Métal molybdène
Le molybdène est un métal blanc argenté, ductile et très résistant à la corrosion. Il possède l'un des points de fusion les plus élevés de tous les éléments purs. Seuls le tantale et le tungstène ont des points de fusion plus élevés. Le molybdène est également un micronutriment essentiel à la vie.
Avantages du métal molybdène
Point de rencontre élevé :
Le molybdène métallique possède l’un des points de fusion les plus élevés de tous les métaux, ce qui le rend adapté aux applications à haute température.
Haute résistance et dureté :
Le métal molybdène possède une excellente résistance à la traction et une excellente dureté, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans des composants qui nécessitent résistance et durabilité.
Faible coefficient de dilatation thermique :
Le molybdène métallique a un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de la plupart des métaux, ce qui contribue à maintenir sa forme et son intégrité à des températures élevées.
Bonne conductivité électrique et thermique :
Le molybdène métallique est un excellent conducteur de chaleur et d’électricité et est souvent utilisé dans les composants électroniques tels que les transistors et les diodes.
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Le molybdène (Mo) est le 42e élément du tableau périodique. C'est un métal argenté qui possède le sixième point de fusion le plus élevé de tous les éléments, ce qui démontre ses utilisations potentielles dans la construction et les métaux.
Le molybdène a été découvert par Carl Welhelm Scheele, un chimiste suédois, en 1778 dans un minéral appelé molybdénite (MoS2) qui avait été confondu avec un composé de plomb. Le molybdène a été isolé par Peter Jacob Hjelm en 1781. Aujourd'hui, la plupart du molybdène est obtenu à partir de la molybdénite, de la wulfénite (PbMoO4) et de la powellite (CaMoO4). Ces minerais se trouvent généralement en conjonction avec des minerais d'étain et de tungstène. Le molybdène est également obtenu comme sous-produit de l'extraction et du traitement du tungstène et du cuivre.
Pendant plus d'un siècle, le molybdène métallique n'a pas été utilisé de manière viable. Cela était dû à sa rareté et à la difficulté d'acquérir et d'extraire l'élément pur. Les premiers alliages d'acier au molybdène se sont révélés très prometteurs en termes de dureté accrue, mais les efforts pour les fabriquer à grande échelle ont été entravés par des résultats incohérents et une tendance à la fragilité et à la recristallisation. En 1913, Frank E. Elmore a développé un procédé de flottation pour récupérer la molybdénite des minerais ; la flottation reste aujourd'hui le principal procédé d'isolement.
Le molybdène a commencé à devenir utile en temps de guerre, où son rapport résistance/poids dépassait de loin tout ce qui se trouvait sur le marché. Pendant la Première Guerre mondiale, la demande en molybdène a augmenté de façon spectaculaire. Le molybdène était utilisé comme blindage pour les chars (feuille de molybdène jusqu'à 3 pouces d'épaisseur) et d'autres véhicules militaires, ainsi que comme substitut du tungstène dans les aciers rapides. Après la guerre, sa demande a chuté et ce n'est qu'à partir de la Seconde Guerre mondiale qu'il a de nouveau joué un rôle important. Mais l'utilisation du molybdène s'est étendue à diverses nouvelles utilisations à mesure que la technologie s'est développée et il joue désormais un rôle essentiel dans la construction et même dans l'agriculture.
Le bisulfure de molybdène (MoS2), l'un des composés du molybdène, est utilisé comme lubrifiant à haute température. Le trioxyde de molybdène (MoO3), un autre composé du molybdène, est utilisé pour faire adhérer les émaux aux métaux. Parmi les autres composés du molybdène, on trouve : l'acide molybdique (H2MoO4), l'hexafluorure de molybdène (MoF6) et le phosphure de molybdène (MoP2).
En tenant compte de son utilisation dans l'acier de construction, l'acier à outils et à grande vitesse et dans la fonte, plus de 50 % du molybdène est utilisé dans la fabrication d'acier allié et de fer de qualité molybdène. Parmi les composants chimiques de l'utilisation du molybdène, il est couramment utilisé comme suppresseur de fumée et, comme mentionné, comme lubrifiant, où il se comporte exceptionnellement bien par rapport aux autres lubrifiants. L'utilisation du molybdène est également importante dans l'agriculture. Le molybdène est un oligo-élément important pour les plantes et les animaux et est un composant essentiel de l'enzyme nitrogénase qui aide à convertir l'azote atmosphérique en ammoniac. Il est particulièrement utile dans la culture du chou-fleur.
Le molybdène est principalement utilisé comme agent d'alliage dans l'acier. Lorsqu'il est ajouté à l'acier dans des concentrations comprises entre 0,25 % et 8 %, le molybdène forme des aciers à très haute résistance qui peuvent supporter des pressions allant jusqu'à 300 500 livres par pouce carré. Le molybdène améliore également la résistance de l'acier à haute température. Lorsqu'il est allié au nickel, le molybdène forme des matériaux résistants à la chaleur et à la corrosion utilisés dans l'industrie chimique.
Application du métal molybdène
Composant de four à vide
La résistance et la stabilité chimique du métal molybdène en font un métal idéal pour travailler dans des conditions de température et de pression élevées. Il est plus facile et moins cher à fabriquer que d'autres métaux réfractaires tels que le tantale et le tungstène. De plus, sa pression de vapeur est bien supérieure à la plage de températures créées dans de nombreux fours à vide, souvent inférieure à 1 500 degrés.
Les pièces de four à vide ou à haute température en molybdène comprennent, sans s'y limiter, les types suivants :
● Creusets : Creuset en Mo filé – Creuset en Mo fritté – Creuset en Mo plaqué – Creuset en Mo forgé – Creuset en Mo soudé
● Supports de charge, nacelles : cadre Mo–nacelle de recuit Mo–plateau Mo–support Mo–plateau de frittage Mo-La
● Blindages : Blindage Mo – Blindage Mo-La – Blindage composite W & Mo
● Fixation : Rondelle métallique en molybdène – Écrous en molybdène
● Fours Silicium : Cylindre de guidage de flux Mo – Contrepoids Mo – Crochet Mo
Zone de métal chaud
Le molybdène métallique est souvent utilisé dans les pièces résistantes à la chaleur et isolantes dans les zones chaudes entièrement métalliques des fours à vide avec des températures allant jusqu'à 1500 degrés. Les traitements thermiques de certains matériaux exigent des environnements extrêmement propres et à haute pression ; la pureté et la stabilité du molybdène résistent efficacement ou éliminent la contamination par le carbone et l'oxygène. Les zones chaudes du molybdène métallique comprennent, sans s'y limiter :
● Chambre de chauffage
● Four de recuit
● Four de soudage par diffusion
● Zone chaude pour KY
Fabrication de semi-conducteurs
Dans la fabrication de semi-conducteurs, l'implantation ionique est réalisée à haute température dans des chambres érosives remplies de gaz réactifs et de champs magnétiques. Dans de telles situations, les composants en alliage de molybdène résistent à la réaction avec les gaz dopants et à l'érosion par plasma. Le molybdène garantit que les atomes dopants sont créés avec précision et implantés sur la plaquette de silicium. Les composants à source d'ions en molybdène entraînent des coûts de nettoyage et de maintenance inférieurs.
De nombreux composants semi-conducteurs et électroniques à base de molybdène, y compris, mais sans s'y limiter :
● Source d'ions de l'équipement d'implantation d'ions : Source d'ions - Plaque frontale - Plaque d'extrémité - Pince à filament - Filament - Module répulsif - Chambre à arc
● Composants de guide d'ondes
● Dissipateur thermique pour LED et boîtier électronique : substrat en plaquette de molybdène pour puce LED – dissipateur thermique MoCu – dissipateur thermique stratifié CMC
Électrode de fusion du verre
Le molybdène est un métal idéal pour la fusion des électrodes. Les électrodes utilisées dans la fusion du verre, par exemple, doivent résister à des environnements de traitement agressifs et à haute température. Le taux d'érosion lent des électrodes en molybdène et leur résistance élevée au fluage dans le verre fondu garantissent des dommages négligeables dus à l'instabilité chimique et dimensionnelle. De plus, la conductivité électrique élevée du molybdène garantit un apport énergétique et une productivité élevés lorsque le courant traverse les électrodes.
Film mince de molybdène
Le film mince de molybdène est un composant supérieur des écrans TFT-LCD, des cellules et panneaux solaires, des écrans tactiles et des technologies associées, en raison de son faible coefficient de dilatation thermique, de sa stabilité chimique et thermique élevée et de son excellente conductivité électrique.
Par exemple, les films minces de molybdène sont utilisés pour fabriquer les électrodes de grille, de drain et de source des transistors à couches minces. Ils produisent un taux de conversion élevé dans l'énergie solaire. La feuille de molybdène présente également une excellente stabilité thermique, une excellente résistance à la chaleur et une excellente capacité d'absorption des radiations, ce qui la rend idéale comme écran anti-rayonnement et comme composant principal d'un collimateur dans un équipement de tomodensitométrie. De plus, elle peut être utilisée pour fabriquer des nacelles pour le dépôt par vaporisation.
Propriétés physiques et mécaniques du métal molybdène
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Propriétés physiques du métal molybdène |
Propriétés mécaniques du molybdène |
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Densité |
0.369 lb/po3 |
Résistance à la traction |
150 (1035) ksi (Mpa)-température ambiante |
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Point de fusion |
4760 degrés F |
75 (515) ksi (Mpa)-500 degré |
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Conductivité thermique |
0.35 cal/cm2/cm degré/sec |
25 (175) ksi (Mpa)-1000 degré |
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Chaleur spécifique |
0.061 cal/g/degré |
Élongation |
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Dilatation thermique |
4,9 micro-pouces/degré x 10-6 |
Dureté |
230 dph |
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Résistivité électrique |
5,17 microohm-cm |
Modules d'élasticité |
45000 ksi |
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Temp. de recristallisation |
1100 degrés |
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Compétences en traitement du métal molybdène
Transformation du métal molybdène
Broyage du minerai extrait par concassage et broyage
Les broyeurs à boulets ou à barres écrasent et broient le minerai extrait en fines particules, libérant la molybdénite de la gangue (roche sans valeur).
Un broyage à billes supplémentaire réduit le matériau jusqu'à la consistance d'une poudre pour le visage.
Flottaison
La poudre de minerai/gangue broyée est mélangée à un liquide et aérée par des bulles d'air lors de l'étape de flottation. Le minerai le moins dense monte dans la mousse pour être collecté, tandis que la gangue plus lourde coule pour être éliminée. La flottation sépare ainsi les minéraux métalliques de la gangue et - dans le cas des minerais de cuivre/molybdène - sépare la molybdénite du sulfure de cuivre.
Le concentré de MoS2 obtenu contient entre 85 et 92 % de MoS2. Un traitement supplémentaire par lixiviation acide dissout les impuretés telles que le cuivre et le plomb, si nécessaire.
Grillage
La torréfaction à l'air libre à des températures comprises entre 500 et 650 degrés convertit le concentré de MoS2 en concentré de molybdénite grillée (MoO3) (également connu sous le nom d'oxyde de mo technique ou d'oxyde technologique) par les réactions chimiques suivantes :
2MoS2 + 7O2 → 2MoO3 + 4SO2
MoS2 + 6MoO3 → 7MoO2 + 2SO2
2MoO2 + O2 → 2MoO3
Les fours de torréfaction sont des fours à sole à plusieurs niveaux, dans lesquels les concentrés de molybdénite se déplacent de haut en bas contre un courant d'air chaud et de gaz soufflés par le bas. L'image montre l'un des niveaux d'un four de torréfaction typique. De grands râteaux rotatifs déplacent le concentré de molybdénite pour favoriser la réaction chimique. Les systèmes de désulfuration tels que les usines d'acide sulfurique ou les épurateurs à chaux éliminent le dioxyde de soufre des gaz effluents du four de torréfaction.
Le concentré de molybdénite grillée résultant contient généralement un minimum de 57 % de molybdène et moins de 0,1 % de soufre.
Récupération du rhénium
Certains des concentrés de molybdénite sous-produits des mines de cuivre contiennent de petites quantités (<0.10%) of rhenium. Molybdenum roasters equipped to recover rhenium are one of the principal commercial sources for this rare metal.
Fusion du ferromolybdène
Entre 30 et 40 % de la production d'oxyde de molybdène technique est transformée en ferromolybdène (FeMo). L'oxyde est mélangé à de l'oxyde de fer et réduit par l'aluminium dans une réaction de thermite, ce qui produit un lingot de ferromolybdène pesant plusieurs centaines de kilogrammes. Le produit contient entre 60 et 75 % de molybdène, le reste étant essentiellement du fer. Après refroidissement à l'air, le lingot est broyé et tamisé pour répondre aux plages de granulométrie de ferromolybdène spécifiées.
Production chimique à partir d'oxyde de Mo technique
Environ 20 % du concentré de molybdénite grillée produit dans le monde est transformé en un certain nombre de produits chimiques. La valorisation est effectuée :
Par sublimation pour produire de l'oxyde molybdique pur (MoO3)
Par des procédés chimiques humides pour produire une large gamme de produits chimiques à base de molybdène pur (principalement des oxydes molybdiques et des molybdates)
Cette dernière consiste à dissoudre le concentré torréfié dans un milieu alcalin (hydroxyde d'ammonium ou de sodium), puis à éliminer les impuretés par précipitation et filtration et/ou extraction par solvant. La solution de molybdate d'ammonium obtenue est ensuite convertie en l'un des nombreux produits de molybdate par cristallisation ou précipitation acide. Ceux-ci peuvent être traités ultérieurement par calcination pour obtenir du trioxyde de molybdène pur.
Production de métal molybdène
Le molybdène métallique est produit par réduction à l'hydrogène de l'oxyde molybdique pur ou du molybdate d'ammonium.
La réduction chimique du trioxyde de molybdène pur ou du dimolybdate d'ammonium en métal nécessite deux étapes car la conversion directe en métal libère de la chaleur qui inhibe le processus.
La première étape de réduction en MoO2 est réalisée à des températures allant de 450-650 degrés. La deuxième étape, où le dioxyde de molybdène est réduit en molybdène métallique, est réalisée à des températures allant de 1 100 degrés. Historiquement, les deux étapes étaient réalisées en poussant des « bateaux » chargés de poudre à travers des fours tubulaires contenant une atmosphère d'hydrogène en mouvement.
Les fours rotatifs, dans lesquels la poudre est alimentée en continu à travers un tube incliné rotatif dans une atmosphère d'hydrogène en flux, sont utilisés dans certaines opérations, principalement en Asie, dans les opérations de réduction de première étape, où ils offrent une efficacité de production accrue.
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