Кобальт металлический

Кобальт металлический (Co) — серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом. Относится к группе тяжёлых цветных металлов. Атомный номер 27, атомная масса 58,93. Кобальт является ферромагнетиком с точкой Кюри 1121 °C, что выше, чем у железа (769 °C) и никеля (358 °C). Благодаря сочетанию жаропрочности, износостойкости, магнитных свойств и коррозионной стойкости кобальт востребован в металлургии, порошковой металлургии, электротехнике и химической промышленности.

Физические и механические свойства кобальта

Кобальт существует в двух кристаллических модификациях. Ниже 427 °C устойчива α-модификация с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой. Выше 427 °C стабильна β-модификация с кубической гранецентрированной (ГЦК) решёткой, которая сохраняется до температуры плавления.

Компактный кобальт устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагреве выше 300 °C покрывается оксидной плёнкой. Тонкодисперсный (порошковый) кобальт пирофорен — способен к самовоспламенению на воздухе. Температура воспламенения порошка — 370 °C. Кобальт реагирует с разбавленными кислотами (кроме HF), при нагревании взаимодействует с галогенами, серой, фосфором. Степень окисления в соединениях: +2 и +3.

Марки кобальта металлического по ГОСТ 123-2018

Действующий стандарт на металлический кобальт — ГОСТ 123-2018 «Кобальт. Технические условия» (введён в действие с 01.06.2019, заменил ГОСТ 123-2008). Стандарт распространяется на металлический кобальт, получаемый электролитическим рафинированием или огневым (пирометаллургическим) способом и применяемый в различных отраслях промышленности.

Марки и содержание кобальта

Марка К0 — кобальт высокой чистоты, получаемый исключительно электролизом. Основные контролируемые примеси: железо (не более 0,003 %), никель (не более 0,005 %), углерод (не более 0,005 %). По согласованию изготовителя с потребителем кобальт марки К0, применяемый для никельсодержащих сталей и сплавов, может содержать до 0,05 % никеля. Обрезь кромок катодных листов марок К0, К1Ау и К1А поставляется в качестве кобальта марки К1 без дополнительного подтверждения химического состава.

Формы поставки кобальта металлического

Кобальт металлический поставляется в нескольких формах, выбор которых определяется технологическими требованиями потребителя.

Катодные листы и пластины

Катодные листы получают электролитическим осаждением кобальта из растворов сульфата или хлорида кобальта. Кромки катодных листов обрезают с четырёх сторон. Пластины нарезают из катодных листов. Размеры пластин: минимальный — 20×20 мм, максимальный — 500×500 мм. Катодные листы и пластины не должны иметь налёта солей, загрязнений и включений солей электролита. Для марок К0, К1Ау и К1А дендриты и расслоение не допускаются. Допускаются цвета побежалости, питтинг и плотная бугроватость (не более 10 % площади).

Слитки кобальтовые

Кобальтовые слитки получают восстановительной плавкой оксида кобальта или электроплавкой. Масса слитка — не более 25 кг. Поверхность слитков не должна иметь посторонних включений. Слитки кобальта используют как шихтовой материал для выплавки жаропрочных, магнитных и специальных сплавов.

Кобальтовые полосы

Полосы нарезают из катодных листов произвольного размера. На полосах марок К0, К1Ау, К1А допускается дендритная кромка высотой не более 10 мм.

Порошок кобальтовый ПК-1у

Кобальтовый порошок нормируется отдельным стандартом — ГОСТ 9721-79 «Порошок кобальтовый. Технические условия». Порошок изготавливается электролитическим методом и предназначен для производства изделий методами порошковой металлургии и магнитов. Выпускается одной марки — ПК-1у. Содержание кобальта — не менее 99,35 %. Размер частиц — не более 71 мкм. Порошок кобальтовый относится ко 2-му классу опасности (ГОСТ 12.1.007). ПДК в воздухе рабочей зоны — 0,5 мг/м³.

Подробнее о кобальтовом порошке читайте на странице кобальтовый порошок.

Получение кобальта металлического

Кобальт — относительно редкий металл. Его содержание в земной коре составляет 4·10⁻³ % по массе. Богатые кобальтовые месторождения практически исчерпаны, поэтому кобальт извлекают преимущественно попутно из никелевых и медно-никелевых руд. Основные кобальтсодержащие минералы: кобальтин (CoAsS), линнеит (Co₃S₄), каролит (CuCo₂S₄), скуттерудит (CoAs₃), сферокобальтит (CoCO₃).

Гидрометаллургическая переработка

Кобальтсодержащее сырьё (руды, концентраты) обрабатывают растворами серной или соляной кислоты для перевода металлов в раствор. Из раствора последовательно удаляют примеси: медь — селективной экстракцией, железо и мышьяк — гидролитическим осаждением при контролируемом pH. Для отделения кобальта от никеля применяют жидкостную экстракцию или фракционное осаждение.

Электролитическое получение (электроэкстракция)

Очищенный раствор хлорида или сульфата кобальта подвергают электроэкстракции. На катодах осаждается кобальт высокой чистоты (марка К0 — 99,98 %). Электролиз раствора сульфата кобальта (CoSO₄) или хлорида кобальта (CoCl₂) может проводиться в присутствии борной кислоты (H₃BO₃), которая служит буферной добавкой для стабилизации pH прикатодного слоя.

Огневое (пирометаллургическое) рафинирование

Применяется для получения кобальта марок К1Ау, К1А, К1, К2. Исходным сырьём служит оксид кобальта, который подвергают восстановительной плавке с углём в электропечах. Полученный металл разливают в изложницы. Масса слитка — не более 25 кг.

Упаковка и транспортирование кобальта

Требования к упаковке и транспортированию регламентированы ГОСТ 123-2018:

Для длительного хранения кобальт упаковывают в деревянные ящики массой брутто до 500 кг или специализированные контейнеры. Ящики окантовывают стальной лентой по ГОСТ 3560. Хранение осуществляют в закрытых помещениях с твёрдым покрытием пола и естественной вентиляцией. Железнодорожным транспортом кобальт перевозят в крытых вагонах и универсальных контейнерах по ГОСТ 18477.

Применение кобальта в промышленности

Основная область потребления кобальта — металлургия и производство специальных сплавов. Ниже рассмотрены ключевые направления применения.

Жаропрочные и жаростойкие сплавы

Кобальт входит в состав жаропрочных сплавов, работающих при температурах выше 1000 °C. Кобальтовые суперсплавы применяют для лопаток газовых турбин, деталей авиационных двигателей, элементов энергетических установок. Кобальт сохраняет высокую прочность при повышенных температурах и превосходит в этом отношении никель, что делает его незаменимым компонентом турбинных сплавов. Для шихтовки жаропрочных сплавов используют кобальт марки К0.

Твердосплавные материалы и режущий инструмент

В твёрдых сплавах групп ВК (вольфрамокобальтовые), ТК (титановольфрамокобальтовые) и ТТК порошок кобальта выступает пластичной металлической связкой, цементирующей частицы карбидов вольфрама и титана. Содержание кобальта в твёрдых сплавах — от 3 до 25 %. Эти материалы используют для изготовления резцов, свёрл, фрез, штампов и буровых коронок. Подробнее о вольфрам-кобальтовых смесях — на странице вольфрам-кобальтовая смесь.

Магнитные сплавы и материалы

Кобальт — один из трёх ферромагнитных металлов (наряду с железом и никелем). Его высокая точка Кюри (1121 °C) позволяет создавать магнитные материалы, сохраняющие свойства при повышенных температурах. Кобальт используют в магнитотвёрдых сплавах (для постоянных магнитов электродвигателей, генераторов, акустических систем) и магнитомягких сплавах (для сердечников трансформаторов и магнитопроводов).

Легирование сталей

Кобальт как легирующий элемент повышает жаропрочность, твёрдость и красностойкость сталей. Быстрорежущие стали с добавлением кобальта (5–10 %) сохраняют режущие свойства при высоких температурах. Примеры: стали типа Р9К5, Р6М5К5, Р18К5Ф2.

Износостойкие покрытия

Пластины и катодные листы из кобальта служат источником чистого металла для нанесения износостойких покрытий на детали оборудования методами электроосаждения и напыления.

Химические катализаторы

Кобальт и его соединения применяются как катализаторы в нефтехимии (синтез Фишера — Тропша, гидроочистка нефтепродуктов), промышленности полимеров и других химических процессах.

Аккумуляторные технологии

Соединения кобальта используют в катодных материалах литий-ионных аккумуляторов. Для этих целей в качестве сырья может применяться кобальт в виде порошка или слитков, из которых получают оксиды и соли кобальта.

Пигменты и окрашивание стекла

Соединения кобальта придают стеклу и керамике характерную ярко-синюю окраску (кобальтовая синь, тенарова синь). Эта технология известна с древности и применяется по сей день в производстве декоративных изделий, эмалей и глазурей.

Требования безопасности при работе с кобальтом

Кобальт и его соединения относятся ко 2-му классу опасности. ПДК кобальта в воздухе рабочей зоны — 0,5 мг/м³ (ГОСТ 12.1.005). Мелкодисперсный порошок кобальта пирофорен и требует хранения в герметичной таре. При работе с порошком необходимы средства индивидуальной защиты органов дыхания и вентиляция рабочей зоны. Длительное воздействие кобальтовой пыли может вызывать заболевания органов дыхания и сердечно-сосудистой системы.

Нормативные документы на кобальт

Основные стандарты, регламентирующие качество металлического кобальта и кобальтового порошка: