Вплив молібдену на властивості сталі

Тугоплавкі метали – найважливіша і найдорожча у вартісному вираженні складова ринку металів. За сформованою класифікацією до тугоплавких металів належать хром, ніобій, молібден, реній, тантал, вольфрам і ванадій.

Молібден володіє унікальним комплексом фізичних, хімічних і механічних властивостей: високими температурами плавлення, модулем пружності і зсуву, міцністю при кімнатній і підвищених температурах, низьким коефіцієнтом термічного розширення, достатньою електропровідністю, малою швидкістю випаровування при високих температурах, хімічною стійкістю в агресивних середовищах.

Введення молібдену в кількості до 10%, частіше 1 - 1,5%, покращує міцність, ударну в'язкість, гартованість, корозійну стійкість, зменшує відпускну крихкість сталей. У таблиці 2.3 наведено перелік основних груп сталей і сплавів, які містять молібден, із зазначенням меж легування і контрольованих шкідливих домішок.

 

Таблиця 2.3 — Молібден в сталях і сплавах

Матеріал	Вміст молібдену, %	Обмеження за домішками
Леговані сталі (жароміцні, хромисті, аустенітні з карбідним зміцненням і інші)	0,2 – 1,5	S, P, Si, Cu
Корозійно – стійкі сталі	0,4 – 3,5	C, S, P, Si, Mn, B
Інструментальні і швидкоріжучі сталі	0,4 – 6,0	S, P, Ni, Cu

 

Продовження Таблиці 2.3

Жарміцні сплави на нікелевій (кобальтовій, залізо–нікелевій) основі	2 – 11,5	Fe, Mn, Si, C, B, S, P, Cu, O, H, N
Чавуни леговані спеціальні	0,5 – 3,0	—
Титанові сплави	0,3 – 15	Fe, C, O, N, H

 

Молібден – білий ковкий метал, подібно вольфраму, отримують шляхом відновлення воднем з оксидів у вигляді молібденового порошку, який надалі пресують, спікають у брикети і проковують. Молібден – дорогий легуючий елемент, вартість його значно вища вартості хрому, нікелю і вольфраму. У нашій країні молібденова промисловість була створена за Радянської влади в роки перших п'ятирічок.

Чистий молібден володіє великою стійкістю проти впливу розчинів лугів, концентрованої соляної, сірчаної, плавикової та інших кислот. Межа міцності відпаленого молібдену близько 100 кг/мм2при подовженні 15 – 20%. Температура плавлення молібдену 2630°С, питома вага 10,2; атомнокристалічна решітка аналогічна решітці α-Fe; куб об'ємноцентрований з параметром 3,14 Å.

Заготовки з молібдену, сплавів на його основі і композиційних матеріалів широко використовують для виготовлення виробів електросвітильної техніки, скляної промисловості, для електронагрівачів і екранів високотемпературних печей, тиглів для вирощування монокристалів, розпилюємих мішеней, а також для виготовлення деталей нової техніки.
Близько 60% молібдену використовується як легуюча добавка для сталей, чавунів, нікелевих і титанових сплавів у вигляді феромолібдену, молібдену металевого, лігатур різного складу. Істотно меншу кількість, в середньому 5 - 10%, застосовують у виробництві каталізаторів при очищенні нафти і дизельного палива, добавок до змащення, плоского та круглого прокату для електротехніки, електроніки, військової техніки та інших виробництв у вигляді оксиду МоО3, дисульфіду МоS2і металевого Мо. У найближчі роки попит у цих сферах буде рости. Є ще одна галузь техніки, яка гарантує зростання споживання молібдену в довгостроковій перспективі – ядерна енергетика. Згідно із прогнозами, у найближчі 30 років масштаби цієї індустрії зростуть удвічі. Деякі компоненти ядерних реакторів містять значну кількість молібдену. Всі ці галузі застосування мають стійкий характер, складалися десятиліттями по всьому світу. Мають свої особливості для окремих країн і регіонів, але в цілому відповідають структурі, характерній для Західної Європи останніх років.

При легуванні молібден використовують у таких видах: концентрат молібденовий обпалений (КМО) - шматки довільної форми; концентрат молібденовий металізований (КММ) - порошкові брикети; феромолібден у формі шматків; порошок молібденовий металевий компактований - брикети, таблетки; молібден металевий спечений (штабик); лігатура молібден - нікелева порошкова спечена у вигляді спечених таблеток заданої форми і розмірів. У зарубіжній практиці асортимент матеріалів ширший. Поряд з феромолібденом, плавленими лігатурами широко застосовуються технічний оксид, таблетовані порошки з чистого молібдену та порошкові лігатури.

Молібден сильно понижує критичну швидкість загартування сталі

(рис. 2.10), особливо складнолегованої сталі, в присутності хрома, нікеля і інших легуючих елементів.[11] В деяких випадках хромонікелева машинобудівна сталь під впливом 0.2 – 0,3% Мо з перлітного класу переходить в мартенситний, тобто вироби товщиною до 25 мм при охолодженні на повітрі від 900° загартовуються на мартенсит.

 

Рис. 2.10 Вплив молібдену на критичні точки сталі

 

Знижуючи критичну швидкість загартування, молібден дуже сильно збільшує прокалюваність сталі: зразки діаметром 50 мм, виготовлені з евтектоїдної сталі з 0,8 – 1,0% Мо, при загартуванні від 800 – 820° С прокалюються наскрізь.

 

Конструкційна сталь

Молібден підвищує міцність фериту і здатність сталі до поліпшення, а також збільшує опір повзучості при високих температурах. Так як молібден є дорогим легуючим елементом, його зазвичай не застосовують для підвищення механічних властивостей при кімнатній температурі конструкційних сталей, які використовуються тільки в прокатному або відпаленому стані, хоча в цьому випадку при добавці 0,1% Мо досягається дещо більша міцність.

а) Поліпшувані сталі:

З економічних міркувань і на підставі досвіду щодо застосування малодефіцитних матеріалів чисто молібденові покращувані сталі майже не застосовуються. В Америці, навпаки, чисто молібденові сталі з підвищеним вмістом марганцю широко використовуються в автомобільній промисловості.

Вкрай різноманітне використання молібдену в складнолегованих сталях. Внаслідок підвищеної стійкості проти відпуску молібденова сталь для отримання таких самих механічних властивостей, якими володіють відповідні хромисті сталі, може піддаватися відпуску при високих температурах. Залишкові напруги в молібденових сталях мають менші значення; в той же час ці сталі відрізняються хорошими показниками пластичності.
Молібден сильніше, ніж вольфрам, підвищує стійкість проти відпуску. Одинакові результати досягаються при вмісті вольфраму в два-три рази, більшому за вміст молібдену. Для зменшення відпускної крихкості необхідне додавання менших кількостей молібдену, ніж вольфраму. Достатнє додавання вже ~ 0,2% Мо, щоб уникнути появи відпускної крихкості при повільному (пічному) охолодженні марганцевистих, хромистих і хромонікелевих сталей після відпуску. Маурер на підставі результатів ударних випробувань при кімнатній температурі встановив, що оптимальною є добавка 0,3% Мо, в той час як більш високий вміст молібдену діє менш сприятливо. Цим даним суперечить те положення, що в сталях, в які для досягнення підвищеної жароміцності при 500° С вводять 1,5% Мо, навіть після дуже тривалого перебування при температурах відпуску не розвивається помітна відпускна крихкість. Це спростовує думку про зменшення сприятливого впливу молібдену при збільшенні його вмісту. Особливою перевагою володіє хромомолібденова сталь у порівнянні з хромонікелевою щодо оброблюваності. Так як хромомолібденова сталь внаслідок високого положення критичних точок при нагріванні стає м'якшою після відпалу, ніж відповідна хромонікелева сталь, механічна обробка цієї сталі в відпаленому стані легша, ніж хромонікелевої сталі. Введення молібдену в хромисту і хромонікелеву сталь широко поширене, особливо завдяки можливості уникнути появи крихкості. Вплив молібдену на властивості поліпшеної конструкційної сталі при низьких температурах (на холоді) позначається на підвищенні в'язкості як це завжди спостерігається для покращуваної сталі під час присадки молібдену. З пониженням температури міцність хромомолібденової сталі, як і інших сталей, збільшується. [15] Ударна в'язкість падає зі зниженням температури, проте швидкість цього падіння різна в залежності від термічної обробки. Важливо, що молібден поряд з усуненням схильності до відпускної крихкості дає поліпшення прокалюваності.

б) Теплотривкі конструкційні сталі:

Значне застосування молібдену обумовлено тією обставиною, що він підвищує теплостійкість звичайної м'якої сталі при температурі до 500 – 600°С. Хромомолібденові сталі з великим вмістом хрому, крім хорошої теплотривкості, володіють стійкістю проти впливу водню високого тиску і певною стійкістю проти корозії, тому їх широко використовують в нафтопереробній промисловості. Підвищена теплостійкість сталей обумовлюється, з одного боку, тим, що молібден як тугоплавкий легуючий елемент, підвищує температуру рекристалізації фериту, з іншого боку, тим, що молібден, сповільнюючи встановлення рівноваги в карбідній фазі, сприяє утворенню тонкодисперсних спеціальних карбідів при робочих температурах, тобто в області від 450 – 600°С. Тому важливим є вид обробки, який застосовується. Особливо високий опір повзучості при температурах порядку 500°С додає сталі структура, яка виникає при перетворенні аустеніту в проміжній області, утворенню якої сильно сприяє молібден.

Молібден підвищує жароміцність не тільки феритних, але і аустенітних сталей завдяки виділенню інтерметалічних сполук молібдену при його вмісті ~ 6%. Тому молібден є цінним легуючим елементом жароміцної аустенітної сталі, що застосовується при температурах до 800° С для роботи в навантаженому стані. Завдяки високій температурі рекристалізації ці сталі придатні для проведення операції напівгарячого наклепу 750 – 850° С, який може значно підвищити жароміцність.