钴基合金应用领域研究论文

钴的物理、化学性质决定了它是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料。钴基合金或含钴合金钢用作燃汽轮机的叶片、叶轮、导管、喷气发动机、火箭发动机、导弹的部件和化工设备中各种高负荷的耐热部件以及原子能工业的重要金属材料。钴作为粉末冶金中的粘结剂能保证硬质合金有一定的韧性。磁性合金是现代化电子和机电工业中不可缺少的材料，用来制造声、光、电和磁等器材的各种元件。钴也是永久磁性合金的重要组成部分。在化学工业中，钴除用于高温合金和防腐合金外，还用于有色玻璃、颜料、珐琅及催化剂、干燥剂等。据英国《金属导报》报道，来自硬质金属部门和超合金方面对钴的需求较为强劲。另外，钴在电池部门消费量增长率最高。国内有关报道讲，钴在蓄电池行业、金刚石工具行业和催化剂行业的应用也将进一步扩大，从而对金属钴的需求呈上升趋势。单独钴矿床一般分为砷化钴矿床、硫化钴矿床和钴土矿矿床三类。钴除单独矿床外，大量分散在夕卡岩型铁矿、钒钛磁铁矿、热液多金属矿、各种类型铜矿、沉积钴锰矿、硫化铜镍矿、硅酸镍矿等矿床中，其品位虽低，但规模往往较大，是提取钴的主要来源。综合矿床伴生钴的评价指标尚无统一规定，一般选冶性能好的矿石，含钴品位大于0.01%。钴精矿的品位0.2%便有价值，如果金属矿床规模大、矿石综合回收效好，钴有多少算多少。钴硫精矿按化学成分，精矿分为六个等级，均按干矿品位计算。 制取合金金属钴主要用于制取合金。钴基合金是钴和铬、钨、铁、镍组中的一种或几种制成的合金的总称。含有一定量钴的刀具钢可以显著地提高钢的耐磨性和切削性能。含钴50%以上的司太立特硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度，如今这种硬质合金已成为含金切削工具和铝间用的最重要材料。在这种材料中，钴将合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起，使合金具更高的韧性，并减少对冲击的敏感性能，这种合金熔焊在零件表面，可使零件的寿命提高3～7倍。航空航天技术中应用最广泛的合金是镍基合金，也可以使用钴基合金，但两种合金的“强度机制”不同。含钛和铝的镍基合金强度高是因为形成组成为NiAl(Ti)的相强化剂，当运行温度高时，相强化剂颗粒就转入固溶体，这时合金很快失去强度。钴基合金的耐热性是因为形成了难熔的碳化物，这些碳化物不易转为固体溶体，扩散活动性小，在温度在1038℃以上时，钴基合金的优越性就显示无遗。这对于制造 高效率的高温发动机，钴基合金就恰到好处。在航空涡轮机的结构材料使用含20%～27%铬的钴基合金，可以不要保护覆层就能使材料达高抗氧化性。核反应堆供热汞作使热介质的涡轮发电机可以不检修而连续运转一年以上。据报道美国试验用的发电机的锅炉就是用钴合金制造的。钴是磁化一次就能保持磁性的少数金属之一。在热作用下，失去磁性的温度叫居里点，铁的居里点为769℃，镍为358℃，钴可达1150℃。含有60%钴的磁性钢比一般磁性钢的矫顽磁力提高2.5倍。在振动下，一般磁性钢失去差不多1/3的磁性，而钴钢仅失去2%～3.5%的磁性。因而钴在磁性材料上的优势就很明显。钴金属在电镀、玻璃、染色、医药医疗等方面也有广泛应用。用碳酸锂与氧化钴制成的钴酸锂是现代应用最普遍的高能电池正极材料。钴还可能用来制造核武器，一种理论上的原子弹或氢弹，装于钴壳内，爆炸后可使钴变成致命的放射性尘埃。 制取颜料钴不仅是制造合金钢的重要金属，而且是各种高级颜料的重要原料。据17世纪保存下来的文件记载，沙俄为了购买昂贵的钴颜料曾花费了巨额资金，这种钴颜料叫“戈卢贝茨”，是“蓝色”的意思。克里姆林宫的大厅和安眠大教堂等许多宏伟大厦的墙壁上涂的蓝色颜料，就是这种“戈卢贝茨”。中世纪时，威尼斯的玻璃工匠用钴颜料制造出各种精致的蓝色玻璃杯，不久就风靡世界各国。威尼斯的工匠们为了使自己的玻璃杯在市场保有无可争辩的竞争力，对玻璃杯的制造工艺和钴颜料的配方严守秘密。为了杜绝泄漏技术情报，威尼斯政府把所有的玻璃厂都搬迁到一个小岛上，不经允许，谁也不准参观这个地方。但是，有一个叫乔吉奥·贝莱赖诺的学徒因不愿意忍受岛上的枯燥生活，还是从岛上逃跑了，后来逃到德国，在那里他自己开了一个玻璃杯生产工厂，但他并没能逃脱灾难。一天，有人放火把他的工厂烧个精光，还把他这个从岛上逃出来的工厂主“放了血”，差点丢了性命。可见，威尼斯人把钴颜料的秘密看得何等重要。 500多年前，中国大量生产的景泰蓝也是用蓝色的钴颜料烧制的。明代景泰年间生产的这种金属艺术品至今还享誉世界。据说还有不少国外的情报人员千方百计想得到景泰蓝的配方和烧制工艺。钴的一些化合物，在不同状态和温度时，具有变化莫测的颜色。据记载，16世纪著名的化学家兼医生帕拉塞尔萨斯常爱表演他的拿手戏法，每次都博得看客的热烈掌声。他先把一幅上面画有覆盖着积雪的树木和小山的冬季风景的油画拿给观众看，待他们欣赏够了之后，他就在众目睽暌之下把油画中的冬天“变”成了夏天：树上的积雪一下不见了，变成了成簇的绿叶；白色积雪的山丘则变成了长满绿草的山坡。观众无不赞叹，可就是不知其中的奥秘。其实，这是帕拉塞尔萨斯利用氯化钴这种钴的化合物变的一个魔术。原来在室温下，氯化钴可以制成一种白色的溶液（溶液中含有一定数量的镍和铁），帕拉塞尔萨斯就用这种溶液作画，在画干了后，只要稍微加热，氯化钴就会变成非常漂亮的绿色。帕拉塞尔萨斯表演时，先把氯化钴溶液涂在他的魔画上，然后趁观众欣赏画面而没有注意他的瞬间，麻利地将一支蜡烛悄悄地放在油画背后加热它，于是，氯化钴受热后就变成绿色，使人目瞪口呆的季节变化也就发生了。 钴是维生素B12组成部分，反刍动物可以在肠道内将摄入的钴合成为维生素B12，而人类与单胃动物不能将钴在体内合成B12。还不能确定钴的其它的功能，但体内的钴仅有约10%是维生素的形式。已观察到无机钴对刺激红细胞生成有重要的作用。有种贫血用叶酸、铁、B12治疗皆无效，有人用大剂量的二氯化钴可治疗这类贫血。然而，这么大剂量钴反复应用可引起中毒。钴对红细胞生成作用的机制是影响肾释放促红细胞生成素，或者通过刺激胍循环。还观察到供给钴后可使血管扩张和脸色发红，这是由于肾释放舒缓肌肽，钴对甲状腺的功能可能有作用，动物实验结果显示，甲状腺素的合成可能需要钴，钴能拮抗碘缺乏产生的影响。 钴元素能刺激人体骨髓的造血系统，促使血红蛋白的合成及红细胞数目的增加。大多以组成维生素B12的形式参加体内的生理作用。钴刺激造血的机制为：①通过产生红细胞生成素刺激造血。钴元素可抑制细胞内呼吸酶，使组织细胞缺氧，反馈刺激红细胞生成素产生，进而促进骨髓造血。②对铁代谢的作用。钴元素可促进肠粘膜对铁的吸收，加速贮存铁进入骨髓。③通过维生素B12参与核糖核酸及造血物质的代谢，作用于造血过程。④钴元素可促进脾脏释放红细胞（血红蛋白含量增多，网状细胞、红细胞增生活跃，周围血中红细胞增多），从而促进造血功能。

钴基合金，是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金。即通常所说的钴铬钨（钼）合金或司太立（Stellite）合金（司太立合金由美国人Elwood Hayness 于1907年发明）。钴基合金是以钴作为主要成分，含有相当数量的镍、铬、钨和少量的钼、铌、钽、钛、镧等合金元素，偶尔也还含有铁的一类合金。根据合金中成分不同，它们可以制成焊丝，粉末用于硬面堆焊，热喷涂、喷焊等工艺，也可以制成铸锻件和粉末冶金件。按使用用途分类，钴基合金可以分为钴基耐磨损合金，钴基耐高温合金及钴基耐磨损和水溶液腐蚀合金。一般使用工况下，其实都是兼有耐磨损耐高温或耐磨损耐腐蚀的情况，有的工况还可能要求同时耐高温耐磨损耐腐蚀，而越是在这种复杂的工况下，才越能体现钴基合金的优势。一般钴基高温合金缺少共格的强化相，虽然中温强度低(只有镍基合金的50-75%)，但在高于980℃时具有较高的强度、良好的抗热疲劳、抗热腐蚀和耐磨蚀性能，且有较好的焊接性。适于制作航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。碳化物强化相 钴基高温合金中最主要的碳化物是 MC﹑M23C6和M6C在铸造钴基合金中，M23C6是缓慢冷却时在晶界和枝晶间析出的。在有些合金中，细小的M23C6能与基体γ形成共晶体。MC碳化物颗粒过大，不能对位错直接产生显着的影响，因而对合金的强化效果不明显，而细小弥散的碳化物则有良好的强化作用。位于晶界上的碳化物(主要是M23C6)能阻止晶界滑移，从而改善持久强度，钴基高温合金HA-31(X-40)的显微组织为弥散的强化相为 (CoCrW)6 C型碳化物。在某些钴基合金中会出现的拓扑密排相如西格玛相和Laves等是有害的，会使合金变脆。钴基合金较少使用金属间化合物进行强化，因为Co3 (Ti﹐Al)﹑Co3Ta等在高温下不够稳定，但近年来使用金属间化合物进行强化的钴基合金也有所发展。钴基合金中碳化物的热稳定性较好。温度上升时﹐碳化物集聚长大速度比镍基合金中的γ 相长大速度要慢﹐重新回溶于基体的温度也较高(最高可达1100℃)﹐因此在温度上升时﹐钴基合金的强度下降一般比较缓慢。钴基合金有很好的抗热腐蚀性能，一般认为，钴基合金在这方面优于镍基合金的原因，是钴的硫化物熔点(如Co-Co4S3共晶，877℃)比镍的硫化物熔点(如Ni-Ni3S2共晶645℃)高，并且硫在钴中的扩散率比在镍中低得多。而且由于大多数钴基合金含铬量比镍基合金高，所以在合金表面能形成抵抗碱金属硫酸盐(如Na2SO4腐蚀的Cr2O3保护层)。但钴基合金抗氧化能力通常比镍基合金低得多。 早期的钴基合金用非真空冶炼和铸造工艺生产。后来研制成的合金，如Mar-M509合金，因含有较多的活性元素锆、硼等，用真空冶炼和真空铸造生产。

钴是一种重要的战略金属，钴及其合金在电机、机械、化工、航空航天等领域有着广泛的应用。制造合金时，钴的含量为75%~80%，化学、电子工业中使用的化合物占20%~25%。镍基耐高温合金或含钴合金钢可以作为燃气轮机的叶片、叶轮、导管、喷气发动机、火箭发动机、导弹组件，以及化工设备中的各种高负荷耐热部件，以及原子能工业的重要金属材料。能够耐高温、硬研磨的钴基耐磨合金用于制造采掘设备、航海柴油机、航空发动器排气阀等。此外，钴也可以和碳化钨一起生产硬质合金。钴系永磁合金的重要组成成分之一，其磁力线密度较高，阿尼科系高导磁率合金钴含量占钴25%。低膨胀系数合金也是钴的理想材料。

例如，含有17%、29%、53%、0.2%的钴合金，其膨胀系数与玻璃相同，可熔焊在玻璃中，用于电器、无线电、照明等。含有钴的蓝色玻璃具有很高的红透性，用于火焰分析。含有钴的玻璃也用于光学滤镜和眼科学治疗装置，钴也可以作为玻璃去色剂。氧化钴是一种釉面颜料，加入5%氧化钴，制成深蓝色。加入钴后，陶瓷中和黄色变为白色，得到了优质的白色制品。各种有机酸钴盐作为聚合物合成催化剂。例如，乙酸钴作为人造纤维催化剂，萘酸钴作为涂料干燥剂，Co-Mo-Al催化剂用于加氢和脱硫。

钴盐是人体必需的微量元素之一。缺钴会导致牛、羊食欲下降、发育迟缓和减少奶量。含有钴的维他命2能够预防人类恶性贫血病。能发出γ射线的同位素60 Co，可用于物理化学研究和医学。手术也使用钴。

司太立合金的典型牌号有：Stellite1，Stellite4，Stellite6，Stellite8，Stellite12，Stellite20，Stellite31，Stellite100等。在我国，主要对司太立高温合金研究比较深入和透彻。与其它高温合金不同，司太立高温合金不是由与基体牢固结合的有序沉淀相来强化，而是由已被固溶强化的奥氏体fcc基体和基体中分布少量碳化物组成。铸造司太立高温合金却是在很大程度上依靠碳化物强化。纯钴晶体在417℃以下是密排六方（hcp）晶体结构，在更高温度下转变为fcc。为了避免司太立高温合金在使用时发生这种转变，实际上所有司太立合金由镍合金化，以便在室温到熔点温度范围内使组织稳定化。司太立合金具有平坦的断裂应力-温度关系，但在1000℃以上却显示出比其他高温下具有优异的抗热腐蚀性能，这可能是因为该合金含铬量较高，这是这类合金的一个特征。热处理司太立合金中的碳化物颗粒的大小和分布以及晶粒尺寸对铸造工艺很敏感，为使铸造司太立合金部件达到所要求的持久强度和热疲劳性能，必须控制铸造工艺参数。司太立合金需进行热处理，主要是控制碳化物的析出。对铸造司太立合金而言，首先进行高温固溶处理，温度通常为1150℃左右，使所有的一次碳化物，包括部分MC型碳化物溶入固溶体；然后再在870-980℃进行时效处理，使碳化物(最常见的为M23C6)重新析出。堆焊司太立堆焊合金含铬25-33%，含钨3-21%，含碳0.7-3.0%。，随着含碳量的增加，其金相组织从亚共晶的奥氏体+M7C3型共晶变成过共晶的M7C3型初生碳化物+ M7C3型共晶。含碳越多，初生M7C3越多，宏观硬度加大，抗磨料磨损性能提高，但耐冲击能力，焊接性，机加工性能都会下降。被铬和钨合金化的司太立合金具有很好的抗yang化性，抗腐蚀性和耐热性。在650℃仍能保持较高的硬度和强度，这是该类合金区别于镍基和铁基合金的重要特点。司太立合金机加工后表面粗糙度低，具有高的抗擦伤能力和低的摩擦系数，也适用于粘着磨损，尤其在滑动和接触的阀门密封面上。但在高应力磨料磨损时，含碳低的钴铬钨合金耐磨性还不如低碳钢，因此，价格昂贵的司太立合金的选用，必须有专业人士的指导，才能发挥材料的最大潜力。国外还有用铬，钼合金化的含Laves相的司太立堆焊合金，如Co-28Mo-17Cr-3Si和Co-28Mo-8Cr-2Si。由于Laves相比碳化物硬度低，在金属摩擦副中与之配对的材料磨损较小。

是一种银白色铁磁性金属，以化合物形式消费的钴主要用作催化剂、干燥剂、试剂、颜料与染料等。在生物化学中广泛用于活化分析等。

钴的用途：

1、工业用途

钴的物理、化学性质决定了它是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料。钴基合金或含钴合金钢用作燃汽轮机的叶片、叶轮、导管、喷气发动机、火箭发动机、导弹的部件和化工设备中各种高负荷的耐热部件以及原子能工业的重要金属材料。

（1）制取合金

金属钴主要用于制取合金。钴基合金是钴和铬、钨、铁、镍组中的一种或几种制成的合金的总称。含有一定量钴的刀具钢可以显著地提高钢的耐磨性和切削性能。含钴50%以上的司太立特硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度，如今这种硬质合金已成为含金切削工具和铝间用的最重要材料。

在这种材料中，钴将合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起，使合金具更高的韧性，并减少对冲击的敏感性能，这种合金熔焊在零件表面，可使零件的寿命提高3~7倍。航空航天技术中应用最广泛的合金是镍基合金，也可以使用钴基合金，但两种合金的"强度机制"不同。

（2）制取颜料

钴不仅是制造合金钢的重要金属，而且是各种高级颜料的重要原料。据17世纪保存下来的文件记载，沙俄为了购买昂贵的钴颜料曾花费了巨额资金，这种钴颜料叫"戈卢贝茨"，是"蓝色"的意思。克里姆林宫的大厅和安眠大教堂等许多宏伟大厦的墙壁上涂的蓝色颜料，就是这种"戈卢贝茨"。

2、医疗用途

钴是维生素B12组成部分，反刍动物可以在肠道内将摄入的钴合成为维生素B12，而人类与单胃动物不能将钴在体内合成B12。还不能确定钴的其它的功能，但体内的钴仅有约10%是维生素的形式。已观察到无机钴对刺激红细胞生成有重要的作用。

钴元素能刺激人体骨髓的造血系统，促使血红蛋白的合成及红细胞数目的增加。大多以组成维生素B12的形式参加体内的生理作用。

钴刺激造血的机制为：

①通过产生红细胞生成素刺激造血。钴元素可抑制细胞内呼吸酶，使组织细胞缺氧，反馈刺激红细胞生成素产生，进而促进骨髓造血。

②对铁代谢的作用。钴元素可促进肠粘膜对铁的吸收，加速贮存铁进入骨髓。

③通过维生素B12参与核糖核酸及造血物质的代谢，作用于造血过程。

④钴元素可促进脾脏释放红细胞(血红蛋白含量增多，网状细胞、红细胞增生活跃，周围血中红细胞增多)，从而促进造血功能。

因为它是一种微量元素物以稀为贵，它的用处也比较多，价格理所当然就比较昂贵，工业上钴可以用来制备合金，制取颜料，医疗上可以促进造血。

钴是微量元素，不过他也有相应的矿藏。古希腊人，古罗马人，唐朝人都已经有使用钴的痕迹。在1753年瑞典化学家就已经发现这种元素。在1874年的时候，人们就开始了钴矿的开采。因为这种矿藏的应用范围比较广，在那个充满战争的年代，这种元素的需求量非常大，所以很多国家都展开了相关项目的研究，而中国研究的比较晚一些，直到1952年研究才有成效。

因为这种材料是制作合金的材料，世界各国对这种材料都比较重视，制备投入也很大。随着时间的发展，这种材料虽然还是稀有金属，但是也因为世界产量的逐渐提高，价格也开始逐渐下跌。供给量已经超过了需求量，钴的价格到了一个比较稳定的水平，不会轻易的有大幅度的变化。

这种金属元素具有很高的耐热性，在自然界中是一种非常稳定的状态，不容易发生反应，自身的硬度也非常高，防腐蚀还具有磁性，这种元素可以用来制备各种合金。许多需要耐热防腐性质的材料都需要他的参与，像燃气轮机的叶片，喷气发动机，火箭发动机等等，都需要这种金属。钴除了制备高温合金和防腐合金以外，还用于制造有色玻璃颜料，催化剂等等。因为他的状态比较稳定，制造出来的各种颜料也比较稳定，在空气中能够保存很长的时间。而且钴的化合物会有各种颜色，这些化合物也是继承了钴的稳定性，不管是作为颜料还是玻璃材料都非常好。

人体中也是有这种元素的，人体中这种元素的最大作用就是促进造血，它可以帮助产生红细胞生成素，还可以促进对铁的吸收，还可以通过维生素b12参与造血，还可以促进释放红细胞，对造血功能有非常大的作用。