1. Popis slitiny / materiálu
Čistý molybden s minimální čistotou 99,95 % je klíčový kov ze skupiny refraktorních (odolných) kovů. Vyznačuje se extrémně vysokým bodem tání, nízkou tepelnou roztažností a vynikající mechanickou pevností při velmi vysokých teplotách. Na rozdíl od slitiny TZM (která obsahuje titan a zirkon) nemá čistý molybden karbidické zpevnění, což znamená, že je o něco měkčí, snadněji zpracovatelný, ale má nižší teplotu rekrystalizace a nižší mez tečení za tepla (creep). Je vysoce odolný vůči korozi v roztavených sklech, tekutých kovech a redukčních atmosférách.
2. Chemické složení
| Prvek | Obsah (hmotnostní %) |
|---|---|
| Molybden (Mo) | ≥ 99,95 % |
| Železo (Fe) | ≤ 0,010 % |
| Křemík (Si) | ≤ 0,005 % |
| Nikl (Ni) | ≤ 0,005 % |
| Hliník (Al) | ≤ 0,005 % |
| Uhlík (C) | ≤ 0,005 % |
| Kyslík (O) | ≤ 0,007 % |
| Dusík (N) | ≤ 0,002 % |
3. Výrobní normy a standardy
Čistý molybden je vyráběn a certifikován nejčastěji podle mezinárodních norem ASTM, v závislosti na formě finálního polotovaru:
- ASTM B386: Specifikace pro molybdenové plechy, pásy, fólie a desky (označení Type 361).
- ASTM B387: Specifikace pro molybdenové tyče, dráty a výkovky (označení Type 361).
- DIN 17744: Evropská materiálová norma pro chemické složení refraktorních kovů.
4. Vyráběné polotovary
- Tyče: Kruhové, čtvercové a ploché (kované, válcované nebo tažené v průměrech od 3 mm do 150+ mm).
- Plechy a fólie: Tloušťky od 0,02 mm (fólie) přes tenké plechy až po masivní desky nad 50 mm.
- Dráty: Tažené a rovnané, lesklé nebo s černým grafitovým povrchem pro topné segmenty (průměry 0,05 mm až 3 mm).
- Trubky: Bezešvé nebo svařované pro speciální chemické a metalurgické aparatury.
- Kelímky a terče: Sintrované a opracované nádoby pro tavení skla a naprašovací terče (sputtering targets) pro polovodičový průmysl.
5. Popis použití
- Vysokoteplotní pece: Topné elementy, stínění proti záření, nosné konstrukce a vsázkové koše provozované ve vakuu nebo ochranné atmosféře do 1900 °C.
- Sklářský průmysl: Tavicí elektrody pro elektrické přitápění sklářských van a míchadla skloviny (molybden nereaguje se sklovinou a nebarví ji).
- Polovodiče a elektronika: Nosné podložky křemíkových čipů (shoda v tepelné roztažnosti s křemíkem), rentgenové anody a komponenty pro iontovou implantaci.
- Osvětlovací technika: Zaváděcí dráty a držáky vláken v klasických i halogenových žárovkách a výbojkách.
6. Fyzikální vlastnosti
| Vlastnost | Hodnota při 20 °C | Hodnota při 1000 °C |
|---|---|---|
| Hustota | 10,22 g/cm3 | ~10,05 g/cm3 |
| Teplota tavení | 2623 °C | |
| Tepelná vodivost | 138 W/(m·K) | ~110 W/(m·K) |
| Koeficient tepelné roztažnosti | 5,1 × 10-6 K-1 | ~5,8 × 10-6 K-1 |
| Měrný elektrický odpor | 0,052 µΩ·m | ~0,32 µΩ·m |
| Modul pružnosti (E) | 325 GPa | ~230 GPa |
7. Mechanické vlastnosti
Mechanické vlastnosti čistého molybdenu silně závisí na stupni tváření (kování/válcování) a tloušťce průřezu. Tenké dráty a plechy dosahují mnohem vyšší pevnosti než masivní kované tyče.
| Stav / polotovar | Pevnost v tahu Rm (MPa) | Mez kluzu Rp0,2 (MPa) | Tažnost A5 (%) |
|---|---|---|---|
| Kovaná tyč (Ø 20-50 mm) při 20 °C | 550 - 700 | 450 - 550 | 10 - 25 |
| Válcovaný plech (tl. 1-3 mm) při 20 °C | 650 - 850 | 550 - 700 | 8 - 18 |
| Kovaná tyč při 1000 °C | 180 - 250 | 120 - 160 | > 30 |
| Kovaná tyč při 1200 °C | 90 - 140 | 60 - 90 | > 40 |
8. Pokyny a parametry pro obrábění
Čistý molybden je vysoce abrazivní a náchylný k vyštipování hran (lámavost při pokojové teplotě). Má tendenci se lepit na břit nástroje. Je o něco měkčí než TZM, což snižuje řezné síly, ale riziko deformace materiálu a rychlého opotřebení nástroje přetrvává. Je nutné používat výhradně velmi ostré nástroje a bohaté chlazení.
Soustružení
- Nástroje: Karbidy (K10/K20) s velmi ostrou geometrií. Pro dokončování lze použít PCD (polykrystalický diamant).
- Geometrie: Úhel čela 15° až 20°, úhel hřbetu 6° až 10°.
- Řezná rychlost (vc): 40-60 m/min pro hrubování, 60-90 m/min pro dokončování.
- Posuv (f): 0,15-0,30 mm/ot (hrubování), 0,05-0,12 mm/ot (dokončování).
Frézování
- Metoda: Důrazně se doporučuje sousledné frézování (climb milling), aby se zabránilo delaminaci a vyštipování hran na výstupu nástroje z materiálu.
- Řezná rychlost (vc): 35-55 m/min.
- Posuv na zub (fz): 0,05-0,15 mm.
- Chlazení: Hojný proud emulze nebo syntetického oleje.
Vrtání
- Problém: Molybden má tendenci praskat při průchodu vrtáku skrz spodní stranu materiálu. Výstupní stranu je ideální podložit ocelovou nebo měděnou deskou.
- Nástroje: Monolitní karbidové vrtáky s povlakem (TiAlN).
- Řezná rychlost (vc): 20-35 m/min.
- Posuv (f): Nízký, cca 0,03-0,08 mm/ot. Vrták často vytahujte k vyčištění třísek (PECK cyklus).
Řezání
- Mechanické: Pásové pily s bimetalovými pásy s jemným zubem za nízkých rychlostí a intenzivního chlazení.
- Pokročilé: Nejlepších výsledků, čistých hran a nulového mechanického pnutí se dosahuje pomocí drátového elektroerozivního řezání (EDM).
Broušení
- Kotouče: Používejte měkké kotouče z karbidu křemíku (SiC) nebo oxidu hlinitého (Al2O3), které se snadno obnovují.
- Chlazení: Chlazení vodou ředitelnou emulzí je kritické, aby nedošlo k lokálnímu přehřátí a vzniku povrchových mikrotrhlin.
9. Svařování a spojování
Kritické riziko křehkosti: Čistý molybden po roztavení a opětovném ztuhnutí (ve svarové zóně) drasticky ztrácí tažnost kvůli hrubnutí zrn a segregaci nečistot (kyslík, dusík) na hranicích zrn. Svarový spoj je za pokojové teploty extrémně křehký.
- Metody: Svařování elektronovým paprskem (EBW) ve vysokém vakuu je nejvhodnější (úzká ovlivněná zóna). Alternativně laserové svařování nebo TIG v inertním plynu nejvyšší čistoty (Argon 5.0 / Helium).
- Předehřev: Materiál je nutné před svařováním plošně předehřát na 300 °C až 400 °C (nad teplotu přechodu z křehkého do houževnatého stavu - DBTT).
- Alternativa: V mechanických konstrukcích se doporučuje preferovat nýtování nebo šroubové spoje s využitím molybdenových spojovacích prvků.
10. Tepelné zpracování (žíhání)
- Žíhání na odstranění pnutí (Stress relieving): Provádí se po intenzivním obrábění nebo tváření při teplotách 850 °C až 950 °C po dobu 1-2 hodin. Tato teplota nesmí překročit teplotu rekrystalizace.
- Rekrystalizační žíhání: Probíhá při teplotách 1150 °C až 1300 °C. Způsobuje úplnou ztrátu deformačního zpevnění a vede ke zbrusu nové struktuře zrn, která je však velmi křehká za pokojové teploty. Používá se výjimečně.
- Ochranná atmosféra: Vzhledem k tomu, že ocelový lesk molybdenu začíná prudce oxidovat na vzduchu již od 400 °C (vzniká těkavý žlutý dým MoO3), musí jakékoli žíhání probíhat ve vysokém vakuu (min. 10-4 mbar) nebo v čistém suchém vodíku.
11. Doporučené povlakování nástrojů
Pro snížení adheze (nalepování molybdenu na ostří) a zvýšení odolnosti proti silnému abrazivnímu opotřebení se doporučují následující PVD/CVD povlaky:
- AlTiN / TiAlN (PVD): Univerzální stabilní povlak s vysokou tvrdostí za tepla, ideální pro monolitní karbidové frézy a vrtáky.
- TiN / TiCN: Vhodný pro soustružnické destičky (snižuje koeficient tření a sklon k nárůstku na břitu).
- DLC / diamantové povlaky: Vhodné pro jemné dokončovací operace, kde je vyžadována extrémní ostrost hrany a minimální tření.
Bezpečnostní poznámka k oxidaci: Při provozu čistého molybdenu nad 600 °C v přítomnosti kyslíku dochází k tzv. katastrofické oxidaci - kov doslova sublimuje ve formě bílého/žlutého kouře a dochází k rychlému ztenčení materiálu. Nad 600 °C je provoz možný výhradně ve vakuu, vodíku, argonu nebo inertním plynu.
Pro aplikace vyžadující vyšší teplotu rekrystalizace a lepší pevnost za tepla nabízíme rovněž karbidicky zpevněnou slitinu TZM.