コバルトメタル: プロパティ, 用途, 産業の重要性

1. 導入

コバルトはそのルーツを18世紀初頭までたどります, ドイツ語から名付けられました コボルド または「ゴブリン,」鉱石が銅を生成することを拒否したが、有毒蒸気を放出したときの鉱夫の欲求不満にうなずく.

今日, コバルトは、現代のテクノロジーに不可欠です: リチウムイオン電池を安定させます, 極端なレジリエンスの超合金を与えます, 主要な化学触媒を駆動します, 陶器と顔料の象徴的な深い青を伝えます.

2. コバルトとは何ですか?

コバルトは、シンボルCOと原子番号を備えた化学要素です 27.

グループにあります 9 周期表の, 大変です, 銀色の灰色, 強磁性遷移金属.

遷移金属として, コバルトはさまざまな酸化状態を示し、多数の化合物を形成します, 幅広いアプリケーションに貢献しています.

自然界で, コバルトはその純粋な形ではありませんが、主にニッケルと銅鉱石に関連付けられています.

この関連性は、コバルト生産のほとんどがニッケルと銅の採掘操作の副産物であることを意味します.

コンゴ民主共和国 (DRC) コバルトの世界最大の生産者です, おおよその会計 70% 近年の世界的な生産の.

他の主要なコバルト生産国にはロシアが含まれます, ニッケルコッパー - プラチナグループの金属堆積物に関連する重要なコバルト埋蔵量があります, とオーストラリア, 高品質のコバルトを含む鉱石で知られています.

3. 物理的な & コバルトの化学的性質

コバルトは大変です, 光沢のある, 多様な産業用途を支える物理的および化学的特性のスイートを備えたシルバーグレー遷移金属:

4. コバルトの生産と精製

コバルトは、主に銅コバルトおよびニッケルコバルト鉱石から副産物として抽出されます.

コバルトを含む鉱石に使用される2つの主要なマイニング技術は 地下採掘 そして オープンピットマイニング.

地下採掘は通常、より深い鉱体に使用されます, より良い鉱石濃度を提供しますが、より高い運用コストを提供します.

対照的に, オープンピットマイニングは、表面近くの堆積物により適しており、一般的に大規模な生産により費用対効果が高くなります.

鉱石が抽出されたら, 一連のシリーズを受けます 冶金プロセス コバルト含有量を分離して浄化します:

ピロメタルガー

この高温技術には含まれます:

• 製錬: 鉱石は、還元剤で加熱され、周囲の材料から金属を分離する. このプロセスは一般に硫化物鉱石に使用されます.
• 焙煎: 酸素の存在下で加熱することにより、金属硫化物を酸化物に変換します, 後続のステップでの回復を容易にすることができます.

ハイドロメタルガリー

コバルト抽出のためのより選択的で広く採用された方法, 特にラテライトと酸化鉱石から. 重要な手順が含まれます:

• 硫酸塩浸出: 鉱石はコバルトを溶解するために硫酸で処理されます, ニッケルや銅などの他の貴重な金属とともに.
• 降水: 化学試薬は、コバルトをリーチ溶液から選択的に分離するために使用されます, 多くの場合、水酸化コバルトまたは硫酸塩を中間体として生成します.

精製中

精製は、産業および技術の用途に適した高純度のコバルトを取得するために不可欠です:

• 溶媒抽出: 有機溶媒は、水相からコバルトイオンを選択的に抽出するために使用されます, 鉄などの不純物を効果的に除去します, マンガン, そして銅.
• エレクトロオワイン: 最終精製ステップ, 直接電流がコバルト含有ソリューションを通過して純粋なコバルトメタルを堆積する場合 (99.8%–99.99％) カソードに.

5. コバルトグレードとフォーム

コバルトは、さまざまな商業グレードとフォームで利用できます, それぞれは、必要な純度に応じて特定の産業用途に合わせて調整されています, 物理的構造, および化学組成.

これらのバリアントは、バッテリー製造のアプリケーションをサポートしています, 高温合金, エレクトロニクス, 触媒, および磁気材料.

以下は、コバルトの最も一般的なグレードと形式の内訳です:

6. キーコバルト合金

コバルトのユニークな特性 - 高温強度など, 耐食性, 磁気性能, 耐摩耗性 - 多数の高度な合金に不可欠な要素を作ります.

コバルトベースの超合金

• 説明: これらの合金は、極端な温度や酸化環境に耐えるように設計されています, それらをタービンエンジンや航空宇宙コンポーネントに最適にします.
• 典型的な構成: co-cr-w, co-ni-cr, およびCO -MO -NI合金.
• プロパティ:

• • 高温強度 (> 1000℃)
  • 優れた酸化と耐食性
  • 優れた熱疲労性能

• アプリケーション:

• • ジェットエンジンのタービンブレードと羽根
  • 産業用ガスタービン
  • 燃焼ライナーとヒートシールド

• 例合金: ヘインズ 188, ステライト 21, Mar-M509

コバルトを含む高速鋼 (HSS)

• 説明: コバルトはHSSに追加されて赤の硬度を向上させます。切断中に高温で硬度を維持するためのツールを許可します.
• 典型的なグレード: M42 (8% コ)
• プロパティ:

• • 熱い硬さと耐摩耗性を高めました
  • 高負荷の下での最先端の保持が改善されました

• アプリケーション:

• • 切削工具, ドリル, エンドミル, ブローチ
  • 金属とプラスチックのツールの形成

• 注記: M42 HSSは、そのコバルトの含有量により、精密機械加工の標準となっています.

コバルトベースの永久磁石

• 種類:

• • アルニコ (アルミニウム - ニッケル - コバルト): 高磁気強度と温度抵抗
  • サマリウムコバルト (SMCO): 優れた安定性と腐食抵抗を備えた希土類コバルト磁石

• プロパティ:

• • 強力性とエネルギー製品
  • 優れた熱安定性 (SMCOで最大350〜550°C)

• アプリケーション:

• • モーターと発電機
  • 航空宇宙センサー
  • 医療イメージング (MRI)

• パフォーマンス: SMCOマグネットには通常、20〜32 mgoeのエネルギー製品があります (Mega Gauss Oversome)

コバルトクロミウム合金 (Co-Cr)

• 説明: 高い摩耗と耐食性を備えた生体適合性合金; 多くの場合、医療用および歯科用途で使用されます.
• プロパティ:

• • 非磁性, 高強度
  • 優れた生体適合性

• アプリケーション:

• • 整形外科用インプラント (ヒップ, 膝)
  • 歯の補綴
  • ハートバルブコンポーネント

• 例合金: ASTM F75 (CO-CR-MOをキャストします), ASTM F799 (錬金術のCR-MO)

ハードフェイスアロイ (例えば, ステライト)

• 説明: ツールまたは一部の寿命を拡張するために表面コーティングとして使用される耐摩耗性コバルト合金.
• プロパティ:

• • 摩耗に対する例外的な抵抗, 浸食, そしてかじりつく
  • 900°Cまでの硬度を保持します

• アプリケーション:

• • バルブ 席, 刃を切る, マイニングツール
  • ハイウェア環境のエンジンコンポーネント

テーブル: 一般的なコバルト合金グレード

7. コバルトの産業用途

コバルトは、そのユニークな物理的であるため、幅広い産業部門で重要な役割を果たしています, 化学薬品, および磁気特性.

高温に耐える能力, 腐食に抵抗します, また、他の材料のパフォーマンスを向上させることで、コバルトはハイテクと伝統的な業界の両方で不可欠になります.

エネルギー貯蔵とバッテリー

• 主な用途: リチウムイオン電池
• 関数: コバルトは、リチウムイオン電池のカソードで使用されます。 ニッケルマンガンコバルト (NMC) そして ニッケルコバルトアルミニウム (NCA) 化学.
• 利点:

• • エネルギー密度とバッテリー寿命が改善されます
  • 熱および構造の安定性を高めます

• 市場の洞察:

• • 以上 60% コバルトの需要は、バッテリーセクターによって推進されています.
  • 電気自動車ごとのコバルトの使用 (EV) バッテリーの範囲 4 に 14 kg, 化学に応じて.

航空宇宙およびタービンエンジン

• 主な用途: コバルトベースの超合金
• 関数: コバルトを含むスーパーアロは、ジェットエンジンコンポーネントで使用されています, ガスタービン, ロケットモーター.
• 利点:

• • 高温で強度と耐食性を維持します (1000°C以上)
  • 酸化および熱疲労に耐える

• 主要コンポーネント:

• • タービンブレード, 羽根, 燃焼チャンバー

切削工具と耐摩耗性の材料

• 主な用途: セメント付き炭化物と高速鋼
• 関数: コバルトはセメント炭化物のバインダーとして機能し、高速鋼の硬度を高めます.
• 利点:

• • 熱中の変形に対するツールの靭性と耐性を改善します
  • 高速または高圧の切断条件下でツールの寿命を延長します

• 例:

• • ドリルビット, エンドミル, スタンピングダイス, マイニングツール

化学および石油産業の触媒

• 主な用途: 合成と精製の触媒
• 触媒アプリケーションの種類:

• • フィッシャー・トロプシュ合成: 合成ガスから液体炭化水素を生成します (co + H₂)
  • 水素硫化 (HDS): 硫黄を原油から除去して、きれいな燃料を生産します

• 利点:

• • 過酷な化学環境の下での高い触媒効率と耐久性

医療および生物医学装置

• 主な用途: コバルトクロミウム合金
• 関数: インプラントに使用されます, 補綴物, 優れた生体適合性による手術器具.
• 例:

• • 人工腰と膝
  • ステント, 歯科インプラント

• 特別なケース:

• • コバルト60 (Co-60): がん放射線療法と医療機器の滅菌に使用される放射性同位体

永久磁石と電子機器

• 種類:

• • アルニコ磁石: 電気モーターで使用されます, センサー, エレクトリックギター
  • サマリウムコバルト (SMCO): 強制性と安定性が高い希土類磁石

• 利点:

• • 高温での安定した磁気性能
  • 過酷な環境での耐食性

• アプリケーション:

• • 航空宇宙機器, MRI装置, ロボット工学, オーディオ機器

顔料, ガラス, とセラミック

• 使用されたコバルト化合物:

• • コバルト酸化物 (co₃o₄) そして コバルトアルミネート (Coal₂o₄)

• 関数:

• • 生産に使用されます コバルトブルー, 安定した, 鮮やかな色素

• アプリケーション:

• • 芸術的な陶器, 自動車ガラス, 建築タイル
  • UV吸収特性によるハイテクガラスアプリケーション

8. 安全性, 取り扱い, コバルトの毒物学

コバルトは多くの現代の技術で不可欠ですが, それはいくつかの健康をもたらします, 安全性, 適切に管理されていない場合は環境リスクがあります.

その毒物学的プロファイルを理解する, 暴露制限, そして、安全な取り扱い慣行は、採掘でコバルトを使用する産業にとって不可欠です, 製造業, そして処理.

職業暴露制限

OSHAなどの規制機関, ニオシュ, そして、ACGIHは安全な労働条件を確保するために露出制限を確立しました:

コバルト曝露の健康への影響

コバルトは吸入して体に入ることができます, 摂取, または皮膚接触.

健康への影響の重症度は、コバルトの形に依存します (メタリック, 可溶性塩, または放射性同位体) および曝露期間.

短期 (急性) 効果:

• 呼吸刺激: 咳, 喘鳴
• 接触からの皮膚発疹または皮膚炎
• 目の刺激

長期 (慢性) 効果:

• コバルト肺: コバルトダスト/煙の吸入による間質性肺疾患
• 心筋症 (心筋の損傷) 高い全身曝露があります
• アレルギー反応と喘息
• 長期にわたる高用量曝露を伴う可能性のある神経毒性効果

発がん性:

• 癌研究のための国際機関 (IARC) コバルトとコバルト化合物を分類します グループ2b: 限られた人間の証拠と十分な動物研究に基づいた「人間に発がんである可能性がある」.

放射性コバルト (コバルト60)

コバルト60 (⁶⁰co) で使用される合成放射性同位体です:

• 放射線治療 (癌治療)
• 医療機器の滅菌
• 産業X線撮影

危険:

• 高エネルギーのガンマ光線を放出します
• 放射線火傷を引き起こす可能性があります, DNA損傷, 誤っていると癌のリスクが増加します
• 厳格な規制ガイドラインの下で保管および輸送する必要があります (例えば, リードシールド, セキュアコンテナ)

コバルト安全のためのベストプラクティス

9. 関連要素との比較

コバルトは、周期表の隣接する要素といくつかの特性を共有しています, 特に鉄 (鉄), ニッケル (で), とマンガン (ん).

コバルトとこれらの要素を比較すると、さまざまな産業用アプリケーションで独自の特性と利点を強調するのに役立ちます.

10. 結論

コバルトは、その高い融点で知られている重要な金属です, 耐食性, および磁気特性.

それは超合金で重要な役割を果たしています, 永久磁石, およびリチウムイオン電池, 航空宇宙に不可欠なものにします, クリーンエネルギー, およびエレクトロニクス産業.