合金钢是主要的高性能钢铁材料，其生产消费了大部分的钼。随着我国经济发展，我国钢铁产量持续不断提高，2009年我国粗钢产量已达到5 6784万吨，约占世界粗钢产量的46.6%。目前，大多数钢材消耗在应用普通钢为主的建筑领域；随着我国制造业的发展，特别是重大装备国产化工作的推进，对合金钢的数量和品种需求将增加。
合金钢的发展代表了一个国家的工业化水平。我国合金钢的产量占总钢产量的比例、品种和质量与工业化国家相比差距较大，生产和应用水平急需发展提高。钼是生产合金钢的主要合金化元素之一，对提高我国合金钢质量起着重要的作用。
钼钢的发展是合金钢发展的一个缩影。除了记载的十四世纪日本刀（已经失传）中含有钼外，从十八世纪后期钼被发现以后，许多年没有得到工业应用。1 894年，法国的Schneider Electric公司首次生产出含钼的装甲钢板，直到第一次世界大战，大多数装甲钢生产厂都以钼钢为主。第一次世界大战中，英国坦克采用75mm厚的含锰钢板，因其抗弹效果不佳，后改用25mm厚的含钼钢板，获得良好的防护性能和机动性能。第一次和第二次世界大战的坦克制造业兴旺，促进了对钼需求量的剧增。第一次世界大战结束后，人们还开发出汽车工业用低钼合金钢。上世纪30年代，锻造和热处理含钼高速钢研究深化了人们对钼在钢中作用的理解，钼作为合金元素在钢中得到较广泛应用。第二次世界大战后，钼在钢铁中的应用进一步拓宽，特别是含钼工具钢的应用。由于钼的密度仅是钨的一半，且价格相对稳定，许多钢中钼有效地取代了钨。典型的例子就是含钼的M系列高速钢(M2、M4和M42)替代了含钨的T系列高速钢。1960年以后，随着热机械处理技术的发展，高强度低合金钢的生产对钼的需求增加，而且一直持续到今天。高钢级输油气管线、高层建筑、大型船舶、压力容器、桥梁、工程机械等都需要高强度和高韧度的钢板。钼作为最有效的促进针状铁素体相变的合金元素，在高强度低合金钢中得到广泛使用，产生了X70－X120管线钢、590－980MPa级低屈强比建筑用钢、耐火建筑用钢、780－1180MPa工程机械用钢等许多含钼高强度低合金钢。
钼是重要的合金元素，在所有类型的合金钢中均有应用。目前，合金钢中的低合金钢、结构钢、不锈钢、工模具钢和耐热钢等的生产和需求仍然影响着钼的消费市场。钼是钢中广泛应用的合金化元素。因为钼的特性，在钢中钼具有独特的、不可替代的作用。
一、钼在钢中的作用特性
钼加入钢中，产生了异类原子之间的相互作用，如与铁、碳及合金元素之间的相互作用，改变了钢中各相的稳定性，并可能产生一些相对稳定的新相，从而改变了原有的组织或形成了新的组织。钼与铁、碳及合金元素之间在原子结构、原子尺寸和晶体点阵之间的差异是产生上述变化的基础。
钼与铁（室温）一样，都具有体心立方晶体结构(a＝3.1468)，是铁素体形成元素。钼在钢中具有一定的固溶度（室温下，在α－Fe中固溶度可达4%，在γ－Fe中固溶度可达3%），可以与钢中的C、N、B等元素形成化合物，与其它合金元素形成金属间化合物。
钼在钢中可以多种形式析出。钢中碳与钼的原子半径比值rc∕rMo＝0.56(＜0.59)，形成六方点阵的MC和M2C型碳化物，起到弥散强化效果。在钨钼钢中，可以形成复合的M6C型碳化物Fe3(W，Mo)3C。氮与钼的原子半径比值rc∕rMo＝0.52(＜0.59)，在钢中可以形成面心立方点阵的Mo2N和六方点阵的MoN。钼与钢中的硼结合形成晶体点阵呈CuAl2型结构的复杂结构间隙化合物Mo2B。钼与铁及其它合金元素之间产生相互作用，可以形成各种金属间化合物，如Mo－Mn、Mo－Fe、Mo－Co等系中的δ相，它们在低碳的高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热钢中出现，导致钢的脆化；在多元合金化的耐热钢中，出现复杂六方点阵AB2的Lavas相MoFe2，可以强化奥氏体耐热钢、12%Cr型马氏体耐热钢、Cr－Mo－Co系马氏体沉淀硬化不锈钢；在多元合金化的耐热钢和耐热合金中，钼可以置换AB3有序相Ni3Al中的铝形成Ni3Mo。因为钼是各种化合物的中等程度形成元素，所以添加在不同合金钢中的钼可以形成所需要的化合物，起到弥散强化作用。
固溶的钼可以影响铁一碳相图，改变钢的临界点位置，包括温度和含碳量。钼使A3点温度升高，A4点温度降低，缩小奥氏体相区。钼对加热过程中的奥氏体形成、过冷奥氏体转变、回火时马氏体分解等钢的组织演变过程均有影响。钼强烈推迟珠光体相变，对贝氏体相变推迟较少，同时提高珠光体最大相变速度的温度，降低贝氏体最大相变速度的温度，明显地出现珠光体转变和贝氏体转变的两条C曲线。从而，使得人们容易在钢中控制获得贝氏体。因此，钼是贝氏体钢中最重要的合金元素。
在淬火马氏体回火过程中，当回火温度高于500℃时，固溶的钼向渗碳体中富集，同时也析出钼的特殊碳化物，伴随有渗碳体的溶解。在含钼4%～6%的钢中，特殊碳化物的析出顺序为：Fe3C→M2C→M6C。在低钼钢中，渗碳体和特殊碳化物并存。钢中特殊碳化物析出使得硬度和强度升高，产生二次硬化。二次硬化是合金钢中广泛应用的强化机制。
二、钼在钢中的应用
由于上述钼在钢中的作用特性，使得钼成为钢中的重要合金元素：提高钢的强度和韧性（特别是耐高温性能），提高钢在酸碱溶液和海洋环境中的耐腐蚀性能，提高钢的硬度和耐磨性，改善钢件的淬透性和淬硬性，净化晶界改善耐延迟断裂性能。钼与铬、镍、锰、硅、钨、钴、铌、钒、钛等元素联合添加，可生产出不同类型的低合金钢、合金结构钢、工模具钢、不锈钢、耐热钢、超高强度钢等。
（一）合金结构钢
合金结构钢是合金钢中生产和应用量大面广的钢类，在各工业领域广泛应用。在合金结构钢中，钼的主要作用是：
1、提高钢的淬透性，使较大截面的钢材可以淬透和增加淬透层的深度；
2、在含有导致回火脆性元素(如Mn、Cr)的钢中，能防止或降低钢的回火脆性倾向；
3、提高钢的回火稳定性，使钢可以在较高的温度回火保持高硬度，从而更有效地消除或降低钢中的残余应力，提高零件使用寿命；
4、在渗碳钢中，钼还可以在渗碳层中降低碳化物在晶界形成连续网状的倾向；
5、在渗氮钢中，钼可以避免渗氮过程中产生回火脆性，如常用氮化钢38CrMoAl在氮化温度长期保温并缓冷却环境中没有回火脆性，并有良好的耐热性（可达500℃）与较好的耐磨蚀性。
在国家标准GB∕T 3077－1999中的77个合金结构钢钢号中，有23个含钼钢。按照合金系列，有CrMo、CrNiMo、CrMoV、CrMoAl、SiMnMoV、MnMoB、CrMnMo、CrMnNiMo，CrNiMoV等9类含钼钢。根据钢类不同，钢中钼含量各不相同，一般情况下合金结构钢中钼含量在0.15%～1.10%范围内。
合金结构钢中，生产和应用量大面广的是铬钼钢。在国家标准中，铬钼钢有12CrMo、15CrMo、20CrMo、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、42CrMo等7个钢种，该类钢的钼含量在0.15%～0.55%之间，具有较高强度、较好热稳定性和良好的抗应力腐蚀性能，一般用于受力复杂或较大截面的零件（如轴类、螺栓、齿轮等）。35CrMo钢和42CrMo钢具有高的强度、韧性和淬透性，淬火变形小，在高温下有高的蠕变强度和持久强度，可在500℃下长期工作，用于制造高负荷下工作的重要结构件；42CrMo钢是生产和应用较多的钢种。
在铬锰钼钢类的合金结构钢中，常用的钢种有20CrMnMo和40CrMnMo钢，该类钢钼含量在0.20%～0.30%范围内。20CrMnMo渗碳钢具有良好的加工性能，无回火脆性，可代替含镍较高的渗碳钢，用于要求表面强度高与耐磨的重要渗碳零件。40CrMnMo钢具有良好淬透性和高回火稳定性，直径小于l00mm的零件在850℃左右淬火能完全淬透。该钢在550～600℃回火后，具有良好的综合力学性能，主要用于制造轴承和齿轮。
铬钼钒类型的合金结构钢有12CrMoV、35CrMoV、12Cr1MoV、25Cr2Mo1VA、25Cr2Mo1VA等5个钢种，该类钢一般钼含量在0.20%～0.35%之间，但25Cr2Mo1VA钢的钼含量高达0.90%～1.10%。在铬钼钢中加入少量的钒可细化晶粒，提高强度，特别是屈服强度。钒可抑制高温下长期使用时钼在碳化物中的扩散，从而提高钢的组织稳定性和热强性。该类钢在正火和回火后使用，综合性能好，主要用于轮汽机、鼓风机等机器上的结构件。
（二）不锈钢
不锈钢的生产约消耗了25%的钼，是钼的重要应用领域。钼在奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢及耐蚀合金中均有应用。近年来，我国不锈钢的产量和消费量逐年持续增长。2009年我国生产不锈钢粗钢880万吨，表观消费不锈钢粗钢822万吨，占世界不锈钢产量的1∕3左右。钼在不锈钢中的主要作用有：
1、改善钢的耐腐蚀性能，尤其是耐点蚀性能(耐点蚀指数PREN＝%Cr＋3.3×%Mo＋16×%N)；
2、提高马氏体不锈钢的强度及二次硬化效应；
3、改善钢的低温力学性能。
钼和铬都是形成和稳定铁素体并扩大铁素体相区的元素。钼作为奥氏体不锈钢中的重要合金元素，加入钢中，使其应用范围进一步扩大；主要作用是提高钢在还原性介质（如H2SO4、H3PO4以及一些有机酸和尿素环境）的耐腐蚀性，并提高钢的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀等性能。常用的含钼奥氏体不锈钢有316、317、904等，主要用于具有较强腐蚀性的环境中，钼含量一般在2%～7%的范围内。
近年来，由于镍资源的紧张，铁素体不锈钢发展迅速。除了409和430等常用铁素体不锈钢外，人们为了扩大铁素体不锈钢的应用领域，需要提高其耐腐蚀性，由此采用添加钼的铁素体不锈钢。含钼的铁素体不锈钢主要有：434、444、445、446等，钼含量一般在1%～4%范围内。
在马氏体铬不锈钢中，钼除了改善钢的耐腐蚀性外，主要能提高钢的强度和硬度，以及增加二次硬化效应。尤其是在低温淬火的情况下，这种作用在不锈钢刀具中得到广泛的应用。在马氏体铬镍不锈钢中，钼的加入是为了增加回火稳定性和强化二次硬化效应，同时不降低韧性。在该类钢中，一般钼含量在0.5%～4.0%范围内。在沉淀硬化不锈钢中，钼的主要作用是改善钢的耐腐蚀性、低温力学性能、高温强度和回火稳定性，钢中含2%的钼可使钢在不同的固溶条件下经冷处理均保持较高硬度。含钼的马氏体不锈钢主要有1Cr13Mo、9Cr18Mo、00Cr13Ni5Mo、0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr16Ni6MoCuAl等。
钼作为强烈形成铁素体并缩小γ区的元素，在(α＋γ)双相不锈钢中，有利于α相的形成。除氧化性介质外，钼对（α＋γ）双相不锈钢的耐还原介质腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀的作用也十分突出。因此(α＋γ)双相不锈钢中均含有1%～3%的钼。常用的钢种有2205、2507、2101等。
（三）模具钢
在合金工模具钢中，钼是主要的合金元素。钼在其中的主要作用有：
1、形成碳化物以提高硬度和强度，增加钢的耐磨性，特别在大截面钢材中；
2、在淬火硬化过程中，减少淬火弯曲变形；
3、提高钢的强度和韧性；
4、在热锻模具钢中添加钼元素，提高淬透性和回火稳定性。
锻压模块用低合金热作模具钢为中碳低合金钢，常用的有5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiMoV、5Cr2NiMoV等4个钢种，碳含量一般在0.4%～0.6%左右，主要合金元素为Mn、Cr、Ni、Mo等，钼含量一般在0.15%～0.55%（但5Cr2NiMoV钢中含1%Mo）。由于各种元素的适当配比，过冷奥氏体较稳定，可以获得良好的淬透性和力学性能。钼可以有效地改善钢的热强性，并可抑制钢的回火脆性产生。钼和钒形成的碳化物，对钢的强度和耐磨性也有改善作用。该类钢一般主要用作小型的锻压用模块。为了适应大型模块的需要，近些年来发展了合金含量更高的模块用钢，如：40CrNiMoV4、30Cr2NiMoV、2Cr3Mo2NiVSi等钢。
中合金铬系热作模具钢是一种中碳合金钢，常用的有4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoWVSi,SCr5MoWSiV等5个钢种。典型的钢种为4Cr5MoSiV1（相当于ASTM标准中的H13钢，我国年用量在5万吨左右），钢中一般含有5%Cr、1%Mo和一定量的钒。该钢的过冷奥氏体较稳定，具有很高的淬透性。用这类钢制造的大型模具在空淬后可以得到较高的硬度。淬火后经2～3次回火具有明显的二次硬化现象、较好的耐热性、抗热疲劳性能和耐腐蚀性。中合金铬系热作模具钢广泛用于铝合金压铸、精密锻造模具、热锻压冲头、热挤压模具、热剪切模具、热轧辊以及各种在冲击和急冷条件下工作的热作模具。
钨钼系热作模具钢是历史上较早制造模具的热作模具钢。二次大战期间，钨资源紧张，发展了一系列以钼代钨的钼系和钨钼系的热作模具钢。常用的有4Cr3Mo3VSi、3Cr3Mo3W2V、SCr4W5Mo2V、SCr4Mo2W2SiV、SCr4Mo3 SiMnVAl等6个钢种。该类钢一般含钼3%左右，含钨8%～18%，此外还添加一定量的钒和钴等元素。由于含有较高的W、Mo、V等强碳化物形成元素，当在500℃～550℃温度范围进行回火时，析出大量合金碳化物，产生强烈的二次硬化现象。这类钢能得到较高的回火硬度，其硬度值可与淬火硬度相当。因此，与铬系模具钢相比，这类钢具有更高的高温强度、高温硬度和抗回火稳定性等。它们适用于型腔工作温度超过600℃、承受静载荷较高、冲击载荷较低的热作模具，如机械锻压机模具和热挤压模具，特别是制造加工变形抗力较大的材料，如不锈钢、高温合金、耐热钢等。
高强高韧冷作模具钢一般含有较高的碳，含12%的铬，钼含量在1%左右，属莱氏体钢，通用性较强。冷作模具钢的典型钢种是Cr12Mo1V1（相当于ASTM标准中的D2钢），由于钢中存在大量的碳化物而具有高的耐磨性，并且具有变形小的特性。冷作模具钢广泛应用于冲裁和冷成形的模具和冲头，包括：下料模、冲头、压印模、拉丝模等冷成形模具。
空淬微变形冷作模具钢一般为高碳中铬钢，钼含量在1%～3%范围内，常用的有Cr5Mo1V、Cr4W2MoV等5个钢种。该类钢具有较好的空冷淬硬性和淬透深度，并且具有良好的形稳特性和良好综合性能，广泛应用于下料模、冲头、压应模、拉丝模等冷成形模具。
基体钢的碳含量为0.55%～0.70%、铬含量在4%左右、钼含量在2%～5%范围内，同时添加了W、V、Nb、Ti等合金元素。代表性的钢种有6W6Mo5Cr4V和6Cr4W3Mo2VNb等。其化学成分相当于高速钢淬火后的基体组织成分，因而基体钢中共晶碳化物数量少且细小均匀，韧性相对较高。主要用于冷挤压模、冷镦模、成形模、切边模、冷冲模、冲头等。
在塑料模具钢中，钼主要应用于预硬型的塑料模具钢，其典型钢种有3Cr2Mo（相当于ASTM标准中的P20钢）。3Cr2NiMnMo钢的钼含量一般在0.30%～0.50%，该类钢一般在特钢厂实现硬化处理，硬度控制在28～34HRC左右，具有良好的切削性能和抛光性能。预硬型塑料模具钢广泛应用于塑料、家电、橡胶等行业。
（四）高速钢
我国高速钢的产量位居世界首位，钨与钼是高速钢中最重要的合金元素，高速钢的生产消耗了大量的钼。钼在其中的主要作用是：
1、形成一定数量的难以溶解的一次碳化物，使钢可在近熔点的高温淬火，并且提高钢的耐磨性；
2、形成足够量的二次碳化物，通过高温固溶淬火获得高Mo(W)的马氏体，回火时M2C及MC的析出是产生二次硬化和红硬性的主要因素；
3、提高高速钢的强韧性；
4、由于钼的加入，改善了纯含钨高速钢中一次碳化物的组织，从而提高钢的热塑性。
通用性高速钢是高速钢中的基本钢种，也是高速钢刀具所采用品种、规格、数量最多的牌号，约占高速钢总用量的80%以上；主要有M2、T1、W9、M7、M10等钢种，除T1（W18Cr4V钢，现用量已很少，逐渐被M2替代），其余均系W－Mo系高速钢，一般钼含量在3%～9%范围。用量最大的M2钢钼含量在6%左右。适用于一般钢铁材料25～40m∕min的切削速度，刀尖温度在5 50℃～600℃时，仍可保持55～60HRC的硬度。用于制造车刀、铣刀、滚刀、刨刀、拉刀、钻头等，也用于制造要求耐磨性较高的冷、热作模具、轧辊和高温轴承等。
超硬型高速钢的碳含量在1.10%左右，钼含量一般在3.25%～10%左右，并含有一定量的W、V、Co(5%～13%)等合金元素，代表钢种有M41和M42。该类钢经高温淬火，2～3次回火后硬度高达68～69HRC，可以作为普通车、铣、钴削刀具。工件为较难切削的中硬调质钢和一般的奥氏体不锈钢时，M42钢刀具的切削寿命比M2高2倍。
低合金高速钢是钨当量不超过12%的高速钢，可节约贵重合金元素，降低钢的成本。代表钢种有M50、D950（瑞典）、W4Mo3Cr4VSi、W3Mo2Cr4VSi等。该类钢一般钼含量在2%～5%，还含有Cr、W、V、Si等合金元素。通过化学成分优化，来提高高速钢的性能。近年来，我国低合金高速钢发展迅速，主要轧制钻头、机用锯条、木工刨刀，部分用于立铣刀、丝锥等；我国年产近万吨低合金高速钢，主要制作麻花钻等工具制品出口国外。
（五）耐热钢
人们很早就知道，添加钼可以提高钢的高温强度。早在1909年，Robin就指出，加入0.5%～2%Mo可以提高钢的高温硬度。在铁素体一珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢中，固溶的钼起强化基体作用；以化合物形式存在的钼起到弥散强化作用。在铁素体一珠光体耐热钢中，钼可能形成稳定性较差的M2C和M6C型碳化物，减少了钼在基体α相中的含量，减弱了基体中钼的固溶强化作用。固溶钼是提高α相高温强度最有效的元素。典型的铁素体一珠光体耐热钢12Cr1MoV、2.25Cr1Mo、15CrMo、12Cr2MoWVSiTiB等中均含有钼。可以说，钼已经是耐热钢的基础合金元素了。
9%～12% Cr型马氏体耐热钢中的主要强化相是MC、M23C6和M6C型碳化物。由于钢中存在钒和铌，部分钼和钨形成M23C6和M6C，大部分钼和钨溶于基体起固溶强化作用。而钢中钼和钨含量比例影响着钢的持久强度。研究表明，添加钼可以提高蠕变断裂强度。典型的马氏体耐热钢有2Cr12MoV、1Cr10Mo2VNb、1Cr10Mo2VNb、1Cr9W2MoVNbNB（T∕P91、T∕P92）等。
对于Cr18Ni9型奥氏体耐热钢，添加钼和钨主要起到固溶强化作用，一般添加2%～3%钼可以明显提高650℃持久强度，如1Cr18Ni12Mo2Ti钢种。在碳化物沉淀强化奥氏体耐热钢GH36和金属间化合物沉淀强化奥氏体耐热钢GH132（A－286）中，钼主要溶于基体，起固溶强化作用，提高钢的持久强度，改善缺口敏感性。
钼作为固溶强化元素大量（约90%以上的品种）应用于高温合金中，如GH4169（镍基合金，钼含量在3.25%左右）、GH4141（钼含量在10%左右）、GH4049（钼含量在5%左右）等钢种。高温合金广泛应用于航空发动机叶片、涡轮盘和航天用火箭发动机零件等。
三、结语
由于钼在钢中的独特作用，使之成为钢中的重要合金元素；在低合金钢、合金结构钢、不锈钢、工模具钢和耐热钢等合金钢类中，钼得到广泛应用。我国具有钼资源的战略优势，但吨钢钼消费量落后于工业化国家水平。我们应该加强钼在合金钢领域应用技术研究，提高钼在钢铁领域的应用技术水平，生产出更高品质的合金钢，满足我国装备制造业发展的需求。我们同时需要加强基础研究，在对钼作用特性的理解基础上，开发出新型高性能含钼合金钢。钼在钢中主要以固溶和析出方式发挥作用，需要更多地关注其固溶所产生的效应，以获得有效的相变组织控制能力，改善钢的性能。
我们还要寻找出钼在钢中固溶（或偏聚）所产生的更多优点，如晶界净化作用，以进一步提高钢的各种服役性能。利用钼的特性，我们可以改善钢材与应力、温度、介质、时间等因素相关的性能，获得更高性能的钢材。我们相信，通过含钼钢的研发，可以提高钢材生产和应用领域的创新能力，促进我国钢铁产品的不断升级换代。
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