Molibden – dodatek stopowy do stali
Molibden (Mo) jest jednym z kluczowych dodatków stopowych stosowanych w stalach, wpływającym na ich strukturę i właściwości mechaniczne. Dzięki swoim unikalnym cechom poprawia wytrzymałość, odporność na korozję i pełzanie, a także hartowność stali.
Rozpuszczalność molibdenu w żelazie
Wykazuje ograniczoną rozpuszczalność w różnych odmianach alotropowych żelaza:
- W żelazie γ (austenicie) – do około 3%.
- W austenicie zawierającym ok. 0,30% węgla – do około 8%.
- W żelazie α (ferrycie) – do 32%, przy czym rozpuszczalność ta maleje wraz ze spadkiem temperatury.
Molibden – właściwości fizykochemiczne
| Parametr | Starsze dane (encyklopedia) | Współczesne dane (IUPAC / CRC 2023) |
| Symbol chemiczny | Mo | Mo |
| Liczba atomowa Z | 42 | 42 |
| Masa atomowa [u] | 95,94 | 95,95 |
| Grupa w ukł. okresowym | 6 (metale przejściowe) | 6 (metale przejściowe) |
| Konfiguracja elektronowa | [Kr] 4d⁵ 5s¹ | [Kr] 4d⁵ 5s¹ |
| Gęstość (20 °C) [g/cm³] | 10,2 | 10,28 |
| Temperatura topnienia [°C] | 2600 °C | 2623 °C |
| Temperatura wrzenia [°C] | 4600 °C | 4639 °C |
| Twardość (Mohsa) | ~5,5 | 5,5 |
| Kolor i wygląd | srebrzystobiały, metaliczny, twardy | srebrzystobiały, metaliczny, twardy |
| Moduł Younga (E) [GPa] | brak danych | ~329 |
| Moduł ścinania (G) [GPa] | brak danych | ~126 |
| Moduł objętościowy (K) [GPa] | brak danych | ~230 |
| Przewodność elektryczna [MS/m] | brak danych | ~18,7 (32% IACS) |
| Przewodność cieplna [W·m⁻¹·K⁻¹] | brak danych | ~138 |
| Ciepło właściwe cp [J·kg⁻¹·K⁻¹] | brak danych | 251 |
| Entalpia topnienia [kJ/mol] | brak danych | ~37,5 |
| Entalpia parowania [kJ/mol] | brak danych | ~598 |
| Elektroujemność (Pauling) | ~1,8 | 2,16 |
| Izotopy stabilne | brak danych | ⁹²Mo, ⁹⁴Mo, ⁹⁵Mo, ⁹⁶Mo, ⁹⁷Mo, ⁹⁸Mo, ¹⁰⁰Mo |
Charakterystyka chemiczna
- Molibden jest metalem ogniotrwałym, odpornym na topnienie i pełzanie w wysokiej temperaturze.
- Powierzchnia szybko pokrywa się cienką warstewką MoO₃, która częściowo chroni przed korozją.
- Rozpuszcza się w stali, zwiększając jej odporność na korozję wżerową i szczelinową (szczególnie w środowiskach z jonami Cl⁻).
- W stalach narzędziowych podnosi twardość i odporność na odpuszczanie.
- Tworzy stabilne węgliki (Mo₂C), które zwiększają odporność na ścieranie.
- W katalizie (np. petrochemia) używany w postaci siarczków (MoS₂).
- Oddziaływanie na stal
Podobnie jak chrom, jest dodatkiem ferrytotwórczym i wykazuje silne powinowactwo do węgla – większe niż chrom i wolfram. Pomimo wysokiej ceny, jego unikalne właściwości sprawiają, że jest szeroko stosowany w różnych gatunkach stali, w tym:
- Stalach konstrukcyjnych (0,2–0,3% Mo)
- Stalach narzędziowych do pracy na zimno i gorąco (0,2–0,5% Mo)
- W stalach szybkotnących (ok. 5% Mo)
- Stalach nierdzewnych kwasoodpornych (2–4% Mo)
Kluczowe efekty dodatku molibdenu
- Odporność na korozję – szczególnie w środowiskach zawierających chlorki i kwasy, co czyni go niezbędnym w stalach nierdzewnych.
- Poprawa wytrzymałości na pełzanie – zwiększa odporność stali na długotrwałe obciążenia w wysokich temperaturach.
- Zmniejszenie kruchości odpuszczania – zapobiega powstawaniu kruchości odpuszczania w stalach hartowanych i odpuszczanych.
- Zwiększenie hartowności – przewyższa w tym aspekcie chrom i wolfram, co sprawia, że stale molibdenowe łatwiej uzyskują jednolitą strukturę zahartowaną.
- Zmniejszenie ilości austenitu szczątkowego – kluczowe dla stali do nawęglania i hartowania powierzchniowego.
- Zmniejszenie skłonności do przegrzania – stale molibdenowe są mniej podatne na nadmierny rozrost ziarn austenitu.
- Odporność na spadek twardości przy odpuszczaniu – opóźnia procesy wydzielania i koagulacji węglików.
Molibden – zastosowanie stali molibdenowych
Jest szeroko stosowany w stalach konstrukcyjnych, narzędziowych i specjalnych. Znajduje zastosowanie w:
- Stalach żarowytrzymałych – np. stopach zawierających dodatkowo chrom i wanad, używanych w przemyśle energetycznym i lotniczym.
- Stalach narzędziowych do pracy na gorąco i stalach szybkotnących – poprawia trwałość i odporność na wysokie temperatury.
- Stalach nierdzewnych i kwasoodpornych – poprawia odporność na działanie kwasów, zwłaszcza siarkowego i octowego.
- Stalach do elementów pracujących w wysokich temperaturach – dzięki zdolności do zwiększania odporności na pełzanie.
Ograniczenia i wyzwania związane z molibdenem
Pomimo licznych zalet ma również pewne ograniczenia:
- Wysoka cena – ogranicza jego zastosowanie w niektórych stalach niskobudżetowych.
- Obniżona odporność na utlenianie – w wysokich temperaturach tworzy lotne tlenki MoO₃, co może ograniczać jego użycie w stalach żaroodpornych.
- Ograniczona rozpuszczalność w ferrycie przy niskich temperaturach – co wpływa na mikrostrukturę niektórych gatunków stali.
Przyszłość stali molibdenowych
W miarę rozwoju technologii rośnie zapotrzebowanie na molibden w nowoczesnych gatunkach stali. Przykładem są wysokostopowe stale martenzytyczne utwardzane dyspersyjnie poprzez wydzielanie związków międzymetalicznych zawierających ten pierwiastek. W przyszłości można spodziewać się dalszego wzrostu jego znaczenia w inżynierii materiałowej, zwłaszcza w aplikacjach wymagających wysokiej odporności na pełzanie, korozję i zmęczenie materiału.