鈷
鈷(Co)是一種有光澤的剛灰色的有色重金屬,20℃時的密度為8.9g/cm3,幾乎與Cu的密度8.96g/cm3相等,硬而脆,有鐵磁性,溫度達到1150℃時,磁性消失。鈷的化合價為2和3,鈷在常溫下不與水反應,在潮濕大氣中也是如此,很穩定。若溫度高于300℃會氧化成CoO,白熱時燃燒成Co3O4。鈷的熔點時1150℃,它的原子序數時27,原子量是58.93,游離態Co與化合態Co的性能都與Fe及Ni相似。
鈷是瑞典化學家布朗特(G·Brandt)1753年發現的,他從輝鈷礦中分離出一種淺玫瑰色的灰色金屬,從而宣告鈷的面世,1780年瑞典化學家伯格曼(T·Bergman)確定鈷為元素。關于鈷的命名還有一段小小的故事,鈷的拉丁文(Cobalt)原意是“地下魔鬼”,很久很久以前,德國薩克森州有一個很大的銀、銅多金屬礦,礦工發現一種外表酷似銀的礦石,希望能提煉出有價金屬,可是事與愿違,不但未能提煉出有價值的東西,而且工人在被冶煉過程中放出的二氧化硫(SO2)等有毒物質毒倒,人們把這件事說成是“地下魔鬼”作祟,其實這個“魔鬼”就是輝砷鈷礦(CoAsS)中的砷與硫,在冶煉過程中與空氣中的氧作用,形成As2O3與SO2,它們是有強烈刺激氣味的有毒物質,As2O3就是砒霜。
鈷為什么會榮登2017年金屬市場明星
據英國《金屬時報》網站稱,鈷將成為2017年金屬市場最閃耀的明星品種,為什么呢?因為目前全世界產的鈷(2016年的產量約38kt)約有一半用于制造鋰鈷電池,而這類電池是便攜式電子設備的唯一電源,也是智能手機不可或缺的能源供應者,智能手機用的電池雖小,但數量巨大,據相關預計,今年手機用鋰鈷電池的需求量將在2016年需求量的基礎上,增加10%以上,而且近幾年內其復合增長率都不會低于此數。
與鋰不同的是,目前,鈷還沒有用于制造日益繁榮發達的電動車和新能源車動力電池。但值得注意的是,自2016年12月以來,中國開始提出要大力提高新能源車動力電池質量,提高動力電池能源效率,這就為鋰鈷電池開辟了新的應用領域與市場。這個市場前景廣闊。
當下,鈷主要用于制造電池,在此領域,鋰的用量比鈷少得多,鋰至少要在10年以后,其消費量才能趕上鈷的消費水平。
中國鈷資源短缺,需要大量進口
世界上主要有四種有實用價值的鈷礦。一是銅鈷礦,主要產地為扎伊爾、贊比亞。扎伊爾的鈷產量占世界總產量的50%以上。二是鎳鈷礦,有硫化礦和氧化礦之分。三是砷鈷礦。四是含鈷黃鐵礦。2016年,全球鈷產量約38kt,扎伊爾和贊比亞是鈷礦最大生產國,占世界總產量的70%左右。
中國目前已探明的鈷資源量約80kt,占世界總量的1%,分布于全國25個省、區,其中主要的是甘肅、山東、云南、湖北、青海、河北和山西,它們的儲量占全國總儲量的70%以上,且以甘肅的儲量最多,占全國的30%以上,另外,安徽、四川、海南、新疆等省區也有一些儲量。
中國2016年的鈷產量約650噸,主要是從進口的礦石中提取的。國內的礦石多產自甘肅金川白家嘴子銅鎳礦區、吉林盤石紅旗嶺和通化赤柏松銅鎳礦區、湖北鐵山鐵礦和大冶銅錄山銅鐵礦、山東金嶺鐵礦、山西篦子溝銅礦和四川會理拉拉廠銅礦等,其中白家嘴子的產量占全國礦石總量的85%。值得注意的是,經過多年開采,這些礦山的鈷資源量日益貧乏,進口壓力不斷上升,同時,中國進口的鈷礦石的90%以上來自非洲剛果(金),存在相當大的地緣政治風險,因此鈷成為中國單一商品供應風險最大的金屬,如有可能現在不妨多進口一些,它是一種有較大升值空間的資源。
鈷是一種生產高端產品必須的材料
在生產高端產品中,鈷是一種必不可少的原材料,幾年以前,鈷主要用于制造高溫合金、磁性合金和切削刀具合金。但是自2016年以后,全世界一半的鈷消費量在制造消費類電子領域(手提電腦、平板電腦、智能手機等)的鋰鈷電池,并且會不斷滲入到電動車及新能源汽車所必需的動力電池領域,因此,鈷有著極大的發展前景。
鈷除了約有一半的消費量在制造鋰鈷電池領域外,其余的鈷多以金屬形態被使用,其中一項主要用途是制造高溫合金,含鈷的高溫合金在溫度高達700℃以上的環境內,仍能保持其原有的強度性能和其他有價值的特性,因而在噴氣航空航天發動機、燃氣輪機和其他在高溫下運轉的裝置中獲得了廣泛應用,其被廣泛用于制造各種零部件。這類高溫合金大多數含有20%~65%Co,以及鎳、鉻、鉬、鎢等難熔元素,它們還有高的抗氧化性,零部件表面不用涂覆抗氧化涂料,另外核反應堆的渦輪發電機的關鍵零部件也是用鈷合金制造的,可連續運轉一年以上不用檢修,美國實驗堆用的發電機鍋爐SNAP-2和SNAP-8就是用鈷合金制造的。
鈷是磁化一次就能保持磁性的少數金屬之一。金屬在熱影響下,喪失磁性的溫度叫居里點,鐵的居里點是769℃,鎳的居里點為358℃,而鈷的居里點竟然高達1135℃。含60%Co的磁性鋼比一般的磁性鋼的矯頑磁力大2.5倍;在振動的作用下,普通磁鋼會喪失34%的磁性,而鈷鋼在同樣的條件下,僅僅喪失3.5%以下,因而,鈷在磁性材料中有著不可替代的明顯優勢,中國正在發展有特色的永磁磁懸浮高速列車,鈷磁性材料可派上大用場,大有用武之地。性能最佳的工業磁鋼含35%Co以及一些鎢和鉻;鋁-鎳-鈷磁鋼含6%Al~12%Al、14%Ni~30%Ni、5%Co~12%Co,其余的是Fe。從上世紀70年代初開始,鈷-稀土合金永磁體的生產工藝與應用取得了長足進步,這是一類磁力很強的永磁體。
鈷可以顯著提高刀具鋼的抗磨性和切削性能,含Co量≥50%的鎢-鉻-鈷合金,即司太立特硬質合金(stellite)即使加熱到1000℃,硬度也不會降低,現在這種合金已成為硬質合金家族中的精英。鈷在合金中可與其他金屬碳化物粒子結合在一起,從而使合金具有更高的韌性,對沖擊敏感性能也大大下降,將這種合金熔焊于零件表面,可提高零部件壽命3~7倍。在航空航天發動機制造中,除了使用鈷合金以外,也可以使用鎳基合金,但它們的強化機制卻完全不同,含鈦和鋁的鎳基合金之所以有高的強度是因為形成了Ni3Al(Ti)強化相,當溫度高時,這種強化相粒子就溶入固溶體中,合金強度就會下降,這就是說,當工作溫度高于950℃時,鎳基合金優越性就不復存在了。而鈷基合金的耐熱性能是因為形成了難熔的化合物,不會溶于固溶體,同時,擴散系數也小,即使溫度高達1050℃,鈷基合金仍有很高的強度性能,因此,鈷基高溫合金是制造高效航空發動機葉片與結構的良好材料。
為了研發中國的航空發動機,中國航空發動機集團有限公司(以下簡稱中國航發集團)于2016年7月正式掛牌成立,注冊資本500億元,主要股東包括中國商飛、北京國資經營管理中心、國務院國資委、中航工業集團。
航空發動機素有現代工業“皇冠明珠”之稱,是一個國家科學技術和工業實力的重要體現和標志。目前,全世界航空發動機產業除了俄羅斯在軍機領域還有一把小交椅,烏克蘭也沾點邊外,其余絕大部分軍民航空發動機研發與生產被三大公司占據,美國通用電氣公司(GE)、美國惠普公司(PW)和英國羅爾斯·羅伊斯汽車和飛機發動機公司(Rolls-Royce,RR),它們及其旗下的合資子公司2016年的航空發動機銷售額占全球總額的95%左右。
中國此前在軍機發動機領域做了不少工作,成績斐然,其承載主體為中航動控、中航動力、成發科技這三家上市公司,而在民用機發動機領域中國尚是白紙一張,2016年才起步,可能還要四五年才有所建樹,取得有里程碑意義的成就可能要到2025年前后,國產大民用飛機發動機才能裝上C919大飛機。目前,中國自主研制的民用飛機發動機都是進口,支線客機ARJ21采用的是GE公司的CF34-10A發動機,大飛機C919采用的是進口的LEAP-1C發動機。中國航空發動機產業之所以落后,有設計與制造方面的問題,也有材料方面的問題,制造航空發動機葉片與高溫機構用的鎳基、鈷基高溫合金等還沒有形成性能穩定可靠、價格有國際市場競爭力的批量生產能力,有色金屬工業企業職工必須擼起袖子加油干,盡快為國家建立航空發動機自主發展工業體系提供綜合性能優異、性價比高的高溫合金與其他有色金屬材料。一代材料,一代發動機,材料必須先行。
鈷的其他用途
鈷可用作碳化鎢的基體或粘合劑。3%Co~25%Co可使用在鉆頭和工具機上。有實用價值的硬質碳化鎢具有所需的堅韌性和抗震性,將5%Co~12%Co加到標準高速鋼中,可以提高它們的高溫切削效率,重型機械零件加工多用此類鋼刀具。
人造放射性同位素鈷-60可以取代χ射線和鐳探測金屬內部損傷和物體內部的裂縫和異物,也用于治療癌癥,在生物學和工業上可以用作示蹤物。
約含18%Co、28%Ni、54%Fe的合金可用于封裝玻璃金屬。含36.5%Fe、9.5%Cr、54%Co的合金的線脹系數實際上為零,非常難能可貴的性能。含65%Co、30%Cr、5%Mo或W的合金是一種生物相容性好的醫用材料,既不會被液體侵蝕,也不會刺激人體組織,是一種難得的牙科和外科材料。
鈷也是一種電阻合金、鈹青銅和其他彈簧合金、陰極絲、陰極芯合金的組分。鈷化物在工、農業上有著廣泛的應用,牛羊缺鈷元素會發生消瘦病。
中國向俄羅斯訂購的蘇-35戰機已從2016年起陸續到貨,其117S型發動機是土星設計局設計與研發的。