Кобальт: свойства и сфера применения

Кобальт в чистом виде находится в земной коре и морской воде. Также он входит в состав более 30 природных минералов, таких как линнеит, кобальтин, скуттерудит и прочие. Небольшая концентрация кобальта имеется в рудных минералах, где основными элементами являются железо, никель и медь. Рассмотрим подробнее, что такое кобальт, чем он хорош и для чего нужен. 

История открытия кобальта

Считается, что название появилось из-за того, что минерал, содержащий кобальт и мышьяк, похож на серебряную руду. При этом серебро из руды не извлекалось. Горняки Саксонии приписывали это злым проделкам гнома Кобольда. Позднее из такой руды был выделен металл, который получил шведское название «кобольд». В дальнейшем металл стали называть во всем мире кобальтом. 

В те времена полезных свойств у минерала не обнаружилось, кроме способности создавать ярко-синий цвет. Это свойство использовалось при создании стекла. Позже было замечено хорошее влияние кобальта на железный сплав, который получался более твердым и жаростойким. В начале 20 века были открыты его положительные качества при создании магнитов. Сфера применения не требовала большого количества минерала и интерес к нему был низкий. 

Ситуация резко изменилась с появлением сотовых телефонов, аккумуляторных инструментов, электроскутеров и электроавтомобилей. Оказалось, что кобальто-литиевый оксид отлично подходит для создания плюсовых электродов электрических аккумуляторов. Поэтому в последнее время спрос и, соответственно, цена на кобальт резко подскочили. Интерес подкрепил мировой тренд на применение возобновляемых источников энергии.  

Что из себя представляет кобальт 

Это тяжелый и вязкий металл, имеющий в чистом виде голубовато-серый цвет. В таблице Менделеева его атомный номер 27. 

Технические характеристики:

• Атомная масса – 59. Имеет изотопы 56, 57, 58 и 60.
• Температура плавления – 1500 градусов, а температура кипения – 2950 градусов. 
• Степень окисления – от +2 и +6. Металл легко окисляется на воздухе, а материал в виде порошка или пыли может самовоспламеняться. 
• Плотность – 8,9 т/м3. Кобальт относят к классу тяжелых металлов.

При естественной температуре металл инертен, не стремиться вступать в реакцию с другими веществами из-за тонкой оксидной пленки. Резко меняет свои свойства при нагревании более 300 градусов: активно реагирует с кислородом, водой, мышьяком, серой и другими веществами. Все оксиды кобальта легко восстанавливаются водородом. 

В металлическом виде кобальт почти не применяется, но в составе сплавов раскрывается весь его потенциал. Кобальтом легируют самые разные сплавы: алюминиевые, бронзовые, никелевые, палладиевые и проч. Основным следствием добавки кобальта в сплавы является повышение жаростойкости и химической сопротивляемости. Наибольший интерес для металлургов представляют сплавы на основе железа. С помощью кобальта и других элементов стали приобретают специфические и разнообразные качества. 

Рассмотрим какие бывают сплавы с добавлением кобальта:

• Коррозионностойкие. Количество кобальта варьируется от 31 до 69%. Другие компоненты – это железо, никель и хром. Это такие марки: ХК62М6Л, 48КХВН.
• Жаропрочные на никелевой основе. Содержание кобальта от 4 до 16%. Другим основным компонентом является хром (до 14%). Железо – до 1%. К этому классу относят стали: ХН58ВМКЮР-ВД, ХН55ВМТКЮ.
• Магнитомягкие. Основные компоненты – это кобальт и железо в больших пропорциях. Возможно легирование никелем и хромом. Марки: 35НКХСП, 49К2ФА, 36КНМ и проч.
• Магнитотвердые. Состав похож на магнитомягкие сплавы, но содержит большой процент ванадия. Марки: 52К10Ф, ЮНДКТ8, 35КФ10Н и проч.
• С высоким электрическим сопротивлением. Сплав Н50К10 применяется как нагревательный элемент в электропечах.
• С заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Сплавы востребованы для создания термопар, измерительных приборов, датчиков. Марки: 29НК, 33НК, 35НКТ и проч. 
• Инструментальные быстрорежущие. На основе железа создают сталь, которая используется как режущий инструмент. В состав кроме кобальта часто входит хром, ванадий, вольфрам. Марки: Р9К10, Р9М4К8, Р10Ф5К5 и т.д.

Здесь перечислены не все марки сплавов с кобальтом. Материал специально делают под конкретные задачи. Каждый сплав имеет уникальные характеристики, требуемые для узких производственных целей. 

Большая группа сплавов на основе кобальта – это конструкционная сталь. Основным отличием этих видов является высокая жаростойкость и прочность, коррозионная устойчивость при высоких температурах. Это такие марки: Н8К18М14, Н13К16М10, Н16К15В9М2 и т.д.

Чем кобальт хорош и для чего он нужен 

Самое первое применение – это создание красителя с характерным синим цветом. Окраска чрезвычайно устойчива, не подвержена изменению при температурном воздействии. Металл широко применяется для тонирования стекла, для нанесения декоративных рисунков на посуду. Например, знаменитая гжель красится кобальтовым красителем. 

Одна из основных сфер применения кобальта – металлургия.
Легирование кобальтом позволяет достичь высоких прочностных характеристик у сплава. При этом эти свойства незначительно меняются при высоких температурах. В конструкционных сталях кобальт выполняет роль, схожую с задачами никеля, но значительно опережает его по температурным показателям. Поэтому продукцию марки К0 используют в качестве шихты для плавки. 

Особенное место кобальт занимает в порошковой металлургии. На основе порошка марки ПК-1у делают твердые сплавы методом спекания с карбидом вольфрама и титаном. В этом составе металл является связующим компонентом, позволяющим поддерживать характеристики режущих инструментов при перегреве. Вязкость минерала позволяет резко повысить износоустойчивость и сопротивляемость к ударным нагрузкам. 

Хороший эффект, резко повышающий износостойкость, получается при покрытии слоем кобальта поверхности изделия. В некоторых случаях это дает возможность продления срока эксплуатации в несколько раз. Метод часто применяют для покрытия сверл, фрез, метчиков и прочего инструмента. 

Сплав марки К0, где кобальт имеет высокую степень чистоты (99,98%), сохраняет физические свойства при нагреве выше 1000 градусов. Поэтому его применяют в производстве сплавов для авиационных моторов, лопаток турбин и в космической промышленности. 

Введение большого количества кобальта в железные сплавы и последующая обработка материала позволяют создать изделия с магнитомягкими или магнитотвердыми свойствами. На основе материалов марки К1 и марки К1Ау делают сердечники трансформаторов (для микроэлектроники и промышленных преобразователей напряжения) или постоянные магниты для производства электродвигателей. В этой сфере также используется качество кобальта не менять свои параметры при длительном перегреве. 

В последнее время кобальт стали активно применять при создании положительных электродов аккумуляторов на основе кобальт-литиевого оксида. На данном этапе такие накопители наиболее оптимальны по количеству энергии на объем массы и стоимости. Потребление повысилось на фоне антиуглеродной компании. С появлением большого количества солнечных батарей, ветрогенераторов и электроавтомобилей  использование кобальта в мире возросло. 

Также кобальт используется в следующих отраслях:

• Медицина. Кобальт используют в фармацевтической промышленности как важный элемент для осуществления биологических процессов в организме и в радиологической медицине как источник гамма-излучения.
• Химическая промышленность. Металл при многих химических реакциях способен заменить такие дорогостоящие катализаторы, как платина и золото. Поэтому он широко применяется в органической химии и в азотной промышленности. 
• Сельское хозяйство. Необходимость наличия микродоз кобальта диктует постоянную потребность этого элемента. Он используется при производстве кормовых смесей для животных и птиц, для создания ветеринарных препаратов. Также кобальт применяют как микродобавку в удобрение для растеневодства. 
• Военная промышленность. Изотоп кобальта применяют как тестовый источник при настройке детекторов облучения, производства оружейных сталей, некоторых видов брони. Также кобальтовые сплавы востребованы при создании ракетных двигателей, для систем залпового огня, переносных зенитных установок. Существует концепция кобальтовой атомной бомбы. Предполагается, что это может быть источником максимального радиоактивного заражения. 

Ассортимент продукции из кобальта

Металл фактически не используется в чистом виде. В промышленности металл идет как сырье для создания конечного продукта. 

Поэтому на рынке он присутствует в 4 формах:

• Слитки и чушки. Эти изделия представляют собой слитки серебристого цвета с розовым или голубым оттенком. Содержание чистого металла – 99,4%. В виде примеси присутствует никель. Применяются как легирующая добавка в металлургии.
• Лист (пластина). Содержание кобальта составляет 99,34%. Выпускаются в виде листов или полос с максимальным размером 50 на 50 см и минимальным – 2 на 2 см. Толщина варьируется от 0,1 до 25 миллиметров. Листы применяют как экранирующую поверхность при производстве радиоэлектроники и как источник чистого металла при создании сложных соединений и сплавов. Также листовой металл используют как донорский электрод для нанесения гальванического покрытия.  
• Порошок. Мелкодисперсный металлический кобальт получают методом химического восстановления из солей и оксидов. Поставляемый на рынок продукт имеет чистоту 99,35%, а основными примесями являются никель и железо. Размер частиц варьируется от 70 до 45 мкр. Поставляется в бочках или мешках. Порошок применяется как компонент для создания твердосплавных резцов и постоянных магнитов методом спекания под давлением, легирующая добавка в металлургии и сырье для производства красящих пигментов. На основе этих красителей делают пигменты для лакокрасочной продукции.
• Проволока. Изделие поставляется на рынок бухтами. Сечение варьируется от 0,5 до 6 мм. Количественный состав чистого металла такой же как у другой продукции. Проволоку изготавливают методом холодного волочения, то есть без дополнительного нагрева. Поверхность имеет серый цвет с розовым или голубым отливом и ровную гладкую структуру. Изделие обладает высокой точностью сечения по всей длине. Применяется в радиоэлектронике и для изготовления оборудования для ионизации. 

Невзрачный на вид и бесполезный, с точки зрения наших предков, металл стал незаменимым компонентом во многих направлениях современной промышленности. Материалы на его основе широко востребованы в металлообработке, в производстве особых сталей, медицине, космической отрасли, авиастроении. Забота об окружающей среде повлекла за собой массовое производство экологичных источников электрической энергии на основе кобальта. Предполагается, что потребности населения земли в кобальте в ближайшие годы увеличится в несколько раз.