Molybdän und Molybdän-basierte Legierungen: TZM und dotierte Sorten für hohe Temperaturen
Feb 20, 2024
Molybdän und Molybdän-basierte Legierungen: Definition und Eigenschaftsbasis
Molybdän ist ein hochschmelzendes Metall mit einem Schmelzpunkt von etwa 2623 °C und einer Dichte von etwa 10,2 g/cm3. Seine Kombination aus hohem Schmelzpunkt, hoher Festigkeit bei erhöhter Temperatur, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und hoher Wärmeleitfähigkeit macht es zu einer kleinen Gruppe von Metallen, die für den dauerhaften Einsatz über 1000 C geeignet sind. Legierungen auf Molybdänbasis werden durch Zugabe kleiner Mengen Titan, Zirkonium, Hafnium, Lanthanoxid oder Kohlenstoff zu unlegiertem Molybdän hergestellt, hauptsächlich um die Rekristallisationstemperatur zu erhöhen und die Festigkeit über längere Zeit beizubehalten Exposition gegenüber hohen-Temperaturen. Der Verbrauch ist im Vergleich zu Stahl bescheiden, aber die Anwendungen sind strategisch: Luft- und Raumfahrt, Verteidigungshardware, Elektronik, chemische Verarbeitung und Glasproduktion.
Eigenschaftsvergleich und Legierungsfamilien
Die physikalischen Eigenschaften von Molybdän sind nachstehend zusammengefasst. Die Werte sind typisch für geknetetes unlegiertes Material bei Raumtemperatur.
| Eigentum | Typischer Wert |
|---|---|
| Schmelzpunkt | etwa 2623 °C |
| Siedepunkt | etwa 4639 °C |
| Dichte | etwa 10,2 g/cm3 |
| Wärmeleitfähigkeit | ca. 138 W/mK |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | etwa 4,8 x 10-6 /K (20-100 °C) |
| Elastizitätsmodul | etwa 329 GPa |
Im Folgenden werden handelsübliche Legierungsfamilien und deren Bedeutung aufgeführt. Stangen, Stäbe und Drähte sind die üblichen Produktformen für die legierten Qualitäten, wobei für Platten, Bleche und Folien die entsprechende Plattenspezifikation gilt.
| Familie | Nominale Ergänzung | Zweck |
|---|---|---|
| Unlegiertes Molybdän | Mo mit kontrollierten Spurenelementen | Allgemeine Hochtemperaturteile, Elektroden, Abschirmungen |
| TZM | Ti etwa 0,5 %, Zr etwa 0,08 %, C etwa 0,02 % | Höhere Rekristallisationstemperatur und Kriechfestigkeit |
| Lanthana-dotiert | La2O3 etwa 0,2–0,7 % | Kriechfestigkeit und Duktilität nach Rekristallisation |
| Mo-Hf-C (MHC-Typ) | HF mit kontrolliertem Kohlenstoff | Höchste Zeitstandfestigkeit für Schmiedegesenke und Warmwerkzeuge |
| Mo-Cu-Verbundwerkstoff | Cu etwa 10-30 % | Wärmemanagement und elektrische Kontakte |
Der wichtigste metallurgische Unterschied zwischen diesen Qualitäten ist die Rekristallisationstemperatur. Unlegiertes Molybdän beginnt im Bereich von 1100 °C zu rekristallisieren, und rekristallisiertes Molybdän neigt bei Raumtemperatur zum Sprödbruch. TZM behält seine kaltverfestigte Struktur auch bei wesentlich höheren Temperaturen bei, weshalb es die Standardwahl für heiße Zonen und für Komponenten ist, die thermischen Wechseln standhalten müssen.
Wo diese Legierungen verwendet werden
Ofen- und Vakuumausrüstung.Heizelemente, Strahlungsschilde, Herdplatten, Boote und Vorrichtungen für Vakuum- und Wasserstoffsinteröfen, bei denen kein anderes Metall den Schmelzpunkt mit nutzbarer Leitfähigkeit verbindet.
Glasindustrie.Elektroden und Elektrodenhalter für elektrische Schmelzöfen sowie Düsenkomponenten zum Ziehen von geschmolzenem Glas zu Fasern.
Saphir- und Kristallwachstum.Tiegel, Matrizen und Heizkomponenten für Hochtemperatur-Kristallwachstumsöfen, die bei etwa 2000 °C betrieben werden.
Luft- und Raumfahrt und Verteidigung.Raketendüseneinsätze, Halsauskleidungen und Hitzeschildstrukturen für Wiedereintrittskörper, bei denen die Komponente Vibrationen, Stößen, Vakuum, Strahlung und starken Temperaturwechseln standhalten muss. Haut- und Strukturteile aus Molybdän--Legierungen werden für Stabilisierungsstrukturen von Bergungskapseln und in heißen Abschnitten von Trägerraketen verwendet.
Elektronik und Halbleiter.Sputtertargets, Ionenimplantationskomponenten, Kühlkörper und Bleirahmenwerkzeuge.
Chemisch und metallurgisch.Korrosionsbeständige Ausrüstung zur Reduzierung des Säureeinsatzes und zur Verarbeitung von Metallen und Salzen bei hohen Temperaturen.
Regeln für Fertigung, Verbindung und thermische-Zyklen
Oxidation ist die harte Grenze.Molybdän oxidiert an der Luft oberhalb von etwa 600 °C schnell und oberhalb von etwa 700 °C ist das Oxid flüchtig, sodass es keinen schützenden Belag bietet. Der Einsatz bei hohen Temperaturen muss in Vakuum, Wasserstoff, Argon oder einer anderen Schutzatmosphäre erfolgen, oder das Teil muss mit einer Schutzbeschichtung versehen sein.
Beachten Sie beim Arbeiten die Rekristallisationstemperatur.Kalt-umgeformtes Molybdän ist duktil; stark rekristallisiertes Material ist dies nicht der Fall. Die Umformung erfolgt normalerweise warm und bei Betriebstemperaturen unterhalb des Rekristallisationsbereichs bleibt die Zähigkeit erhalten.
Schweißen und Fügen.Das Schmelzschweißen wird unter Schutzgas oder in einer Handschuhbox mit strenger Abschirmung durchgeführt, da sowohl Stickstoff als auch Sauerstoff die Verbindung schädigen. Hartlöten und mechanische Befestigung sind gängige Alternativen bei Ofenbaugruppen.
Bearbeitung.Molybdän verhält sich wie hartes Grauguss: leichte Schnitte, scharfe Hartmetallbearbeitung und Vermeidung der Korngrenzenschwäche, die bei rekristallisiertem Material auftritt.
Design für Thermoschock.Auch wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient niedrig ist, bedeutet der Übergang von duktil -zu -, dass eine schnelle Abschreckung eines dicken Abschnitts zu Rissen führen kann; Halten Sie die Abschnittsänderungen schrittweise und heizen Sie vor, wo es sinnvoll ist.
Häufige Fehler bei Spezifikation und Verwendung
Molybdänteile werden bei Betriebstemperatur der Luft ausgesetzt und man erwartet einen schützenden Oxidfilm, wie man ihn von chromhaltigen Legierungen erhalten würde.
Wenn Sie unlegiertes Molybdän bestellen, bei dem TZM oder eine Lanthanoxid-dotierte Sorte erforderlich ist, stellen Sie fest, dass das Teil zu Beginn des Betriebs durchhängt oder rekristallisiert.
Beurteilung der Festigkeit nach einer Hochtemperaturabweichung unter Verwendung von Zugdaten bei Raumtemperatur, ohne Berücksichtigung von Rekristallisation und Kornwachstum.
Molybdän wird standardmäßig als elektrisches Kontaktmaterial behandelt, wenn Mo-Cu-Verbundwerkstoffe speziell für das Wärmemanagement und die Kontaktaufgabe existieren.
FAQ
F: Wie hoch ist der Schmelzpunkt von Molybdän?
Etwa 2623 °C, mit einem Siedepunkt nahe 4639 °C. Es ist eines der am höchsten-schmelzenden kommerziellen Metalle, was der Hauptgrund dafür ist, dass es für heiße Ofenzonen und Hochtemperatur-Strukturteile verwendet wird.
F: Was bedeutet TZM und warum wird es verwendet?
TZM ist eine Molybdänlegierung mit geringen Zusätzen von Titan, Zirkonium und Kohlenstoff. Die Zusätze erhöhen die Rekristallisationstemperatur und die Kriechfestigkeit im Vergleich zu unlegiertem Molybdän, sodass die Legierung auch nach längerer Einwirkung hoher Temperaturen ihre Form behält.
F: Kann Molybdän bei hohen Temperaturen an der Luft verwendet werden?
Nein. Oberhalb von etwa 600 °C verläuft die Oxidation schnell und oberhalb von etwa 700 °C verflüchtigt sich das Oxid und bietet keinen Schutz mehr. Für Hochtemperaturanwendungen müssen Vakuum, Wasserstoff oder eine inerte Atmosphäre oder eine Schutzbeschichtung verwendet werden.
F: Wie schneidet Molybdän im Vergleich zu Wolfram bei Hochtemperaturarbeiten ab?
Wolfram schmilzt höher, bei etwa 3422 °C, und ist dichter, aber es ist auch schwieriger zu bearbeiten und herzustellen. Molybdän wird ausgewählt, wenn seine geringere Dichte, bessere Duktilität und einfachere Bearbeitung den niedrigeren Schmelzpunkt überwiegen.
F: Welche Produktformen sind verfügbar?
Stangen, Stäbe und Drähte werden unter der Stangen- und Stangenspezifikation geliefert, Platten, Bleche und Bänder unter der Plattenspezifikation. Gesinterte oder gewalzte Formen sind auch als Elektroden, Tiegel, Schiffchen und Sputtertargets erhältlich.
F: Ist eine Molybdänlegierung magnetisch?
Molybdän ist paramagnetisch, und die üblichen TZM- und Lanthana{0}}-dotierten Sorten sind im Betrieb auch praktisch nicht-magnetisch, was bei einigen Elektronik- und Instrumentenanwendungen von Bedeutung ist.
