铁基粉末冶金中的钼(Mo)你了解多少?
来源: | 作者:网管摘录 | 发布时间 :2025-02-07 | 1061 次浏览: | 分享到:

18世纪后期才发现的,而且在自然条件下没有金属形态的钼存在。尽管如此,钼的主要矿物-辉钼矿在古代时就早已得到了应用,只是辉钼矿和铅、方铅矿及石墨都很相似,不易区分, "molybdos"这个词在希腊文里就是铅的意思。曾在14世纪的一把日本武剑中发现含有钼。直到1778年,瑞典科学家卡尔.威廉.谢勒(Carl Wilhelm Scheele)才证实了钼的存在。他将辉钼矿在空气中进行加热,从而产生了一种白色的氧化粉末。此后不久,到1782年,彼得. 雅各布.耶尔姆(Peter Jacob Hjelm)用碳成功地还原了这种氧化物,获得一种黑色金属粉末,他称这种金属粉末为“钼”。大约在1816年出现了"钼"这个词的英文"molybdenum"

银白色金属硬而坚韧,是难熔金属元素之一,在元素周期表中为VIB族元素,原子序数42原子量95.94密度10.2g/cm3熔点2610℃沸点5560℃历来不以天然元素状况呈现,而总是和其它元素结合在一起。钼是一种亲硫元素,所以辉钼矿(MoS2)是钼的首要赋存状况,其次是钼与钨、铜、钒、铼、铌等元素共生的氧化物矿。现在已知的钼矿藏大约有20多种,但其间具有工业使用价值的仅有四种:即辉钼矿钼酸钙矿钼华钼酸铅矿,除辉钼矿为原生钼矿藏外,其他的都为次生钼矿藏或伴生(共生)钼矿藏。在常温下钼在空气或水中都是安稳的,但当温度到达400℃时开端发作细微的氧化,高于600℃时很快地被氧化成三氧化钼;温度高于700℃时,水蒸气能将钼氧化成二氧化钼;温度高于800℃,钼与碳及碳氢化物或生成碳化钼。钼可耐稀硫酸、磷酸的腐蚀,但不耐硝酸、和氧化性熔盐的腐蚀。在常温下耐碱,但加热时则被碱腐蚀。金属钼在高温时也能坚持高强度高硬度

 

因为具有高弹性模量高耐磨性高熔点低膨胀系数良好的导热导电性等诸多优异的物理、力学性能良好的化学稳定性对大多数酸、金属熔体和熔融玻璃保持惰性。因此,钼及钼合金在冶金工业、电子工业、宇航工业、化学工程、核工业等高温、高压、高腐蚀领域有着广泛的应用和良好的前景。

 

也是铁基粉末冶金结构材料常用的合金元素,其主要作用如下:

1.少量钼(一般小于1.5%)的加入可以显著提高合金的强度和硬度

张志恒等人在《钼在Fe—Ni—Mo—C低合金烧结钢中的作用》一文中曾研究过钼含量对合金性能的影响。文章指出随着钼含量的增加.烧结态合金的拉伸强度直线上升。而其冲击韧性,先随着钼含量的增加下降,而后在钼含量在0.2-1.0%的范围内趋于稳定,此后再呈下降趋势,这说明在钼含量低时,烧结态合盒中钼的强化效果是显著的。但当钼含量在一定范围内时,在强化的同时,增加了脆性。而在热处理状态下,加入少量(如0.2%)的钼,合金的强度和硬度均显著增加。当钼含量超过0.5%时,合金的强度和硬度趋于稳定。这说明在热处理状态下,微量的钼对合金的强化效果很突出,同时,还伴随有明显的硬化。[1]

  

以上也是为什么通常铁基粉末冶金的Mo含量一般不超过1.5%的原因之一。

2. 在烧结态下,钼的作用主要是增加珠光体含量和细化珠光体组织

3. 在热处理 (淬火、低温回火)态下,钼的作用主要是形成 Mo2C来强化晶界

GKN-Hoeganaes的低预合金Ancorsteel30HP及Ancorsteel85HP为例,曾在2006年,PatrickKing和SunilPatel在《LOWER MOLYBDENUM STEELS FOR HIGHPERFORMANCE POWDER METALLURGY APPLICATIONS》一文中,将以下四种不同成分的粉末(表1)在相同条件下压制,烧结及热处理,分别从生坯密度,烧结态和热处理态等方面做了对比。

 

生坯密度

四种混粉生坯密度并没有大的差异,如图2,在600MPa 时都能维持在7.0g/cm3 左右,说明Mo预合金对于压缩性的影响并不是特别明显,特别说明的是由于MIX1,MIX2,MIX4中的Ni是以机械混合形式添加,因此,其8.90g/cm3的密度相对于Fe 7.87g/cm3的密度,甚至会略微提高压缩性,这也是为什么MIX2压缩性比MIX3稍微高的原因。

 

烧结及热处理后性能

由下图3至图5可见,对比MIX1和MIX2发现,两者成分仅仅是Mo含量的不同,随着Mo含量的提高,在烧结态时因为Mo会促进并细化珠光体组织,其拉伸强度,屈服强度及硬度均有所提高。对比MIX2和MIX4发现,在MIX2中添加了0.3%Mo之后,在烧结态(As-Sintered)时由于MIX4中0.8%C的帮助,二者性能没有明显的区别,但在热处理态(Q&T)时,MIX2的拉伸和屈服强度较没有添加Mo元素的MIX4有了明显的提高,说明Mo在热处理过程中起到了强化晶界强度,增加淬硬性,从而提高机械性能的作用。[2]

   

 

注:因以上数据测试的样品尺寸较小,包括含0.3%Mo的样品在热处理时也几乎是全部淬透的,因此,热处理后性能看上去差异不是特别明显,而实际生产中对于尺寸较大的产品,不同的Mo含量对其机械性能会有显著差异,建议这类产品在设计时使用更高Mo含量的材料。
参考文献:
[1] 张志恒等,钼在Fe-Ni-Mo-C低合金烧结钢中的作用,粉末冶金技术,1991.11 Vol9(4),220-224[2] Patrick King,SunilPatel,LOWER MOLYBDENUM STEELS FOR HIGHPERFORMANCE POWDER METALLURGY APPLICATIONS,Presented at PowderMet 2006 San Diego,CA June 18-21

Q1:金属钼粉是否可以直接以机械混合方式添加到粉末中吗?

A1:可以添加,但完全不推荐。因为钼具有很高的熔点,常规铁基粉末冶金的烧结温度和时间不能使其更好的完成合金化,发挥其作用。因此,铁基粉末冶金中目前要想通过增加Mo提高强度的方法是将钼或钼的化合物以预合金或半预合金(扩散)方式加入基粉中。

Q2:铁基粉末冶金中钼能提高热处理后的硬度及强度的原理是什么?

A2:同钢的热处理类似,除钴和铝以外,几乎所有的合金元素都会使C曲线(过冷奥氏体等温转变动力曲线)向右移动,钼是形成碳化物倾向强烈的元素,热处理时会形成MoC2,不仅使C曲线右移,还会使曲线形状发生变化,出现两个鼻尖,以此降低淬火临界冷却速度,一方面增大淬透性,提高硬度及强度,同时还能减少产品淬火时变形和开裂风险。