Aplicaciones del metal molibdeno: hornos, objetivos y catalizadores

Base de propiedad para el papel industrial del molibdeno

El molibdeno es un metal de transición con número atómico 42, una apariencia blanca-plateada y una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo-. En la naturaleza se presenta principalmente como molibdenita, un mineral de disulfuro de molibdeno, y se recupera como producto primario y como subproducto-de la minería del cobre. Su valor industrial se basa en un pequeño conjunto de propiedades que pocos otros metales combinan: un punto de fusión de aproximadamente 2623 C, una densidad de 10,28 g/cm3, una conductividad térmica muy superior a la de las aleaciones de hierro y níquel, un bajo coeficiente de expansión térmica y un alto módulo elástico de aproximadamente 329 GPa.

La misma estructura cúbica centrada en el cuerpo-que le da al molibdeno su alto punto de fusión también lo hace quebradizo a bajas temperaturas, particularmente después de soldar o cuando el contenido intersticial de oxígeno y nitrógeno es alto. Comprender esa dicotomía - excelente a alta temperatura, frágil a temperatura ambiente cuando está contaminado - explica la mayoría de las reglas prácticas para diseñar con molibdeno.

Hornos de alta-temperatura y aplicaciones refractarias

Los hornos de vacío y de atmósfera de hidrógeno-son la aplicación más importante del molibdeno fabricado. El metal se utiliza para elementos calefactores, escudos contra la radiación, placas de hogar, recipientes de sinterización y accesorios, porque combina un punto de fusión muy alto con una baja presión de vapor y la capacidad de transportar corriente sin combarse con la temperatura.

Elementos calefactores:Las varillas, alambres y formas prensadas de molibdeno funcionan en vacío o en atmósferas protectoras muy por encima del rango de resistencia de las aleaciones de níquel-cromo.

Blindaje radiológico:Se apila una fina lámina de molibdeno para reducir la pérdida de calor en los hornos de vacío, donde la reflectividad y la estabilidad son más importantes que la carga mecánica.

Procesamiento de zafiro y cerámica:Los crisoles, matrices y soportes para el crecimiento de cristales se benefician de la rigidez del molibdeno y su baja reactividad a temperatura.

La limitación decisiva es la oxidación. El molibdeno comienza a oxidarse rápidamente en el aire por encima de aproximadamente 400 C, formando trióxido de molibdeno volátil que no proporciona ninguna barrera protectora y se evapora. Por lo tanto, cada pieza de molibdeno a alta temperatura requiere vacío, hidrógeno o una atmósfera inerte; donde la exposición al aire es inevitable, se aplica una capa protectora de siliciuro.

Usos metalúrgicos y de fusión de vidrio

Los electrodos de molibdeno son estándar en los hornos eléctricos de fusión de vidrio. El metal resiste el ataque del vidrio fundido, tiene una alta densidad de corriente y no colorea el vidrio como lo hacen algunos materiales de electrodos alternativos. Los electrodos se suministran como barras pesadas o como cilindros huecos y se enfrían y alimentan progresivamente a medida que se consumen.

Metalúrgicamente, el molibdeno es uno de los elementos de aleación más eficaces disponibles. Agregado al acero aumenta la templabilidad y la resistencia a altas-temperaturas, por lo que aparece en aceros para herramientas, aceros de alta-rápidez, aceros-resistentes al calor y tuberías para servicios ácidos. También fortalece las superaleaciones a base de níquel-al formar carburos estables que resisten la fluencia y es un componente de las aleaciones resistentes a la corrosión-utilizadas en plantas químicas. En estas funciones, el molibdeno se consume como ferromolibdeno o como aleación maestra en lugar de como un producto metálico puro.

Electrónica, objetivos de pulverización catódica y revestimientos

La combinación del molibdeno de conductividad térmica y baja expansión lo convierte en una opción natural para la electrónica. Se utiliza en objetivos de pulverización catódica para pantallas planas y metalización de semiconductores, donde las películas delgadas de molibdeno sirven como barreras de difusión y como puertas o capas de interconexión. Los objetivos se producen mediante sinterización o fusión al vacío y se unen a placas de respaldo para gestionar el calor del proceso de pulverización catódica.

Otros usos electrónicos y científicos incluyen botes de evaporación, filamentos y soportes en fuentes de electrones y rayos X-y componentes en tubos y equipos de vacío, todos los cuales dependen del alto punto de fusión y el comportamiento de presión de vapor- del molibdeno. El disulfuro de molibdeno, la forma mineral en capas, es importante por separado como lubricante sólido y como aditivo de película seca-para rodamientos y componentes roscados que operan donde los lubricantes líquidos no pueden sobrevivir.

TZM y otros grados reforzados

El molibdeno comercialmente puro está disponible en clases de pureza definidas y en varias formas de producto. Se utiliza un material típico con una pureza del 99,95% donde dominan las propiedades eléctricas y térmicas, mientras que se utilizan grados de pureza ligeramente más bajos para muebles de hornos en general donde el costo importa más que la conductividad. La aleación amplía aún más el rango de temperatura: la aleación de titanio-circonio-molibdeno, normalmente denominada TZM, contiene aproximadamente un 0,5 % de Ti, un 0,1 % de Zr y una adición controlada de carbono, y conserva su resistencia utilizable a temperaturas más altas que el molibdeno sin alear. Se elige para herramientas de trabajo-en caliente, componentes de fundición-y piezas estructurales de alta-temperatura.

Errores comunes al especificar molibdeno

Especificar molibdeno para una aplicación con oxígeno residual a alta temperatura y luego observar una pérdida catastrófica de material a través de la evaporación del óxido en lugar de una desaceleración gradual.

Manipulación de tiras y láminas cercanas o inferiores a la temperatura ambiente como si fueran acero dúctil. El molibdeno debe calentarse antes de doblarse y el procesamiento debe realizarse por encima de su temperatura de transición.

Reutilización de una ruta de procesamiento desarrollada para acero inoxidable. El molibdeno necesita herramientas afiladas, bajas velocidades de corte, soporte generoso y superficies limpias, y es sensible a las grietas de los bordes al cortarlo.

Ignorar el desajuste de expansión térmica en los ensamblajes. El molibdeno unido a acero inoxidable o cerámica genera una tensión importante en el enfriamiento, que debe tenerse en cuenta en el diseño de la junta.

Asumir que "refractario" significa "a prueba de corrosión-". El molibdeno resiste bien los metales fundidos y el vidrio, pero es atacado por medios oxidantes y por varios ácidos comunes.

Preguntas frecuentes

P: ¿Se puede utilizar molibdeno en aire a alta temperatura?
Sólo con protección. Por encima de aproximadamente 400 C en el aire, el molibdeno se oxida formando trióxido de molibdeno volátil que no ofrece barrera a futuros ataques. Las soluciones normales son el vacío, el hidrógeno y las atmósferas inertes, y los recubrimientos de siliciuro prolongan el servicio del aire a temperaturas moderadas.

P: ¿Por qué se agrega molibdeno al acero?
Aumenta la templabilidad, aumenta la resistencia a altas-temperaturas y la resistencia a la fluencia, y mejora la resistencia a algunas formas de corrosión. Estos efectos aparecen con pequeñas adiciones, razón por la cual el molibdeno se utiliza como elemento de aleación en aceros para herramientas, aceros resistentes al calor-y aceros para tuberías, así como en superaleaciones.

P: ¿Para qué se utiliza el TZM?
TZM es una aleación de molibdeno con titanio, circonio y carbono que mantiene una resistencia útil a temperaturas más altas que el molibdeno sin alear. Los usos típicos son matrices para trabajo en caliente-, herramientas de fundición a presión-y componentes estructurales en hornos de alta-temperatura y equipos aeroespaciales.

P: ¿Es el molibdeno frágil?
Es dúctil por encima de su temperatura de transición pero frágil por debajo de ella, y la transición aumenta con la contaminación por oxígeno y nitrógeno. Por lo tanto, la fabricación se realiza en caliente y las uniones soldadas se utilizan con precaución porque la zona de soldadura es más sensible a las grietas.

P: ¿Qué grados de pureza de molibdeno están disponibles?
Los productos fabricados se suministran comúnmente con una pureza mínima nominal del 99,95% y del 99,90%, y la pureza más alta se selecciona para usos electrónicos, semiconductores y de vacío donde la conductividad y la desgasificación son importantes.

P: ¿Tiene el molibdeno usos médicos o agrícolas?
Sí. El molibdeno es un oligoelemento esencial en la nutrición de las plantas y aparece en formulaciones de fertilizantes, y sus compuestos se utilizan en catalizadores, pigmentos y como componente de algunas aplicaciones radiofarmacéuticas y de imágenes médicas.