钴基合金的性能

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。

由于钴具有不可替代的物理、化学性能，应用领域非常广泛，包括可充电电池材料、超硬耐热硬质合金、石化催化剂、陶瓷色釉料、磁性材料、饲料添加剂、医药品等行业。虽然钴是小金属，但是钴产品已经大量用于我们的日常生活，例如：我们日常用的手机锂离子电池里有5-10克钴；（注：锂离子电池是日本索尼公司于1990年发明的，于本世纪初开始大量进行入商业生产，目前锂离子电池所消耗的钴已经占全球消费量的近40%，是钴的第一大用途。）人体中也含有微量的钴，如果缺乏钴元素，人体会得病，一般表现是贫血。大家熟知的维生素B12中就有钴元素；

除了人们日常生活中的用到钴外，钴在工业领域也有重要的用途。金属钴主要用于制备合金。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。

硬质合金及超级硬质合金中所消耗的钴在锂离子电池发明以前一直是钴的第一大用途，目前是第二大用途，约占钴消耗量的20%。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，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。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；在温度在1038℃以上时，钴基合金的优越性就显露无遗，特别适合用于制造高效率的高温发动机，因此钴基合金在航空航天技术中有最广泛的应用。在航空涡轮发动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具有高抗氧化性。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；

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25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%-35%的磁性。由于钴优越的磁特性，被大量应用于磁性材料制造，例如：扬声器。

钴还作为催化剂应用于石油化工行业，作为粘合剂应用于橡胶轮胎行业。

综上所述，钴虽然是小金属，其广泛的用途却不可小视。特别是因其在航空航天等军工领域有着不可替代的作用，所以美国、日本、俄罗斯等国家都把钴作为重要的战略储备物资，中国近年也开始建立了自己的钴储备。随着钴在锂离子电池中的大量应用，其特殊的战略地位更加凸显。

四、钴的加工史

目前，自然界中已发现的钴矿物和含钴矿物共百余种，分属于单质、碳化物、氮化物、磷化物和硅磷化物、砷化物和硫砷化物、锑化物和硫锑化物、碲化物和硒碲化物、硫化物、硒化物、氧化物、氢氧化物和含水氧化物氢氧化物、砷酸盐、碳酸盐以及硅酸盐等14大类。德国和挪威最早生产了少量的钴，1874年开发了新喀里多尼亚的氧化钴矿。1903年加拿大安大略北部的银钴矿和砷钴矿（方钴矿）开始生产，使钴的世界产量由1904年的16t猛增至1909年的1553t。1920年刚果（金）加丹加省的铜钴矿带开发后，钴产量一直居世界首位。非洲另一个国家摩洛哥也在用砷钴矿生产钴。这段时期以火法生产钴为主。此后，第二次世界大战前夕，芬兰从含钴黄铁矿烧渣中提钴，战后送至西德氯化焙烧处理，直到1968年才建立起科科拉钴厂。日本、法国、比利时有规模较大的钴精炼厂，分别处理菲律宾、澳大利亚、摩洛哥、赞比亚的富钴中间产物。

与上述国家相比，中国的钴工业起步较晚。1952年，江西省南昌市五金矿业公司用简易鼓风炉熔炼钴土矿产出钴铁。1956年按此工艺建设了江西冶炼厂，产出的钴铁送至上海三英电冶厂（上海冶炼厂前身）处理。广东梅县也用同样工艺从钴土矿熔炼出钴铁送潮州冶炼厂处理生产工业氧化钴。1954年，沈阳冶炼厂以湿法炼锌钴渣为原料产出首批电钴，拉开了中国电钴生产的序幕，沈阳冶炼厂锌系统采用黄药法除钴产出黄原酸钴渣，该厂以此钴渣为原料，通过还原溶解、氧化沉钴产出含Co 30%～40％的氢氧化钴，然后再经干燥、焙烧、电炉还原熔炼成粗金属钴，最后用电解精炼法得到电钴。1958年，赣州钴冶炼厂从当地的钴土矿中生产出氧化钴。由于当地钴土矿资源分散，无法大规模开采，在冶金工业部安排下，赣州钴冶炼厂于1960年开始处理从摩洛哥进口的砷钴矿，这是中国用进口钴原料生产钴的开始。1966年，葫芦岛锌厂首家建成了从钴硫精矿中回收钴的车间,以后又陆续建成了南京钢铁厂钴车间，淄博钴冶炼厂，湖北光化磷肥厂的钴车间。

近年来，因其环保、节能、成本等原因，湿法提取工艺已成为生产钴的主要方法。中国各钴加工厂主要从非洲进口氧化铜钴混合矿，采取湿法提取工艺生产钴产品。1992年，中国开放了钴产业，外资、民营资本都可以进入。摆脱了所有制的桎梏，又恰逢20世纪未21世纪初锂离子电池的爆炸式增长的机遇，中国一批钴企业获得了惊人的发展。目前中国的钴产能已经突破2万吨/年，成为全球最大的钴生产国家。金川有色金属公司的钴产量已经达到6000吨/年，成为中国最大的钴生产基地，浙江华友钴业股份有限公司产量已经达到4000吨/年，是中国第二大钴加工企业。北京当升科技股份有限（生产钴酸锂为主）、深圳格林美科技股份有限公司（生产钴粉为主）这二家生产钴新材料的企业已经分别于2010年和2009年在中国深圳交易所上市。一大批钴生产企业，如金川，华友、凯力克、巴莫、瑞翔等均在做上市的准备。但老一代的钴加工厂除金川公司得到了发展外，大部份已经不再生产钴或产量很小了。

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07-30%。，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。

司太立合金（Stellite）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）合金或钴基合金，司太立合金由美国人Elwood Hayness 于1907年发明。司太立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，偶而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

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。也可以制成铸锻件和粉末冶金件。

CoCrMo合金

CoCrMo合金（钴铬钼）是钴基合金中的一种，也是通常所说的司太立（Stellite）合金的一种，是一种能耐磨损和耐腐蚀的钴基合金。最初的钴基合金是钴铬二元合金，之后发展成钴铬钨三元组成，再后来才发展出钴铬钼合金。钴铬钼合金是以钴作为主要成分，含有相当数量的铬、钼和少量的镍、碳等合金元素，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。

钴和铬是钴基合金的二种基本元素，而添加钼能得到较细的晶粒并在铸造或锻造后有较高的强度。钴铬钼合金，基本上分为二类：一类是CoCrMo合金，通常是铸造产品，另一类是CoNiCrMo合金，通常是(热)锻造精密加工的。铸造CoCrMo合金已用于牙科数十年，目前用来制造人工关节，锻造CoNiCrMo合金用来制造承受大负荷重关节如膝关节和髋关节。但是作为关节植入材料，CoCrMo合金在植入人体后会有Co，Cr，Ni等对人体有害的离子释放出来。

铁铬钴合金的主要成分是：

fe（金属铁）  含量65%左右

Cr （金属铬）含量20%左右

Co （金属钴）含量10%左右

根据材料的功能和磁力要求 成分比例不完全一致，另外可以添加微成分增加材料的适应性。

我做铁铬钴材料研究， 有不清楚的地方可以共同探讨。