼中作熔融金属泵阀和轴、核燃料提纯和电镀等设备管路、搅拌轴、叶轮泵。在钨高
比重合金90W-7Ni-3Fe中加入一定量的钼其强度和硬度都随钼含量而增高其延性则不断降低能大
大地改善作为穿甲弹武器材料的性能。 
  
碳化钼Mo2C和碳化钨混合加入适当的镧粉烧结成硬质材料经粗碎后加入一定量的镍采用
通常的硬质合金生产的方法可得到粘结相分布良好、致密和细化的碳化钼基硬质合金。金属粘结相采用
Co或Ni也可生成复杂钼—钨碳化物基硬质合金。碳化钼也可添加到金属陶瓷中以改善其性能。  
 
钼化工产品 钼与铬、铝的盐类可以共同沉积而生成钼铬红颜料钼酸根离子与金属表面的铁离子形成
难溶的Fe2(MoO4)3从而使金属表面钝化达到防锈的效果。其颜色变化由淡澄色到淡红色有着较强的
覆盖能力且颜色鲜艳主要用于涂料、塑料、橡胶、油墨、汽车和船舶涂料等领域。锌、钙和钠的钼酸
盐用作抗腐蚀颜料因其不含影响环境和人类健康的铅而受到普遍的关注。  
 
  二硫化钼MoS2是一种良好的固体润滑剂在工业应用中起着十分重要的作用。它具有非常低的摩
擦系数0.03—0.06高的屈服强度3.45MPa能在高温(350℃)和各种超低温条件下使用在真空条件
下甚至可以在1200℃正常工作特别在高速运转的机械部件中有着十分优良的润滑作用。因而在汽轮机、
燃汽轮机、金属轧辊、齿轮齿、模具、汽车及宇航器械上广泛使用。  
   
经过几十年的艰辛努力我国钼开采冶炼和加工技术有了长足的进步钼的应用和推广也取得了可喜
的成绩但与世界先进水平相比我们仍然感到不足。我们应该充分利用我国钼资源优势从开采、冶炼到
加工建立合理的生产布局大力开展钼制品的深加工。建立一支技术素养较高的生产和科研队伍大力推
广新装备、新技术的应用加强钼的科研和新产品开发特别要加强钼的应用研究扩大市场容量要集
中科研院所和生产企业的技术力量成立专门机构迅速地把科研成果转变成生产力指导市场消费扩
大外贸出口使我国成为一个名符其实的钼生产大国消费大国和出口大国。 
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