1. 介绍
钴将其根源追溯到18世纪初, 由德国命名 Kobold 或“妖精,”当矿石拒绝产生铜但释放有毒的蒸气时，矿工的挫败感点头.
今天, 钴在现代技术中是必不可少的: 它稳定锂离子电池, 赋予超级恢复力的超级合金, 驱动关键的化学催化剂, 并授予陶瓷和颜料的标志性深蓝色.
2. 什么是钴?
钴是具有符号CO和原子数的化学元素 27.
位于小组 9 周期桌, 很难, 银灰色, 铁磁过渡金属.
作为过渡金属, 钴表现出多种氧化状态并形成许多化合物, 这有助于其广泛的应用.
本质, 钴没有以纯形式找到，但主要与镍和铜矿有关.
该关联意味着大多数钴生产是镍和铜矿运营的副产品.
刚果民主共和国 (刚果) 是世界上最大的钴生产商, 大约考虑 70% 近年来全球生产.
其他主要的钴生产国家包括俄罗斯, 具有与其镍 - 波普尔 - 白皮金组金属沉积有关的重要钴储备, 和澳大利亚, 以高质量的钴矿石而闻名.
3. 身体的 & 钴的化学特性
钴很难, 有光泽, 带有一套物理和化学特征的银灰金属，其工业用途多样:
| 财产 | 价值 / 描述 |
| 元素符号 | 公司 |
| 原子数 | 27 |
| 原子质量 | 58.93 你 |
| 晶体结构 | HCP (以下 417 °C), FCC (多于 417 °C) |
| 外貌 | 有光泽, 难的, 银灰色金属 |
| 密度 | 8.90 g/cm³在 20 °C |
| 熔点 | 1,495 °C (2,723 °f) |
| 沸点 | 2,927 °C (5,301 °f) |
| 导热率 | 〜100 w/m·k |
| 电阻率 | 〜0.62 µΩ·m at 20 °C |
| 杨的模量 | 〜210 GPA |
| 居里温度 | 〜1,390°C |
| 磁性特性 | 铁磁 (在高温下保留磁性) |
| 耐腐蚀性 | 好的; 形成稳定的氧化物层 (CO₃O₄或COO) |
| 反应性 | 与酸反应; 在空气中稳定; 在高温下氧化 |
| 氧化状态 | +2 (常见的), +3 (在某些氧化物中), 不太常见 +1, +4 |
4. 钴生产和炼
钴主要从铜铜和镍铜矿中提取为副产品.
用于含钴矿石的两种主要采矿技术是 地下采矿 和 开坑开采.
地下采矿通常用于更深的矿体, 提供更好的矿石集中度，但运营成本更高.
相比之下, 开放坑采矿更适合近地表沉积物，通常对大规模生产更具成本效益.
一旦提取矿石, 它经历了一系列 冶金过程 分开和净化钴含量:
高温铝
这种高温技术涉及:
- 冶炼: 用还原剂加热矿石，以将金属与周围材料分开. 此过程通常用于硫化物矿石.
- 烤: 通过在氧气的情况下加热，将金属硫化物转化为氧化物, 在随后的步骤中启用更轻松的恢复.
水透明
一种更具选择性和广泛采用的钴提取方法, 尤其是从稍后的矿石和氧化的矿石. 关键步骤包括:
- 硫酸盐浸出: 用硫酸处理矿石以溶解钴, 以及其他有价值的金属，例如镍和铜.
- 沉淀: 化学试剂用于选择性地将钴与浸出溶液分开, 通常作为中间体产生氢氧化钴或硫酸盐.
精制
精炼对于获得适合工业和技术应用的高纯钴至关重要:
- 溶剂提取: 有机溶剂用于从水相中选择性提取钴离子, 有效去除诸如铁等杂质, 锰, 和铜.
- 电力: 最后的净化步骤, 如果直接电流通过含钴的溶液以沉积纯钴金属 (99.8%–99.99％) 到阴茎上.
5. 钴等级和形式
钴有各种商业等级和表格, 每个针对特定工业用途量身定制的，具体取决于所需的纯度, 物理结构, 和化学成分.
这些变体支持电池制造中的应用, 高温合金, 电子产品, 催化剂, 和磁性材料.
以下是最常见的钴的分解:
| 年级 / 形式 | 描述 | 典型的应用 | 纯度范围 |
| 电解钴 | 通过电赢的高纯钴; 出现为阴极薄片 | 超级合金, 航天, 防御, 电子产品 | 99.8% - 99.99% |
| 氧化钴 (库 / co₃o₄) | 氧化状态中具有钴的无机化合物 +2 或者 +2/+3 | 陶瓷色素, 电池阴极 (锂离子), 催化剂 | 〜72％ - 78% 钴按重量 |
| 硫酸钴 (coso₄) | 水溶性钴盐, 通常以粉红色的结晶形式 | 锂离子电池阴极, 农业, 电镀 | 20% - 21.5% 公司 (技术等级) |
| 氯化钴 (Cocl₂) | 吸湿盐, 通常用于溶液或结晶形式 | 湿度指标, 催化剂, 色素生产 | 通过形式变化 (无水/二水合物) |
| 钴粉 | 通过还原或雾化产生的细金属钴颗粒 | 粉状冶金, 烧结工具, 磁性材料 | 99.5%+ (高纯度等级) |
| 高纯钴 | 超石钴精制以满足严格的行业标准 | 半导体, 医疗植入物, 航空电子设备 | ≥99.99％ |
| 电池级钴 | 专门加工的钴化合物 (通常是硫酸盐或氢氧化物) | 锂离子电池 (NMC, NCA阴极) | 受控的杂质轮廓 |
| 钴金属煤石 | 压缩钴金属, 易于处理和剂量冶炼/合金 | 钢和超合金中的合金元素 | 〜99.8％ |
6. 钥匙钴合金
钴的独特特性 - 例如高温强度, 耐腐蚀性, 磁性能, 并戴阻力 - 使其成为许多高级合金中的重要元素.
基于钴的超级合金
- 描述: 这些合金旨在承受极端温度和氧化环境, 使其非常适合涡轮发动机和航空航天组件.
- 典型的成分: Co-Cr-W, 共同cr, 和CO -MO -NI合金.
- 特性:
-
- 高温强度 (> 1000°C)
- 优异的氧化和耐腐蚀性
- 良好的热疲劳性能
- 申请:
-
- 喷气发动机涡轮刀片和叶片
- 工业燃气轮机
- 燃烧衬里和隔热罩
- 示例合金: 海恩斯 188, 星际 21, MAR-M509
含钴的高速钢 (HSS)
- 描述: 将钴添加到HSS中以改善红色硬度 - 在切割过程中允许在温度升高时保持硬度的工具.
- 典型等级: M42 (8% 公司)
- 特性:
-
- 增强的热硬度和耐磨性
- 在高载荷下改善了尖端保留率
- 申请:
-
- 切割工具, 演习, 结束磨坊, 布鲁斯
- 形成金属和塑料工具
- 笔记: 由于其钴含量，M42 HSS已成为精确加工的标准.
基于钴的永久磁铁
- 类型:
-
- Alnico (铝 - 尼克 - 库布尔): 高磁强度和温度抗性
- samarium钴 (SMCO): 具有出色稳定性和耐腐蚀性的稀土钴磁铁
- 特性:
-
- 高强化和能量产品
- 出色的热稳定性 (SMCO的最多350–550°C)
- 申请:
-
- 电动机和发电机
- 航空传感器
- 医学成像 (MRI)
- 表现: SMCO磁铁通常具有20-32 MGOE的能量产品 (巨型高斯超人)
钴铬合金 (Co-Cr)
- 描述: 具有高磨损和耐腐蚀性的生物相容性合金; 经常用于医疗和牙科应用.
- 特性:
-
- 非磁性, 高力量
- 出色的生物相容性
- 申请:
-
- 骨科植入物 (臀部, 膝盖)
- 牙齿假体
- 心脏阀成分
- 示例合金: ASTM F75 (铸造共犯), ASTM F799 (锻造的共同克罗)
硬合金 (例如。, 星际)
- 描述: 耐磨的钴合金用作表面涂层，以延长工具或部分寿命.
- 特性:
-
- 特殊的磨损性, 侵蚀, 和galling
- 保持硬度高达900°C
- 申请:
-
- 阀门 座位, 切割刀片, 采矿工具
- 高架环境中的发动机组件
桌子: 普通钴合金等级
| 合金等级 | 主要合金元素 | 特征 | 典型的应用 |
| Cocmo (ASTM F75) | 钴, 铬 (〜27–30％), 钼 (〜5–7％) | 高磨损和腐蚀性, 生物相容性 | 医疗植入物 (臀部/膝盖), 牙齿假体 |
| 星际 6 | 钴, 铬, 钨, 碳 | 出色的耐磨性, 保持高温的硬度 | 阀座, 切割工具, 涡轮组件 |
| mp35n | 钴, 镍, 铬, 钼 | 高力量, 耐腐蚀性, 非磁性 | 航空紧固件, 医疗设备, 弹簧 |
| L-605 (海恩斯 25) | 钴, 铬, 钨, 镍 | 高温下的氧化和蠕变性 | 燃气轮机, 喷气发动机组件 |
| HS25 (美国R30605) | 钴, 铬, 钨, 镍 | 热疲劳阻力, 优异的氧化抗性 | 飞机发动机零件, 热交换器 |
| FSX-414 | 钴, 铬, 镍 | 良好的强度和热冲击性 | 燃气轮机喷嘴, 燃烧室 |
| 海恩斯 188 | 钴, 镍, 铬, 钨 | 出色的热稳定性和氧化阻力 | 航空燃烧器, 加力者 |
| Elgiloy | 钴, 铬, 镍, 钼 | 高疲劳强度, 耐腐蚀性, 春季记忆 | 医疗指南, 正畸拱门, 弹簧 |
| 星际 21 | 钴, 铬, 镍, 钼 | 良好的韧性, 耐腐蚀性 | 泵零件, 阀成分 |
| cocrw | 钴, 铬, 钨 | 优质的磨损和耐腐蚀性 | 骨科植入物, 牙齿合金 |
7. 钴的工业应用
钴在广泛的工业部门中起着至关重要的作用，因为它独特, 化学, 和磁性.
它承受高温的能力, 抵抗腐蚀, 并提高其他材料的性能使高科技和传统行业的钴必不可少.
储能和电池
- 主要用途: 锂离子电池
- 功能: 钴用于锂离子电池的阴极中，尤其是在 镍锰钴 (NMC) 和 镍钴铝 (NCA) 化学.
- 好处:
-
- 提高能量密度和电池寿命
- 增强热和结构稳定性
- 市场洞察力:
-
- 超过 60% 钴的需求是由电池行业驱动的.
- 每辆电动汽车使用钴 (ev) 电池范围为 4 到 14 公斤, 取决于化学.
航空航天和涡轮发动机
- 主要用途: 基于钴的超级合金
- 功能: 含有钴的超合金用于喷气发动机组件, 燃气轮机, 和火箭电动机.
- 好处:
-
- 在高温下保持强度和耐腐蚀性 (高于1000°C)
- 承受氧化和热疲劳
- 关键组件:
-
- 涡轮刀片, 叶片, 燃烧室
切割工具和耐磨材料
- 主要用途: 水泥碳化物和高速钢
- 功能: 钴用作胶结碳化物的粘合剂，并增强了高速钢的硬度.
- 好处:
-
- 提高工具韧性和对热量下变形的抵抗力
- 在高速或高压切割条件下延长工具寿命
- 例子:
-
- 钻头, 结束磨坊, 冲压死亡, 采矿工具
化学和石油行业的催化剂
- 主要用途: 合成和精炼的催化剂
- 催化应用的类型:
-
- Fischer-Tropsch合成: 产生液体碳氢化合物 (公司 + h₂)
- 氢化硫化 (HDS): 去除原油中的硫磺以产生干净的燃料
- 好处:
-
- 在恶劣的化学环境下，高催化效率和耐用性
医疗和生物医学设备
- 主要用途: 钴铬合金
- 功能: 用于植入物, 假肢, 和手术仪器由于其出色的生物相容性.
- 例子:
-
- 人造臀部和膝盖
- 支架, 牙科植入物
- 特例:
-
- 钴60 (CO-60): 用于癌症放射疗法和医疗设备灭菌的放射性同位素
永久磁铁和电子
- 类型:
-
- Alnico磁铁: 用于电动机, 传感器, 和电吉他
- samarium钴 (SMCO): 稀土磁铁具有较高的雄性和稳定性
- 好处:
-
- 高温下稳定的磁性能
- 恶劣环境中的耐腐蚀性
- 申请:
-
- 航空仪器, MRI机器, 机器人技术, 音频设备
颜料, 玻璃, 和陶瓷
- 使用的钴化合物:
-
- 氧化钴 (co₃o₄) 和 钴铝 (煤炭)
- 功能:
-
- 用于生产 钴蓝色, 稳定, 充满活力的色素
- 申请:
-
- 艺术陶瓷, 汽车玻璃, 建筑瓷砖
- 高科技玻璃应用由于吸收紫外线而引起的
8. 安全, 处理, 和钴的毒理学
钴在许多现代技术中都是必不可少的, 它构成了几个健康, 安全, 以及环境风险如果管理不当.
了解其毒理学特征, 暴露限制, 安全处理实践对于使用钴采矿的行业至关重要, 制造业, 和处理.
职业曝光范围
OSHA等监管机构, 尼什, 和ACGIH已建立了暴露限制，以确保安全的工作条件:
| 组织 | 限制类型 | 价值 |
| OSHA | 经过 (允许的暴露限制) | 0.1 mg/m³ (作为钴金属灰尘和烟雾) |
| 尼什 | rel (建议的曝光限制) | 0.05 mg/m³ (8-小时TWA) |
| ACGIH | TLV (阈值极限值) | 0.02 mg/m³ (吸入分数, TWA) |
钴暴露的健康影响
钴可以通过吸入进入身体, 摄取, 或皮肤接触.
健康影响的严重程度取决于钴的形式 (金属, 可溶性盐, 或放射性同位素) 和暴露时间.
短期 (急性) 效果:
- 呼吸刺激: 咳嗽, 喘息
- 接触性皮疹或皮炎
- 眼睛刺激
长期 (慢性的) 效果:
- 钴肺: 吸入钴灰尘/烟气中的间质肺疾病
- 心肌病 (心肌损害) 具有高度的全身性暴露
- 过敏反应和哮喘
- 可能长时间暴露于高剂量的神经毒性作用
致癌性:
- 国际癌症研究机构 (IARC) 将钴和钴化合物归类为 第2B组: 基于有限的人类证据和足够的动物研究，“可能对人类致癌”.
放射性钴 (钴60)
钴60 (⁶⁰co) 是一种合成放射性同位素:
- 放射治疗 (癌症治疗)
- 医疗设备的灭菌
- 工业射线照相
危险:
- 排放高能伽马射线
- 会导致辐射燃烧, DNA损伤, 并增加癌症的风险如果不当
- 必须根据严格的监管指南存储和运输 (例如。, 铅屏蔽, 安全容器)
钴安全的最佳实践
| 方面 | 最佳实践 |
| 暴露控制 | 使用烟雾罩, 呼吸器, 和良好的通风 |
| 个人保护设备 (PPE) | 手套, 风镜, 实验室外套, 和呼吸保护 |
| 监视 | 常规空气质量测试, 裸露工人的医疗监视 |
| 存储和标签 | 清晰标记的容器, 适用的辐射标牌 |
| 废物处理 | 遵循危险废物协议; 避免释放到水系统中 |
| 培训和合规性 | 定期安全培训和遵守OSHA, EPA, 和IAEA标准 |
9. 与相关元素的比较
钴在周期表中与相邻元素共享多个特征, 特别是铁 (铁), 镍 (在), 和锰 (Mn).
将钴与这些元素进行比较有助于强调其在各种工业应用中的独特属性和优势.
| 财产 / 方面 | 钴 (公司) | 铁 (铁) | 镍 (在) | 锰 (Mn) |
| 原子数 | 27 | 26 | 28 | 25 |
| 密度 (g/cm³) | 8.9 | 7.87 | 8.90 | 7.43 |
| 熔点 (°C) | 1,495 | 1,538 | 1,455 | 1,246 |
| 磁性特性 | 铁磁 | 铁磁 | 铁磁 | 顺磁性 |
| 耐腐蚀性 | 高的 (特别是在合金中) | 缓和 (容易生锈) | 出色的 | 低的 |
| 常用用途 | 超级合金, 电池, 磁铁 | 钢生产, 建造 | 不锈钢, 电镀, 合金 | 钢中的合金元素 |
| 生物相容性 | 好的 (用于医疗植入物) | 缓和 | 好的 | 贫穷的 |
| 成本 (相对的) | 更高 | 降低 | 类似于钴 | 降低 |
| 在合金中的作用 | 增强力量, 耐热性, 磁性 | 钢中的主要元素 | 改善耐腐蚀性, 韧性 | 改善硬度, 钢的力量 |
| 毒性问题 | 缓和 (需要安全处理) | 低的 | 低至中等 | 中度至高 |
10. 结论
钴是一种以其高熔点而闻名的至关重要的金属, 耐腐蚀性, 和磁性.
它在超级合金中起关键作用, 永久磁铁, 和锂离子电池, 使其对航空航天至关重要, 清洁能源, 和电子行业.
