钼的应用及其发展

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。钼矿集中分布在陕西、河南、吉林和辽宁等四省。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。近年来，我国钼的开采、冶炼和加工得到了迅速的发展。据资料介绍，2001年我国实际生产钼精矿72000吨，氧化钼33000吨，钼铁7600吨，各类钼酸铵9500吨，钼条1183吨，钼板坯1200吨，钼板材150吨，钼圆片40余吨，钼顶头及其他异型制品约50吨，电光源行业及机械加工钼丝31.5亿米，还有润滑剂、催化剂、颜料等化工产品数百吨。不仅如此，我国在世界钼市场中占有举足轻重的地位，据海关统计，2001年我国出口钼矿焙砂、钼酸盐、钼铁及其他钼制品70274吨之多，创汇达2.62亿美元。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