Molybdän (Mo)

Molybdän (chemisches Symbol Mo, Ordnungszahl 42) ist ein Refraktärmetall mit einem Schmelzpunkt von 2.620 °C, einer Dichte von 10,2 g/cm³ und einer Wärmeleitfähigkeit von 140 W/mK bei 20 °C. Es kommt überall dort zum Einsatz, wo hohe Warmfestigkeit, niedriger Dampfdruck und Beständigkeit gegen Glas- und Metallschmelzen, Wasserstoff und Edelgase gefordert sind, ohne dass die Dichte und der Bearbeitungsaufwand von Wolfram benötigt werden. Negele Hartmetall-Technik fertigt Molybdän-Bauteile pulvermetallurgisch mit einer Reinheit von mindestens 99,8 %, vom kundenspezifischen Einzelteil bis zur Serie.

Eigenschaften von Molybdän

Molybdän zählt wie Wolfram zu den Refraktärmetallen und kristallisiert in einer kubisch raumzentrierten (bcc) Gitterstruktur. Aus dieser Struktur ergeben sich zwei für die Konstruktion entscheidende Charakteristika: ein sehr hoher Elastizitätsmodul von 350 GPa sowie ein ausgeprägter spröd-duktil-Übergang, dessen Lage von Korngröße, Reinheit und Vorverformung abhängt. Die elektronische Konfiguration [Kr] 4d⁵ 5s¹ erklärt die starke metallische Bindung, die für Schmelzpunkt und Warmfestigkeit verantwortlich ist (siehe RSC Periodensystem, Element 42).

Gegenüber Wolfram bietet Molybdän die Hälfte der Dichte (10,2 vs. 19,3 g/cm³) bei einem Schmelzpunkt, der für die meisten Hochtemperaturanwendungen unter 1.800 °C völlig ausreichend ist. Die niedrige Wärmeausdehnung von 5,1 × 10⁻⁶/K bei 100 °C macht Mo zum bevorzugten Werkstoff für Bauteile, die mit Silizium, Keramik oder Glas gefügt werden, ohne unzulässige Spannungen aufzubauen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von 140 W/mK sorgt gleichzeitig dafür, dass Wärme zuverlässig abgeleitet wird, was beispielsweise bei Wärmesenken für IGBT-Module oder Hochleistungs-LED-Trägern den Ausschlag gibt.

Quelle: Hauseigene Produktdaten (Molybdän, Stand 01.05.2017), verifiziert gegen WebElements und PubChem CID 23932.

Bearbeitung und Verarbeitung von Molybdän

Praktisch das gesamte technische Molybdän entsteht pulvermetallurgisch. Negele setzt seit 1980 auf dieses Verfahren und gehört in Baden-Württemberg zu den wenigen Spezialisten, die alle Schritte vom Rohling bis zum endkonturnahen Bauteil im Hause oder im engen Verbund mit qualifizierten Partnern abwickeln. Den fachlichen Rahmen für die Pulvermetallurgie in Europa bildet die European Powder Metallurgy Association (EPMA), in deren Normen und Best-Practice-Richtlinien sich auch die Negele-Prozesse wiederfinden.

Im Vergleich zu Wolfram ist Molybdän schon bei niedriger Temperatur gut verformbar und deutlich leichter zu zerspanen. Die Hartmetall-Werkzeuge werden mit Schnittgeschwindigkeiten von etwa 20 bis 60 m/min betrieben, immer mit reichlich Kühlschmierstoff, da Mo bei plötzlichen Temperaturgradienten zur Rissbildung neigt. Bei größeren Umformgraden, Stanzen oder Tiefziehen empfiehlt sich eine Anwärmung auf 200 bis 400 °C: oberhalb der spröd-duktil-Übergangstemperatur ist Mo zuverlässig rissfrei umformbar, je dicker das Halbzeug, desto höher die nötige Anwärmtemperatur. Aktuelle Forschung am pulvermetallurgischen Molybdän zeigt sogar superplastisches Verhalten bei Raumtemperatur unter bestimmten Gefügebedingungen (siehe PMC: Superplasticity in bulk recrystallized molybdenum).

Schweißen ist mit WIG, Elektronenstrahl oder Laser möglich, jeweils mit hochreiner Schutzgasatmosphäre und Vorwärmung. Spannungsarmglühen erfolgt bei 800 bis 1.100 °C unter Vakuum oder Wasserstoff. Wer die Mikrostruktur über lange Standzeiten stabil halten muss, sollte direkt auf TZM oder MoLa wechseln: die dort eingebrachten Carbide bzw. Oxiddispersoide pinnen die Korngrenzen und verschieben die Rekristallisationstemperatur deutlich nach oben.

Anwendungsgebiete von Molybdän

Glas- und Schmelzindustrie

In der Glasindustrie wird Molybdän für Elektroden, Rührer (Stirrer) in Schmelzwannen, Thermoschutzrohre und Faserdüsen für E-Glas eingesetzt. Mo zeigt in den meisten Silikatschmelzen ein nicht-benetzendes Verhalten und löst sich nur in geringem Maße auf. Negele liefert Mo-Komponenten für Glashütten in Süddeutschland und der Schweiz mit Reinheitszertifikat, das den Kontaminationseintrag in den Glasschmelze nachweisbar macht.

Halbleiter- und Leistungselektronik

Für die Elektroindustrie ist die Kombination aus 140 W/mK Wärmeleitfähigkeit und einem an Silizium angepassten Ausdehnungskoeffizienten von 5,1 × 10⁻⁶/K der entscheidende Vorteil. Mo-Wärmesenken, IGBT-Bodenplatten, Sputtertargets für die Dünnschichttechnik und MOCVD-Suszeptoren stammen typischerweise aus reinem Mo oder dem Verbundwerkstoff Molybdän-Kupfer (MoCu), dessen CTE über das Cu-Verhältnis fein justiert werden kann. Hier zählen Maßhaltigkeit ±0,005 mm und reproduzierbare Oberflächengüte.

Hochtemperaturöfen und Vakuumtechnik

Heizleiter, Strahlungsschilde, Sinterunterlagen und Verdampfertiegel im Vakuumofenbau gehören zu den klassischen Mo-Einsatzfeldern, die auch im Maschinen- und Anlagenbau Negele's Lieferprogramm prägen. Der niedrige Dampfdruck von Mo verhindert die Kontamination empfindlicher Chargen oder Vakuumkomponenten auch bei Temperaturen oberhalb 1.500 °C. Für Bauteile, die dauerhaft mechanisch belastet sind, empfiehlt sich der Wechsel auf TZM oder die kriechfesteste Mo-Legierung MHC.

Beleuchtungstechnik und Stromzuführungen

In Halogen- und Hochdruckentladungslampen werden Mo-Drähte für Halterungen, Stromzuführungen und Einschmelzungen eingesetzt. Die thermische Ausdehnung von Mo liegt nahe an Hartgläsern (Borosilikatglas), was hermetische Glas-Metall-Verbindungen mit hoher Lebensdauer ermöglicht. Für sehr feine Drähte (< 0,51 mm Durchmesser) gilt die spezielle Spezifikation ASTM F289 für Mo-Drähte und Stäbe in elektronischen Anwendungen. Negele liefert in dieses Segment Abblendkappen, Halterungen und Trägerelemente nach Zeichnung.

Strahlenschutz, Medizin- und Pharmaindustrie

Im Bereich Strahlenschutz und in der Pharmazie / Forschung / Medizin wird Mo unter anderem für Drehanoden in Röntgenröhren, für Strahlenkollimatoren in der bildgebenden Diagnostik und für Bauteile von Beschleunigeranlagen eingesetzt. Wo der Strahlungsabsorptionsquerschnitt höher sein muss, ergänzt Negele Mo-Konstruktionen durch Wolfram- oder Wolfram-Schwermetall (WSM)-Komponenten aus demselben Lieferprogramm.

Molybdänlegierungen im Überblick

Reines Molybdän deckt einen großen Teil der Hochtemperatur-Anwendungen ab, stößt aber an Grenzen, sobald Kriechfestigkeit, Korngrößenstabilität oder gezielte Thermomanagement-Eigenschaften gefragt sind. Aus genau diesem Grund hat Negele sein Mo-Programm um vier dotierte Legierungen erweitert.

Quelle: Hauseigene Produktdaten Mo / TZM / MHC, verifiziert gegen ASTM B386 (Mo 360 / 361 / 363 / 364 / 365 / 366) und Empfehlungen der International Molybdenum Association (IMOA).

Lieferformen und Fertigung

Negele ist Lohnfertiger, kein Lagerhändler. Das bedeutet: Sie erhalten Mo-Bauteile in genau der Geometrie, der Toleranzklasse und der Stückzahl, die Ihre Konstruktion verlangt, nicht aus dem Standardkatalog. Typische Lieferformen sind Zeichnungsteile, endkonturnahe Preforms, Rohlinge (Blanks), Ronden, Stifte sowie Halbzeuge nach Kundenspezifikation. Vom Einzelteil für Forschung und Prototypen bis zur wiederkehrenden Serie für die Automotive- und Elektroindustrie wird ohne Mindestbestellmenge gefertigt.

Die typische Lieferzeit liegt bei 6 bis 8 Wochen, bei einfachen Geometrien auch kürzer. Wer den Fertigungsablauf parallelisieren möchte (beispielsweise Halbzeugbeschaffung, Sintern und Endbearbeitung), nutzt am besten die technische Beratung bereits in der Konstruktionsphase, das spart auf der Stundenliste mehr als jede Optimierung am fertigen Bauteil.

Normen und Standards

Für die Beschaffung von Mo-Halbzeugen und -Bauteilen sind im internationalen Umfeld primär die ASTM-Normen relevant: ASTM B386/B386M regelt Bleche, Bänder, Folien und Ribbons aus unlegiertem Mo und Mo-Legierungen (einschließlich der Sorten Mo 360 für lichtbogenerschmolzenes und Mo 361 für pulvermetallurgisches Reinmolybdän). ASTM B387/B387M deckt Stäbe, Rundmaterial und Draht ab 0,51 mm Durchmesser ab. Beides verantwortet die ASTM-Unterkommission B10.04 für Molybdän und Wolfram.

Im deutschsprachigen Raum bleibt DIN 17850 die wichtigste Normreferenz für Reinmolybdän in Form von Stangen, Drähten, Blechen und Bändern. Jedes von Negele gelieferte Bauteil kann mit einem Abnahmezeugnis nach EN 10204 ausgestattet werden, in den meisten Fällen als 3.1 (Werksbescheinigung mit Prüfwerten zu Chemie und Mechanik), auf Anforderung auch als 3.2 (zusätzliche Kontrolle durch unabhängige Prüfstelle). Negele ist nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert, das vollständige Zertifikat steht im Bereich Downloads bereit.

Häufig gestellte Fragen zu Molybdän

Weiterführende Informationen