钼金属/合金用于高温加工 (2)

文摘   科学   2024-05-24 11:22   北京  

链接:钼金属/合金用于高温加工 (1)


加工液态金属

铝压铸机使用钼合金TZM模具镶件(如型芯和销钉)来解决高热流量和大温度梯度区域的热开裂和裂纹问题。在此应用中,耐热冲击和抗疲劳性能也至关重要。钼能够耐熔融金属铝的腐蚀是另一个有利因素。钼模具比钢模具成本高,所以在模具的关键区域使用镶块来提供抗热开裂能力并改善铸件的微观结构。钼的高导热率使其能够快速从铸件中汲取热量,减少了铝二次枝晶臂间距,并改善了这些区域的铸件性能。钼为液态金属加工提供经济高效解决方案的另一个例子是钼钨合金。钨曾经是已知的唯一一种能够抵抗熔融锌腐蚀的金属,但其成本高昂且易碎。将钼与钨合金化,生产出具有同等耐熔融锌腐蚀能力的材料,而成本可大大降低。从这项工作中发展出来的Mo-25%和Mo-30%钨合金用于处理熔融锌的叶轮、泵部件和管道。


熔融玻璃

纯钼与许多熔融玻璃成分相容性好, 因此可用于玻璃处理设备、模具和熔炉部件。玻璃熔化电极(GME)是最常见的应用。玻璃在熔融时是导电的,因此在熔融玻璃中传导电流的钼电极可以增加传统燃烧炉的能量输入,提高产量和生产率。电极的设计方式有很多种,但都将钼电极浸入熔融玻璃中,保护电极免受氧化。图1是一个电极穿透熔炉侧面的设计。电极由护套固定,熔融玻璃可渗入电极、护套和耐火砖之间的区域。渗入的玻璃冷却形成一道密封,防止熔池泄漏和产品损失。暴露在大气中的电极部分必须进行保护防止氧化。多年来,人们采取了许多方法来提供抗氧化保护,包括内部或外部冷却、保护性气氛或基于各种涂层材料的保护性涂层。由于腐蚀会在熔炉运行期间消耗电极,因此将部分新的电极螺纹连接到暴露在外的一端,玻璃密封被熔化,将新延伸的电极推入熔池中。除了所示的侧入式电极外,还使用上入式和下入式设计。图2是采用底部插入式电极的熔炉示例。

图1 侧壁插入式玻璃熔化电极示意图 ©H. C. Starck


图2 使用底部插入式电极 (蓝柱) 的电熔炉设计剖面图 ©Toledo Engineering Co.

一些玻璃熔炼应用采用钼锆氧化物弥散强化合金,因为它们在某些使用氧化锑等腐蚀性精炼剂的玻璃成分中具有更好的耐腐蚀性,氧化锑会导致纯钼发生严重的晶界腐蚀。太阳能电池基板用玻璃就是此类应用的一个例子。氧化锆弥散材料也比纯钼具有更好的抗蠕变性能。

钼并非是玻璃应用的唯一候选材料。表1总结了几种候选材料的优缺点。钼优异的抗蠕变性能、与各种玻璃化学成分的相容性、高导电率、低腐蚀率和抗热冲击性能,所带来的优势明显胜于它相对于其他材料较高的初始成本,其它材料只能退而用于一些小众的用途。

表1玻璃熔化材料


除了玻璃熔化电极外,其他重要的玻璃熔炉部件也出于同样的原因而使用钼。由钼片和钼板制成的炉罩可在高流量和腐蚀区域保护耐火砖,延长炉子的寿命,最大程度地减少成本高昂的重建。用铂包覆钼制成的搅拌器使熔体化学成分和受热均匀化并提供工艺所需要的熔融玻璃进料流量。

采用涂层技术提高钼的抗氧化性能对于玻璃熔制具有重要意义。当熔炉在稳定状态下运行时,问题不大,因为熔融玻璃可保护浸入的钼电极不被氧化。运行期间主要关注的是如上所述的从玻璃到空气的过渡区域。积极进行电极冷却或采用传统的MoSi2涂层可以应对这些条件。然而,当启动新的或重建的熔炉时,必须利用外部加热将玻璃从一堆非导电的固体碎玻璃转变为熔融的导电熔池。如果预先将玻璃熔融钼电极和其他钼部件放置在熔炉中,则它们在转变过渡期间暴露在大气中时必须不能发生氧化。近年来出现了性能优异的涂层,这是钼在炉罩等应用中使用量增加的原因之一,炉罩必须在玻璃熔化之前安装到位。图3显示了钼使用高级Mo-Si-B涂层的效果。未施加涂层的钼由于MoO3的蒸发,在低温下会发生灾难性的重量损失。而施加了涂层的钼形成了保护性的SiO2层,在温度达到1200℃以上之前,重量没有发生变化。

图3 使用高级抗氧化涂层获得抗氧化性能©Plansee SE

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